CN108110613B - 多波长半导体分布式反馈激光器阵列及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列及其制备方法，其中制备方法包括以下步骤：在衬底上依次外延生长缓冲层、有源区和光栅层；通过塔尔博特干涉曝光方法在光栅层中形成不同周期的光栅以对应不同的发射波长；在光栅层上依次外延生长覆盖层和接触层；刻蚀形成激光器阵列的脊台结构；掩埋、制作电极，完成器件制备。本发明中的塔尔博特干涉曝光使用不同周期的光刻板设计，通过一次曝光完成不同周期光栅的制作，从而实现半导体激光器阵列的多波长，减少了工艺步骤，提高了成品率；本发明可以实现激光器多波长直接输出、波导耦合输出等。

Description

多波长半导体分布式反馈激光器阵列及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种光通信器件，尤其涉及一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列及其制备方法。
背景技术
随着光纤通信技术的发展，波分复用(WDM)技术成为提高光纤带宽，扩大光通信容量的重要技术。而多波长分布反馈激光器(DFB)阵列是WDM***中不可替代的光源。DFB激光器实现单模的因素是通过光栅实现。其中，一级光栅周期Λ＝λb/2neff，其中λb为布拉格波长，neff为有效折射率。要想获得不同激射波长的半导体激光器阵列，核心是在同一个有效区域制作不同周期的光栅。
目前通过改变光栅周期实现多波长激光器的方案有多次干涉曝光、电子束直写、纳米压印等。多次干涉曝光制作取样光栅工艺步骤多、成品率低、稳定性差；电子束直写成本高、速率低、周期漂移；纳米压印模板成本高、模板使用次数有限、有沾污问题。因此需要研究新的方案来制作不同周期的光栅。
在高速直调DFB激光器的制作中，掺铁掩埋外延步骤中激光器脊台两侧的氧化是增加激光器损耗的一个重要因素。部分厂商采用原位腐蚀的方案，该方案可以除去氧化层，然而容易导致反应室本底污染，影响器件性能。其不是批量生产高速激光器的可行方案。
发明内容
基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列及其制备方法，以解决上述技术问题中的至少一种。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其中所述激光器阵列为由多个发光单元形成的激光器阵列，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、在衬底上外延缓冲层、有源区和光栅层；
步骤2、通过塔尔博特干涉曝光和刻蚀方法在光栅层中形成光栅，所述光栅具有两种以上的周期以对应两种以上的发射波长；
步骤3、完成所述激光器阵列的制备。
进一步地，上述塔尔博特干涉曝光方法为使用两个以上周期的光刻版设计，通过一次曝光完成两种以上周期的光栅的制备。
进一步地，上述有源区的增益材料为AlGaInAs或InGaAsP；所述激光器阵列的发射波长为O波段、C波段、E波段、S波段或L波段。
进一步地，上述激光器阵列的调制频率为2.5～25Gps。
进一步地，
当所述激光器阵列的调制频率为2.5～12Gps时，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3-1、在所述光栅层上外延生长覆盖层；
步骤3-2、外延生长接触层；
步骤3-3、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-4、制作正电极和背电极，解离、镀膜；
当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3-1、在所述光栅层上外延生长覆盖层；
步骤3-2、外延生长接触层；
步骤3-3、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-4、掩埋形成Fe-InP层；
步骤3-5、制作正电极和背电极，解离、镀膜；
或者当所述激光器阵列的调制频率为12-25Gps时，所述步骤3中具体步骤还可以为：
步骤3-1、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-2、在脊台结构两侧掩埋形成Fe-InP层；
步骤3-3、在所述脊台结构上外延生长覆盖层；
步骤3-4、在所述覆盖层上外延生长接触层；
步骤3-5、制作正电极和背电极，解离、镀膜。
