具有倒台结构脊波导的半导体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技术领域，涉及具有倒台结构脊波导的半导体激光器及其制造方法。

背景技术：

脊型半导体激光器中的脊波导(Ridge-Waveguide，RWG)根据刻蚀工艺的不同，可制造出直台(Vertical-Mesa，VM〉以及倒台(Reversed-Mesa，RM〉等形状之结构，从研究中得知，相较于传统的直台结构脊波导激光器，倒台结构脊波导激光器具有更低的阈值电流，更小的串联电阻和热电阻，更小的高频阻抗值，可以用于未来25G和100G高速芯片制造。

对比于干法刻蚀，脊波导在制作过程受到等离子轰击，脊波导侧壁半导体易产生物理轰击的缺陷，以及物理与化学反应后留下的任意残余产物，且刻蚀深度难以精确。

技术实现要素：

针对现有的技术缺陷，本发明提供了一种具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片及其制造方法，本发明通过设置倒台结构的脊波导，在同样的发光宽度下，金属接触层面积远大于传统接触层面积，减少了能量损，采用湿法刻蚀，因不同组分半导体层有对应的选择性刻蚀溶液，刻蚀深度精准重现性高，提高器件的可靠度，除此之外，小的阻抗值，可以让该结构用于更高速率芯片的制造。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片，包括InP衬底以及从上到下依次设置在InP衬底上的InGaAsP刻蚀停止层、第二InP包覆层、InGaAsP衍射光栅层、第三InP包覆层和有源区，所述InGaAsP刻蚀停止层上设置有脊波导，脊波导的剖面形状为倒梯形。

所述脊波导的剖面形状左右对称。

所述脊波导包括从上到下依次堆叠的掩膜层、InGaAs接触层和第一InP包覆层。

所述掩膜层和InGaAs接触层的外侧面为原子级别光滑面。

所述掩膜层为SiO₂层或Si₃N₄层，掩膜层的厚度为200nm。

所述脊波导的顶面宽度为底面宽度的2倍。

所述InGaAsP刻蚀停止层上均匀分布有若干脊波导。

具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，在脊型半导体激光器外延片的InGaAs接触层上沉积200nm厚的SiO₂层或Si₃N₄层作为掩模层，并在掩模层上旋涂光刻胶，通过具有脊图形的光掩模曝光产生图案，再使用反应离子刻蚀(RIE)把光刻胶的图案转移到下面的掩模层上；

步骤二：采用湿法刻蚀InGaAs接触层，刻蚀使用Br(溴素)和HBr(氢溴酸)的混和溶液，Br与HBr的体积比为1:(5～30)，刻蚀时间为5～20秒，将没有掩模层覆盖的InGaAs接触层腐蚀成沟道；

步骤三：采用湿法刻蚀第一InP包覆层，刻蚀使用HBr(氢溴酸)和H₃PO₄(磷酸)的混合溶液，HBr与H₃PO₄的体积比为1:(1～3)，刻蚀时间为3～5分钟，将没有掩膜层覆盖的第一InP包覆层腐蚀，在InGaAsP刻蚀停止层上停止刻蚀，即得本发明。

所述步骤一中，掩膜层的镀膜方法为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。

与现有技术相比，本发明产品至少具有以下有益效果，本发明通过设置倒台结构的脊波导，在同样的发光宽度下，金属接触层面积远大于传统接触层面积，减少了能量损耗，倒台结构脊波导和金属电极接触面积较直台结构大，散热效果较佳，串联电阻和热电阻也较直台结构小，倒梯形的倒台结构使得注入有源区的电流扩散效应降低，因而得到更低的阈值电流。

进一步的，脊波导侧壁原子级别光滑，有效的降低了光在脊波导中的散射，能量损耗小。

与现有技术相比，本发明制造方法至少具有以下有益效果，本发明采用两阶段的湿法刻蚀，第一段使用溴素和氢溴酸的混合液进行非选择性的化学湿法刻蚀，将外延片结构最上层的InGaAs接触层，第二段使用氢溴酸和磷酸的混合液进行选择性化学湿法刻蚀，将InP包覆层腐蚀去除，并在脊波导InP包覆层侧壁形成<111>晶格面，得到倒台结构的脊波导，湿法刻蚀因不同组分半导体层有对应的选择性刻蚀溶液，刻蚀深度精准重现性高，脊波导侧壁因选择性刻蚀呈现出半导体晶格面，对于后续工序的绝缘层成长，能增加包覆的附着性，同时提高器件的可靠度。

附图说明

图1是本发明的半导体激光器芯片外延片结构示意图；

图2是本发明的半导体激光器芯片中倒台结构脊波导形成工序图。

附图中：10-掩膜层，11-InGaAs接触层，12-第一InP包覆层，13-InGaAsP刻蚀停止层，14-第二InP包覆层，15-InGaAsP衍射光栅层，16-第三InP包覆层，17-有源区，18-InP衬底，20-脊波导。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。

