改善边模抑制比的激光器芯片及其制造方法与流程

本发明属于半导体激光器芯片技术领域，具体涉及改善边模抑制比的激光器芯片及其制造方法。

背景技术：

目前能够实现长距离、多路通讯传输的dfb-ld属于端面发射的半导体激光器芯片，现有的激光器芯片制造方法如图1a所示，主要包括以下步骤：晶圆的制造和切割，外延层生长，布拉格光栅制造，包层覆盖，波导刻蚀，绝缘层刻蚀，蒸镀电极，研磨与抛光，芯片切割与端面镀膜，芯片测试等步骤。其中关键的步骤是布拉格光栅制造，常规做法是采用全息干涉的方法形成均匀周期性条纹，之后通过曝光、刻蚀、生长工艺处理，最后形成需要的光栅结构，周期性的光栅会对通过其中的光形成周期性布拉格反射，从而达到模态选择的效果。dfb-ld因为布拉格光栅的存在可以使其具有非常好的单色性(即窄线宽)，通常我们定义激光器芯片主模及其旁边最高的次峰的强度差为边模抑制比(sidemodesuppressionratio,smsr)，这是我们衡量激光器芯片模态稳定性的主要指标。

对于dfb-ld来说，光在谐振腔内震荡会受均匀周期性光栅的对称性影响，在光谱上形成双模态，我们称之为“双峰”，而后期的芯片切割与镀膜会随机破坏掉激光器芯片的光栅周期性，在一定比例上可以减少这种“双峰”的出现。但由于芯片端面切割工艺的随机性，导致在两个不同的镀膜端面，即高反射端面(high-reflection,hr)与抗反射端面(anti-reflection,ar)处于光栅周期的不同节点，理论计算表明，若切割到某些特定的光栅节点上则极易出现双峰极低smsr的状况。smsr低双峰的芯片在信号传输时易出现误码，影响正常的通讯功能。

为了提升smsr，跨国大公司以及各国研究机构尝试了各种方式，目前为实现稳定的单模态激光器芯片，理论上的解决方案是将均匀性光栅改为拥有1/4波长相移的光栅。而为了制作1/4波长相移光栅，主流的方式有三种：1、电子束复写技术(e-beamlithography)；2、纳米压印技术(nanoimprint)；3、全息光刻技术，通过多次全息曝光实现1/4波长相移的光栅。这些解决方案通过1/4波长相移的光栅制作，实现稳定的激光器芯片模态。其中e-beamlithography技术是目前最为成熟的技术，但其制作成本极高且效率低，大大的增加了工艺的复杂性，使得激光器芯片的制造成本升高。而其他两种技术目前尚不成熟，工艺稳定性极差，难于用于工业化生产。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了改善边模抑制比的激光器芯片及其制造方法，本发明通过在包层覆盖与波导刻蚀之间，增加干法加湿法的刻蚀工艺，提供一种新型布拉格光栅，来提升激光器芯片的模态稳定性，这种方式制造工艺简单稳定，可以避免后期的芯片切割工艺的不确定性，同时大幅提高芯片的良率。

为达到上述目的，本发明所述改善边模抑制比的激光器芯片制造方法包括以下步骤：

1)晶圆的制造和切割，提拉晶柱，切割成指定晶向；

2)有源层生长，以ⅲ族、ⅱ族元素的有机化合物和ⅴ、ⅵ族元素的氢化物作为晶体生长原材料，以热分解反应方式在晶圆衬底上进行气相外延，生长ⅲ-ⅴ族、ⅱ-ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料；

3)布拉格光栅制造，通过紫外光相干衍射的方法，在晶片上形成固定周期的明暗条纹结构；

4)包层覆盖，在衬底上进行气相外延沉积，沉积的厚度大于外延层；

5)干法加湿法刻蚀工艺，包括步骤5.1)～步骤5.4)：

5.1)端面刻蚀工艺，涂布光刻胶，采用通用的光刻工艺，将需要刻蚀的区域上端部裸露出5μm～10μm的宽度，其余部分上端部涂布光刻胶，然后用等离子体刻蚀干法刻蚀掉2μm～2.5μm的深度，干法刻蚀后的侧壁角度与水平面之间的夹角保持在70°～90°之间；

5.2)使用h3po4：hcl特定比例溶液刻蚀后刻蚀区域底部停留到光栅层上表面，将光栅层裸露出来，且沿着垂直于波导方向刻蚀，刻蚀溶液配比为h3po4：hcl＝2:b，其中b的范围为1～7；

5.3)使用h3po4：h2o2：h2o特定比例溶液继续向下刻蚀，直至将端面裸露的ingaasp材料刻蚀完全，刻蚀溶液配比为h3po4：h2o2：h2o＝6：1：c，其中c的范围为1～8；

