本實(shí)用新型涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片。

背景技術(shù)：

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用的興起，以及互聯(lián)網(wǎng)對(duì)各行業(yè)各領(lǐng)域的滲透，數(shù)據(jù)流量正持續(xù)迅猛增長(zhǎng)，導(dǎo)致對(duì)激光器芯片的調(diào)制速率要求也越來越高。

高速直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器(DML)芯片，由于其低功耗、寬溫工作及低成本等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，而為了提高DML芯片的調(diào)制速率，一個(gè)簡(jiǎn)單可行的方法是縮短激光器有源區(qū)的長(zhǎng)度。根據(jù)理論計(jì)算，如果激光器有源區(qū)長(zhǎng)度減小一半，則激光器帶寬可提高40％。但是當(dāng)激光器長(zhǎng)度降低到200 μm以下，與激光器芯片厚度可比擬時(shí)，將大大增加芯片的解理工藝難度，甚至難以實(shí)現(xiàn)。而且，當(dāng)芯片的長(zhǎng)度較短時(shí)，夾條工藝難度也極大增加。

為了解決上述問題，國(guó)際上目前常用的做法是通過對(duì)接耦合技術(shù)在激光器出光端集成無源波導(dǎo)(“25.8Gbps direct modulation of BH AlGaInAs DFB lasers with p-InP substrate for low driving current”,22nd IEEE international Semiconductor Laser Conference,ThB5,197-198)。對(duì)接耦合技術(shù)是在外延片進(jìn)行一次外延后，通過光刻及腐蝕，去除某些區(qū)域的部分外延材料，然后再生長(zhǎng)具有不同厚度、不同帶隙波長(zhǎng)的材料，從而達(dá)到光子集成的目的。對(duì)接耦合技術(shù)能夠?qū)哂胁煌δ艿膮^(qū)域進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化，因此可制作出高性能的光子集成器件，但是其方法外延次數(shù)較多，外延過程中容易在對(duì)接界面出現(xiàn)空洞，導(dǎo)致吸收損耗較大，另外還需精細(xì)調(diào)節(jié)有源與無源波導(dǎo)的有效折射率，以降低界面反射，因此，對(duì)接耦合技術(shù)工藝較復(fù)雜，技術(shù)難度較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對(duì)背景技術(shù)中存在問題，旨在提供一種工藝簡(jiǎn)單，耦合損耗小，適于規(guī)?；可a(chǎn)的高速半導(dǎo)體激光器芯片的制作方法。

本實(shí)用新型進(jìn)一步要解決的技術(shù)問題是提供一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片，激光器芯片結(jié)構(gòu)包括：下覆蓋層2、下波導(dǎo)層3、有源區(qū)4、上波導(dǎo)層5、上覆蓋層15和接觸層16，

所述下波導(dǎo)層3、有源區(qū)4和上波導(dǎo)層5區(qū)域注入有第一離子，相應(yīng)注入有第一離子區(qū)域?yàn)闊o源波導(dǎo)區(qū)；

所述接觸層16和覆蓋層15的第二邊緣區(qū)域注入有第二離子；其中，所述第二邊緣區(qū)域位于所述第一離子區(qū)域之上。

可選的，所述第一離子為磷離子，所述第二離子為氫離子。

可選的，所述有源區(qū)4的長(zhǎng)度為50-150μm。

可選的，所述無源波導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度為50-150μm。

可選的，所述第二離子注入深度為100-1000nm。

可選的，所述下波導(dǎo)層3由P型銦鎵砷磷構(gòu)成；所述有源區(qū)4由應(yīng)變多量子阱構(gòu)成；所述上波導(dǎo)層5由N型銦鎵砷磷構(gòu)成；所述覆蓋層15由磷化銦構(gòu)成；所述接觸層16由N型銦鎵砷材料構(gòu)成。