进一步地，当所述激光器阵列的调制频率为2.5～12Gps时，所述所述覆盖层中具有一InGaAsP刻蚀停止层；当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，所述缓冲层中具有一InGaAsP刻蚀停止层；步骤3-3中的刻蚀进行至所述InGaAsP刻蚀停止层为止。
进一步地，将形成有脊台结构的半导体激光器阵列清洗后，放入无氧手套箱中分别用湿法腐蚀液腐蚀、去离子水清洗、包装；其中所述湿法腐蚀液为III-V材料的无选择性腐蚀液，所述包装用于隔离氧气。
进一步地，在所述包装后，将所述激光器阵列放入反应室，用V族源处理激光器阵列，去除其表面的氧化层，所述无氧手套箱和反应室手套箱的氧含量小于0.1ppm。
进一步地，当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，在所述的去除氧化层后，掩埋外延形成Fe-InP层；所述Fe-InP层的上表面与所述接触层的上表面在同一水平面内，或与所述光栅层的上表面在同一水平面内；所述Fe-InP层的电阻率大于107Ω·cm。
作为本发明的另一个方面，本发明提出了一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列，所述多波长半导体分布式反馈激光器阵列由上述的制备方法制备得到。
基于上述技术方案可知，本发明的多波长半导体分布式反馈激光器阵列及其制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明采用塔尔博特干涉曝光，使得通过一次曝光实现多周期的光栅来制作多波长分布式反馈激光器阵列，减少了工艺步骤，提高了成品率；
2、本发明在刻蚀形成脊台后，将器件放入无氧手套箱中湿法刻蚀清洗，随后放入反应室去除氧化层，从而减少了界面氧化层，降低了损耗；
3、本发明当InGaAsP刻蚀停止层位于缓冲层中时，脊台刻蚀深度到刻蚀停止层为止，结合掺铁掩埋工艺，最大调制频率可达到25Gps；
3、本发明可以实现激光器多波长直接输出和波导耦合输出，且本发明提出的方法适用于光子集成芯片中多波长半导体激光器阵列的制备。
附图说明
图1是本发明实施例1中外延至光栅层的结构的正面剖面图；
图2是本发明实施例1中制作光栅后的正面剖面图；
图3是本发明实施例1中制作光栅后的俯视图；
图4是本发明实施例1中完成激光器二次外延生长后的正面剖面图；
图5是本发明实施例1中刻蚀出脊台后的正面剖面图；
图6是本发明实施例1中分布式反馈激光器制备完成后的正面剖面图；
图7是本发明实施例1中激光器阵列制备完成后的俯视图；
图8是本发明实施例2中刻蚀出无源波导区的侧面剖面图；
图9是本发明实施例2中外延无源波导区的芯层和覆盖层后的侧面剖面图；
图10是本发明实施例2中多波长激光器阵列合波输出的俯视图；
图11是本发明实施例3中多波长激光器与调制器集成并合波输出的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，包括由多个发光单元形成的激光器阵列，包括以下步骤：
步骤1、在衬底上外延缓冲层、有源区和光栅层；
步骤2、通过塔尔博特干涉曝光和刻蚀方法在光栅层中形成光栅，所述光栅具有两种以上的周期以对应两种以上的发射波长；
步骤3、完成所述激光器阵列的制备。
上述塔尔博特干涉曝光方法为利用塔尔博特效应实现的干涉曝光，即当一束平面波入射到周期性的光栅后，在距离光栅平面特定距离上会出现重复的光强图像光栅，因此使用不同周期的光刻板设计，通过一次曝光可完成不同周期光栅的制作，减少了工艺步骤，提高了成品率。
优选地，上述多个发光单元的有源区的增益材料为AlGaInAs或InGaAsP，所述激光器阵列的发射波长为O波段、C波段、E波段、S波段或L波段。
优选地，上述激光器阵列的调制频率为2.5～25Gps。
当所述激光器阵列的调制频率为2.5～12Gps时，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3-1、在所述光栅层上外延生长覆盖层；
步骤3-2、外延生长接触层；
步骤3-3、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-4、制作正电极和背电极，解离、镀膜；
当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3-1、在所述光栅层上外延生长覆盖层；
步骤3-2、外延生长接触层；