5.4)在步骤5.3)后，去除芯片表面的光刻胶，再用等离子体增强气相沉积技术在芯片表面沉积厚度为100nm～150nm的siox；

6)波导刻蚀，利用光刻、刻蚀工艺，在晶片上刻蚀掉深度超过有源层的深槽，将发光区域与不发光区域隔绝开；

7)绝缘层刻蚀，在晶片表面沉积上绝缘层，利用光刻、刻蚀工艺，仅刻蚀掉电流导流的区域的绝缘层；

8)蒸镀电极，利用热蒸镀技术在晶片p表面蒸镀上一层接触金属；

9)研磨与抛光，研磨晶片n表面后将减薄晶片厚度，再对n表面进行抛光处理将表面打磨平整；

10)芯片切割与端面镀膜，将晶片切割至合适大小，然后在左右两个端面分别镀上高反射端面和抗反射端面。

步骤6)中，刻蚀溶液配比为h3po4：hcl＝2:3，步骤7)中，刻蚀溶液配比为h3po4：h2o2：h2o＝6：1：4。

步骤10)中，所述抗反射镀膜层包括沿着背离芯片方向依次设置的厚度为20nm的第一ta2o5层、厚度为38nm的第一si层和厚度为45nm的第二ta2o5层；所述高反射镀膜层包括沿着背离芯片方向依次设置的厚度为130nm的第三ta2o5层、厚度为100nm的第二si层、厚度为130nm的第四ta2o5层、厚度为100nm的第三si层和厚度为60nm的第五ta2o5层。

改善边模抑制比的激光器芯片，包括自下而上依次设置的基板、有源层和包层，包层中设置有光栅层，激光器芯片的左右两端分别设置有抗反射镀膜层和高反射镀膜层，设定一个光栅周期包括自左向右依次设置的0.25个周期的inp、0.5个周期的ingaasp和0.25个周期的inp，光栅连续排布形成光栅层，光栅层靠近高反射镀膜层一端的侧面与光栅周期零点之间的距离为0.1个光栅周期～0.25个光栅周期，所述包层的上端面和靠近高反射镀膜层的侧面沉积有厚度为100nm～150nm的siox层。

所述包层上端开设有贯穿激光器芯片的台阶形缺口，台阶形缺口的第一台阶的内侧面为hr端光栅处切割断面,台阶形缺口的第二台阶的内侧面为包层处切割断面，hr端光栅处切割断面与光栅周期零点之间的距离为0.1个光栅周期～0.25个光栅周期。

所述台阶形缺口的长度ls为5μm～10μm，台阶形缺口的高度da为2μm～5μm，台阶形缺口下表面距离有源层上表面的深度为db，缺口内侧面与缺口底面的夹角α为70°～90°。

所述台阶形缺口左右方向的长度ls为7μm，台阶形缺口的高度da为3.5μm。

所述抗反射镀膜层包括沿着背离芯片方向依次设置的厚度为20nm的第一ta2o5层、厚度为38nm的第一si层和厚度为45nm的第二ta2o5层。

所述高反射镀膜层包括沿着背离芯片方向依次设置的厚度为130nm的第三ta2o5层、厚度为100nm的第二si层、厚度为130nm的第四ta2o5层、厚度为100nm的第三si层和厚度为60nm的第五ta2o5层。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明可以用一种全新制造工艺和结构来改善激光器芯片的smsr特性，与其他方式相比工艺简单稳定，模态稳定性提升，提升了产品良率，包层上端面沉积有siox层，对芯片起保护作用，防止芯片工作时外界对其破坏。

进一步的，步骤6)中，刻蚀溶液配比为h3po4：hcl＝2:3，步骤7)中，刻蚀溶液配比为h3po4：h2o2：h2o＝6：1：4，采用此种比例刻蚀溶液，刻蚀速率适中，最容易控制刻蚀时间

进一步的，包层上端开设有贯穿激光器芯片的台阶形缺口，台阶形缺口的第一台阶的内侧面为hr端光栅处切割断面,台阶形缺口的第二台阶的内侧面为包层处切割断面，hr端光栅处切割断面与光栅周期零点之间的距离为0.1个光栅周期～0.25个光栅周期，采用此结构，在制造过程中，只需要将包层右端一部分自上向下刻蚀，然后再在刻蚀后的侧面向光栅层方向选择性刻蚀掉ingaasp即可实现，制造工艺简单，生产效率高。

