利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法
【專利摘要】一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，包括如下步驟：步驟1：在襯底上外延生長下分別限制層及量子阱層；步驟2：在量子阱層上制作選擇區(qū)域外延介質(zhì)掩膜圖形；步驟3：選擇區(qū)域外延生長上分別限制層；步驟4：去掉介質(zhì)掩膜圖形；步驟5：在上分別限制層上制作光柵，不同掩膜對(duì)間距或?qū)挾茸兓芷趦?nèi)的激光器光柵周期不同；步驟6：在光柵上生長接觸層，完成制備。本發(fā)明在獲得不同陣列單元不同發(fā)光波長的同時(shí)可以保證陣列單元激光器光學(xué)性能的一致性。
【專利說明】利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電子器件領(lǐng)域，特別涉及一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作分布反饋激光器陣列的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]多波長激光器是現(xiàn)代波分復(fù)用(WDM)光通信系統(tǒng)的核心器件。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊，光學(xué)和電學(xué)連接損耗小，穩(wěn)定性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，單片集成的多波長激光器陣列在WDM系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前已經(jīng)開發(fā)了多種單片集成多波長激光器陣列的制作方法，包括采用電子束曝光技術(shù)、多步全息曝光技術(shù)、取樣光柵技術(shù)、選擇區(qū)域外延技術(shù)等多種。
[0003]上述技術(shù)中，采用選擇區(qū)域外延(SAG)技術(shù)制作單片集成多波長激光器陣列具有工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注。已公開的利用SAG技術(shù)制作單片集成多波長激光器陣列的方案包括以下主要步驟:在襯底上制作SAG掩膜圖形、SAG生長激光器有源區(qū)材料(包括上下分別限制層以及多量子阱層)、在上分別限制層上制作光柵、生長接觸層完成器件材料結(jié)構(gòu)。在上述現(xiàn)有方案中，利用SAG技術(shù)改變包括上下分別限制層以及多量子阱層在內(nèi)的材料層的厚度，使陣列的不同激光器單元的材料具有不同的有效折射率，最終實(shí)現(xiàn)不同陣列單元不同的激射波長。由于MOCVD等外延技術(shù)在材料生長厚度控制方面具有極高的精度，采用SAG技術(shù)可以獲得波長間隔小于0.Snm的激光器陣列。相比之下，通過改變光柵周期的方式來制作的激光器陣列，即使使用電子束曝光技術(shù)，其波長間隔通常大于lnm。但是，已有SAG方案的缺點(diǎn)是材料有效折射率隨厚度變化的同時(shí)，量子阱的發(fā)光波長也隨著材料厚度而變化。由于量子阱材料的發(fā)光波長對(duì)量子阱厚度十分敏感，隨著材料厚度的變化，量子阱發(fā)光波長的變化速度遠(yuǎn)大于分布反饋激光器布拉格波長的變化速度，這會(huì)導(dǎo)致一些陣列單元的布拉格波長偏離量子阱材料的增益峰值，導(dǎo)致其單模特性惡化。另外由于量子阱材料一般具有較大的應(yīng)變，厚度的明顯增加會(huì)導(dǎo)致材料質(zhì)量明顯下降。
[0004]為了解決這個(gè)問題，專利CN102820616B公開了一種方法，利用SAG技術(shù)僅改變激光器陣列中單元激光器下限制層或上限制層的厚度，使陣列的不同激光器單元的材料具有不同的有效折射率，最終實(shí)現(xiàn)不同陣列單元不同的激射波長。利用這個(gè)方法可避免對(duì)激光器量子阱材料的影響。然而，對(duì)采用這個(gè)方法制作的激光器陣列，陣列單元上限制層或下限制層的厚度單調(diào)改變，在激光器陣列波長跨度較大的情況下不同陣列單元限制層厚度差別較大，這會(huì)使激光器陣列單元的光學(xué)質(zhì)量不均勻。限制層薄厚差別過大一方面會(huì)使激光器單元與光纖或者無源波導(dǎo)的耦合效率不均一，另一方也會(huì)影響激光器單元發(fā)光單模特性的一致性。另外，雖然限制層材料是體材料，過大的選擇區(qū)域外延生長厚度還是會(huì)惡化材料質(zhì)量，使長波長激光器單元閾值明顯增加，發(fā)光效率下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，在獲得不同陣列單元不同發(fā)光波長的同時(shí)可以保證陣列單元激光器光學(xué)性能的一致性。
[0006]本發(fā)明提供一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1:在襯底上外延生長下分別限制層及量子阱層；
[0008]步驟2:在量子阱層上制作選擇區(qū)域外延介質(zhì)掩膜圖形；
[0009]步驟3:選擇區(qū)域外延生長上分別限制層；
[0010]步驟4:去掉介質(zhì)掩膜圖形；
[0011]步驟5:在上分別限制層上制作光柵，不同掩膜對(duì)間距或?qū)挾茸兓芷趦?nèi)的激光器光柵周期不同；
