一种高性能DFB激光器外延片及其制造方法与流程

一种高性能dfb激光器外延片及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及一种激光器外延片及其制造方法，具体涉及一种高性能dfb激光器外延片及其制造方法。


背景技术：

2.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。
3.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（波长1100nm）光栅制作层上形成宽约200nm，高约40 nm的光栅，然后在此基础上进行二次外延生长inp包层，以及ingaasp（波长1300 nm，1500 nm）势垒过渡层、ingaas欧姆接触层等。
4.传统光栅分布在整个谐振腔内，因此会有两种模式随机分布，双峰效果明显，波长稳定性差。
5.发明专利cn201710632079.3，利用双曝光法制备非对称光栅，先用全息相干曝光的方式在用紫外光刻机进行曝光，两次曝光完成后，使用显影剂进行显影，再使用腐蚀液对光栅区和非光栅区同时进行蚀刻，然后去除光刻胶掩膜；但光栅区和非光栅区与溶液接触的面积相差较大，两个位置在蚀刻时，蚀刻速率有明显差异，两区域无法同时达到刚好蚀刻完全的状态，非光栅区有蚀刻过深的问题，二次外延后，将影响到器件的可靠性，全息曝光的均匀性受光路影响较大，不易实现大尺寸均匀性好的光栅，对dfb激光器良率影响较大。
6.因此，我们又设计了一种高性能dfb激光器外延片及其制造方法。
7.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

8.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种高性能dfb激光器外延片，包括自下而上依次层叠设置的衬底01、下缓冲层02、下限制层03、下波导层04、量子阱05、上波导层06、上限制层07、上缓冲层08、腐蚀阻挡层09、包层10、光栅制作层11、二次外延层14、势垒渐变层和欧姆接触层17；所述光栅制作层11设置于所述二次外延层14中所述光栅制作层11制作时，将外延片水平放置在光刻版下方d^2
⁄
λ距离处进行曝光。
9.优选的技术方案为：所述光栅制作层11在所述二次外延层14中呈非对称光栅结构。
10.优选的技术方案为：所述光栅制作层（11）分为右侧的光栅区和左侧的非光栅区。
11.优选的技术方案为：所述衬底01为inp衬底，所述下缓冲层02为n-inp层，所述下限制层03为n-alinas层，所述下波导层04为非掺杂的折射率渐变的algainas层，所述量子阱05为6个周期的algainas层，所述上波导层06为非掺杂的折射率渐变的algainas层，所述上限制层07为非掺杂的alinas层，所述上缓冲层08为p-inp层，所述腐蚀阻挡层09为波长为1100nm的ingaasp层，所述包层10为inp层，所述光栅制作层11为波长为1100nm的ingaasp层，所述二次外延层14为inp层，所述势垒渐变层为ingaasp层，所述欧姆接触层17为ingaas层。
12.优选的技术方案为：所述势垒渐变层包括第一势垒渐变层15和第二势垒渐变层16，所述第一势垒层为1300nm的ingaasp层，所述第二势垒渐变层为1500nm的ingaasp层。
13.本发明还提供了一种高性能dfb激光器外延片的制造方法，包括以下步骤：步骤一：把inp衬底01放入到mocvd设备中，进行第一次外延生长；在所述衬底01的上表面依次生长下缓冲层02、下限制层03、下波导层04、量子阱05、上波导层06、上限制层07、上缓冲层08、腐蚀阻挡层09、包层10、光栅制作层11；第一次外延生长到所述光栅制作层11的cap层；步骤二：取出上述外延片，在第一次外延表面形成光刻胶掩膜层12；步骤三：对上述外延片利用talbot效应进行曝光、显影，形成非对称光栅结构；步骤四：对上述外延片进行蚀刻，将光刻胶上的图形转移到外延片上；步骤五：去除光刻胶掩膜，得到带有光栅结构的一次外延片；步骤六：把制作完光栅的一次外延片再次放入到mocvd设备中进行二次外延生长；在所述光栅制作层11的上表面依次生长二次外延层14、第一势垒渐变层15、第二势垒渐变层16和欧姆接触层17，即形成完整的dfb外延结构。
14.优选的技术方案为：在步骤二中，先在外延片表面旋涂光刻胶掩膜，进行匀胶处理、烘烤；选取碱性显影，常温显影10~12s，在外延片表面形成与光刻版1:1完全一致的光刻胶掩膜。
15.优选的技术方案为：在步骤三中，光栅曝光的光源为短波单色紫外光源，波长200~280nm，曝光距离d^2
⁄
λ，通过微调曝光距离进行光栅占空的调整，d为均匀光栅的光栅周期，λ为紫外光源的波长。
16.优选的技术方案为：在步骤四中，光栅蚀刻液反应温度为-20℃到-10℃。
