一种小发散角激光器及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种小发散角激光器及其制备工艺，包括基板和和依次设置在基板上的有源区、第一包层和衍射光栅层，第一包层和衍射光栅层一端设置有端面刻蚀区，端面刻蚀区底部位于基本内，且端面刻蚀区内生长有发散角改善层；衍射光栅层和发散角改善层上依次覆盖有第二包层、接触层和p‑金属电极层，基板下表面镀有n‑金属电极层，发散角改善层的一端镀上抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层，通过改变出光端面附件的材料而来改善发散角，由于其并不改变激光器原有结构且不存在光波导形貌与耦光控制问题，因此实现的工艺简单，可接受的容错范围大，且不改变原有激光器本身的特性。

Small divergence angle laser and preparation process thereof

The invention discloses a small divergence angle of laser and its preparation process, and in turn, the active region includes a substrate disposed on a substrate of a first cladding layer and a diffraction grating layer, a first cladding layer and a diffraction grating layer is provided with a surface etching, etching area at the base of the basic end, and the end surface etching area growth the divergence angle of improving layer; diffraction grating layer and the divergence angle of improving layer is covered in turn with second packet layer and the contact layer and P metal electrode layer, the lower surface of the substrate coated with n metal electrode layer, one end of the plating layer to improve the divergence angle on the anti reflective coating layer, the other end coated with high reflection coating layer, through the change the light end attachment materials to improve the divergence angle, because it does not change the original structure of the laser without optical waveguide morphology and coupling control problem, so the process is simple and acceptable fault tolerance The range of the laser is large, and the characteristics of the original laser are not changed.

