一種小發散角雷射器及其製備工藝的製作方法

2023-10-26 09:40:07

本發明屬於雷射器及其製造工藝技術領域，具體涉及一種小發散角的雷射器及其製備工藝。

背景技術：

目前應用於高速(10g，25g，100g速率)遠距離傳輸的雷射器晶片主流都是端面出光的設計，這是因為端面出光的雷射器不管是在工藝的複雜度與穩定度或是器件的光電特性與可靠性都遠遠好於面射型雷射器(vcsel)，一般正常端面出光的雷射器如圖1所示，雷射器的出光面位於雷射器的自然解理面上。

對於端面發光型雷射器來說，因為其在出光平面內有源區上下材料的及不對稱分布，導致其在光傳播方向上光場與電場的不對稱，表現在光遠場特性即大的發散角及很不對稱的光斑形狀，在器件封裝時，不對稱光斑及大發散角雷射器晶片發出來的光難於耦合到光纖中。為了達到預期的光纖耦光功率，封裝廠會對晶片的功率提出非常高的要求，並採用昂貴的透鏡來改善耦光效果；對於不對稱的光斑還需要手動調節耦光角度，這使封裝廠的封裝效率與成本大幅增加。

為了提升耦光效果，跨國大公司以及各國研究機構嘗試了各種方式，其中最主要的方案有兩種方式1、應用區域選擇生長技術(sag)實現端面有源區在垂直結構上的梯度分布以實現改善發散角；2、採用雙波導型(twg)設計，在出光端面去掉上方波導，利用下方波導來實現改善發散角的目的；這些解決方案可以將發散角做到很小，解決客戶對耦光效率的需求，但是這些方案大大的增加了工藝的複雜性，晶片的製造工藝不穩定，並存在光束的光軸會出現歪斜影響封裝生產效率，產品良率低的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一新的製造端面出光型小發散角雷射器的方法，通過特定的刻蝕方式與出光端面mocvd再生長方式，來減小雷射器遠場發散角，具有較高的耦光效率，本發明製造工藝簡單穩定，可以大幅提高產出晶片的良率，同時也降低了客戶封裝過程中的成本。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是，一種小發散角雷射器，包括基板和依次設置在基板上的有源區、第一包層和衍射光柵層，第一包層和衍射光柵層一端設置有端面刻蝕區，端面刻蝕區底部位於基本內，且端面刻蝕區內生長有發散角改善層；衍射光柵層和發散角改善層上依次覆蓋有第二包層、接觸層和p-金屬電極層，基板下表面鍍有n-金屬電極層，發散角改善層的一端鍍上抗反射鍍膜層，另一端鍍上高反射鍍膜層。

發散角改善層為絕緣型inp材料。

端面刻蝕區的長度ls為5～20um；端面刻蝕區的刻蝕底面距有源區底面的深度db為0*dq-1.5*dq，dq為有源區11的厚度；端面刻蝕區在波導方向的側面與刻蝕底面的夾角α的角度為110°～90°。

端面刻蝕區的長度ls為15um，端面刻蝕區的刻蝕底面距有源區底面的深度db與有源區的厚度dq相等。

本發明的一種小發射角雷射器的製備工藝，包括以下工序：

工序一：在已經製作好的光柵表面用等離子體增強型化學氣相沉積的方法沉積一層端面刻蝕的掩模層，然後採用光刻技術將刻蝕區域露出，即端面刻蝕區的頂面，首先採用幹刻蝕的方式，將露出區域刻蝕至有源區下方；然後使用含有br、hbr和h2o的刻蝕溶液進行刻蝕，幹刻蝕側壁角度保持在103°～90°，刻蝕後，刻蝕區域底部距有源區下表面的距離為有源區厚度的0～1.5倍，且在波導方向刻蝕側面與底面夾角為110°～90°；

工序二，採用sag技術使用mocvd沉積一層絕緣型inp包層作為發散角改善層，其中：發散角改善層的沉積溫度比有源區11生長的溫度高10～30℃，發散角改善層的厚度為端面刻蝕總深度的1-1.8倍；

工序三，使用mocvd方法在衍射光柵層與發散角改善層上方依次沉積inp包層與ingaas接觸層；

工序四，在工序三後，首先使用通用光刻技術在晶圓上方形成波導結構，然後在其表面使用pecvd形成一層絕緣層，之後再去除波導上表面的絕緣層，露出ingaas接觸層，然後在ingaas接觸層與絕緣層上方形成p-金屬電極層，之後將inp基板背面減薄拋光至100um，鍍上n-金屬電極層41；晶圓經過切割後在有發散角改善層的一端鍍上抗反射鍍膜層，另一端鍍上高反射鍍膜層，至此，工藝完成，得到改善發散角的雷射器晶片。

