一种DFB激光器的外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及DFB激光器制造技术领域，尤其是一种DFB激光器的外延结构及其制备方法。

背景技术：

光通信网络采用光作为信号传输的载体，相比于采用铜缆作为传输介质的电通信网络，信息互联的速度、容量和抗干扰能力得到显着提高，因而得到广泛应用。半导体激光器是光通信网络的主要光源，包括法布里-珀罗激光器（FP激光器），分布反馈激光器（DFB）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）三种类型。其中，DFB激光器在半导体内部建立起布拉格光栅，依靠光的分布反馈实现单纵模的选择，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1310 nm和1550 nm,一般采用InP为生长衬底，采用AlGaInAs或InGaAsP的量子阱为有源层。DFB光栅的制作一般采用全息光刻或电子束光刻的方法，在InGaAsP光栅层制作层上形成宽约200nm，高约40-50nm的光栅层,然后在光栅层上面生长二次外延层。由于光栅层中P的平衡蒸汽压较高，在光栅层上面进行二次外延层生长过程中，P会挥发出来并被载气带走，使In原子发生迁移，导致光栅层的厚度与组分发生变化。此外，晶格改变会导致器件表面形成高密度的点缺陷，从而恶化器件性能。

为了抑制P挥发被载气带走，防止光栅层在二次生长前的升温和高温生长过程中被刻蚀，现有技术中采用低温（通常生长温度不高于550°C）工艺生长二次外延层，以避免光栅受到刻蚀，但是通过低温生长的二次外延层材料质量较差，同样会影响DFB的性能。采用MOCVD生长DFB二次外延层的生长条件非常苛刻，导致DFB制作良率偏低，制作和应用成本居高不下。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种DFB激光器的外延结构，其能防止光栅层被刻蚀，提升DFB激光器外延结构品质，降低DFB激光器的应用成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种DFB激光器的外延结构，包括InP衬底，在InP衬底上自下而上依次设置有缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、第二缓冲层、腐蚀阻挡层、包层和光栅层；在光栅层上面设置有二次外延层，所述二次外延层自下而上包括光栅包层、势垒渐变层和欧姆接触层，所述光栅包层自下而上包括光栅覆盖层和过渡层，所述光栅覆盖层厚度大于光栅层厚度。

优选所述光栅覆盖层厚度比光栅层厚度大2nm-6nm；

优选所述光栅覆盖层的平均生长速度为0.002 nm/s-0.003 nm/s，所述光栅覆盖层的生长温度为530-570°C；所述过渡层的平均生长速度为0.15 nm/s-0.55 nm/s，所述过渡层的生长温度为650-690°C。这样由于所述光栅覆盖层在低温、慢速下生长，可获得较好的晶体质量且保证光栅不会被刻蚀，而所述过渡层是在高温下且较快速生长，二次外延层的质量也能较好的得到保障。

优选所述光栅层的厚度为40 nm；光栅层中光栅周期为210nm；所述光栅覆盖层的厚度为42.3 nm。

优选所述缓冲层为InP层；所述下限制层为AlInAs层；所述下波导层为AlGaInAs层；所述有源层为AlGaInAs层；所述上波导层为AlGaInAs层；所述上限制层为AlInAs层；所述第二缓冲层为InP层，所述腐蚀阻挡层为波长1100nm 的InGaAsP层；所述包层为InP层，所述光栅层为波长1100nm InGaAsP层；所述光栅覆盖层为InP层，所述过渡层为InP层；所述势垒渐变层为InGaAsP层；所述欧姆接触层为InGaAs层。

进一步，所述势垒渐变层自下而上包括第一势垒渐变层和第二势垒渐变层，第一势垒渐变层由波长为1300nm的InGaAsP层构成，第二势垒渐变层由波长为1500nm的InGaAsP层构成。

本发明的外延结构由于二次外延层中的光栅包层包括有光栅覆盖层和过渡层，光栅覆盖层的厚度大于光栅层，光栅覆盖层可以给光栅层提供较好的保护作用，特别是让所述光栅覆盖层在低温、脉冲式且慢速下生长，能获得较好的晶体质量且保证光栅不会被刻蚀，而光栅覆盖层的厚度大于光栅层，利于对光栅过渡层采用不同条件的方式生长，确保光栅层不会被刻蚀，让所述过渡层在高温下且较快速生长，二次外延层的质量也能较好的得到保障。采用这种结构提升了DFB激光器外延结构品质，降低DFB激光器的应用成本。

