CN1747264A - 波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，包括：利用金属有机物化学气相淀积的方法在n型InP衬底上依次外延下限制层，多量子阱，上限制层，InP缓冲层；淀积介质膜；掩膜光刻制作注入保护图形，在增益区留下介质膜，其余区域腐蚀掉介质膜；进行P离子注入，然后腐蚀掉表面剩下的介质膜；在表面重新淀积介质膜；快速热退火；腐蚀掉介质膜7，InP缓冲层；在波导区制作光栅；刻蚀阻止层；制作脊型结构，形成波导；利用掩膜光刻，并进行光刻腐蚀，形成隔离沟，大面积淀积SiO2层，并进行He离子注入使隔离沟成为高阻区；在脊形条上开电极窗口，溅射P面电极，减薄后，背面蒸发N面电极；解理出单个波长可调谐分布布拉格反射激光器管芯。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器的制作方法，特别是波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法。
背景技术
波长可调谐半导体激光器是波分复用(WDM)光通信***中的关键器件，具有广泛的应用前景。从材料特性来看，波长可调谐半导体激光器需要两种不同带隙波长材料集成：例如对于工作在1.55um低损耗光纤通讯窗口的波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器而言，需要带隙波长为1.55um的增益材料和带隙波长小于1.50um的低损耗波导材料平面集成。
目前在同一外延片上不同区域实现不同带隙波长材料集成的方法包括：对接生长(Butt-joint)以及选择区域生长(Selective Area Growth)。对接生长采用腐蚀/再生长技术，不同带隙波长材料在不同的外延过程中实现，增加的外延次数使器件制作工艺变得复杂，而且对接界面通常很难完全消除反射和光耦合损耗；选择区域生长是通过SiO2介质膜对于MOCVD生长的促进作用，在不同区域实现不同带隙波长，但由于生长气体的横向扩散，导致不同带隙波长区域之间存在一个大于30um的过渡区，对器件功能造成一定影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的新型制作方法，其特点是无需额外的波导对接生长，简化了制作过程，具有成本低和成品率高的优点。
本发明一种波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相淀积的方法在n型InP衬底上依次外延下限制层，多量子阱，上限制层，InP缓冲层；
步骤2：淀积介质膜；
步骤3：掩膜光刻制作注入保护图形，在增益区留下介质膜，其余区域腐蚀掉介质膜；
步骤4：在外延片表面进行P离子注入，然后腐蚀掉表面剩下的介质膜；
步骤5：在表面重新淀积介质膜；
步骤6：将外延片置于快速退火炉中，在氮气保护环境下，快速热退火；
步骤7：腐蚀掉介质膜，InP缓冲层；
步骤8：采用全息曝光技术和干湿法刻蚀技术在波导区制作光栅；
步骤9：利用MOCVD方法外延生长p-InP，p-InGaAsP刻蚀阻止层，p-InP，p-InGaAs；
步骤10：利用湿法腐蚀和刻蚀阻止层，制作脊型结构，形成波导；
步骤11：利用掩膜光刻，并进行光刻腐蚀，形成隔离沟，大面积淀积SiO2层，并进行He离子注入使隔离沟成为高阻区；
步骤12：在脊形条上开电极窗口，溅射P面电极，减薄后，背面蒸发N面电极；
步骤13：解理出单个波长可调谐分布布拉格反射激光器管芯。
其中InP缓冲层厚度在50纳米到2000纳米之间，其作用在于防止磷离子注入到InGaAsP多量子阱中。
其中介质膜是二氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或光刻胶或者其他介质膜，其作用在于防止步骤4中磷离子注入到激光器有源区上的InP缓冲层中。
其中磷离子注入能量在10千电子伏到1兆电子伏之间，剂量在1×1013每平方厘米到1×1015每平方厘米之间，其作用在于在InP缓冲层中产生点缺陷，注入能量应保证注入深度不超过InP缓冲层。
其中介质膜是二氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或者其他介质膜，其作用在于防止快速热退火过程中InP热分解导致外延片表面退化。
其中快速热退火的温度在650摄氏度到800摄氏度之间，快速热退火的时间在20秒到20分钟之间，其作用在于激活磷离子注入产生的点缺陷并使其向多量子阱迁移，导致阱/垒材料组份发生互扩散，从而使量子阱带隙波长蓝移。
本发明设计一种波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的新型制作方法，通过磷离子注入的量子阱混杂技术实现。其基本原理如下：在InP缓冲层中进行磷离子注入产生点缺陷，并在接下来的快速热退火过程中使点缺陷迁移，导致量子阱有源区的阱/垒材料发生互扩散，量子阱的阱宽和组份被改变，从而使量子阱的带隙波长蓝移，形成自对准的波导区。相对于传统的制作方法而言具有以下优点：
1、无需额外的外延生长即可在同一外延片不同区域实现不同的带隙波长，工艺简单，降低了成本；
2、增益区和波导区快速过渡(＜3微米)，消除了渐变过渡带来的额外的光吸收损耗；
3、增益区和波导区是自对准的，因此耦合效率高(接近100％)，反射小(＜0.01％)；
4、采用标准的半导体器件制作工艺，重复性好，容易实现。
附图说明
以下结合附图具体说明该方法制作波长可调谐分布布拉格反射激光器的实例，其中：
图1是量子阱增益区结构；
图2是磷离子注入保护图形；
图3是淀积介质膜后的示意图；
图4是制作光栅的示意图；
图5是制作光栅后接触层生长示意图；
图6是三段式波长可调谐分布布拉格反射激光器的结构示意图。
具体实施方式
请参阅附图1-图6，本发明一种波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，包括以下步骤，：
