具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片及其制造方法技術

本發明專利技術公開了一種具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片及其制造方法，包括InP襯底以及從上到下依次設置在InP襯底上的InGaAsP刻蝕停止層、第二InP包覆層、InGaAsP衍射光柵層、第三InP包覆層和有源區，所述InGaAsP刻蝕停止層上設置有脊波導，脊波導的剖面形狀為倒梯形，通過設置倒臺結構的脊波導，在同樣的發光寬度下，金屬接觸層面積遠大于傳統接觸層面積，減少了能量損，采用濕法刻蝕，因不同組分半導體層有對應的選擇性刻蝕溶液，刻蝕深度精準重現性高，提高器件的可靠度，采用該結構，可以降低半導體芯片在高頻下的阻抗，因而可以廣泛用于25G以及100G激光器芯片的設計和制造。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于半導體激光器
，涉及具有倒臺結構脊波導的半導體激光器及其制造方法。
技術介紹
脊型半導體激光器中的脊波導(Ridge-Waveguide，RWG)根據刻蝕工藝的不同，可制造出直臺(Vertical-Mesa，VM〉以及倒臺(Reversed-Mesa，RM〉等形狀之結構，從研究中得知，相較于傳統的直臺結構脊波導激光器，倒臺結構脊波導激光器具有更低的閾值電流，更小的串聯電阻和熱電阻，更小的高頻阻抗值，可以用于未來25G和100G高速芯片制造。對比于干法刻蝕，脊波導在制作過程受到等離子轟擊，脊波導側壁半導體易產生物理轟擊的缺陷，以及物理與化學反應后留下的任意殘余產物，且刻蝕深度難以精確。
技術實現思路
針對現有的技術缺陷，本專利技術提供了一種具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片及其制造方法，本專利技術通過設置倒臺結構的脊波導，在同樣的發光寬度下，金屬接觸層面積遠大于傳統接觸層面積，減少了能量損，采用濕法刻蝕，因不同組分半導體層有對應的選擇性刻蝕溶液，刻蝕深度精準重現性高，提高器件的可靠度，除此之外，小的阻抗值，可以讓該結構用于更高速率芯片的制造。為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，包括InP襯底以及從上到下依次設置在InP襯底上的InGaAsP刻蝕停止層、第二InP包覆層、InGaAsP衍射光柵層、第三InP包覆層和有源區，所述InGaAsP刻蝕停止層上設置有脊波導，脊波導的剖面形狀為倒梯形。所述脊波導的剖面形狀左右對稱。所述脊波導包括從上到下依次堆疊的掩膜層、InGaAs接觸層和第一InP包覆層。所述掩膜層和InGaAs接觸層的外側面為原子級別光滑面。所述掩膜層為SiO2層或Si3N4層，掩膜層的厚度為200nm。所述脊波導的頂面寬度為底面寬度的2倍。所述InGaAsP刻蝕停止層上均勻分布有若干脊波導。具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片的制造方法，包括以下步驟：步驟一，在脊型半導體激光器外延片的InGaAs接觸層上沉積200nm厚的SiO2層或Si3N4層作為掩模層，并在掩模層上旋涂光刻膠，通過具有脊圖形的光掩模曝光產生圖案，再使用反應離子刻蝕(RIE)把光刻膠的圖案轉移到下面的掩模層上；步驟二：采用濕法刻蝕InGaAs接觸層，刻蝕使用Br(溴素)和HBr(氫溴酸)的混和溶液，Br與HBr的體積比為1:(5～30)，刻蝕時間為5～20秒，將沒有掩模層覆蓋的InGaAs接觸層腐蝕成溝道；步驟三：采用濕法刻蝕第一InP包覆層，刻蝕使用HBr(氫溴酸)和H3PO4(磷酸)的混合溶液，HBr與H3PO4的體積比為1:(1～3)，刻蝕時間為3～5分鐘，將沒有掩膜層覆蓋的第一InP包覆層腐蝕，在InGaAsP刻蝕停止層上停止刻蝕，即得本專利技術。所述步驟一中，掩膜層的鍍膜方法為等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)。與現有技術相比，本專利技術產品至少具有以下有益效果，本專利技術通過設置倒臺結構的脊波導，在同樣的發光寬度下，金屬接觸層面積遠大于傳統接觸層面積，減少了能量損耗，倒臺結構脊波導和金屬電極接觸面積較直臺結構大，散熱效果較佳，串聯電阻和熱電阻也較直臺結構小，倒梯形的倒臺結構使得注入有源區的電流擴散效應降低，因而得到更低的閾值電流。進一步的，脊波導側壁原子級別光滑，有效的降低了光在脊波導中的散射，能量損耗小。與現有技術相比，本專利技術制造方法至少具有以下有益效果，本專利技術采用兩階段的濕法刻蝕，第一段使用溴素和氫溴酸的混合液進行非選擇性的化學濕法刻蝕，將外延片結構最上層的InGaAs接觸層，第二段使用氫溴酸和磷酸的混合液進行選擇性化學濕法刻蝕，將InP包覆層腐蝕去除，并在脊波導InP包覆層側壁形成<111>晶格面，得到倒臺結構的脊波導，濕法刻蝕因不同組分半導體層有對應的選擇性刻蝕溶液，刻蝕深度精準重現性高，脊波導側壁因選擇性刻蝕呈現出半導體晶格面，對于后續工序的絕緣層成長，能增加包覆的附著性，同時提高器件的可靠度。附圖說明圖1是本專利技術的半導體激光器芯片外延片結構示意圖；圖2是本專利技術的半導體激光器芯片中倒臺結構脊波導形成工序圖。附圖中：10-掩膜層，11-InGaAs接觸層，12-第一InP包覆層，13-InGaAsP刻蝕停止層，14-第二InP包覆層，15-InGaAsP衍射光柵層，16-第三InP包覆層，17-有源區，18-InP襯底，20-脊波導。