17.优选的技术方案为：外延层生长完成后，利用光刻与刻蚀工艺，形成非对称光栅结构后，然后在非对称光栅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。
18.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点是：1. 可以有效抑制激光器的空间烧孔效应，提升dfb激光器的边模抑制比，优化其光谱模式，提高了dfb激光器的产品良率，制造成本低。
19.2.光栅占空比可通过曝光距离的微调任意调节。
20.3.使用ebl制备的光栅光刻版，光栅的周期、形貌和占空可以得到精确的控制，利
用talbot效应，可将光栅光刻版图的设计1:1的复制到外延片上，使得外延片上的光栅周期、形貌和占空可以得到精准的控制，性能优于全息曝光的外延片。
21.4.该制造方法利用的曝光方式为非接触式曝光，ebl制备的光栅光刻版寿命可以极大的延长，外延片的生产成本可以得到极大的降低。
附图说明
22.图1为dfb外延结构示意图。
23.图2为dfb第一次外延结构示意图。
24.图3为dfb光栅制作示意图一。
25.图4为dfb光栅制作示意图二。
26.图5为dfb光栅制作示意图三。
27.图6为dfb光栅制作示意图四。
28.图7为反应室内的温度、气体脉冲通入方式与生长时间的关系图。
29.以上附图中，衬底01、下缓冲层02、下限制层03、下波导层04、量子阱05、上波导层06、上限制层07、上缓冲层08、腐蚀阻挡层09、包层10、光栅制作层11、光刻胶掩膜层12、二次外延层14、第一势垒渐变层15、第二势垒渐变层16、欧姆接触层17。
具体实施方式
30.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。
31.请参阅图1~图7。须知，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
32.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.实施例：如图1所示，一种高性能dfb激光器外延片，包括自下而上依次层叠设置的衬底01、下缓冲层02、下限制层03、下波导层04、量子阱05、上波导层06、上限制层07、上缓冲层08、腐蚀阻挡层09、包层10、光栅制作层11、二次外延层14、势垒渐变层和欧姆接触层17；光栅制作层11设置于二次外延层14中。光栅制作层11在二次外延层14中呈非对称光栅结构。光栅制作层（11）分为右侧的光栅区和左侧的非光栅区，右侧的光栅区为非对称光栅结构。衬底01为inp衬底，下缓冲层02为n-inp层，下限制层03为n-alinas层，下波导层04为非
掺杂的折射率渐变的algainas层，量子阱05为6个周期的algainas层，上波导层06为非掺杂的折射率渐变的algainas层，上限制层07为非掺杂的alinas层，上缓冲层08为p-inp层，腐蚀阻挡层09为波长为1100nm的ingaasp层，包层10为inp层，光栅制作层11为波长为1100nm的ingaasp层，二次外延层14为inp层，势垒渐变层为ingaasp层，欧姆接触层17为ingaas层。势垒渐变层包括第一势垒渐变层15和第二势垒渐变层16，第一势垒层为1300nm的ingaasp层，第二势垒渐变层为1500nm的ingaasp层。
34.一种高性能dfb激光器外延片的制造方法，包括以下步骤：步骤一：把inp衬底01放入到mocvd设备中，进行第一次外延生长；在衬底01的上表面依次生长下缓冲层02、下限制层03、下波导层04、量子阱05、上波导层06、上限制层07、上缓冲层08、腐蚀阻挡层09、包层10、光栅制作层11；第一次外延生长到光栅制作层11的cap层；如图2所示。
35.步骤二：取出上述外延片，在第一次外延表面形成光刻胶掩膜层12；如图3所示。
36.步骤三：对上述外延片利用talbot效应进行曝光、显影，形成非对称光栅结构；如图4所示。
37.步骤四：对上述外延片进行蚀刻，将光刻胶上的图形转移到外延片上；如图5所示。
38.步骤五：去除光刻胶掩膜，得到带有光栅结构的一次外延片；如图6所示。
39.步骤六：把制作完光栅的一次外延片再次放入到mocvd设备中进行二次外延生长；在光栅制作层11的上表面依次生长二次外延层14、第一势垒渐变层15、第二势垒渐变层16和欧姆接触层17，即形成完整的dfb外延结构；如图1所示。
40.在步骤二中，先在外延片表面旋涂光刻胶掩膜，进行匀胶处理、烘烤；选取碱性显影，常温显影10~12s，在外延片表面形成与光刻版1:1完全一致的光刻胶掩膜。在步骤三中，光栅曝光的光源为短波单色紫外光源，波长200~280nm，曝光距离d^2
⁄
λ，外延片水平放置在光刻版下方d^2
⁄
