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一种省隔离器边发射光器件及制作方法

阅读：1026发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种省隔离器边发射光器件及制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种省隔离器边发射光器件及制作方法，包括如下步骤：S1，在半导体衬底上外延生长缓冲层和有源波导层；S2，腐蚀有源波导层的端部，制作无波导段；S3，在有源波导层和无波导段上作二次外延层生长；S4，在二次外延层上制作边发射光器件的条形结构，减薄衬底的背面，在光器件的正面和背面分别制作正面电极和背面电极；S5，在边发射光器件的出光端面蒸镀减反射介质膜I。本发明通过在边发射光器件的端面制作无波导段，使端面反射光和外部反射光失去波导的引导，减弱了对有源区的干扰；同时节省了光器件与光纤之间的光隔离器，减少了插入损耗。，下面是一种省隔离器边发射光器件及制作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在半导体衬底（1）上外延生长缓冲层（2）和有源波导层（3）；
S2，腐蚀有源波导层（3）的端部，制作无波导段（4）；
S3，在有源波导层（3）和无波导段（4）上作二次外延层（6）生长；
S4，在二次外延层（6）上制作边发射光器件的条形结构，减薄衬底（1）的背面，在光器件的正面和背面分别制作正面电极（7）和背面电极（8）；
S5，在边发射光器件的出光端面蒸镀减反射介质膜I（9）。
2.根据权利要求1所述的省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，所述边发射光器件包括FP 激光器、SLD、SOA、DFB激光器、DBR激光器或波长可调谐激光器。
3.根据权利要求1或2所述的省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，若所述边发射光器件为含光栅的光器件，则在步骤S3之前，增加在有源波导层（3）的悬浮光栅层上制作光栅（5）的步骤；所述含光栅的光器件包括DFB激光器、DBR激光器或波长可调谐激光器。
4.根据权利要求3所述的省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，在步骤S1中，所述衬底（1）为InP、GaAs、GaN、SiC、AlN或ZnO衬底中的一种；所述缓冲层（2）中包含远场减小层（11）；所述有源波导层（3）包括下限制层、多量子阱有源区结构层、上限制层和悬浮光栅层，所述有源波导层（3）生长在缓冲层（2）上。
5.根据权利要求4所述的省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，所述缓冲层（2）的掺杂类型与衬底（1）的掺杂类型相同，缓冲层（2）的掺杂浓度为5×1018-5×1017cm-3，由下至上渐次递减；所述多量子阱有源区结构层不掺杂，上限制层和下限制层不掺杂或仅下限制层轻掺杂，当下限制层轻掺杂时，下限制层的掺杂类型与衬底（1）相同；所述悬浮光栅层的掺杂类型与衬底（1）相反，且悬浮光栅层的掺杂浓度为2×1017-6×1017cm-3。
6.根据权利要求1或5所述的省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，所述无波导段（4）的长度为5-20μm。
7.根据权利要求6所述的省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，在步骤S3中，所述二次外延层（6）包括从下至上依次生长的光栅填埋层或InP薄层、刻蚀停止层、包层、带隙过渡层和欧姆接触层，二次外延层（6）的掺杂类型与衬底（1）相反，掺杂浓度为2×
1017-2×1019cm-3，且掺杂浓度从下至上依次增加。
8.根据权利要求1或7所述的省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，在步骤S4中，所述条形结构包括脊形波导条形结构和异质掩埋条形结构；所述无波导段（4）设置在边发射光器件的出光端或者对称设置在边发射光器件的两端。
9.根据权利要求8所述的省隔离器边发射光器件的制作方法，其特征在于，在步骤S5中，所述边发射光器件的背光端面蒸镀减反射介质膜II（9'）或高反射介质膜（10），高反射介质膜（10）的反射系数为75% -95%；所述减反射介质膜I（9）的反射系数为0.01% -0.05%。
10.一种省隔离器边发射光器件，其特征在于，所述边发射光器件由权利要求1或9所述的省隔离器边发射光器件的制作方法所制作。

说明书全文

一种省隔离器边发射光器件及制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电子器件制作技术领域，具体涉及一种省隔离器边发射光器件及制作方法。

背景技术

[0002] 半导体光器件是光纤通信、信息传输、人工智能、超算传感等领域的关键器件。可是光器件的解理端面以及光纤耦合时的光纤头都存在反射光，反射光重新进入光器件的有源区，会使光器件的相位和偏振发生紊乱，尤其对直接调制的光器件，反射光不仅影响输出信号的光谱和强度，还引入噪声，减少信息的传输距离。

[0003] 为了防止反射光对光器件输出特性的干扰，目前业界主要采取了两项措施：一是在光器件的出光端面蒸镀减反射介质膜，抑制端面反射；二是在光器件与耦合光纤之间安装隔离器，隔断反射光。减反射介质膜虽不能完全消除光器件端面的反射，但能极大地改善和减少端面反射，但减反射介质膜也使光器件失去了对外部光的反射能力，外部光可以轻易地进入光器件，并经波导进入有源区形成干扰；而安装光隔离器，除成本因素之外，还会引进插入损耗。