[0012]步驟6:在光柵上生長接觸層。
[0013]本發(fā)明還提供一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，包括如下步驟:
[0014]步驟1:在襯底之上制作選擇區(qū)域外延介質(zhì)掩膜圖形；
[0015]步驟2:選擇區(qū)域外延生長下分別限制層；
[0016]步驟3:去掉介質(zhì)掩膜圖形；
[0017]步驟4:在下分別限制層上外延生長量子阱層及上分別限制層；
[0018]步驟5:在上分別限制層之上制作光柵，不同掩膜對(duì)間距或?qū)挾茸兓芷趦?nèi)的激光器光柵周期不同；
[0019]步驟6:在光柵之上生長接觸層。
[0020]上述方案中，利用選擇區(qū)域外延技術(shù)周期性的改變激光器上分別限制層或下分別限制層的厚度，結(jié)合不同限制層厚度變化周期內(nèi)的激光器光柵不同的周期實(shí)現(xiàn)陣列單元激光器不同的發(fā)光波長。
[0021]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0022]利用SAG生長周期性的改變激光器上分別限制層或下分別限制層的厚度，在單個(gè)限制層厚度變化周期內(nèi)光柵具有相同的周期，由于單個(gè)周期內(nèi)的激光器發(fā)光波長只需覆蓋較小的波長范圍，其限制層厚度變化較小，可獲得性能均勻的激光器。而通過使光柵周期在不同的限制層厚度變化周期間漸變又可同時(shí)有效擴(kuò)展整個(gè)激光器陣列的波長覆蓋范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，其中:
[0024]圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的方法流程示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的方法流程示意圖；
[0026]圖3、圖4為本發(fā)明多波長分布反饋激光器陣列一個(gè)限制層厚度變化周期的結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0027]圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例一種選擇區(qū)域外延所用的一個(gè)周期的掩膜對(duì)間距不變、掩膜寬度漸變的介質(zhì)掩膜圖形；
[0028]圖6為依照本發(fā)明實(shí)施例一種選擇區(qū)域外延所用的一個(gè)周期的掩膜寬度不變、掩膜對(duì)間距漸變的介質(zhì)掩膜圖形；

【具體實(shí)施方式】
[0029]請(qǐng)參閱圖1、圖3、圖5及圖6所示，本發(fā)明提供一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，包括如下步驟:
[0030]步驟1:在襯底I上外延生長下分別限制層2及量子阱層3，襯底I是GaAs襯底、InP襯底、GaN襯底、SiC襯底、Si襯底，或其他II1-V、I1-VI族材料襯底；
[0031]步驟2:在量子阱層3上制作選擇區(qū)域外延介質(zhì)掩模圖形4(參閱圖5)或5(參閱圖6)。掩膜圖形4或掩膜圖形5中介質(zhì)掩膜對(duì)的周期與陣列單元的周期(參閱圖3)相同，均為S。掩膜圖形4 (參閱圖5)中掩膜對(duì)的間距不變，掩膜寬度逐漸增加，即掩膜Mp M2、M3至仏的寬度滿足11<12<13<吣<11掩膜圖形5 (參閱圖6)中掩膜寬度不變而掩膜對(duì)間距逐漸減小，即掩膜MpM2、M3至Mn的間距滿足O1 > O2 > O3 ? 0N。介質(zhì)掩膜材料為S12或Si3N4 ;對(duì)整個(gè)激光器陣列，掩膜以圖形4(參閱圖5)或掩膜圖形5(參閱圖6)為周期重復(fù)，重復(fù)周期寬度為N*S。
[0032]步驟3:選擇區(qū)域外延生長上分別限制層6，使不同的激光器單元上分別限制層6的厚度周期性變化；
[0033]步驟4:去掉介質(zhì)掩膜圖形4或5 ;
[0034]步驟5:在上分別限制層6上制作光柵7 ;掩膜圖形4 (參閱圖5)或掩膜圖形5 (參閱圖6)的同一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)光柵7周期相同，不同的重復(fù)周期內(nèi)光柵7周期不同；
[0035]步驟6:在光柵7上生長接觸層8。
[0036]請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D2、圖4、圖5及圖6所示，本發(fā)明還提供一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作分布反饋激光器陣列的方法，包括如下步驟:
[0037]步驟1:在襯底I之上制作選擇區(qū)域外延介質(zhì)掩膜圖形4(參閱圖5)或掩膜圖形5 (參閱圖6)。襯底I是GaAs襯底、InP襯底、GaN襯底、SiC襯底、Si襯底，或其他II1-V、I1-VI族材料襯底。掩膜圖形4或掩膜圖形5中介質(zhì)掩膜對(duì)的周期與陣列單元的周期(參閱圖4)相同，均為S。掩膜圖形4(參閱圖5)中掩膜對(duì)的間距不變，掩膜寬度逐漸增加，即掩膜MpMyM3至Mn的寬度滿足W1CW2CW3〈…〈評(píng),。掩膜圖形5 (參閱圖6)中掩膜寬度不變而掩膜對(duì)間距逐漸減小，即掩膜Mp M2, M3至Mn的間距滿足O1 > O2 > O3 >吣> 0N。介質(zhì)掩膜材料為S12或Si3N4 ;對(duì)整個(gè)激光器陣列，掩膜以圖形4 (參閱圖5)或掩膜以圖形5 (參閱圖6)為周期重復(fù),重復(fù)周期寬度為N*S。