掩模層的材料為si3n4或sio2。

工序一的刻蝕溶液中，br：hbr：h2o＝1：5：x，其中x範圍是3-10，最佳值是5。

工序一中：

端面刻蝕區的長度ls為5～20um，其中15um為最佳值；

端面刻蝕區的刻蝕底面距有源區底面的深度db為0*dq-1.5*dq，1*dq為最佳值，dq為有源區的厚度；

端面刻蝕區在波導方向的側面與刻蝕底面的夾角α的角度為70°～90°。

發散角改善層的總厚度dg範圍為1*dt～1.5*dt，最佳值為1.2*dt，dt為端面刻蝕區的刻蝕總深度；發散角改善層的生長溫度範圍是tq+10℃～tq+30℃，最佳值是tq+15℃，tq為雷射器有源區11生長溫度。

工序一中，採用sio2作為絕緣層。

與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果，本發明可以用一種全新的方式來製造擁有小發散角的雷射器晶片，通過改變出光端面附近的材料來改善發散角，由於其並不改變雷射器原有結構且不存在光波導形貌與耦光控制問題。因此實現的工藝簡單，可接受的容錯範圍大，且不改變原有雷射器本身的特性；此外，本發明採用幹法刻蝕與選擇性刻蝕技術，結合mocvd的選擇區域性體材料生長技術完成出光端面的發散角改善，本方案的刻蝕與生長技術都十分的成熟，是業界最常用的技術，其工藝穩定且易於實現，且由於本方案不存在波導軸心偏斜的問題，因此出光軸向不會發生偏斜。與現有技術相比工藝簡單穩定，模態穩定性增加，產出良率提升，同時幫助減少客戶封裝成本與效率。

附圖說明

圖1為現有的端面出光型雷射器晶片結構示意圖。

圖2為本發明的製造工序圖，其中，圖2a為端面刻蝕工藝圖，圖2b為端面發散角改善層生長工藝圖，圖2c為外包層再生長工藝圖，圖2d為器件結構形成工藝圖。

圖3為一般晶片與本發明小發散角在出光平面內的電場分布對比圖，其中，圖3a為常規無小發散角設計在出光平面電場分布圖，圖3b為本發明有小發散角設計在出光平面電場分布圖。

圖4為一般晶片與本發明小發散角在出光平面內的遠場光場分布對比圖，其中，圖4a為一般無小發散角設計的光場分布；圖4b為本發明有小發散角設計的光場分布。

圖5為雷射器遠場發散角曲線圖，其中，圖5a為垂直發散角曲線圖；圖5b為水平發散角曲線圖；

圖6為本發明小發散角設計端面刻蝕結構示意圖。

圖7為本發明小發散角設計端面生長結構示意圖。

附圖中：10-基板，11-有源區，12-第一包層，13-衍射光柵層，14-掩模層，15-端面刻蝕區，20-發散角改善層，30-第二包層，31-接觸層，40-p-金屬電極層，41-n-金屬電極層，42-高反射鍍膜層，43-抗反射鍍膜層。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

如圖2d所示，本發明的小發散角雷射器，一種小發散角雷射器，包括基板10和和依次設置在基板10上的有源區11、第一包層12和衍射光柵層13，第一包層12為inp材料，第一包層12和衍射光柵層13一端設置有端面刻蝕區15，端面刻蝕區15底部位於基本10內，且端面刻蝕區15內生長有發散角改善層20，發散角改善層20為絕緣型inp材料；衍射光柵層13和發散角改善層20上依次覆蓋有第二包層30、接觸層31和p-金屬電極層40，基板10下表面鍍有n-金屬電極層41，發散角改善層20的一端鍍上抗反射鍍膜層43，另一端鍍上高反射鍍膜層42；其中：

端面刻蝕區15的長度ls為5～20um；端面刻蝕區15的刻蝕底面距有源區底面的深度db為0*dq-1.5*dq，dq為有源區11的厚度；端面刻蝕區15在波導方向的側面與刻蝕底面的夾角α的角度為110°～90°。

在本發明的優選實施例中，端面刻蝕區15的長度ls為15um，端面刻蝕區15的刻蝕底面距有源區底面的深度db與有源區11的厚度dq相等。

圖2是本實施方案通過刻蝕與生長技術實現雷射器小發散角的製造工序流程框圖，本發明的製備工藝包括四個工序，如圖2a～圖2d所示：

工序一：為端面刻蝕工藝，參見圖2a，在已經製作好的grating表面用等離子體增強型化學氣相沉積的方法(pecvd)沉積一層端面刻蝕的掩模層14，掩模層的材料為si3n4或sio2，然後採用光刻技術將需要刻蝕的區域露出，需要刻蝕的區域為從出光端向內縮15um，即端面刻蝕區15的頂面，光刻技術使用常規的光刻技術即可；首先採用幹刻蝕的方式，將露出區域刻蝕過有源區11，幹刻蝕側壁角度保持在103°～90°；然後使用含有br：hbr：h2o刻蝕溶液刻蝕後，刻蝕區域底部距有源區11下表面的距離為有源區11厚度的0～1.5倍，且在波導方向刻蝕側面與底面夾角在110°～90°內。

