一種DFB雷射器的外延結構及其製備方法與流程
2023-10-23 19:12:07 1
本發明涉及DFB雷射器製造技術領域，尤其是一種DFB雷射器的外延結構及其製備方法。
背景技術：
光通信網絡採用光作為信號傳輸的載體，相比於採用銅纜作為傳輸介質的電通信網絡，信息互聯的速度、容量和抗幹擾能力得到顯著提高，因而得到廣泛應用。半導體雷射器是光通信網絡的主要光源，包括法布裡-珀羅雷射器（FP雷射器），分布反饋雷射器（DFB）和垂直腔面發射雷射器（VCSEL）三種類型。其中，DFB雷射器在半導體內部建立起布拉格光柵，依靠光的分布反饋實現單縱模的選擇，具有高速、窄線寬及動態單縱模工作特性，且DFB雷射器能在更寬的工作溫度與工作電流範圍內抑制普通FP雷射器的模式跳變，極大地改善器件的噪聲特性，在光通信領域具有廣泛的應用。
光通信用的DFB雷射器波長一般為1310 nm和1550 nm,一般採用InP為生長襯底，採用AlGaInAs或InGaAsP的量子阱為有源層。DFB光柵的製作一般採用全息光刻或電子束光刻的方法，在InGaAsP光柵層製作層上形成寬約200nm，高約40-50nm的光柵層,然後在光柵層上面生長二次外延層。由於光柵層中P的平衡蒸汽壓較高，在光柵層上面進行二次外延層生長過程中，P會揮發出來並被載氣帶走，使In原子發生遷移，導致光柵層的厚度與組分發生變化。此外，晶格改變會導致器件表面形成高密度的點缺陷，從而惡化器件性能。
為了抑制P揮發被載氣帶走，防止光柵層在二次生長前的升溫和高溫生長過程中被刻蝕，現有技術中採用低溫（通常生長溫度不高於550°C）工藝生長二次外延層，以避免光柵受到刻蝕，但是通過低溫生長的二次外延層材料質量較差，同樣會影響DFB的性能。採用MOCVD生長DFB二次外延層的生長條件非常苛刻，導致DFB製作良率偏低，製作和應用成本居高不下。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種DFB雷射器的外延結構，其能防止光柵層被刻蝕，提升DFB雷射器外延結構品質，降低DFB雷射器的應用成本。
為達到上述目的，本發明的技術方案是：一種DFB雷射器的外延結構，包括InP襯底，在InP襯底上自下而上依次設置有緩衝層、下限制層、下波導層、有源層、上波導層、上限制層、第二緩衝層、腐蝕阻擋層、包層和光柵層；在光柵層上面設置有二次外延層，所述二次外延層自下而上包括光柵包層、勢壘漸變層和歐姆接觸層，所述光柵包層自下而上包括光柵覆蓋層和過渡層，所述光柵覆蓋層厚度大於光柵層厚度。
優選所述光柵覆蓋層厚度比光柵層厚度大2nm-6nm；
優選所述光柵覆蓋層的平均生長速度為0.002 nm/s-0.003 nm/s，所述光柵覆蓋層的生長溫度為530-570°C；所述過渡層的平均生長速度為0.15 nm/s-0.55 nm/s，所述過渡層的生長溫度為650-690°C。這樣由於所述光柵覆蓋層在低溫、慢速下生長，可獲得較好的晶體質量且保證光柵不會被刻蝕，而所述過渡層是在高溫下且較快速生長，二次外延層的質量也能較好的得到保障。
優選所述光柵層的厚度為40 nm；光柵層中光柵周期為210nm；所述光柵覆蓋層的厚度為42.3 nm。
優選所述緩衝層為InP層；所述下限制層為AlInAs層；所述下波導層為AlGaInAs層；所述有源層為AlGaInAs層；所述上波導層為AlGaInAs層；所述上限制層為AlInAs層；所述第二緩衝層為InP層，所述腐蝕阻擋層為波長1100nm 的InGaAsP層；所述包層為InP層，所述光柵層為波長1100nm InGaAsP層；所述光柵覆蓋層為InP層，所述過渡層為InP層；所述勢壘漸變層為InGaAsP層；所述歐姆接觸層為InGaAs層。
進一步，所述勢壘漸變層自下而上包括第一勢壘漸變層和第二勢壘漸變層，第一勢壘漸變層由波長為1300nm的InGaAsP層構成，第二勢壘漸變層由波長為1500nm的InGaAsP層構成。
本發明的外延結構由於二次外延層中的光柵包層包括有光柵覆蓋層和過渡層，光柵覆蓋層的厚度大於光柵層，光柵覆蓋層可以給光柵層提供較好的保護作用，特別是讓所述光柵覆蓋層在低溫、脈衝式且慢速下生長，能獲得較好的晶體質量且保證光柵不會被刻蝕，而光柵覆蓋層的厚度大於光柵層，利於對光柵過渡層採用不同條件的方式生長，確保光柵層不會被刻蝕，讓所述過渡層在高溫下且較快速生長，二次外延層的質量也能較好的得到保障。採用這種結構提升了DFB雷射器外延結構品質，降低DFB雷射器的應用成本。