[0038]步驟2:選擇區(qū)域外延生長下分別限制層2，使不同的激光器單元下分別限制層2的厚度周期性變化；
[0039]步驟3:去掉介質(zhì)掩膜圖形4或介質(zhì)掩膜圖形5 ；
[0040]步驟4:在下分別限制層2上外延生長量子阱層3及上分別限制層6 ；
[0041]步驟5:在上分別限制層6之上大面積制作光柵7 ;掩膜圖形4(參閱圖5)或掩膜圖形5(參閱圖6)的同一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)光柵7周期相同，不同的重復(fù)周期內(nèi)光柵7周期不同；
[0042]步驟6:在光柵7之上生長接觸層8。
[0043]在SAG生長中，反應(yīng)物在介質(zhì)掩模對(duì)之間的部分容易形核，而在介質(zhì)掩模上面不能形核。除了在半導(dǎo)體表面上存在控制材料生長的反應(yīng)物垂直濃度梯度外，還存在著從掩模對(duì)上方排斥過來的側(cè)向濃度梯度。這樣就使得掩模對(duì)之間的選擇生長區(qū)域的材料厚度增力口，同時(shí)材料厚度增加的量隨著掩模對(duì)寬度的增加而增加，隨著掩膜間距的減小也增加。這使得在使用如圖5或圖6所示的介質(zhì)掩膜進(jìn)行SAG生長時(shí)，掩膜對(duì)寬度或間距變化的一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)，圖3中陣列單元激光器由Cp C2, C3至Cn上分別限制層6的厚度逐漸增加，圖4中陣列單元激光器由由C2, C3至Cn下分別限制層2的厚度逐漸增加，即h < t2 < t3
<…< tN,這使得陣列中單元激光器材料的有效折射率(nrff)有如下關(guān)系nrffl < neff2 < neff3
〈…〈neffN。由:
[0044]λ = 2neff A ,
[0045]其中，λ為分布反饋激光器的發(fā)光波長，A為光柵的周期。掩膜對(duì)寬度或間距變化的一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)Λ固定，可知，陣列激光器單元上或下分別限制層厚度的逐漸變化使得不同的陣列單元具有不同的發(fā)光波長，即入工< 入2<入3<吣< λΝ。SAG生長在量子阱層生長之后進(jìn)行，所以僅有上分別限制層的厚度發(fā)生變化，避免了 SAG生長對(duì)包括多量子阱在內(nèi)的其他材料層質(zhì)量的影響。由于單個(gè)掩膜對(duì)變化周期內(nèi)的激光器發(fā)光波長只需覆蓋較小的波長范圍，其限制層厚度變化較小，可獲得性能均勻的激光器。掩膜對(duì)寬度或間距變化的不同重復(fù)周期內(nèi)Λ不同，使不同周期內(nèi)激光器陣列單元發(fā)光波長覆蓋不同的波長范圍，從而可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的擴(kuò)展整個(gè)陣列的波長覆蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，包括如下步驟: 步驟1:在襯底上外延生長下分別限制層及量子阱層； 步驟2:在量子阱層上制作選擇區(qū)域外延介質(zhì)掩膜圖形； 步驟3:選擇區(qū)域外延生長上分別限制層； 步驟4:去掉介質(zhì)掩膜圖形； 步驟5:在上分別限制層上制作光柵，不同掩膜對(duì)間距或?qū)挾茸兓芷趦?nèi)的激光器光柵周期不同； 步驟6:在光柵上生長接觸層，完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，其中介質(zhì)掩膜圖形以陣列單元間距為間距成對(duì)出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于不同陣列單元的介質(zhì)掩膜對(duì)的間距或掩膜寬度周期性漸變。
3.一種利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，包括如下步驟: 步驟1:在襯底之上制作選擇區(qū)域外延介質(zhì)掩膜圖形； 步驟2:選擇區(qū)域外延生長下分別限制層； 步驟3:去掉介質(zhì)掩膜圖形； 步驟4:在下分別限制層上外延生長量子阱層及上分別限制層； 步驟5:在上分別限制層之上制作光柵，不同掩膜對(duì)間距或?qū)挾茸兓芷趦?nèi)的激光器光柵周期不同； 步驟6:在光柵之上生長接觸層，完成制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用選擇區(qū)域外延技術(shù)制作激光器陣列的方法，其中介質(zhì)掩膜圖形以陣列單元間距為間距成對(duì)出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于不同陣列單元的介質(zhì)掩膜對(duì)的間距或掩膜寬度周期性漸變。
【文檔編號(hào)】H01S5/30GK104242059SQ201410510052
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】梁松, 朱洪亮 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所