可選的，所述下覆蓋層2的厚度為500nm；下波導(dǎo)層3的厚度為100nm；有源區(qū)4的厚度為145nm；上波導(dǎo)層5的厚度為100nm；覆蓋層15的厚度為1500nm；接觸層16的厚度為200nm。

可選的，所述第二離子注入的深度為300m。

可選的，所述上波導(dǎo)層5和覆蓋層15之間存在一層P型銦鎵砷磷腐蝕停止層14。

本實(shí)用新型實(shí)施例針對(duì)短腔長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器難解理及夾條的工藝問題，采用量子阱混雜第一離子后集成獲得的無源波導(dǎo)區(qū)解決，本實(shí)用新型所采用的結(jié)構(gòu)，在材料外延生長(zhǎng)次數(shù)上相比背景技術(shù)中提到的對(duì)接耦合技術(shù)更少，制作工藝簡(jiǎn)單，且有源區(qū)與無源波導(dǎo)區(qū)材料相同，避免了界面反射的問題，因此更適合大規(guī)模批量生產(chǎn)。雖然量子阱混雜工藝重復(fù)性較差，但對(duì)于高速直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其對(duì)無源波導(dǎo)區(qū)的波長(zhǎng)范圍要求較寬，因此對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例所提出的量子阱混雜的重復(fù)性要求并不高。另一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例還對(duì)無源波導(dǎo)部分采用氫離子注入，進(jìn)一步降低了激光器注入電流的擴(kuò)散長(zhǎng)度，有利于減小激光器的漏電流。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的另一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片加工狀態(tài)中的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片加工狀態(tài)中的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片加工狀態(tài)中的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片加工狀態(tài)中的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

在本實(shí)用新型的描述中，術(shù)語(yǔ)“內(nèi)”、“外”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型而不是要求本實(shí)用新型必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實(shí)施例1:

本實(shí)用新型實(shí)施例1提供了一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片，如圖1所示，包括激光器芯片在襯底1上依次生長(zhǎng)有下覆蓋層2、下波導(dǎo)層3、有源區(qū)4、上波導(dǎo)層5、上覆蓋層15和接觸層16，所述下波導(dǎo)層3、有源區(qū)4和上波導(dǎo)層 5的邊緣區(qū)域注入有第一離子，相應(yīng)注入有第一離子區(qū)域也被稱為無源波導(dǎo)區(qū)；所述接觸層16和上覆蓋層15的第二邊緣區(qū)域注入有第二離子；其中，所述第二邊緣區(qū)域位于所述第一離子區(qū)域之上。

在本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)中，所述第一離子也可以注入到下覆蓋層2中，而作為必要的條件則是滿足上述下波導(dǎo)層3、有源區(qū)4、上波導(dǎo)層5中完成第一離子的注入。

本實(shí)用新型實(shí)施例針對(duì)短腔長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器難解理及夾條的工藝問題，采用量子阱混雜第一離子后集成獲得的無源波導(dǎo)區(qū)解決，本實(shí)用新型所采用的結(jié)構(gòu)，在材料外延生長(zhǎng)次數(shù)上相比背景技術(shù)中提到的對(duì)接耦合技術(shù)更少，制作工藝簡(jiǎn)單，且有源區(qū)與無源波導(dǎo)區(qū)材料相同，避免了界面反射的問題，因此更適合大規(guī)模批量生產(chǎn)。雖然量子阱混雜工藝重復(fù)性較差，但對(duì)于高速直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器，其對(duì)無源波導(dǎo)區(qū)的波長(zhǎng)范圍要求較寬，因此對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例所提出的量子阱混雜的重復(fù)性要求并不高。另一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例還對(duì)無源波導(dǎo)部分采用氫離子注入，進(jìn)一步降低了激光器注入電流的擴(kuò)散長(zhǎng)度，有利于減小激光器的漏電流。