本发明还要提供一种DFB激光器的外延结构的制备方法，其既保持光栅层结构组分与厚度不发生变化，又可生长高质量的二次外延层，提高DFB激光器外延结构品质和制备良率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种DFB激光器外延结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选用InP作为衬底，把InP衬底放入到MOCVD 系统反应室中，以H₂为载气，通入相应反应源气体，在InP衬底上面依次生长InP缓冲层、AlInAs下限制层、AlGaInAs下波导层、AlGaInAs有源层、AlGaInAs上波导层、AlInAs上限制层、InP第二缓冲层、InGaAsP腐蚀阻挡层、InP包层和InGaAsP光栅制作层；

步骤二、取出步骤一生长完成的半成品外延片，在半成品外延片上采用全息光刻或电子束光刻的方式在InGaAsP光栅制作层上形成光栅层；

步骤三、把步骤二制作完光栅层的半成品外延片清洗后再放入MOCVD 系统反应室，给反应室通入流量为850sccm -950 sccm 的PH₃气体以保护半成品外延片，让反应室升温至530℃-570℃，然后在t₁=1秒-8秒内往反应室通入流量为8 sccm -15 sccm的TMIn反应源气体在光栅层上面生长InP光栅覆盖层的形核层，接着在t₂=2秒-5秒内关闭进入反应室的TMIn反应源气体，给已生长InP光栅覆盖层的形核层中的原子迁移提供时间，稳定已生长InP光栅覆盖层的形核层，再接着在t₃=12秒-24秒内往反应室通入流量为8 sccm -15 sccm的TMIn反应源气体在已生长的InP光栅覆盖层的形核层上继续生长InP光栅覆盖层的基体层，再接着在t₄=2秒-5秒内关闭进入反应室的TMIn反应源气体，稳定后面生长InP光栅覆盖层的基体层，如此以t₁+t₂+t₃+t₃= t₅作为一个生长周期循环生长InP光栅覆盖层至InP光栅覆盖层的总厚度大于光栅层厚度2nm-6nm后停止InP光栅覆盖层的生长；

步骤四、让反应室的温度升高至650℃-690℃，保持PH₃气体通入反应室的流量为850sccm -950 sccm ，然后往反应室通入流量为600sccm -800sccm的TMIn反应源气体，在已生长完成的InP光栅覆盖层上生长InP过渡层，InP过渡层生长至设定厚度后停止生长；

步骤五、保持反应室温度为650-690℃，以H₂为载气，通入相应反应源气体，在生长完成的InP过渡层上依次生长InGaAsP势垒渐变层和InGaAs欧姆接触层。

优选所述步骤三中，通入反应室PH₃气体的流量为900 sccm，反应室升温至550℃，通入反应室TMIn反应源气体的流量为10 sccm，在往反应室通入TMIn反应源气体的同时还以双稀释管路通入流量为0.36sccm的DeZn掺杂剂气体，t₁为2秒，t₂为2秒，t₃为15秒，t₄为2秒，InP光栅覆盖层的平均生长速度为0.00228 nm/s；所述步骤四中，让反应室的温度升高至670℃，通入反应室TMIn反应源气体的流量为720sccm，在往反应室通入TMIn反应源气体的同时还以双稀释管路通入流量为37.5sccm的DeZn掺杂剂气体，所述InP过渡层的平均生长速度为0.2 nm/s；所述步骤五中，反应室的温度保持为670℃。

进一步，所述步骤三中，在往反应室通入TMIn反应源气体的同时还以双稀释管路通入流量为0.25-0.50sccm的DeZn掺杂剂气体；所述步骤四中，在往反应室通入TMIn反应源气体的同时还以双稀释管路通入流量为30-50sccm的DeZn掺杂剂气体。

