小发散角脊型激光器及其制作方法与流程

本发明涉及脊型激光器，尤其涉及一种小发散角脊型激光器及其制作方法。

背景技术：

以半导体技术为基础的芯片技术成就了当今信息技术的迅猛发展，使我们获取和交换信息的能力大大加强。在信息化时代中，信息的传递和获取对每个人和集体来说都是至关重要的，对信息的需求越来越高，需要更高的传输速度、更广泛的获取范围、更长的使用时间。但是随着光纤入户、光纤入村等实际需求及未来新型设备或者其他可能的需求，在信息网络中的ONU（Optical Network Unit既光网络单元）、OLT（Optical Line Terminal既光纤路终端）等设备的使用量及要求会越来越高，对设备模块中的最核心的光芯片会提出更高的要求。

光芯片包括发射端和接收端，其中对发射端的主要要求是功率高、光束质量好等等。在光芯片发射端的使用中，需要对光芯片进行封装，封装过程中需要使用透镜，其主要目的是为了对光束进行约束，使光耦合进光纤中的耦合效率提高。

如果能降低光束的发散角，那么我们可以得到更集中的光束，光耦合进光纤中的耦合效率就更高，提高了后续工艺的容差。除此之外，具有小垂直发散角的半导体激光器在激光泵浦、 光纤耦合、 光学存储以及光互连等许多实际应用中有着十分重要的意义。

现有的量子阱半导体激光器阈值较低、效率较高、可以高功率输出，但是快轴和慢轴光场不对称，并且由于衍射效应，快轴方向光束发散角较大，约为40°（半高全宽），远大于水平方向发散角（8°~12°），快慢轴的不对称，不利于光束的调整，降低了光纤耦合效率，限制及影响了它的很多领域的使用。

为了实现脊型半导体激光器小发散角的目的，需要对光芯片进行改进，最典型和常用的改进方式是对波导结构进行改进，例如极窄波导、极宽波导、加入模式扩展波导、大光腔、非对称包层、非对称脊波导结构等。目前通常采用的典型结构有两种类型：一为大光腔，引入一个折射率略大的波导层，增大了谐振腔的垂直方向上的宽度和出光面积；二为渐变结构，细分为整体渐变，出光口收窄结构和增益区不变，出光口收窄渐变结构。大光腔需要对外延结构进行调整，并且在减小发散角的同时容易引入高阶模式激射的因素，不能使垂直发散角继续减小，并且会提高阈值电流；而出光口收窄结构通过减小近场光斑尺寸来获得小的垂直发散角，垂直发散角会有一定程度的降低，但是由于发光面积的减小，使半导体激光器的总输出功率不高，对我们的整体使用时的主要参数有影响。

因此我们需要设计一种新的小发散角脊型激光器及其制作方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种小发散角脊型激光器及其制作方法，旨在用于解决现有的小发散角脊型激光器需要对外延结构进行调整并且会提高阈值电流以及总输出功率不高的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种小发散角脊型激光器，包括外延结构以及形成于外延结构上的脊波导结构，所述脊波导结构包括沿出光方向依次设置的平行增益区和光场模式扩展区，所述光场模式扩展区的宽度沿着出光方向逐渐增加，所述光场模式扩展区的较窄端与所述平行增益区相连且宽度与所述平行增益区的宽度相等，所述平行增益区的长度为100-300um，所述光场模式扩展区的长度为10~150um。

进一步地，所述脊波导结构还包括与所述光场模式扩展区的较宽端连接的光场模式稳定及束缚区，所述光场模式稳定及束缚区的宽度与所述光场模式扩展区的较宽端的宽度一致，所述光场模式稳定及束缚区的长度为10~150um。

进一步地，所述平行增益区的宽度为1-3um。

进一步地，所述光场模式稳定及束缚区的宽度为4-10um。

进一步地，所述外延结构从下往上依次包括：铟磷衬底、N型铟磷层、N型铟铝砷层、本征渐变的铟铝砷层、铝镓铟砷/铟磷有源层、本征渐变的铟铝砷层、本征铟铝砷层、P性铟磷层、P性铟镓砷磷层、P型铟磷层、P型铟镓砷磷层、P型铟镓砷层。

本发明还提供一种小发散角脊型激光器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：制作脊波导光刻板；

步骤2：采用脊波导光刻板对外延片进行光刻，形成脊波导结构，所述脊波导结构包括沿出光方向依次设置的平行增益区和光场模式扩展区，所述光场模式扩展区的宽度沿着出光方向逐渐增加，所述光场模式扩展区的较窄端与所述平行增益区相连且宽度与所述平行增益区的宽度相等，所述平行增益区的长度为100-300um，所述光场模式扩展区的长度为10~150um；

步骤3：采用PECVD设备在外延片上生长SiO2；

步骤4：采用套刻工艺，完成脊条电注入区域的光刻；

步骤5：通过干法刻蚀，将脊条电注入区域上的SiO2刻蚀掉，并使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻胶；