如图1和图2所示，具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片，包括InP衬底18以及从上到下依次设置在InP衬底18上的InGaAsP刻蚀停止层13、第二InP包覆层14、InGaAsP衍射光栅层15、第三InP包覆层16和有源区17，所述InGaAsP刻蚀停止层13上均匀分布有若干脊波导20，脊波导20的剖面形状为倒梯形，脊波导20的剖面形状左右对称，脊波导20的顶面宽度为底面宽度的2倍，脊波导20包括从上到下依次堆叠的掩膜层10、InGaAs接触层11和第一InP包覆层12，脊波导20的掩膜层10和InGaAs接触层11的外侧面为原子级别光滑面，所述掩膜层10为200nm厚的SiO₂层或Si₃N₄层。

实施例1，如图1和图2所示，具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在脊型半导体激光器外延片的InGaAs接触层11上沉积200nm厚的SiO₂层或Si₃N₄层作为掩模层10，并在掩模层10上旋涂光刻胶，通过具有脊图形的光掩模曝光产生图案，再使用反应离子刻蚀(RIE)把光刻胶的图案转移到下面的掩模层10上；

步骤二：采用湿法刻蚀InGaAs接触层11，刻蚀使用Br(溴素)和HBr(氢溴酸)的混和溶液，Br与HBr的体积比为1:5，刻蚀时间为10秒，将没有掩模层10覆盖的InGaAs接触层11腐蚀成沟道；

步骤三：采用湿法刻蚀第一InP包覆层12，刻蚀使用HBr(氢溴酸)和H₃PO₄(磷酸)的混合溶液，HBr与H₃PO₄的体积比为1:2，刻蚀时间为3分钟，将没有掩膜层10覆盖的第一InP包覆层12腐蚀，在InGaAsP刻蚀停止层13上停止刻蚀，即得本发明。

实施例2，如图1和图2所示，具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在脊型半导体激光器外延片的InGaAs接触层11上沉积200nm厚的SiO₂层或Si₃N₄层作为掩模层10，并在掩模层10上旋涂光刻胶，通过具有脊图形的光掩模曝光产生图案，再使用反应离子刻蚀(RIE)把光刻胶的图案转移到下面的掩模层10上；

步骤二：采用湿法刻蚀InGaAs接触层11，刻蚀使用Br(溴素)和HBr(氢溴酸)的混和溶液，Br与HBr的体积比为1:15，刻蚀时间为5秒，将没有掩模层10覆盖的InGaAs接触层11腐蚀成沟道；

步骤三：采用湿法刻蚀第一InP包覆层12，刻蚀使用HBr(氢溴酸)和H₃PO₄(磷酸)的混合溶液，HBr与H₃PO₄的体积比为1:3，刻蚀时间为4分钟，将没有掩膜层10覆盖的第一InP包覆层12腐蚀，在InGaAsP刻蚀停止层13上停止，即得本发明。

实施例3，如图1和图2所示，具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在脊型半导体激光器外延片的InGaAs接触层11上沉积200nm厚的SiO₂层或Si₃N₄层作为掩模层10，并在掩模层10上旋涂光刻胶，通过具有脊图形的光掩模曝光产生图案，再使用反应离子刻蚀(RIE)把光刻胶的图案转移到下面的掩模层10上；

步骤二：采用湿法刻蚀InGaAs接触层11，刻蚀使用Br(溴素)和HBr(氢溴酸)的混和溶液，Br与HBr的体积比为1:30，刻蚀时间为20秒，将没有掩模层10覆盖的InGaAs接触层11腐蚀成沟道；

步骤三：采用湿法刻蚀第一InP包覆层12，刻蚀使用HBr(氢溴酸)和H₃PO₄(磷酸)的混合溶液，HBr与H₃PO₄的体积比为1:1，刻蚀时间为5分钟，将没有掩膜层10覆盖的第一InP包覆层12腐蚀，在InGaAsP刻蚀停止层13上停止，即得本发明。

实施例4，如图1和图2所示，具有倒台结构脊波导的半导体激光器芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在脊型半导体激光器外延片的InGaAs接触层11上沉积200nm厚的SiO₂层或Si₃N₄层作为掩模层10，并在掩模层10上旋涂光刻胶，通过具有脊图形的光掩模曝光产生图案，再使用反应离子刻蚀(RIE)把光刻胶的图案转移到下面的掩模层10上；

步骤二：采用湿法刻蚀InGaAs接触层11，刻蚀使用Br(溴素)和HBr(氢溴酸)的混和溶液，Br与HBr的体积比为1:20，刻蚀时间为5～20秒，将没有掩模层10覆盖的InGaAs接触层11腐蚀成沟道；

步骤三：采用湿法刻蚀第一InP包覆层12，刻蚀使用HBr(氢溴酸)和H₃PO₄(磷酸)的混合溶液，HBr与H₃PO₄的体积比为1:1，刻蚀时间为3～5分钟，将没有掩膜层10覆盖的第一InP包覆层12腐蚀，在InGaAsP刻蚀停止层13上停止，即得本发明。