发明内容

[0004] 针对以上技术问题，本发明提出了一种省隔离器边发射光器件及制作方法，在减弱反射光对有源区干扰的同时，还降低了边发射光器件的封装成本。

[0005] 为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种省隔离器边发射光器件的制作方法，包括如下步骤：
S1，在半导体衬底上外延生长缓冲层和有源波导层；
S2，采用干法或湿法或干法/湿法混合刻蚀技术腐蚀有源波导层的端部，制作无波导段；
S3，在有源波导层和无波导段上作二次外延层生长；
S4，在二次外延层上制作边发射光器件的条形结构，减薄衬底的背面，在边发射光器件的正面和背面分别制作正面电极和背面电极；
S5，在边发射光器件的出光端面蒸镀减反射介质膜I。

[0006] 所述边发射光器件包括FP（法布里腔）激光器、SLD（超辐射发光二极管）、SOA（半导体放大器）、DFB（分布反馈）激光器、DBR（分布布拉格反射）激光器或波长可调谐激光器及其集成器件。

[0007] 若所述边发射光器件为含光栅的光器件，则在步骤S3之前增加在有源波导层的悬浮光栅层上制作光栅结构的步骤；所述含光栅的光器件包括DFB激光器、DBR激光器或波长可调谐激光器。

[0008] 在步骤S1中，所述衬底为InP（磷化铟）、GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）、SiC（碳化硅）、AlN（氮化铝）或ZnO（氧化锌）衬底中的任一种。在步骤S1中，所述缓冲层中包含远场减小层；所述有源波导层包括下限制层、多量子阱有源区结构层、上限制层和悬浮光栅层，所述有源波导层生长在缓冲层上。

[0009] 所述缓冲层的掺杂类型与衬底的掺杂类型相同，缓冲层的掺杂浓度为5×1018-5×1017cm-3，由下至上渐次递减；所述多量子阱有源区结构层不掺杂，上限制层和下限制层不掺杂或仅下限制层轻掺杂，当下限制层轻掺杂时，下限制层的掺杂类型与衬底相同；所述悬浮光栅层的掺杂类型与衬底相反，悬浮光栅层的掺杂浓度为2×1017-6×1017cm-3。

[0010] 在步骤S2中，所述无波导段的长度为5-20μm。

[0011] 在步骤S3中，所述二次外延层包括依次生长的光栅填埋层或InP薄层、刻蚀停止层、包层、带隙过渡层和欧姆接触层，二次外延层的掺杂类型与衬底相反，掺杂浓度在2×1017-2×1019cm-3的范围，且光栅填埋层或InP薄层、刻蚀停止层、包层、带隙过渡层和欧姆接触层的各层掺杂浓度依次增加。

[0012] 在步骤S4中，所述条形结构为光器件的发光波导，所述条形结构包括脊形波导条形结构和异质掩埋条形结构；所述无波导段设置在有源波导层的一端或者对称设置在有源波导层的两端，以适应不同的应用需求。

[0013] 在步骤S5中，所述边发射光器件的背光端面蒸镀减反射介质膜II或高反射介质膜，高反射介质膜的反射系数为75% -95%；所述减反射介质膜I的反射系数为0.01% -0.05%。

[0014] 一种省隔离器边发射光器件，所述边发射光器件由上述所述的省隔离器边发射光器件的制作方法所制作。

[0015] 本发明的有益效果：本发明制作方法简单且易操作，通过在光器件的两端面或出光端面制作一小段无波导区，同时在光器件的出光端面蒸镀减反射介质膜，使光器件端面的反射光，失去波导的引导作用而变成漫反射，极大地减弱了端面反射光对有源区的干扰；而外部的反射光在进入光器件端面后，也由于失去了波导的引导，难以进入光器件的有源区。因此，使用本发明的光器件时能省去隔离器而直接与光纤进行耦合，降低了光器件的封装成本，并避免了隔离器引入的插入损耗，效果明显。
附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1为一次外延结构示意图。

[0018] 图2为腐蚀掉部分有源波导层后的示意图。

[0019] 图3为在有源波导层上制作光栅的示意图。

[0020] 图4为二次外延生长层示意图。

[0021] 图5为两端无波导区的DFB激光器结构示意图。

[0022] 图6为单端无波导区的DFB激光器结构示意图。

[0023] 图中，1为衬底，2为缓冲层，3为有源波导层，4为无波导段，5为光栅，6为二次外延层，7为正面电极，8为背面电极，9为减反射介质膜I，9'为减反射介质膜II，10为高反射介质膜，11为远场减小层。