本發明還要提供一種DFB雷射器的外延結構的製備方法，其既保持光柵層結構組分與厚度不發生變化，又可生長高質量的二次外延層，提高DFB雷射器外延結構品質和製備良率。
為達到上述目的，本發明的技術方案是：一種DFB雷射器外延結構的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、選用InP作為襯底，把InP襯底放入到MOCVD 系統反應室中，以H2為載氣，通入相應反應源氣體，在InP襯底上面依次生長InP緩衝層、AlInAs下限制層、AlGaInAs下波導層、AlGaInAs有源層、AlGaInAs上波導層、AlInAs上限制層、InP第二緩衝層、InGaAsP腐蝕阻擋層、InP包層和InGaAsP光柵製作層；
步驟二、取出步驟一生長完成的半成品外延片，在半成品外延片上採用全息光刻或電子束光刻的方式在InGaAsP光柵製作層上形成光柵層；
步驟三、把步驟二製作完光柵層的半成品外延片清洗後再放入MOCVD 系統反應室，給反應室通入流量為850sccm -950 sccm 的PH3氣體以保護半成品外延片，讓反應室升溫至530℃-570℃，然後在t1=1秒-8秒內往反應室通入流量為8 sccm -15 sccm的TMIn反應源氣體在光柵層上面生長InP光柵覆蓋層的形核層，接著在t2=2秒-5秒內關閉進入反應室的TMIn反應源氣體，給已生長InP光柵覆蓋層的形核層中的原子遷移提供時間，穩定已生長InP光柵覆蓋層的形核層，再接著在t3=12秒-24秒內往反應室通入流量為8 sccm -15 sccm的TMIn反應源氣體在已生長的InP光柵覆蓋層的形核層上繼續生長InP光柵覆蓋層的基體層，再接著在t4=2秒-5秒內關閉進入反應室的TMIn反應源氣體，穩定後面生長InP光柵覆蓋層的基體層，如此以t1+t2+t3+t3= t5作為一個生長周期循環生長InP光柵覆蓋層至InP光柵覆蓋層的總厚度大於光柵層厚度2nm-6nm後停止InP光柵覆蓋層的生長；
步驟四、讓反應室的溫度升高至650℃-690℃，保持PH3氣體通入反應室的流量為850sccm -950 sccm ，然後往反應室通入流量為600sccm -800sccm的TMIn反應源氣體，在已生長完成的InP光柵覆蓋層上生長InP過渡層，InP過渡層生長至設定厚度後停止生長；
步驟五、保持反應室溫度為650-690℃，以H2為載氣，通入相應反應源氣體，在生長完成的InP過渡層上依次生長InGaAsP勢壘漸變層和InGaAs歐姆接觸層。
優選所述步驟三中，通入反應室PH3氣體的流量為900 sccm，反應室升溫至550℃，通入反應室TMIn反應源氣體的流量為10 sccm，在往反應室通入TMIn反應源氣體的同時還以雙稀釋管路通入流量為0.36sccm的DeZn摻雜劑氣體，t1為2秒，t2為2秒，t3為15秒，t4為2秒，InP光柵覆蓋層的平均生長速度為0.00228 nm/s；所述步驟四中，讓反應室的溫度升高至670℃，通入反應室TMIn反應源氣體的流量為720sccm，在往反應室通入TMIn反應源氣體的同時還以雙稀釋管路通入流量為37.5sccm的DeZn摻雜劑氣體，所述InP過渡層的平均生長速度為0.2 nm/s；所述步驟五中，反應室的溫度保持為670℃。
進一步，所述步驟三中，在往反應室通入TMIn反應源氣體的同時還以雙稀釋管路通入流量為0.25-0.50sccm的DeZn摻雜劑氣體；所述步驟四中，在往反應室通入TMIn反應源氣體的同時還以雙稀釋管路通入流量為30-50sccm的DeZn摻雜劑氣體。
進一步，所述步驟五中，InGaAsP勢壘漸變層的生長為先生長波長為1300nm的InGaAsP勢壘漸變層，後生長波長為1500nm的InGaAsP勢壘漸變層。