【技术实现步骤摘要】
一种小发散角激光器及其制备工艺
本专利技术属于激光器及其制造工艺
，具体涉及一种小发散角的激光器及其制备工艺。
技术介绍
目前应用于高速(10G，25G，100G速率)远距离传输的激光器芯片主流都是端面出光的设计，这是因为端面出光的激光器不管是在工艺的复杂度与稳定度或是器件的光电特性与可靠性都远远好于面射型激光器(VCSEL)，一般正常端面出光的激光器如图1所示，激光器的出光面位于激光器的自然解理面上。对于端面发光型激光器来说，因为其在出光平面内有源区上下材料的及不对称分布，导致其在光传播方向上光场与电场的不对称，表现在光远场特性即大的发散角及很不对称的光斑形状，在器件封装时，不对称光斑及大发散角激光器芯片发出来的光难于耦合到光纤中。为了达到预期的光纤耦光功率，封装厂会对芯片的功率提出非常高的要求，并采用昂贵的透镜来改善耦光效果；对于不对称的光斑还需要手动调节耦光角度，这使封装厂的封装效率与成本大幅增加。为了提升耦光效果，跨国大公司以及各国研究机构尝试了各种方式，其中最主要的方案有两种方式1、应用区域选择生长技术(SAG)实现端面有源区在垂直结构上的梯度分布以实现改善发散角；2、采用双波导型(TWG)设计，在出光端面去掉上方波导，利用下方波导来实现改善发散角的目的；这些解决方案可以将发散角做到很小，解决客户对耦光效率的需求，但是这些方案大大的增加了工艺的复杂性，芯片的制造工艺不稳定，并存在光束的光轴会出现歪斜影响封装生产效率，产品良率低的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一新的制造端面出光型小发散角激光器的方法，通过特定的刻蚀方式与出光端面MOCVD再生长方式，来减小激光器远场发散角，具有较高的耦光效率，本专利技术制造工艺简单稳定，可以大幅提高产出芯片的良率，同时也降低了客户封装过程中的成本。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种小发散角激光器，包括基板和依次设置在基板上的有源区、第一包层和衍射光栅层，第一包层和衍射光栅层一端设置有端面刻蚀区，端面刻蚀区底部位于基本内，且端面刻蚀区内生长有发散角改善层；衍射光栅层和发散角改善层上依次覆盖有第二包层、接触层和p-金属电极层，基板下表面镀有n-金属电极层，发散角改善层的一端镀上抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层。发散角改善层为绝缘型InP材料。端面刻蚀区的长度Ls为5～20um；端面刻蚀区的刻蚀底面距有源区底面的深度Db为0*Dq-1.5*Dq，Dq为有源区11的厚度；端面刻蚀区在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角α的角度为110°～90°。端面刻蚀区的长度Ls为15um，端面刻蚀区的刻蚀底面距有源区底面的深度Db与有源区的厚度Dq相等。本专利技术的一种小发射角激光器的制备工艺，包括以下工序：工序一：在已经制作好的光栅表面用等离子体增强型化学气相沉积的方法沉积一层端面刻蚀的掩模层，然后采用光刻技术将刻蚀区域露出，即端面刻蚀区的顶面，首先采用干刻蚀的方式，将露出区域刻蚀至有源区下方；然后使用含有Br、HBr和H2O的刻蚀溶液进行刻蚀，干刻蚀侧壁角度保持在103°～90°，刻蚀后，刻蚀区域底部距有源区下表面的距离为有源区厚度的0～1.5倍，且在波导方向刻蚀侧面与底面夹角为110°～90°；工序二，采用SAG技术使用MOCVD沉积一层绝缘型InP包层作为发散角改善层，其中：发散角改善层的沉积温度比有源区11生长的温度高10～30℃，发散角改善层的厚度为端面刻蚀总深度的1-1.8倍；工序三，使用MOCVD方法在衍射光栅层与发散角改善层上方依次沉积InP包层与InGaAs接触层；工序四，在工序三后，首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成波导结构，然后在其表面使用PECVD形成一层绝缘层，之后再去除波导上表面的绝缘层，露出InGaAs接触层，然后在InGaAs接触层与绝缘层上方形成p-金属电极层，之后将InP基板背面减薄抛光至100um，镀上n-金属电极层41；晶圆经过切割后在有发散角改善层的一端镀上抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层，至此，工艺完成，得到改善发散角的激光器芯片。掩模层的材料为Si3N4或SiO2。工序一的刻蚀溶液中，Br：HBr：H2O＝1：5：x，其中x范围是3-10，最佳值是5。工序一中：端面刻蚀区的长度Ls为5～20um，其中15um为最佳值；端面刻蚀区的刻蚀底面距有源区底面的深度Db为0*Dq-1.5*Dq，1*Dq为最佳值，Dq为有源区的厚度；端面刻蚀区在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角α的角度为70°～90°。发散角改善层的总厚度Dg范围为1*Dt～1.5*Dt，最佳值为1.2*Dt，Dt为端面刻蚀区的刻蚀总深度；发散角改善层的生长温度范围是Tq+10℃～Tq+30℃，最佳值是Tq+15℃，Tq为激光器有源区11生长温度。工序一中，采用SiO2作为绝缘层。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果，本专利技术可以用一种全新的方式来制造拥有小发散角的激光器芯片，通过改变出光端面附近的材料来改善发散角，由于其并不改变激光器原有结构且不存在光波导形貌与耦光控制问题。因此实现的工艺简单，可接受的容错范围大，且不改变原有激光器本身的特性；此外，本专利技术采用干法刻蚀与选择性刻蚀技术，结合MOCVD的选择区域性体材料生长技术完成出光端面的发散角改善，本方案的刻蚀与生长技术都十分的成熟，是业界最常用的技术，其工艺稳定且易于实现，且由于本方案不存在波导轴心偏斜的问题，因此出光轴向不会发生偏斜。与现有技术相比工艺简单稳定，模态稳定性增加，产出良率提升，同时帮助减少客户封装成本与效率。附图说明图1为现有的端面出光型激光器芯片结构示意图。图2为本专利技术的制造工序图，其中，图2a为端面刻蚀工艺图，图2b为端面发散角改善层生长工艺图，图2c为外包层再生长工艺图，图2d为器件结构形成工艺图。图3为一般芯片与本专利技术小发散角在出光平面内的电场分布对比图，其中，图3a为常规无小发散角设计在出光平面电场分布图，图3b为本专利技术有小发散角设计在出光平面电场分布图。图4为一般芯片与本专利技术小发散角在出光平面内的远场光场分布对比图，其中，图4a为一般无小发散角设计的光场分布；图4b为本专利技术有小发散角设计的光场分布。图5为激光器远场发散角曲线图，其中，图5a为垂直发散角曲线图；图5b为水平发散角曲线图；图6为本专利技术小发散角设计端面刻蚀结构示意图。图7为本专利技术小发散角设计端面生长结构示意图。附图中：10-基板，11-有源区，12-第一包层，13-衍射光栅层，14-掩模层，15-端面刻蚀区，20-发散角改善层，30-第二包层，31-接触层，40-p-金属电极层，41-n-金属电极层，42-高反射镀膜层，43-抗反射镀膜层。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。如图2d所示，本专利技术的小发散角激光器，一种小发散角激光器，包括基板10和和依次设置在基板10上的有源区11、第一包层12和衍射光栅层13，第一包层12为InP材料，第一包层12和衍射光栅层13一端设置有端面刻蚀区15，端面刻蚀区15底部位于基本10内，且端面刻蚀区15内生长有发散角改善层20，发散角改善层20为绝缘型InP材料；衍射光栅层13和发散角改善层20上依次覆盖有第二包层30、接触层31和p-金属电极层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小发散角激光器，其特征在于，包括基板(10)和依次设置在基板(10)上的有源区(11)、第一包层(12)和衍射光栅层(13)，第一包层(12)和衍射光栅层(13)一端设置有端面刻蚀区(15)，端面刻蚀区(15)底部位于基本(10)内，且端面刻蚀区(15)内生长有发散角改善层(20)；衍射光栅层(13)和发散角改善层(20)上依次覆盖有第二包层(30)、接触层(31)和p‑金属电极层(40)，基板(10)下表面镀有n‑金属电极层(41)，发散角改善层(20)的一端镀上抗反射镀膜层(43)，另一端镀上高反射镀膜层(42)。