步骤6：对脊条上表面进行光刻，并在外延片上表面蒸镀TiPtAu作为P面电极；

步骤7：使用研磨机，将衬底减薄至50~200um；

步骤8：在衬底底面蒸镀TiPtAu作为N面电极；

步骤9：合金，使钛铂金与半导体形成欧姆接触；

步骤10：解理成单个管芯并进行封装。

进一步地，所述步骤2中，所述脊波导结构还包括与所述光场模式扩展区的较宽端连接的光场模式稳定及束缚区，所述光场模式稳定及束缚区的宽度与所述光场模式扩展区的较宽端的宽度一致，所述光场模式稳定及束缚区的长度为10~150um。

进一步地，所述步骤2具体包括：

（1）SiO2生长：采用PECVD设备在外延片上生长SiO2；

（2）脊条光刻：采用脊波导光刻板进行光刻；

（3）SiO2干法刻蚀：通过干法刻蚀，将脊条沟槽上的SiO2刻蚀掉；

（4）胶膜清洗：使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻胶；

（5）InP干法刻蚀：通过干法刻蚀，将脊条沟槽上的InGaAsP及InP刻蚀0.2~2um；

（6）InP湿法刻蚀：通过腐蚀液进行湿法腐蚀，制备脊型，腐蚀深度0.2~2um；

（7）去除SiO2：将wafer静置在BOE中，去除表面的SiO2。

进一步地，所述步骤3与所述步骤4之间还包括以下步骤：

解理区光刻：采用解理区光刻板，进行解理区光刻；

解理区制备：通过湿法腐蚀，腐蚀掉解理区的SiO2，得到解理区；

胶膜清洗：使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻胶。

进一步地，所述步骤9与所述步骤10之间还包括以下步骤：

腔面镀膜：增透膜反射率范围为10%~15%，增反膜反射率范围为90%~98%。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种小发散角脊型激光器及其制作方法，不需要对外延结构进行调整，不需要引入新的外延工艺和工艺过程，保证了简化工艺流程的目的；该小发散角脊型激光器具有一个较窄的平行增益区，因此可以控制阈值电流不会有较大的提高，对阈值电流的影响较小；在出光口位置，提供了一种较大的出光面积，不会限制半导体激光器的输出功率，对输出功率有10%以上的提高，对使用时的主要参数性能有一定的提高，对于发散角有一定改善，对光场的约束能力更强，能量密度更为集中，在后期的使用中，更便于耦合，能提供更高的耦合功率和更大的耦合容差，允许使用小球进行耦合。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种小发散角脊型激光器的俯视图；

图2为本发明实施例提供的一种小发散角脊型激光器出光面的解剖图；

图3为本发明实施例提供的一种小发散角脊型激光器背光面的解剖图；

附图标记说明：1-外延结构、2-脊波导结构、3-平行增益区、4-光场模式扩展区、5-光场模式稳定及束缚区、6-P面电极、7-有源层、8-SiO2钝化层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种小发散角脊型激光器，包括外延结构1以及形成于外延结构1上的脊波导结构2，所述脊波导结构2包括沿出光方向依次设置的平行增益区3和光场模式扩展区4，所述平行增益区3用于提供增益，所述光场模式扩展区4的宽度沿着出光方向逐渐增加，用于实现较大的出光面积、实现较好的发散角以及提高功率，所述光场模式扩展区4的较窄端与所述平行增益区3相连且宽度与所述平行增益区3的宽度相等，所述平行增益区3的长度为100-300um，所述光场模式扩展区4的长度为10~150um，从而实现较好的小发散角效果。

本优选实施例中，所述脊波导结构2还包括与所述光场模式扩展区4的较宽端连接的光场模式稳定及束缚区5，所述光场模式稳定及束缚区5的宽度与所述光场模式扩展区4的较宽端的宽度一致，用于使出光面积在一个合适范围内，并使发散角束缚在出光方向，所述光场模式稳定及束缚区5的长度为10~150um。

作为优选地，所述平行增益区3的宽度为1-3um，所述光场模式稳定及束缚区5的宽度为4-10um，此范围下的激光器性能较佳。

本实施例中，所述外延结构1从下往上依次包括：铟磷衬底、N型铟磷层、N型铟铝砷层、本征渐变的铟铝砷层、铝镓铟砷/铟磷有源层7、本征渐变的铟铝砷层、本征铟铝砷层、P性铟磷层、P性铟镓砷磷层、P型铟磷层、P型铟镓砷磷层、P型铟镓砷层。在其他实施例中，所述外延结构1不限于此。所述外延结构1的上表面覆盖有一层SiO2钝化层8，在制作过程中所述脊波导结构2上表面的SiO2钝化层已被刻蚀掉，且在所述脊波导结构2上表面及四周侧壁制作有一P面电极6，所述外延结构1的下表面制作有一N面电极。

