一种DFB激光器外延片及其制造方法与流程

本发明涉及一种dfb激光器，特别涉及一种dfb激光器外延片及这种外延片的制备方法。

背景技术：

dfb激光器通过布拉格光栅选模，具有高速、窄线宽及动态单纵模工作特性，且dfb激光器能在更宽的工作温度与工作电流范围内抑制普通fp激光器的模式跳变，极大地改善器件的噪声特性，在光通信领域具有广泛的应用。光通信用的dfb激光器波长一般为1310nm和1550nm,一般采用inp为生长衬底，采用algainas或ingaasp的量子阱为有源层。制作dfb激光器的需要经过两次外延生长，首先需要在一次外延的基础上光刻制备纳米级别的光栅，然后在光栅表面进行二次外延生长，形成接触层。dfb的二次外延生长一直是影响dfb良率和性能的关键技术。专利zl201610514060.4提出了一种采用脉冲气流生长dfb激光器二次外延层的方法，二次外延的生长质量得到极大的提高。然而，在dfb激光器芯片良率依然不高。

dfb激光器良率不高的原因主要是dfb外延片最外圈的材料质量较差。通过观察可以看出dfb激光器外延片外延与内部区域颜色具有明显的差别。我们通过实验发现，这是由于在外延生长过程中，用于生长激光器的磷化铟外延衬底在高温下背面易受砷气流的扩散影响，导致衬底导热不均匀造成的。此外，在光栅制作过程中，光栅的腐蚀液也会对衬底造成一定程度的刻蚀，影响衬底的平整度，从而恶化二次外延生长材料的质量，这些都会影响dfb激光器的性能。因此有必要设计一种新的dfb激光器结构来降低气流背面扩散导致及制作光栅过程中对衬底造成的影响，使dfb激光器外延片生产稳定，提高dfb激光器外延生长的材料质量，dfb激光器良率提高。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低气流背面扩散导致及制作光栅过程中对衬底造成的影响，使dfb激光器外延片生产稳定，提高dfb激光器外延生长的材料质量，dfb激光器良率提高的dfb激光器外延片。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种dfb激光器外延片，包括衬底，所述衬底的正面上依次沉积有缓冲层、限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、缓冲层、腐蚀阻挡层、包层和蚀刻的光栅制作层，光栅制作层上依次生长有二次外延层、势垒渐变层和欧姆接触层，所述衬底的背面设有保护层。

优选的，所述衬底为磷化铟衬底。

优选的，所述保护层的厚度为20-200nm。

优选的，所述磷化铟衬底背面的保护层为sinx、alo3、hfo2、hfsiox中的一种或几种。

优选的，所述磷化铟衬底背面的保护层的生长方式为原子层沉积（ald）、等离子增强化学气相沉积（pecvd）、磁控溅射沉积（sputter）或电子束蒸发沉积（eb）。

本发明还公开了一种上述dfb激光器外延片的制备方法，其包括如下步骤：

1）在inp衬底背面生成一层保护层；

2）在反应室内，在inp衬底正面依次沉积缓冲层、限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、缓冲层、腐蚀阻挡层、包层和光栅制作层；

3）将生长完的外延片从反应室内取出，采用全息光刻或电子束光刻的方式在光栅制作层上形成光栅；

4）将刻好光栅的外延片放入反应室内生成二次外延层。

优选的，二次外延层的制备方法包括如下步骤：

a）反应室升温至520℃，在t1时间内向反应室内通入tmin和dezn，生长inp形核层；

b）在t2时间内关闭阀门，让形核层原子迁移到其能量最低点；

c）在t3时间内开启阀门再次向反应室通入tmin和dezn，生长一定厚度的外延层；

d）在t4时间内关闭阀门，形成稳定的外延层；

e）重复步骤a）至d）直至inp外延层厚度完全覆盖光栅制作层；

f)将反应室温度升高到670℃，进行二次外延的第二步生长。

g）生长完inp二次外延层后，再生长波长为1300nm和1500nm的ingaasp势垒过渡层，以及ingaas欧姆接触层，即形成完整的dfb的外延结构。

优选的，在进行二次外延层的制备时，反应室内保持900sccm的ph3气体的保护。

优选的，inp外延层厚度达到50nm时，将反应室温度升高到670℃，进行二次外延的第二步生长。

优选的，所述t1时间为3s、t2时间为3s、t3时间为3s、t4时间为3s。

如上所述，本发明的dfb激光器外延片及其制造方法具有以下有益效果：1）、通过在磷化铟衬底背面预先制作一层保护层，使外延生长的dfb激光器一次外延片质量好，均匀性和一致性好；2）、通过在磷化铟衬底背面预先制作一层保护层，可稳定dfb激光器外延片生产，提高dfb激光器生产良率；3）采用脉冲式气流生长dfb二次外延层，外延层晶体质量好，dfb器件性能好，管芯制作良率高。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为dfb二次外延层生长示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1、2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1所示，本发明提供一种dfb的外延结构，包含一inp衬底01，在衬底背面预先制备一层保护层00，在衬底正面依次采用mocvd沉积缓冲层02、限制层03、下波导层04、量子阱05、上波导层06、上限制层07、缓冲层08、腐蚀阻挡层09、包层10、光栅制作层11，以及在光栅制作层刻蚀后，在其上依次生长的二次外延层12、势垒渐变层13、14和欧姆接触层15。