【技术特征摘要】
1.一种小发散角激光器，其特征在于，包括基板(10)和依次设置在基板(10)上的有源区(11)、第一包层(12)和衍射光栅层(13)，第一包层(12)和衍射光栅层(13)一端设置有端面刻蚀区(15)，端面刻蚀区(15)底部位于基本(10)内，且端面刻蚀区(15)内生长有发散角改善层(20)；衍射光栅层(13)和发散角改善层(20)上依次覆盖有第二包层(30)、接触层(31)和p-金属电极层(40)，基板(10)下表面镀有n-金属电极层(41)，发散角改善层(20)的一端镀上抗反射镀膜层(43)，另一端镀上高反射镀膜层(42)。2.根据权利要求1所述的一种小发散角激光器，其特征在于，发散角改善层(20)为绝缘型InP材料。3.根据权利要求1所述的一种小发散角激光器，其特征在于，端面刻蚀区(15)的长度Ls为5～20um；端面刻蚀区(15)的刻蚀底面距有源区底面的深度Db为0*Dq-1.5*Dq，Dq为有源区11的厚度；端面刻蚀区(15)在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角α的角度为110°～90°。4.根据权利要求1所述的一种小发散角激光器，其特征在于，端面刻蚀区(15)的长度Ls为15um，端面刻蚀区(15)的刻蚀底面距有源区底面的深度Db与有源区(11)的厚度Dq相等。5.一种小发射角激光器的制备工艺，其特征在于，包括以下工序：工序一：在已经制作好的光栅(grating)表面用等离子体增强型化学气相沉积的方法(PECVD)沉积一层端面刻蚀的掩模层(14)，然后采用光刻技术将刻蚀区域露出，即端面刻蚀区(15)的顶面，首先采用干刻蚀的方式，将露出区域刻蚀至有源区(11)下方；然后使用含有Br、HBr和H2O的刻蚀溶液进行刻蚀，干刻蚀侧壁角度保持在103°～90°，刻蚀后，刻蚀区域底部距有源区(11)下表面的距离为有源区(11)厚度的0～1.5倍，且在波导方向刻蚀侧面与底面夹角为110°～90°；工序二，采用SAG技术使用MOCVD沉积一层绝缘型InP包层作为发散角改善层(20)，其中：发散角改...

【专利技术属性】
技术研发人员：李马惠，潘彦廷，师宇晨，王兴，穆瑶，卫思逸，张海超，
申请(专利权)人：陕西源杰半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61