步骤3-3、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-4、掩埋形成Fe-InP层；
步骤3-5、制作正电极和背电极，解离、镀膜；
或者当所述激光器阵列的调制频率为12-25Gps时，所述步骤3中具体步骤还可以为：
步骤3-1、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-2、在脊台结构两侧掩埋形成Fe-InP层；
步骤3-3、在所述脊台结构上外延生长覆盖层；
步骤3-4、在所述覆盖层上外延生长接触层；
步骤3-5、制作正电极和背电极，解离、镀膜。
优选地，当所述激光器阵列的调制频率为2.5～12Gps时，所述覆盖层中具有一InGaAsP刻蚀停止层；当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，所述缓冲层中具有一InGaAsP刻蚀停止层；上述步骤3-3中的刻蚀进行至所述InGaAsP刻蚀停止层为止。
优选地，当InGaAsP刻蚀停止层位于缓冲层中时，结合掺铁掩埋工艺，可以实现最大调制频率25Gps；当目标频率在12Gps及以下时，InGaAsP刻蚀停止层位于覆盖层中，并且可以省略掺铁掩埋工艺。
在上述激光器阵列形成脊台之后，将半导体激光器阵列清洗，之后放入无氧手套箱中分别用湿法腐蚀液腐蚀、去离子水清洗、包装。所述湿法腐蚀液为III-V材料的无选择性腐蚀液。所述包装用于隔离氧气。
在所述包装后，将激光器阵列放入反应室，用V族源处理激光器阵列，去除其表面的氧化层，从而减少了界面氧化层，降低了损耗。优选地，其中无氧手套箱和反应室手套箱的氧含量小于0.1ppm。
当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，在去除氧化层后，在脊台结构的两侧外延形成Fe-InP层。其中Fe-InP层的上表面与接触层的上表面在同一水平面内，或者与所述光栅层的上表面在同一水平面内，Fe-InP层的电阻率大于107Ω·cm。
优选地，上述光栅层为无应变的InGaAsP。
进一步地，本发明另一方面提出一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列，由上述制备方法制备得到。
以下举三个实施例对本发明提出的多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法进行详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、如图1所示，在n型InP衬底1上外延生长InP缓冲层2、多量子阱有源区3和光栅层4；其中，在InP缓冲层2中外延生长有一夹层InGaAsP刻蚀停止层5，且InGaAsP刻蚀停止层5的上表面距离有源区下边界的厚度为100-600nm；多量子阱有源区3为AlGaInAs增益材料，光栅层4为无应变的InGaAsP材料；
步骤2、如图2所示，采用塔尔博特干涉曝光和干法刻蚀在光栅层4上形成光栅结构，其中，塔尔博特干涉曝光使用有不同周期设计的光刻板形成不同周期的光栅；如图3为激光器阵列形成不同周期光栅后的俯视图，其中41、42、43等分别表示设计周期分别为Λ1、Λ2、Λ3等的光栅区域。
步骤3、完成所述激光器阵列的制备，具体包括以下步骤：
步骤3-1、如图4所示，在形成有光栅结构的光栅层4上二次外延p型InP覆盖层6；
步骤3-2、外延生长P+InGaAs接触层7；
步骤3-3、在P+InGaAs接触层7的上表面沉积二氧化硅层，再通过光刻、干法刻蚀获得如图5所示的激光器脊台结构，刻蚀后对样品进行清洗；清洗后，在无氧手套箱中对样品分别用湿法腐蚀液腐蚀、去离子水清洗、包装隔离氧气，其中无氧手套箱的氧含量小于0.1ppm，湿法腐蚀液为III-V材料的无选择性腐蚀液，控制腐蚀的时间和温度可均匀腐蚀30nm～150nm的III-V族材料；将包装后的样品放入反应室，用V族源处理样品，去除氧化层；
步骤3-4、在如图6所示脊台两侧位置三次外延形成Fe-InP层8，Fe-InP层8与P+InGaAs接触层7的上表面在同一水平面内，其中Fe-InP层8的电阻率大于107Ω·cm；
步骤3-5、如图6所示，在P+InGaAs接触层7和Fe-InP层8的上表面制作p面高速电极9；减薄n型InP衬底1并在其下表面制作背电极10，完成器件11的制备，制备完成后划片、解离并镀膜，完成高速多波长激光器阵列的制备。
本实施例以4个发光单元的阵列为例，制备完成后，其俯视图如图7所示，其中矩形为覆盖脊波导的接触电极，圆形为打线或压针的圆形电极，矩形电极和圆形电极相连。