在本實(shí)用新型實(shí)施例具體實(shí)現(xiàn)過程中，存在一種優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式，其中，所述第一離子為磷離子，所述第二離子為氫離子。

本實(shí)用新型在不同使用場(chǎng)合，其有源區(qū)4的長(zhǎng)度的取值區(qū)間在50-150μm 之間，其參數(shù)值的取值跟芯片的加工工藝有關(guān)，也與預(yù)設(shè)的激光器大小尺寸等相關(guān)。相應(yīng)的，其無源波導(dǎo)區(qū)的長(zhǎng)度的取值區(qū)間為50-150μm；其第二離子注入深度為100-1000nm，其中，注入的深度越深則可進(jìn)一步降低激光器注入電流的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但是同時(shí)也會(huì)增加加工所需的時(shí)間和產(chǎn)品的成本，另外注入的越深，注入的離子往側(cè)向的擴(kuò)散長(zhǎng)度越長(zhǎng)，將影響激光器可靠性。因此，具體操作時(shí)通常會(huì)根據(jù)上覆蓋層15和接觸層16的厚度，取兩者厚度總和的1/3左右為宜。

本實(shí)用新型實(shí)施例所述結(jié)構(gòu)適用于各種邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片，下面以一種構(gòu)成邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片的各材料層結(jié)構(gòu)為例，闡述如何將相應(yīng)各層半導(dǎo)體材料適用到本實(shí)用新型實(shí)施例1中所揭示的結(jié)構(gòu)。具體的：所述下波導(dǎo)層3由P型銦鎵砷磷構(gòu)成；所述有源區(qū)4由應(yīng)變多量子阱構(gòu)成；所述上波導(dǎo)層5 由N型銦鎵砷磷構(gòu)成；所述上覆蓋層15由磷化銦構(gòu)成；所述接觸層16由N型銦鎵砷材料構(gòu)成。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型實(shí)施例還給予了一組可行的參數(shù)值，用于結(jié)合上述各材料類型實(shí)現(xiàn)邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器。具體的，下覆蓋層2厚度為500nm；下波導(dǎo)層3的厚度為100nm；有源區(qū)4的厚度為145nm；上波導(dǎo)層5的厚度為90nm；上覆蓋層15的厚度為1500nm；接觸層16的厚度為200nm。

結(jié)合上述由具體材料和相應(yīng)厚度構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于上述邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器，所述氫離子注入的深度的參數(shù)值具體為300nm。

為了便于工業(yè)生產(chǎn)，使激光芯片在加工制造過程中的光刻和腐蝕工藝的效率更高、精度更好，結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例存在一種優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方案，如圖2 所示，所述上波導(dǎo)層5和上覆蓋層15之間存在一層P型銦鎵砷磷P-InGaAsP腐蝕停止層14。該腐蝕停止層14有助于本實(shí)用新型實(shí)施例所提出的激光芯片結(jié)構(gòu)制作脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2：

在提出了實(shí)施例1所述的一種邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片結(jié)構(gòu)之后，進(jìn)一步通過本實(shí)用新型實(shí)施例闡述如何實(shí)現(xiàn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的工業(yè)制造。在本實(shí)用新型實(shí)施例中采用實(shí)施例1中包含P-InGaAsP腐蝕停止層14的結(jié)構(gòu)為例，并結(jié)合實(shí)施例1中給予的一套可行的材料和參數(shù)值進(jìn)行闡述。

如圖3所示，在步驟201是在N型磷化銦(InP)襯底1上，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(Metal-organic Chemical Vapor DePosition，簡(jiǎn)寫為：MOCVD) 方法依次生長(zhǎng)InP緩沖層2(在實(shí)施例1中也稱為下覆蓋層2)，晶格匹配的銦鎵砷磷(InGaAsP)下波導(dǎo)層3，應(yīng)變多量子阱層4，晶格匹配的InGaAsP上波導(dǎo)層5，p型InP層6，InGaAsP腐蝕停止層7以及本征InP犧牲層8，其中InP 緩沖層2厚500nm，下波導(dǎo)層3厚100nm，應(yīng)變多量子阱層4厚度為145nm，其中，應(yīng)變多量子阱層4包含了9個(gè)量子阱和10個(gè)壘層，阱和壘的厚度分別為5nm 和10nm，上波導(dǎo)層5厚度為90nm，p型InP層6厚度為10nm，InGaAsP腐蝕停止層7厚度10nm，InP犧牲層8厚度200nm。