工序二，端面發散角改善層生長工序，參見圖2b，採用sag技術使用mocvd沉積一層絕緣型inp包層作為發散角改善層20，其中：發散角改善層20的沉積溫度比有源區11生長的溫度高10～30℃，如有源區生長溫度為700℃時，則發散角改善層20的沉積溫度應為710-730℃，發散角改善層20的厚度為端面刻蝕總深度的1-1.8倍。

工序三，參見圖2c，使用mocvd方法在衍射光柵層13與發散角改善層20上方依次沉積第二包層30與ingaas接觸層31，第二包層30為p-inp材料。

工序四，參見圖2d，在工序三後，首先使用通用光刻技術在晶圓上方形成波導結構，然後在其表面使用pecvd形成一層絕緣層，在本實施例中，採用sio2作為絕緣層，之後再去除波導上表面的sio2絕緣層，露出ingaas接觸層31，接下來在ingaas接觸層31與絕緣層上方形成p-金屬電極層40，之後將inp基板10背面減薄拋光至100um，鍍上n-金屬電極層41；晶圓經過切割後在有發散角改善層20的一端鍍上抗反射鍍膜層43，另一端鍍上高反射鍍膜層42，至此，工藝完成，得到改善發散角的雷射器晶片。

本發明通過在出光端面去除有源區材料，再生長一特定長度與厚度的絕緣型的inp層來實現雷射器光斑整形的目的，使雷射器的光斑對稱且遠場發散角縮小，來提升雷射器晶片的耦光效果。在去除有源區時我們通過理論模擬與實驗發現，當延波導方向刻蝕傾角<70°時，出光會發生歪斜，原因是光束傳播在有源區-inp交界面時，若此交界面有很大斜度，光束的傳播方向就會發生扭折最終影響出光的方向。另一方面，我們通過理論計算表明，增加inp的端面層後，原來在出光平面內嚴重變形的電場可以將被拉散，形成較為對稱的分布，如圖3：a為常規無小發散角設計在出光平面電場分布，b為本發明有小發散角設計在出光平面電場分布；從圖中可以看出，這種對稱的電場分布可以使得雷射器的遠場發散角減小，光斑形狀更對稱，此外也可以大大降低端面的反射，增強雷射器的模態穩定性。本發明利用該理論計算與實驗相結合，改善雷射器出光端面的材料分布，實現了高模態穩定性的遠場發散角小的對稱光斑雷射器晶片。與其他方案相比極大的降低了晶片製造工藝複雜度和成本，同時也為客戶帶來了封裝成本降低，封裝效率提升。

圖4為具有小發散角設計與無小發散角設計的遠場光場分布圖。可以看到，由於激器晶片在端面電場分布的聚集畸變，沒有小發散角設計的遠場光斑大且不對稱。而具有小發散角設計的光場由於出光端電場被對稱拉散，導致其遠場光斑更小且對稱，即其發散角更小。

圖5為有/無發散角設計在出光平面的垂直與水平遠場發散角曲線。可以看出本發明的發散角明顯縮小，這將更有利於封裝耦光，降低客戶封裝的成本與效率。

本發明設計的具有小發散角的雷射器晶片在端面刻蝕與生長工藝的結構示意圖如圖6和圖7所示，其中：

端面刻蝕區如圖6中【6-0】所表示，其中ls是端面刻蝕區的長度，dq是有源區的厚度，db是刻蝕底面距有源區底面的深度，α是刻蝕區在波導方向的側面與刻蝕底面的夾角；本發明中，ls的長度範圍為5～20um，其中15um為最佳值；刻蝕溶液配比為br：hbr：h2o＝1：5：x，其中x範圍是3-10，最佳值是5；db的深度範圍為0*dq-1.5*dq,其中最佳設計為1*dq；α的角度範圍為70°～90°。

端面mocvd生長結構如圖7中【7-0】所表示，dt是刻蝕總深度，dg是生長inp總厚度，本發明中，生長inp總厚度dg範圍為1*dt～1.5*dt，最佳值為1.2*dt；tq是雷射器有源區生長溫度，本發明中，生長端面inp層的溫度範圍是tq+10℃～tq+30℃，最佳值是tq+15℃。