进一步的，台阶形缺口的长度ls为5μm～10μm，台阶形缺口的高度da为2μm～5μm，台阶形缺口下表面距离有源层上表面的深度为db，缺口内侧面与缺口底面的夹角α为70°～90°，便于沉积siox，保护芯片，有利于出光。

进一步的，台阶形缺口左右方向的长度ls为7μm，台阶形缺口的高度da为3.5μm，当da为3.5μm时，刚刻蚀到光栅ingaasp底部处，离有源层最远，减少了有源层被破坏的风险，ls为7μm时有利于切割，浪费少，光损失较少，对其他特性影响小。

进一步的，抗反射镀膜层包括沿着背离芯片方向依次设置的厚度为20nm的第一ta2o5层、厚度为38nm的第一si层和厚度为45nm的第二ta2o5层。

进一步的，高反射镀膜层包括沿着背离芯片方向依次设置的厚度为130nm的第三ta2o5层、厚度为100nm的第二si层、厚度为130nm的第四ta2o5层、厚度为100nm的第三si层和厚度为60nm的第五ta2o5层。

附图说明

图1a为现有的激光器芯片制造方法的流程图；

图1b为本发明的激光器芯片制造方法的流程图；

图2为步骤5.1)示意图；

图3为步骤5.3)示意图；

图4为步骤5.4)示意图；

图5为本发明结构示意图；

图6为不同的镀膜层的光栅周期示意图；

图7为图6的ⅰ部放大图，也是ar的光栅周期示意图；

图8为图6的ⅱ部放大图，也是hr的光栅周期示意图；

图9为ar/hr面对应不同周期的smsr分布图；

图10为普通光栅smsr分布图；

图11为本发明的smsr分布图；

图12为本发明的结构参数示意图；

附图中：10、基板，11、有源层，12、包层，13、光栅层，14、光刻胶，15、smsr改善区，21、siox层，41、高反射镀膜层，42、抗反射镀膜层，100、hr端光栅处切割断面，101、包层处切割断面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本实施方案的工序流程框图如图1b所示，改善边模抑制比的激光器芯片制造方法包括以下步骤：

1)晶圆的制造和切割，提拉晶柱，切割成指定晶向100/110/111，晶圆的厚度300μm～400μm，晶圆的直径为1英寸～3英寸；

2)有源层生长，以ⅲ族、ⅱ族元素的有机化合物和ⅴ族、ⅵ族元素的氢化物作为晶体生长有源材料，以热分解反应方式在晶圆衬底上进行气相外延，生长各种ⅲ-ⅴ族、ⅱ-ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料；

3)布拉格光栅制造，通过紫外光相干衍射的方法，在晶片上形成固定周期的明暗条纹结构，达到滤波、固定波长的效果；

4)包层覆盖，再次以热分解反应方式在衬底上进行气相外延沉积，不同之处在于沉积的厚度大于外延层，起到电流导流及保护有源层11的作用；

5)干法加湿法刻蚀工艺，包括步骤5.1～步骤5.4：

5.1)端面刻蚀工艺，参照图2，在步骤4)的基础上，涂布光刻胶14，采用通用的光刻工艺，将需要刻蚀的区域(smsr改善区15)上端部裸露出5μm～10μm的宽度，其余部分上端部涂布光刻胶14，然后用等离子体刻蚀干法刻蚀掉2μm～2.5μm的深度，干法刻蚀后的侧壁角度与水平面之间的夹角保持在70°～90°之间,此次刻蚀也能选用br：hbr：h2o特定比例溶液刻蚀，刻蚀溶液配比为br：hbr：h2o＝1：5：a，其中a的范围为2～10，最佳值是5，此数值下的溶液刻蚀速率适中，最容易控制刻蚀时间；

5.2)使用h3po4：hcl特定比例溶液刻蚀后刻蚀区域底部停留到光栅层上表面，将光栅层裸露出来，且沿着垂直于波导方向刻蚀，刻蚀溶液配比为h3po4：hcl＝2:b，其中b的范围为1～7，最佳值是3，此数值下的溶液刻蚀速率适中，最容易控制刻蚀时间；

5.3)参照图3，使用h3po4：h2o2：h2o特定比例溶液继续向下刻蚀，直至将端面裸露的ingaasp材料刻蚀完全，刻蚀溶液配比为h3po4：h2o2：h2o＝6：1：c，其中c的范围为1～8，最佳值是4，此数值下的溶液刻蚀速率适中，最容易控制刻蚀时间；

5.4)参照图4，在步骤7)后，去除芯片表面的光刻胶14，再用等离子体增强气相沉积技术在芯片表面沉积厚度为100nm～150nm的siox作为绝缘层，起到保护刻蚀面及防止刻蚀面氧化的作用；