本發明製備方法在生長二次外延層過程中分成兩個步驟，先採用低溫、脈衝式慢速生長光柵覆蓋層，同時又通過流量為850sccm -950 sccm 的高分壓PH3氣體做保護，在反應室升溫過程中採用高分壓的PH3氣流可有效抑制P的揮發；且脈衝式慢速生長光柵覆蓋層，光柵覆蓋層堆垛層錯和空位較少，有利於提高二次外延層的晶體質量。而光柵覆蓋層生長完成後，接下來再以高溫、快速方式生長過渡層和後面二次外延層，由光柵覆蓋層和過渡層組合而成的光柵包層的生長質量能得到保障，有利於提升DFB雷射器外延結構品質和製備良率，降低DFB雷射器的應用成本。
附圖說明
圖1是本發明DFB雷射器的外延結構示意圖；
圖2是本發明製備方法步驟一所生長完成的外延結構示意圖；
圖3是本發明製備方法步驟二所生長完成的外延結構示意圖；
圖4是本發明製備方法步驟三所生長完成的外延結構示意圖；
圖5是本發明製備方法步驟四所生長完成的外延結構示意圖；
圖6是生長光柵覆蓋層脈衝式生長時間與反應室溫度相對應圖表。
具體實施方式
下面結合附圖和具體的實施方式對本發明作進一步詳細說明。
圖1所示，一種DFB雷射器的外延結構，包括InP襯底1，在InP襯底1上自下而上依次設置有緩衝層2、下限制層3、下波導層4、有源層5、上波導層6、上限制層7、第二緩衝層8、腐蝕阻擋層9、包層10和光柵層11；在光柵層11上面設置有二次外延層，所述二次外延層自下而上依次包括光柵包層12、第一勢壘漸變層13、第二勢壘漸變層14和歐姆接觸層15，所述光柵包層12自下而上包括光柵覆蓋層121和過渡層122，所述光柵覆蓋層121厚度大於光柵層11厚度。
優選所述光柵覆蓋層121厚度比光柵層11厚度大2nm-6nm；所述光柵覆蓋層121的平均生長速度為0.002 nm/s-0.003 nm/s，所述過渡層122的平均生長速度為0.15 nm/s-0.55 nm/s；所述光柵覆蓋層121的生長溫度為530-570°C，所述過渡層122的生長溫度為650-690°C。所述過渡層122的厚度為所述光柵覆蓋層121厚度的10倍-20倍。
本實施例的光柵層11的厚度為40 nm；光柵層11中光柵周期為210nm；光柵層11的波長為1100 nm；所述光柵覆蓋層121的厚度為42.3 nm。
優選所述緩衝層2為InP層；所述下限制層3為AlInAs層；所述下波導層4為AlGaInAs層；所述有源層5為AlGaInAs層；所述上波導層6為AlGaInAs層；所述上限制層7為AlInAs層；所述第二緩衝層8為InP層；所述腐蝕阻擋層9為波長1100nm 的InGaAsP層；所述包層10為InP層；所述光柵層11為波長1100nm 的InGaAsP層；所述光柵覆蓋層121為InP層；所述過渡層122為InP層；所述第一勢壘漸變層13為波長1300nm的 InGaAsP層，所述第二勢壘漸變層14為波長1500nm的 InGaAsP層；所述歐姆接觸層15為InGaAs層。
上述DFB雷射器外延結構的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、選用InP作為生長襯底，優選InP生長襯底的電導率為2-8x1018cm-2，把InP襯底1放入到MOCVD 系統反應室中，控制反應室壓力為50mbar，生長溫度為670℃，以H2為載氣，三甲基銦（TMIn）、三甲基鎵（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）、二乙基鋅（DeZn）、矽烷（SiH4）、砷烷（AsH3）和磷烷（PH3）等為反應源氣體，在InP襯底1上面依次生長InP緩衝層2、AlInAs下限制層3、AlGaInAs下波導層4、AlGaInAs有源層5、AlGaInAs上波導層6、AlInAs上限制層7、InP第二緩衝層8、波長為1100nm的InGaAsP腐蝕阻擋層9、InP包層10和波長為1100 nm的InGaAsP光柵製作層11a；InGaAsP光柵製作層11a的生長厚度控制為40 nm，生長完成的結構示意圖如圖2所示。
步驟二、取出步驟一生長完成的半成品外延片，在半成品外延片上採用全息光刻或電子束光刻的方式在InGaAsP光柵製作層11a上形成光柵層11；控制光柵層11的厚度為40 nm；光柵層11中光柵周期為210nm；製作完成的結構示意圖如圖3所示。