根据上述步骤得到的激光器阵列可以实现的最大调制频率为25Gps，对于10Gps、2.5Gps的激光器阵列，则不需要三次外延生长Fe-InP层，InGaAsP刻蚀停止层5位于p型InP覆盖层6中，脊波导刻蚀到p型InP覆盖层6中的InGaAsP刻蚀停止层5即可，此为普通脊波导DFB激光器。
该阵列可应用于需要光栅尤其是不同周期光栅选模的多波长激光器光源阵列中；并且以上步骤与应用此阵列的整体工艺方案相配合。同时需要注意的是，步骤3-1～步骤3-4中，可以按照InP覆盖层、接触层、刻蚀、Fe-InP层的顺序制备；也可以为刻蚀脊台、Fe-InP掩埋层、InP覆盖层、接触层的顺序制备，这样制作欧姆接触有利。
实施例2
本实施例提供了一种应用于波导合波输出的高速多波长激光器阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在n型InP衬底1上外延生长InP缓冲层2、多量子阱有源区3和光栅层4；多量子阱有源区3为InGaAsP增益材料，光栅层4为无应变的InGaAsP材料；
步骤2、采用塔尔博特干涉曝光和干法刻蚀在光栅层4上形成光栅结构，其中，塔尔博特干涉曝光使用有不同周期设计的光刻板形成不同周期的光栅；如图3为激光器阵列形成不同周期光栅后的俯视图，其中41、42、43等分别表示设计周期分别为Λ1、Λ2、Λ3等的光栅区域；
步骤3、完成所述激光器阵列的制备，具体包括以下步骤：
步骤3-1、选区刻蚀出波导区域，对接生长无源波导的InP下覆盖层12、InGaAsP芯层13；在形成有光栅结构的光栅层4上和无源区InGaAsP芯层13上二次外延p型InP覆盖层6，在p型InP覆盖层6中具有一夹层InGaAsP刻蚀停止层，且InGaAsP刻蚀停止层距离光栅上表面的距离为20～100nm。
步骤3-2、在p型InP覆盖层6的上表面外延生长P+InGaAs接触层7；
步骤3-3、在P+InGaAs接触层7的上表面沉积二氧化硅层，再通过光刻、干法刻蚀获得激光器脊台结构，刻蚀至p型InP覆盖层6中的InGaAsP刻蚀停止层5为止，然后刻蚀无源波导；
步骤3-4、沉积二氧化硅，在激光器区制备电极窗口；制作P面高速电极9，减薄InP衬底，并在InP衬底的下表面制作背电极10，完成器件的制备；器件制备完成后划片、解离并镀膜，完成高速多波长激光器阵列的制备。
本实施例以4个发光单元的阵列为例，制备完成后，其俯视图如图10所示，多波长半导体激光器阵列出光后，通过波导合束，通过一个波导输出。
根据上述步骤得到的激光器阵列可以实现的调制频率为10Gps，对于25Gps的激光器阵列，则需要在步骤3-3中的激光器脊台两侧三次外延生长Fe-InP层，Fe-InP层的上表面与脊台上表面在同一水平面中或与接触层的上表面在同一水平面，InGaAsP刻蚀停止层5位于InP缓冲层2中，脊波导刻蚀到InP缓冲层2中的InGaAsP刻蚀停止层5为止。
实施例3
本实施例提供了一种应用于高速电吸收调制多波长激光器(EML)阵列的制备方法，其中步骤1～步骤2如实施例2中的步骤1～步骤2所示，步骤3包括以下步骤：
步骤3-1、选区刻蚀出波导区域，对接生长无源波导的InP下覆盖层12、InGaAsP芯层13；在形成有光栅结构的光栅层4上和无源区InGaAsP芯层13上二次外延p型InP覆盖层6，其中，在p型InP覆盖层6中具有一夹层InGaAsP刻蚀停止层，且InGaAsP刻蚀停止层距离光栅上表面的距离为20～100nm。
步骤3-2、在p型InP覆盖层6上外延生长P+InGaAs接触层7；
步骤3-3、在P+InGaAs接触层7的上表面沉积二氧化硅层，再通过光刻、干法刻蚀获得激光器脊台结构，刻蚀至p型InP覆盖层6中的InGaAsP刻蚀停止层为止，然后对接生长、刻蚀实现波导区域(波导区制作可参考实施例二)，刻蚀后对样品进行清洗；
步骤3-4、沉积二氧化硅，在激光器区制备电极窗口；制作p面高速电极9；减薄、制作背电极10，完成器件的制作。器件制备完成后划片、解离并镀膜，完成高速多波长激光器阵列的制备。
其中步骤3-3也可采用量子阱混杂的方法实现电吸收调制器EA区。
本实施例以4个发光单元的阵列为例，制备完成后，其俯视图如图11所示，DFB区域输出多波长的激光，经过EA区调制后，形成高速调制的多波长光信号，然后通过波导合波，通过一个波导输出。根据上述步骤得到的激光器阵列可以实现的调制频率为10Gps。