一次外延生長(zhǎng)完后，在步驟202中，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，簡(jiǎn)寫為：PECVD)法在外延片表面生長(zhǎng) 200nm的SiO₂掩膜層9，并采用光刻及刻蝕技術(shù)制作掩膜圖形，形成區(qū)域10和區(qū)域11，制作的SiO₂掩膜圖形為長(zhǎng)150μm。

在步驟203中，在區(qū)域11進(jìn)行磷離子注入，隨后去除外延片表面的SiO₂掩膜層9，如圖4所示，再整片生長(zhǎng)SiO2層12，然后對(duì)外延片進(jìn)行快速熱退火。

在步驟204中，依次去除外延片表面的SiO2層12，本征InP犧牲層8和 InGaAsP腐蝕停止層7，具體是采用不同的腐蝕液，依次采用第一腐蝕液腐蝕掉 SiO2層12,第二腐蝕液腐蝕掉犧牲層8(InGaAsP腐蝕停止層7對(duì)第二腐蝕液具有抗腐蝕性)，采用第三腐蝕液腐蝕掉InGaAsP腐蝕停止層7(p型InP層6對(duì)所述第三腐蝕液具有抗腐蝕性)。

在步驟205中，如圖5所示，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法依次生長(zhǎng)InP緩沖層13、InGaAsP腐蝕停止層14、InP上覆蓋層15、以及InGaAs 接觸層16。

在步驟205中完成二次外延生長(zhǎng)后，在步驟206中，如圖5所示，再采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法在外延片表面生長(zhǎng)250nm的SiO₂掩膜層 17，并采用光刻及刻蝕技術(shù)制作掩膜圖形，形成區(qū)域18和區(qū)域19，制作的SiO₂掩膜圖形為長(zhǎng)160μm，沿條長(zhǎng)方向的圖形周期為200μm，然后對(duì)區(qū)域19進(jìn)行氫離子注入，注入深度為300nm，得到如圖2所示結(jié)構(gòu)效果。

在步驟204中，去除SiO2掩膜層17，然后如圖6所示，整片生長(zhǎng)SiO2掩膜層20，隨后制作脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，開接觸窗口，制作P面電極，減薄及制作N 面電極。

本實(shí)施例可用于制作實(shí)施例1中所述相關(guān)邊發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以根據(jù)本實(shí)施例所公開的內(nèi)容，在無需創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)無InGaAsP腐蝕停止層的情況(僅僅是在做脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)對(duì)制作工藝精度有較高的要求)。另外，對(duì)于其它參數(shù)或者材料結(jié)構(gòu)類型的發(fā)射高速半導(dǎo)體激光器芯片，若涉及實(shí)施例1所述的結(jié)構(gòu)也可以利用實(shí)施例2所述的制作方法完成，均屬于本實(shí)用新型實(shí)施例的保護(hù)范圍。

在本實(shí)用新型實(shí)施例中，實(shí)施例1中的上覆蓋層15因?yàn)榧庸すに嚨男枨?，被拆分成p型InP層6、InP緩沖層13和InP上覆蓋層15，并且，為了提高脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)加工效率，還在所述InP緩沖層13和InP上覆蓋層15之間增設(shè)了腐蝕停止層14。但是，上述幾種可行的結(jié)構(gòu)，均屬于本實(shí)用新型實(shí)施例的保護(hù)范圍內(nèi)。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。