本发明提供的这种小发散角脊型激光器，在出光方向有一个渐渐变大的然后保持一定长度平行的脊结构，在出光口位置，提供了一种较大的出光面积，由于半导体激光器的垂直发散角是通过近场光斑的傅里叶变换得到的，近场光斑尺寸有两个区间，在一定范围内减小时，会使垂直发散角减小，超过这个范围，近场光斑尺寸增大时，也会使垂直发散角减小，本发明与极宽波导相比，由于有一个平行增益区，不会使阈值电流密度有较大变化；第二本发明没有引入一个折射率略大的波导层，避免引入了高阶模式激射的因素，并且不会因为光场的扩展导致光限制因子减小，使阈值电流密度上升；第三本发明没有使用光口收窄结构来减小近场光斑尺寸来获得校的发散角，不会使出光功率降低。另外，本发明不需要对现有脊型激光器的外延结构进行调整，制作时不需要引入新的外延工艺。

本发明还提供一种小发散角脊型激光器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：制作脊波导光刻板；通过脊波导光刻板实现我们想要的结构，脊波导光刻板的光芯片尺寸在150um*150um至300um*300um之间，利用其光刻形成的脊条的宽度在1um~5um之间，平行增益区的长度在100~300um之间，光场模式扩展区的长度在10~150um之间；

步骤2：采用脊波导光刻板对外延片进行光刻，形成脊波导结构，所述脊波导结构包括沿出光方向依次设置的平行增益区和光场模式扩展区，所述光场模式扩展区的宽度沿着出光方向逐渐增加，所述光场模式扩展区的较窄端与所述平行增益区相连且宽度与所述平行增益区的宽度相等，所述平行增益区的长度为100-300um，所述光场模式扩展区的长度为10~150um；

进一步地，所述步骤2具体包括：

（1）SiO2生长：采用PECVD设备在外延片上生长SiO2；为了在脊条的制作过程中保护脊条，SiO2层需要选择合适的厚度。

（2）脊条光刻：采用脊波导光刻板进行光刻；为了在下一步SiO2层的干法刻蚀过程中保护脊条上的SiO2不被刻蚀并且刻蚀的精确性，需要选择合适厚度的光刻胶。

（3）SiO2干法刻蚀：通过干法刻蚀，将脊条沟槽上的SiO2刻蚀掉；

（4）胶膜清洗：使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻胶；

（5）InP干法刻蚀：通过干法刻蚀，将脊条沟槽上的InGaAsP及InP刻蚀0.2~2um；

（6）InP湿法刻蚀：通过腐蚀液进行湿法腐蚀，制备脊型，腐蚀深度0.2~2um；

（7）去除SiO2：将wafer静置在BOE中，去除表面的SiO2。

步骤3：采用PECVD设备在外延片上生长SiO2；

步骤4：采用套刻工艺，完成脊条电注入区域的光刻；

其中步骤4不需要在外延片表面涂抹HMDS，能够保证性能。

步骤5：通过干法刻蚀，将脊条电注入区域上的SiO2刻蚀掉，并使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻胶；

步骤6：对脊条上表面进行光刻，在外延片上表面蒸镀TiPtAu作为P面电极，然后进行金属淀积、剥离清洗；

步骤7：使用研磨机，将衬底减薄至50~200um；

步骤8：在衬底底面蒸镀TiPtAu作为N面电极；

步骤9：合金，使钛铂金与半导体形成欧姆接触；

步骤10：bar条测试激光器单管的LIV曲线特性，挑选出特性正常的管芯，解理成单个管芯并进行封装。

作为优选地，所述步骤10之后还需测试激光器性能。

作为优选地，所述步骤2中，所述脊波导结构还包括与所述光场模式扩展区的较宽端连接的光场模式稳定及束缚区，所述光场模式稳定及束缚区的宽度与所述光场模式扩展区的较宽端的宽度一致，所述光场模式稳定及束缚区的长度为10~150um。

作为优选地，所述步骤3与所述步骤4之间还包括以下步骤：

解理区光刻：采用解理区光刻板，进行解理区光刻；

解理区制备：通过湿法腐蚀，腐蚀掉解理区的SiO2，得到解理区；

胶膜清洗：使用KOH溶液，清洗掉表面的光刻胶。

作为优选地，所述步骤9与所述步骤10之间还包括以下步骤：

腔面镀膜：增透膜反射率范围为10%~15%，优选为12.65%，增反膜反射率范围为90%~98%，优选为96%。

本发明提供的这种小发散角脊型激光器的制作方法，通过光刻板实现我们想要的小发散角脊型激光器的结构，制得的小发散角脊型激光器拥有较窄的平行增益区、拥有一个逐渐变宽的光场扩展区、拥有一个光束稳定及束缚区，做出来的芯片垂直发散角为28度，水平发散角为13度，相对于改进之前垂直发散角37度，水平发散角22度提高了很多，能够满足小发散角要求，且对阈值电流的影响较小，不会限制半导体激光器的输出功率；该制作方法不需要对外延结构进行调整，不需要引入新的外延工艺和工艺过程，保证了简化工艺流程的目的；两次SiO2生长及一次去除SiO2，可以使芯片表面更加洁净、颗粒物更少，钝化层性质更好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。