进一步，所述步骤五中，InGaAsP势垒渐变层的生长为先生长波长为1300nm的InGaAsP势垒渐变层，后生长波长为1500nm的InGaAsP势垒渐变层。

本发明制备方法在生长二次外延层过程中分成两个步骤，先采用低温、脉冲式慢速生长光栅覆盖层，同时又通过流量为850sccm -950 sccm 的高分压PH₃气体做保护，在反应室升温过程中采用高分压的PH₃气流可有效抑制P的挥发；且脉冲式慢速生长光栅覆盖层，光栅覆盖层堆垛层错和空位较少，有利于提高二次外延层的晶体质量。而光栅覆盖层生长完成后，接下来再以高温、快速方式生长过渡层和后面二次外延层，由光栅覆盖层和过渡层组合而成的光栅包层的生长质量能得到保障，有利于提升DFB激光器外延结构品质和制备良率，降低DFB激光器的应用成本。

附图说明

图1是本发明DFB激光器的外延结构示意图；

图2是本发明制备方法步骤一所生长完成的外延结构示意图；

图3是本发明制备方法步骤二所生长完成的外延结构示意图；

图4是本发明制备方法步骤三所生长完成的外延结构示意图；

图5是本发明制备方法步骤四所生长完成的外延结构示意图；

图6是生长光栅覆盖层脉冲式生长时间与反应室温度相对应图表。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1所示，一种DFB激光器的外延结构，包括InP衬底1，在InP衬底1上自下而上依次设置有缓冲层2、下限制层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、上限制层7、第二缓冲层8、腐蚀阻挡层9、包层10和光栅层11；在光栅层11上面设置有二次外延层，所述二次外延层自下而上依次包括光栅包层12、第一势垒渐变层13、第二势垒渐变层14和欧姆接触层15，所述光栅包层12自下而上包括光栅覆盖层121和过渡层122，所述光栅覆盖层121厚度大于光栅层11厚度。

优选所述光栅覆盖层121厚度比光栅层11厚度大2nm-6nm；所述光栅覆盖层121的平均生长速度为0.002 nm/s-0.003 nm/s，所述过渡层122的平均生长速度为0.15 nm/s-0.55 nm/s；所述光栅覆盖层121的生长温度为530-570°C，所述过渡层122的生长温度为650-690°C。所述过渡层122的厚度为所述光栅覆盖层121厚度的10倍-20倍。

本实施例的光栅层11的厚度为40 nm；光栅层11中光栅周期为210nm；光栅层11的波长为1100 nm；所述光栅覆盖层121的厚度为42.3 nm。

优选所述缓冲层2为InP层；所述下限制层3为AlInAs层；所述下波导层4为AlGaInAs层；所述有源层5为AlGaInAs层；所述上波导层6为AlGaInAs层；所述上限制层7为AlInAs层；所述第二缓冲层8为InP层；所述腐蚀阻挡层9为波长1100nm 的InGaAsP层；所述包层10为InP层；所述光栅层11为波长1100nm 的InGaAsP层；所述光栅覆盖层121为InP层；所述过渡层122为InP层；所述第一势垒渐变层13为波长1300nm的 InGaAsP层，所述第二势垒渐变层14为波长1500nm的 InGaAsP层；所述欧姆接触层15为InGaAs层。

上述DFB激光器外延结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选用InP作为生长衬底，优选InP生长衬底的电导率为2-8x10¹⁸cm^-2，把InP衬底1放入到MOCVD 系统反应室中，控制反应室压力为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，在InP衬底1上面依次生长InP缓冲层2、AlInAs下限制层3、AlGaInAs下波导层4、AlGaInAs有源层5、AlGaInAs上波导层6、AlInAs上限制层7、InP第二缓冲层8、波长为1100nm的InGaAsP腐蚀阻挡层9、InP包层10和波长为1100 nm的InGaAsP光栅制作层11a；InGaAsP光栅制作层11a的生长厚度控制为40 nm，生长完成的结构示意图如图2所示。

步骤二、取出步骤一生长完成的半成品外延片，在半成品外延片上采用全息光刻或电子束光刻的方式在InGaAsP光栅制作层11a上形成光栅层11；控制光栅层11的厚度为40 nm；光栅层11中光栅周期为210nm；制作完成的结构示意图如图3所示。