步驟三、把步驟二製作完光柵層11的半成品外延片清洗後再放入MOCVD 系統反應室，控制反應室壓力為50mbar，以H2為載氣，給反應室通入流量為900 sccm 的PH3氣體以保護半成品外延片，讓反應室緩慢升溫至550℃，然後在t1=2秒內往反應室通入流量為10 sccm的TMIn反應源氣體在光柵層11上面生長InP光柵覆蓋層的形核層，在往反應室通入TMIn反應源氣體的同時還以雙稀釋管路通入流量為0.36sccm的DeZn的摻雜劑氣體；接著在t2=2秒內關閉進入反應室的TMIn反應源氣體，DeZn的摻雜劑氣體也同時關閉，給已生長InP光柵覆蓋層的形核層中的原子遷移提供時間，使已生長InP光柵覆蓋層的形核層中的原子遷移到其能量最低點，穩定已生長InP光柵覆蓋層的形核層；再接著在t3=15秒內往反應室通入流量為10 sccm的TMIn反應源氣體在已生長的InP光柵覆蓋層的形核層上繼續生長InP光柵覆蓋層121的基體層，在往反應室通入TMIn反應源氣體的同時還以雙稀釋管路通入流量為0.36sccm的DeZn的摻雜劑氣體；再接著在t4=2秒內關閉進入反應室的TMIn反應源氣體和DeZn的摻雜劑氣體，給後面生長InP光柵覆蓋層121的基體層中的原子遷移提供時間，提高InP光柵覆蓋層的基體層晶體質量，穩定InP光柵覆蓋層121的基體層；如此以t1+t2+t3+t3=t5=21秒作為一個生長周期循環生長InP光柵覆蓋層121至InP光柵覆蓋層121的總厚度大於光柵層11的厚度2nm-6nm後停止InP光柵覆蓋層121的生長；本實施例中，共計生長900個循環，即t5=5.25小時，每個循環生長厚度為0.047 nm，InP光柵覆蓋層121的平均生長速度為0.00228 nm/s，InP光柵覆蓋層121的總厚度為42.3 nm，InP光柵覆蓋層121的總厚度比光柵層11的厚度大2.3 nm，生長完成的結構示意圖如圖4所示，形成脈衝式生長時間與反應室溫度相對應圖表如圖6。
步驟四、保持反應室壓力為50mbar，保持PH3氣體通入反應室的流量為900 sccm ，反應室的溫度升高至670℃，以H2為載氣，然後往反應室通入流量為720sccm的TMIn反應源氣體，TMIn反應源氣體可以通過兩個管路通入反應室，在往反應室通入TMIn反應源氣體的同時還以雙稀釋管路通入流量為37.5sccm的DeZn摻雜劑氣體，在已生長完成的InP光柵覆蓋層121上生長InP過渡層122，此時，InP過渡層的平均生長速度為0.2 nm/s，InP過渡層122生長至設定厚度後停止生長；本實施例的InP過渡層122經過50分鐘生長其生長厚度為600 nm，生長完成的結構示意圖如圖5所示。
步驟五、讓反應室溫度保持在670℃，以H2為載氣，通入相應反應源氣體，在生長完成的InP過渡層122上依次生長波長為1300nm的InGaAsP勢壘漸變層13、波長為1500nm的InGaAsP勢壘漸變層14和InGaAs歐姆接觸層15；波長為1300nm的InGaAsP勢壘漸變層13和波長為1500nm的InGaAsP勢壘漸變層14厚度可以控制相同；生長完成的結構示意圖如圖1所示。
整個DFB雷射器的外延結構生長完成後，可利用光刻與刻蝕工藝，在InGaAs歐姆接觸層15上端面形成脊波導結構，然後在脊波導結構上蒸鍍正面電極，並將InP襯底1減薄，在減薄的InP 襯底背面蒸鍍背面電極；在管芯一端蒸鍍高反射薄膜（90 %反射率），另一端蒸鍍低反射膜（10%反射率），即完成DFB雷射器晶片的製作。
本實施例的光柵覆蓋層採用低溫、脈衝式慢速生長方法，且一直保持PH3氣體的高分壓比，有利於減少升溫過程中P的揮發。同時，先以短脈衝通入TMIn、DeZn，在外延片上形成一層非常薄光柵覆蓋層的形核層並使之形成穩定態，減少堆垛層錯和空位，然後在形核層基礎上以較長脈衝通入TMIn、DeZn，以形成光柵覆蓋層的基體層並使之形成穩定態，如此循環完成光柵覆蓋層生長，通過穩定的光柵覆蓋層和後面生長的過渡層就能較好保護光柵層，然後在此基礎上生長一定厚度的二次外延層，可顯著降低半導體外延層缺陷密度，從而提高DFB的晶體質量，提高生產良率，降低DFB的應用成本。
以上僅是本發明一個較佳的實施例，本領域的技術人員按權利要求作等同的改變都落入本案的保護範圍。