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術做進一步闡述。如圖1和圖2所示，具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，包括InP襯底18以及從上到下依次設置在InP襯底18上的InGaAsP刻蝕停止層13、第二InP包覆層14、InGaAsP衍射光柵層15、第三InP包覆層16和有源區17，所述InGaAsP刻蝕停止層13上均勻分布有若干脊波導20，脊波導20的剖面形狀為倒梯形，脊波導20的剖面形狀左右對稱，脊波導20的頂面寬度為底面寬度的2倍，脊波導20包括從上到下依次堆疊的掩膜層10、InGaAs接觸層11和第一InP包覆層12，脊波導20的掩膜層10和InGaAs接觸層11的外側面為原子級別光滑面，所述掩膜層10為200nm厚的SiO2層或Si3N4層。實施例1，如圖1和圖2所示，具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片的制造方法，包括以下步驟：步驟一，采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在脊型半導體激光器外延片的InGaAs接觸層11上沉積200nm厚的SiO2層或Si3N4層作為掩模層10，并在掩模層10上旋涂光刻膠，通過具有脊圖形的光掩模曝光產生圖案，再使用反應離子刻蝕(RIE)把光刻膠的圖案轉移到下面的掩模層10上；步驟二：采用濕法刻蝕InGaAs接觸層11，刻蝕使用Br(溴素)和HBr(氫溴酸)的混和溶液，Br與HBr的體積比為1:5，刻蝕時間為10秒，將沒有掩模層10覆蓋的InGaAs接觸層11腐蝕成溝道；步驟三：采用濕法刻蝕第一InP包覆層12，刻蝕使用HBr(氫溴酸)和H3PO4(磷酸)的混合溶液，HBr與H3PO4的體積比為1:2，刻蝕時間為3分鐘，將沒有掩膜層10覆蓋的第一InP包覆層12腐蝕，在InGaAsP刻蝕停止層13上停止刻蝕，即得本專利技術。實施例2，如圖1和圖2所示，具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片的制造方法，包括以下步驟：步驟一，采用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在脊型半導體激光器外延片的InGaAs接觸層11上沉積200nm厚的SiO2層或Si3N4層作為掩模層10，并在掩模層10上旋涂光刻膠，通過具有脊圖形的光掩模曝光產生圖案，再使用反應離子刻蝕(RIE)把光刻膠的圖案轉移到下面的掩模層10上；步驟二：采用濕法刻蝕InGaAs接觸層11，刻蝕使用Br(溴素)和HBr(氫溴酸)的混和溶液，Br與HBr的體積比為1:15，刻蝕時間為5秒，將沒有掩模層10覆蓋的InGaAs接觸層11腐蝕成溝道；步驟三：采用濕法刻蝕第一InP包覆層12，刻蝕使用HBr(氫溴酸)和H3PO4(磷酸)的混合溶液，HBr與H3PO4的體積比為1:3，刻蝕時間為4分鐘，將沒有掩膜層10覆蓋的第一InP包覆層12腐蝕，在InGaAsP刻蝕停止層13上停止，即得本專利技術。實施例3，如圖1和圖2所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，其特征在于，包括InP襯底(18)以及從上到下依次設置在InP襯底(18)上的InGaAsP刻蝕停止層(13)、第二InP包覆層(14)、InGaAsP衍射光柵層(15)、第三InP包覆層(16)和有源區(17)，所述InGaAsP刻蝕停止層(13)上設置有脊波導(20)，脊波導(20)的剖面形狀為倒梯形。

【技術特征摘要】
1.具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，其特征在于，包括InP襯底(18)以及從上到下依次設置在InP襯底(18)上的InGaAsP刻蝕停止層(13)、第二InP包覆層(14)、InGaAsP衍射光柵層(15)、第三InP包覆層(16)和有源區(17)，所述InGaAsP刻蝕停止層(13)上設置有脊波導(20)，脊波導(20)的剖面形狀為倒梯形。2.根據權利要求1所述的具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，其特征在于，所述脊波導(20)的剖面形狀左右對稱。3.根據權利要求1所述的具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，其特征在于，所述脊波導(20)包括從上到下依次堆疊的掩膜層(10)、InGaAs接觸層(11)和第一InP包覆層(12)。4.根據權利要求3所述的具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，其特征在于，所述掩膜層(10)和InGaAs接觸層(11)的外側面為原子級別光滑面。5.根據權利要求3所述的具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，其特征在于，所述掩膜層(10)為SiO2層或Si3N4層，掩膜層(10)的厚度為200nm。6.根據權利要求1所述的具有倒臺結構脊波導的半導體激光器芯片，其特征在于，所述脊波導(20)的頂面寬度為底面寬度的2倍。7.根據權利要求1所述的具有倒臺結構...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李馬惠，穆瑤，
申請(專利權)人：陜西源杰半導體技術有限公司，
類型：發明
國別省市：陜西;61