步骤1：利用MOCVD方法在n型InP衬底1上依次外延下限制层2，多量子阱3，上限制层4，InP缓冲层5(如图1所示)；
步骤2：淀积介质膜6，其作用在于防止磷离子注入到增益区；
步骤3：掩膜光刻制作注入保护图形，在增益区留下介质膜6，其余区域腐蚀掉介质膜6(如图2所示)；
步骤4：在外延片表面进行P离子注入，然后腐蚀掉表面剩下的介质膜6，其作用在于在波导区的InP缓冲层中形成点缺陷；
步骤5：在表面重新淀积介质膜7(如图3所示)，用于在快速热退火过程中保护半导体材料的表面；
步骤6：将外延片置于快速退火炉(Rapid Thermal Anealer)中，在氮气保护环境下，快速热退火，以激活点缺陷，导致量子阱混杂；
步骤7：腐蚀掉介质膜7，InP缓冲层5；
步骤8：采用全息曝光技术和干湿法刻蚀技术在波导区制作光栅8(如图4所示)，以实现对单一波长的选频作用；
步骤9：利用MOCVD方法外延生长p-InP 9，p-InGaAsP刻蚀阻止层10，p-InP 11，p-InGaAs 12(如图5所示)，形成接触层；
步骤10：利用湿法腐蚀和刻蚀阻止层，制作脊型结构，形成波导；
步骤11：利用掩膜光刻，并进行光刻腐蚀，形成隔离沟13，大面积淀积SiO2层14，并进行He离子注入使隔离沟13成为高阻区；
步骤12：在脊形条上开电极窗口，溅射P面电极15，减薄后，背面蒸发N面电极16，并退火形成欧姆接触；
步骤13：解理出单个波长可调谐分布布拉格反射激光器管芯，整个管芯的结构(如图6所示)。
其中InP缓冲层5厚度在50纳米到2000纳米之间，其作用在于防止磷离子注入到InGaAsP多量子阱3中。
6其中介质膜6是二氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或光刻胶或者其他介质膜，其作用在于防止步骤4中磷离子注入到激光器有源区上的InP缓冲层5中。
其中磷离子注入能量在10千电子伏到1兆电子伏之间，剂量在1×1013每平方厘米到1×1015每平方厘米之间，其作用在于在InP缓冲层5中产生点缺陷，注入能量应保证注入深度不超过InP缓冲层5。
其中介质膜6是二氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或者其他介质膜，其作用在于防止快速热退火过程中InP热分解导致外延片表面退化。
其中快速热退火的温度在650摄氏度到800摄氏度之间，快速热退火的时间在20秒到20分钟之间，其作用在于激活磷离子注入产生的点缺陷并使其向多量子阱迁移，导致阱/垒材料组份发生互扩散，从而使量子阱带隙波长蓝移。
本发明与现有技术相比具有：
1、无需额外的外延生长即可在同一外延片不同区域实现不同的带隙波长，工艺简单，降低了成本；
2、增益区和波导区快速过渡(＜3微米)，消除了渐变过渡带来的额外的光吸收损耗；
3、增益区和波导区是自对准的，因此耦合效率高(接近100％)，反射小(＜0.01％)；
4、采用标准的半导体器件制作工艺，重复性好，容易实现。
Claims (6)
1、一种波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相淀积的方法在n型InP衬底上依次外延下限制层，多量子阱，上限制层，InP缓冲层；
步骤2：淀积介质膜；
步骤3：掩膜光刻制作注入保护图形，在增益区留下介质膜，其余区域腐蚀掉介质膜；
步骤4：在外延片表面进行P离子注入，然后腐蚀掉表面剩下的介质膜；
步骤5：在表面重新淀积介质膜；
步骤6：将外延片置于快速退火炉中，在氮气保护环境下，快速热退火；
步骤7：腐蚀掉介质膜，InP缓冲层；
步骤8：采用全息曝光技术和干湿法刻蚀技术在波导区制作光栅；
步骤9：利用MOCVD方法外延生长p-InP，p-InGaAsP刻蚀阻止层，p-InP，p-InGaAs；
步骤10：利用湿法腐蚀和刻蚀阻止层，制作脊型结构，形成波导；
步骤11：利用掩膜光刻，并进行光刻腐蚀，形成隔离沟，大面积淀积SiO2层，并进行He离子注入使隔离沟成为高阻区；
步骤12：在脊形条上开电极窗口，溅射P面电极，减薄后，背面蒸发N面电极；
步骤13：解理出单个波长可调谐分布布拉格反射激光器管芯。
2、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中InP缓冲层厚度在50纳米到2000纳米之间，其作用在于防止磷离子注入到InGaAsP多量子阱中。
3、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中介质膜是二氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或光刻胶或者其他介质膜，其作用在于防止步骤4中磷离子注入到激光器有源区上的InP缓冲层中。
4、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中磷离子注入能量在10千电子伏到1兆电子伏之间，剂量在1×1013每平方厘米到1×1015每平方厘米之间，其作用在于在InP缓冲层中产生点缺陷，注入能量应保证注入深度不超过InP缓冲层。
5、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中介质膜是二氧化硅或氮化硅或氮氧化硅或者其他介质膜，其作用在于防止快速热退火过程中InP热分解导致外延片表面退化。
6、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中快速热退火的温度在650摄氏度到800摄氏度之间，快速热退火的时间在20秒到20分钟之间，其作用在于激活磷离子注入产生的点缺陷并使其向多量子阱迁移，导致阱/垒材料组份发生互扩散，从而使量子阱带隙波长蓝移。
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