步骤三、把步骤二制作完光栅层11的半成品外延片清洗后再放入MOCVD 系统反应室，控制反应室压力为50mbar，以H₂为载气，给反应室通入流量为900 sccm 的PH₃气体以保护半成品外延片，让反应室缓慢升温至550℃，然后在t₁=2秒内往反应室通入流量为10 sccm的TMIn反应源气体在光栅层11上面生长InP光栅覆盖层的形核层，在往反应室通入TMIn反应源气体的同时还以双稀释管路通入流量为0.36sccm的DeZn的掺杂剂气体；接着在t₂=2秒内关闭进入反应室的TMIn反应源气体，DeZn的掺杂剂气体也同时关闭，给已生长InP光栅覆盖层的形核层中的原子迁移提供时间，使已生长InP光栅覆盖层的形核层中的原子迁移到其能量最低点，稳定已生长InP光栅覆盖层的形核层；再接着在t₃=15秒内往反应室通入流量为10 sccm的TMIn反应源气体在已生长的InP光栅覆盖层的形核层上继续生长InP光栅覆盖层121的基体层，在往反应室通入TMIn反应源气体的同时还以双稀释管路通入流量为0.36sccm的DeZn的掺杂剂气体；再接着在t₄=2秒内关闭进入反应室的TMIn反应源气体和DeZn的掺杂剂气体，给后面生长InP光栅覆盖层121的基体层中的原子迁移提供时间，提高InP光栅覆盖层的基体层晶体质量，稳定InP光栅覆盖层121的基体层；如此以t₁+t₂+t₃+t₃=t₅=21秒作为一个生长周期循环生长InP光栅覆盖层121至InP光栅覆盖层121的总厚度大于光栅层11的厚度2nm-6nm后停止InP光栅覆盖层121的生长；本实施例中，共计生长900个循环，即t₅=5.25小时，每个循环生长厚度为0.047 nm，InP光栅覆盖层121的平均生长速度为0.00228 nm/s，InP光栅覆盖层121的总厚度为42.3 nm，InP光栅覆盖层121的总厚度比光栅层11的厚度大2.3 nm，生长完成的结构示意图如图4所示，形成脉冲式生长时间与反应室温度相对应图表如图6。

步骤四、保持反应室压力为50mbar，保持PH₃气体通入反应室的流量为900 sccm ，反应室的温度升高至670℃，以H₂为载气，然后往反应室通入流量为720sccm的TMIn反应源气体，TMIn反应源气体可以通过两个管路通入反应室，在往反应室通入TMIn反应源气体的同时还以双稀释管路通入流量为37.5sccm的DeZn掺杂剂气体，在已生长完成的InP光栅覆盖层121上生长InP过渡层122，此时，InP过渡层的平均生长速度为0.2 nm/s，InP过渡层122生长至设定厚度后停止生长；本实施例的InP过渡层122经过50分钟生长其生长厚度为600 nm，生长完成的结构示意图如图5所示。

步骤五、让反应室温度保持在670℃，以H₂为载气，通入相应反应源气体，在生长完成的InP过渡层122上依次生长波长为1300nm的InGaAsP势垒渐变层13、波长为1500nm的InGaAsP势垒渐变层14和InGaAs欧姆接触层15；波长为1300nm的InGaAsP势垒渐变层13和波长为1500nm的InGaAsP势垒渐变层14厚度可以控制相同；生长完成的结构示意图如图1所示。

整个DFB激光器的外延结构生长完成后，可利用光刻与刻蚀工艺，在InGaAs欧姆接触层15上端面形成脊波导结构，然后在脊波导结构上蒸镀正面电极，并将InP衬底1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（90 %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。

本实施例的光栅覆盖层采用低温、脉冲式慢速生长方法，且一直保持PH₃气体的高分压比，有利于减少升温过程中P的挥发。同时，先以短脉冲通入TMIn、DeZn，在外延片上形成一层非常薄光栅覆盖层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以较长脉冲通入TMIn、DeZn，以形成光栅覆盖层的基体层并使之形成稳定态，如此循环完成光栅覆盖层生长，通过稳定的光栅覆盖层和后面生长的过渡层就能较好保护光栅层，然后在此基础上生长一定厚度的二次外延层，可显著降低半导体外延层缺陷密度，从而提高DFB的晶体质量，提高生产良率，降低DFB的应用成本。

以上仅是本发明一个较佳的实施例，本领域的技术人员按权利要求作等同的改变都落入本案的保护范围。