λ距离处，通过微调曝光距离进行光栅占空的调整，d为均匀光栅的光栅周期，λ为紫外光源的波长。在步骤四中，光栅蚀刻液反应温度为-20℃到-10℃。外延层生长完成后，利用光刻与刻蚀工艺，形成非对称光栅结构后，然后在非对称光栅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。
41.具体实施例：以电导率为2-8x10
18
cm-2
的inp作为生长衬底，放入到mocvd 系统中生长。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40 nm。
42.先在上述清洁的外延片表面旋涂光刻胶掩膜，匀胶转速为4000转/分，在100℃的热盘上烘烤60s，光刻胶厚度为100~120nm；使用248nm的均匀紫外光源，ebl制备光刻版均匀光栅的周期为196~208nm，将外延片水平放置在光刻版下方d^2
⁄
λ距离处，d为均匀光栅的光栅周期，λ为紫外光源的波长，曝光时间为25s；
选取碱性显影常温显影10~12s，在外延片表面形成与光刻版1:1完全一致的光刻胶掩膜；在110℃的热盘上烘烤180s进行坚膜；光栅蚀刻时采用湿法蚀刻，将配置好的体积比为1:8:300-1:8:800的饱和溴水:hbr:h2o蚀刻液放到-20℃到-10℃的恒温槽中冷却1小时，将外延片放置到蚀刻中进行蚀刻，不同配比下蚀刻速率有一定变化；光栅层蚀刻完成后，使用热丙酮去除表面光刻胶掩膜；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。
43.可采用二步法生长inp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550℃，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，其中，tmin的source流量设定为10 sccm，dezn作为掺杂剂，以双稀释管路通入到反应室中，其source/dilute/inject流量分别为30/800/10，通入到反应室的dezn流量为0.36sccm。
44.如图7所示，反应室内的温度、气体脉冲通入方式与生长时间的关系：在t1=2秒的时间内脉冲开，通入tmin和dezn，生长inp形核层；在t2=2秒的时间内脉冲关，让形核层原子有足够的时间迁移到其能量最低点；在t3=15秒时间内脉冲开，再次通入tmin和dezn，生长一定厚度的外延层；在t4=2秒时间内脉冲关，形成稳定的外延层。t4时间后进入到下一个循环。脉冲式生长方法中，一直保护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，每个循环耗时21秒，生长厚度约0.048nm。生长900个循环，即t5=5.25小时，生长的inp外延层厚度为43.2 nm,然后反应室温度升高到670℃，进行二次外延的第二步生长。此时，需要新增加一路tmin，并把它们的source流量均提高至360 sccm，即in的流量提高到720sccm,浓度为7300摩尔浓度。dezn作为掺杂剂，其浓度也相应提高，以双稀释管路通入到反应室中，其source/dilute/inject流量分别为90/150/100，相当于通入到反应室的dezn流量为37.5 sccm。此时，inp外延层的生长速率为0.2nm/s, 50分钟生长厚度为600 nm。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。
45.外延层生长完成后，可利用光刻与刻蚀工艺，形成非对称光栅结构（脊波导结构），然后在非对称光栅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（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。
46.本发明光栅制作时利用泰伯效应的自成像原理，将一次外延片匀胶后，放置到光栅光刻版后一个泰伯距离进行曝光，然后通过显影，可在外延片表面得到与光栅光刻版上完全一致的1:1光栅光刻胶掩膜，光栅光刻版使用ebl进行制作，均匀性良好，光刻版一次制备之后可长期使用，极大的降低了生产成本，制作出的光栅均匀性与光刻版一致，该方法既能实现非对称光栅的制备以改善产品单模良率，又能保证蚀刻均匀性和器件，极大的提高了器件可靠性。
47.优势：常规方法制造此类光栅时，使用的是电子束曝光技术，每片的曝光时间在2小时以上，单片的制造成本在万元以上，本发明所述的光栅制作方法，仅需使用电子束曝光制作一次光刻版；使用该方式后续再进行光栅制作时，曝光时间在2分钟以内，生产效率有着极大的提升，避免了长时间使用电子束曝光而造成的高额费用。
48.本发明提出了一种高性能dfb激光器外延片及其制造方法，可以有效抑制激光器的空间烧孔效应，提升dfb激光器的边模抑制比，优化其光谱模式，提高了dfb激光器的产品良率，制造成本低。
49.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。