作为一种优选方式，保护层的厚度为20-200nm。inp衬底背面的保护层为sinx、alo3、hfo2、hfsiox中的一种或几种。inp衬底背面的保护层的生长方式为原子层沉积（ald）、等离子增强化学气相沉积（pecvd）、磁控溅射沉积（sputter）或电子束蒸发沉积（eb）。

上述dfb的外延结构的制备方法为先在inp衬底背面制作一层保护层，然后把衬底放入到mocvd设备中，生长dfb一次外延片到光栅制作层，然后取出外延片，旋涂光刻胶，利用全息光刻或电子束光刻的方法形成图形，并采用化学湿法腐蚀的方法形成光栅，然后把制作完光栅的外延片再次放入到mocvd中进行二次外延生长。二次外延工艺如下：首先，在ph3气体的保护下，缓慢升温至520℃，然后以脉冲的方式通入tmin作为源气体生长inp，dezn作为inp的掺杂，当生长的inp层厚度完全覆盖光栅层后，升温至正常外延生长温度670℃，快速生长inp层及其它功能层。

下面结合一具体实施例，对本专利技术方案做进一步的描述：

首先，在电导率为2-8x¹⁰18cm^-2的inp衬底背面采用原子层沉积方法制作20nmhfsiox保护层，清洗后放入到aixtron公司的mocvd系统中生长。生长时，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以h2为载气，三甲基铟（tmin）、三甲基镓（tmga）、三甲基铝（tmal）、二乙基锌（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等为反应源气体，依次生长n-inp缓冲层，n-alinas限制层、非掺杂的折射率渐变的algainas下波导层、6个周期的algainas量子阱、非掺杂的折射率渐变的algainas上波导层、非掺杂的alinas限制层、p-inp过渡层、波长为1100nm的ingaasp腐蚀阻挡层、inp包层以及波长为1100nm的ingaasp光栅制作层。ingaasp光栅制作层的厚度为40nm。然后取出生长完的外延片，采用全息光刻或电子束光刻的方式形成光栅，光栅周期为210nm,深度为40nm。外延片清洗后，然后再次放入到mocvd外延炉中，生长二次外延层。

首先，在900sccm的ph3气体的保护下，反应室缓慢升温至520℃，然后将tmin、dezn一起以脉冲的方式通入到mocvd反应室内慢速生长inp，所谓脉冲生长方法，就是tmin、dezn气源是采用脉冲间隔的方式时断时续的进行供气，脉冲间隔时间可控。如图2所示，如在t1=3s的时间内通入tmin和dezn，生长inp形核层；在t2=3s的时间内关闭阀门，让形核层原子有足够的时间迁移到其能量最低点；在t3=60s内开启阀门再次通入tmin和dezn，生长一定厚度的外延层；在t4=3s时间内关闭阀门，形成稳定的外延层。t4时间后进入到下一个循环，即重复上述步骤直至inp层厚度完全覆盖光栅层。图中的脉冲开、脉冲关实质上就是阀门的开和关。

脉冲式生长方法中，一直保持ph3的高分压比(900sccm)，有利于减少升温过程中p的挥发，先以短脉冲通入tmin、dezn，在衬底上形成一层非常薄的形核层并使之形成稳定态，减少堆垛层错和空位，然后在形核层基础上生长一定厚度的外延层，可显著降低半导体外延层缺陷密度。采用这种脉冲气流生长inp外延层厚度50m后,反应室温度升高到670℃，进行二次外延的第二步生长，此时tmin、dezn应连续供气，使inp层快速生成（如图2所示）。生长完inp二次外延层后，再生长波长为1300nm和1500nm的ingaasp势垒过渡层，以及ingaas欧姆接触层等，即形成完整的dfb的外延结构。

外延层生长完成后，可利用光刻与刻蚀工艺，形成脊波导结构，然后在脊波导结构上蒸镀正面电极，并将inp衬底减薄，在减薄的inp衬底背面蒸镀背面电极；在管芯一端蒸镀高反射薄膜（95%反射率），另一端蒸镀低反射膜（10%反射率），即完成dfb激光器芯片的制作。

本发明的dfb激光器外延片及其制造方法具有以下有益效果：1）、通过在磷化铟衬底背面预先制作一层保护层，使外延生长的dfb激光器一次外延片质量好，均匀性和一致性好；2）、通过在磷化铟衬底背面预先制作一层保护层，可稳定dfb激光器外延片生产，提高dfb激光器生产良率；3）采用脉冲式气流生长dfb二次外延层，外延层晶体质量好，dfb器件性能好，管芯制作良率高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。