6)波导刻蚀，利用光刻、刻蚀工艺，在晶片上刻蚀掉深度超过有源层的深槽，将发光区域与不发光区域隔绝开；

7)绝缘层刻蚀，在晶片表面沉积上绝缘层，利用光刻、刻蚀工艺，仅刻蚀掉电流导流的区域的绝缘层；

8)蒸镀电极，利用热蒸镀技术，在晶片p表面蒸镀上一层接触金属，接触金属自内向外依次为ti(100nm)、pt(300nm)和au(3000nm)，作为导通电流时与金属线焊接的区域；

9)研磨与抛光，研磨晶片n表面后将减薄晶片厚度，再对n表面进行抛光处理将表面打磨平整；

10)参照图5，芯片切割与端面镀膜，将晶片切割成面积为300*400μm的芯片，为了降低激光器芯片的阈值电流，提高输出功率和工作寿命，在左右两的端面分别镀上的高反射端面和抗反射端面。

至此，在半导体激光器芯片制造过程结束，下一步对半导体激光器芯片的各项特性测试，如阈值电流，输出光功率，老化特性。

本发明通过在出光端面去除光栅层ingaasp材料，再生长绝缘siox层来实现稳定模态激光器芯片目的，通过理论模拟与实验发现，激光器芯片的smsr对hr面处的光栅切割位置极其敏感，但对ar面处光栅切割位置并不敏感。如图6至图8所示，将一个周期定义为0～2π。如图9所示，图9中横坐标为hr面，纵坐标为ar面，当hr端面切割点在*2π这个范围内smsr最佳。本发明采用新的制造方法，去除掉端面光栅处的ingaasp，针对hr端面的任意切割点停留在ingaasp上的状况改善，如图8中所示的0.25*2π处，降低了25％的smsr良率损失，实现了激光器芯片的模态的稳定。与其他方案相比极大的降低了芯片制造工艺复杂度和成本，良率得到了提高。

参照图10和图11，改善光栅后的激光器芯片接近80％的smsr分布在35db以上，60％的smsr分布在40db以上；而现有的光栅结构激光器芯片的smsr在>35db及>40db分别只有65％与24％，即本发明的方式可以使得激光器芯片的模态更为稳定。

参照图12，一种改善激光器芯片边模抑制比的新型结构包括自下而上依次设置的基板10、有源层11和包层12，包层12中设置有光栅层13，包层12上端开设有贯穿激光器芯片的台阶形缺口，台阶形缺口的第一台阶的内侧面为hr端光栅处切割断面100,第二台阶的内侧面为包层处切割断面101，hr端光栅处切割断面100与坐标零点之间的距离为0.1个光栅周期～0.25个光栅周期，台阶形缺口左右方向的长度为ls，台阶形缺口上下方向的高度即刻蚀深度为da，缺口下表面距离有源层11上表面的深度为db，台阶形缺口内侧面与缺口底面的夹角为α，ls的取值范围为5μm～10μm，其中7μm计算最佳值；da取值范围为2μm～5μm，其中最佳设计为3.5μm；α的取值范围为70°～90°。包层12采用inp材料制成，包层12的纵截面为台阶型，第一台阶、第二台阶以及连接第一台阶和第二台阶右侧面的上表面均沉积有厚度为100nm～150nm的siox层21，激光器芯片的左右两端分别设置有抗反射镀膜层42和高反射镀膜层41，高反射镀膜层41上端与包层第一台阶上沉积的siox层21的上表面齐平，高反射镀膜层41下端与基板10的下表面齐平。

图6至图8为现有的激光器芯片结构侧视图，以图6-图8中标注设定为一个周期，即2π，一个光栅周期包括自左向右依次设置的0.25个周期的inp、0.5个周期的ingaasp和0.25个周期的inp，光栅连续排布形成光栅层13。

抗反射镀膜层42和高反射镀膜层41的作用降低半导体激光器芯片阈值电流，提高激光输出功率和工作寿命，有效地保护器件端面，其中抗反射镀膜层42包括沿着背离芯片方向依次设置的厚度为20nm的第一ta2o5层、厚度为38nm的第一si层和厚度为45nm的第二ta2o5层，这样与的厚度组合可以将端面反射率降到<1％，采用ta2o5/si的组合其应力状况及抗老化性能都非常优异，高反射镀膜层41包括沿着背离芯片方向依次设置的厚度为130nm的第三ta2o5层、厚度为100nm的第二si层、厚度为130nm的第四ta2o5层、厚度为100nm的第三si层和厚度为60nm的第五ta2o5层，这样的组合通过实验可以使得端面反射率>90％，且ta2o5/si在高温下膨胀系数小，抗水汽及热冲击能量强。