上述实施例中的激光器阵列如果不设计波导区，只有DFB区和EA区，即为直接输出光；在合波后，也可加入光放大器(SOA)实现对光信号的放大。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其中所述激光器阵列为由多个发光单元形成的激光器阵列，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在衬底上外延缓冲层、有源区和光栅层；
步骤2、通过塔尔博特干涉曝光和刻蚀方法在光栅层中形成光栅，其中，所述塔尔博特干涉曝光方法为使用两个以上周期的光刻版设计，通过一次曝光制备两种以上周期的所述光栅，所述两种以上的周期对应两种以上的发射波长；
步骤3、完成所述激光器阵列的制备。
2.如权利要求1所述的多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述有源区的增益材料为AlGaInAs或InGaAsP；所述激光器阵列的发射波长为O波段、C波段、E波段、S波段或L波段。
3.如权利要求2所述的多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述激光器阵列的调制频率为2.5～25Gps。
4.如权利要求3所述的多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其特征在于，
当所述激光器阵列的调制频率为2.5～12Gps时，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3-1、在所述光栅层上外延生长覆盖层；
步骤3-2、外延生长接触层；
步骤3-3、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-4、制作正电极和背电极，解离、镀膜；
当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3-1、在所述光栅层上外延生长覆盖层；
步骤3-2、在所述覆盖层上外延生长接触层；
步骤3-3、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-4、在脊台结构两侧掩埋形成Fe-InP层；
步骤3-5、制作正电极和背电极，解离、镀膜；
或者当所述激光器阵列的调制频率为12-25Gps时，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3-1、刻蚀形成脊台结构；
步骤3-2、在脊台结构两侧掩埋形成Fe-InP层；
步骤3-3、在所述脊台结构上外延生长覆盖层；
步骤3-4、在所述覆盖层上外延生长接触层；
步骤3-5、制作正电极和背电极，解离、镀膜。
5.如权利要求4所述的多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其特征在于，当所述激光器阵列的调制频率为2.5～12Gps时，所述覆盖层中具有一InGaAsP刻蚀停止层；当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，所述缓冲层中具有一InGaAsP刻蚀停止层；步骤3-3中的刻蚀进行至所述InGaAsP刻蚀停止层为止。
6.如权利要求5所述的多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其特征在于，将形成有脊台结构的半导体激光器阵列清洗后，放入无氧手套箱中分别用湿法腐蚀液腐蚀、去离子水清洗、包装；其中所述湿法腐蚀液为III-V材料的无选择性腐蚀液，所述包装用于隔离氧气。
7.如权利要求6所述的多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其特征在于，在所述包装后，将所述激光器阵列放入反应室，用V族源处理激光器阵列，去除其表面的氧化层，所述无氧手套箱和反应室手套箱的氧含量小于0.1ppm。
8.如权利要求7所述的多波长半导体分布式反馈激光器阵列的制备方法，其特征在于，当所述激光器阵列的调制频率为12～25Gps时，在所述的去除氧化层后，掩埋外延形成Fe-InP层；所述Fe-InP层的上表面与所述接触层的上表面在同一水平面内，或与所述光栅层的上表面在同一水平面内；所述Fe-InP层的电阻率大于107Ω·cm。
9.一种多波长半导体分布式反馈激光器阵列，其特征在于，由权利要求1-8中任意一项所述的制备方法制备得到。
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