具体实施方式

[0024] 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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 实施例1：一种省隔离器边发射光器件的制作方法，本实施例中，边发射光器件为DFB激光器，包括如下步骤：S1，如图1所示，在n型InP衬底1上外延生长缓冲层2和有源波导层3；
18 17 -3
所述缓冲层2为1.5-2.0μm厚的n型InP层，掺杂浓度在5×10 -5×10 cm 范围渐次递减；缓冲层2中包含厚度为100-200nm的远场减小层11，远场减小层11的材料为InGaAsP（铟镓砷磷）；所述有源波导层3包括下限制层、多量子阱有源区结构层、上限制层和悬浮光栅层，量子阱有源区结构层为InGaAlAs/InP系或InGaAsP/InP系，量子阱数为3-10个，不掺杂；
上限制层和下限制层的厚度分别为30-100nm，不掺杂，或仅下限制层为n型轻掺杂，掺杂浓度为2×1017cm-3；悬浮光栅层由p型InP层和p型InGaAsP层构成，掺杂浓度为2×1017-6×
1017cm-3，悬浮光栅层的厚度与光栅的耦合因子有关。

[0026] S2，如图2所示，在有源波导层3的两端利用氧化硅掩膜和光刻技术对称腐蚀掉长度为10μm的有源波导层3，露出下面的缓冲层2，以构成无波导段4。

[0027] S3，如图3所示，采用电子束曝光或全息曝光或纳米压印技术，在未腐蚀的有源波导层3的悬浮光栅层上制作DFB光栅5，光栅5的深度为20-60nm，光栅5的周期与设计波长有关。

[0028] S4，如图4所示，对光栅5和无波导段4的晶圆表面作去自然氧化层处理后，在晶圆表面作二次外延层6生长；所述二次外延层6包括从下至上依次外延生长的p型InP光栅填埋层、p型InGaAsP刻蚀停止层、p型InP包层、p型InGaAsP带隙过渡层和重掺杂p型InGaAs欧姆接触层；所述光栅掩埋层的厚度为50-100nm，刻蚀停止层的厚度为10-20nm，包层的厚度为1.5-2μm，带隙过渡层的厚度为50-100nm，欧姆接触层的厚度为100-200nm；二次外延层6的掺杂浓度在2×1017-2×1019cm-3的范围渐次增加，顶层的欧姆接触层的掺杂浓度最高。

[0029] S5，制作激光器的条形结构，减薄衬底1的背面，在欧姆接触层和衬底上分别制作正面电极7和背面电极8，正面电极7的长度与有源波导层3的长度对应，这些工艺均为条形激光器的标准制作工艺，本发明不再赘述。

[0030] S6，晶圆片解理后，在激光器的出光端面蒸镀反射系数为0.01-0.05%的减反射介质膜I9，在背光端面蒸镀反射系数为0.1%的减反射介质膜II9'。最终的省隔离器边发射DFB激光器的剖面结构如图5所示。

[0031] 实施例2：一种省隔离器边发射光器件的制作方法，如图6所示，本实施例与实施例1的主要区别在于仅在DFB激光器的出光端制作了无波导段4，出光端面蒸镀反射系数为
0.01-0.05%的减反射介质膜I9；为了增加DFB激光器的输出功率，在DFB激光器的背光端面蒸镀反射系数为90%的高反射介质膜10。最终的单端无波导区的省隔离器边发射DFB激光器的剖面结构如图6所示。

[0032] 实施例3：一种省隔离器边发射光器件，本实施例与实施例1和实施例2的中的边发射光器件的主要区别为：本实施例中的边发射光器件为不含光栅的光器件，因此，采用比实施例1和实施例2更为简单的方法制作。

[0033] 所述边发射光器件包括衬底1、从下至上依次外延生长在衬底1上的缓冲层2、有源波导层3和二次外延层6；所述有源波导层3只包括下限制层、多量子阱有源区结构层和上限制层；所述二次外延层6包括依次生长的InP薄层、刻蚀停止层、包层、带隙过渡层和欧姆接17 19 -3
触层，二次外延层6的掺杂类型与衬底1相反，掺杂浓度在2×10 -2×10 cm 范围，从下至上依次增加；所述有源波导层3的两端对称设有无波导段4，或者有源波导层3的一端设有无波导段4，无波导段4的长度为5-20μm；所述欧姆接触层上设有正面电极7，且正面电极7的位置与有源波导层3的位置相对应，正面电极7的长度与有源波导层3的长度相等；衬底1的下部设有背面电极8；光器件的出光端面蒸镀减反射介质膜I9，背光端面蒸镀高反射介质膜10或减反射介质膜II9'。

[0034] 本实施例的边发射光器件的制作方法包括如下步骤：在衬底1上依次外延生长缓冲层2和有源波导层3，有源波导层3只包括下限制层、多量子阱有源区结构层和上限制层；在有源波导层3的一端或两端制作无波导段4；在有源波导层3和无波导段4上作二次外延层6，二次外延层6为InP薄层、刻蚀停止层、包层、带隙过渡层和欧姆接触层；在二次外延层6上制作光器件的条形结构，减薄背面，制作正面电极7和背面电极8，电极金属层7的位置与有源波导层3的长度对应；晶圆解理后在光器件的出光端蒸镀减反射介质膜I9，背光端蒸镀减反射介质膜II9'或蒸镀高反射介质膜10。即完成了不含光栅的省隔离器边发射光器件的制作。

[0035] 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。

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