本發(fā)明屬于激光器及其制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小發(fā)散角的激光器及其制備工藝。

背景技術(shù)：

目前應(yīng)用于高速(10g，25g，100g速率)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)募す馄餍酒髁鞫际嵌嗣娉龉獾脑O(shè)計(jì)，這是因?yàn)槎嗣娉龉獾募す馄鞑还苁窃诠に嚨膹?fù)雜度與穩(wěn)定度或是器件的光電特性與可靠性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于面射型激光器(vcsel)，一般正常端面出光的激光器如圖1所示，激光器的出光面位于激光器的自然解理面上。

對(duì)于端面發(fā)光型激光器來說，因?yàn)槠湓诔龉馄矫鎯?nèi)有源區(qū)上下材料的及不對(duì)稱分布，導(dǎo)致其在光傳播方向上光場(chǎng)與電場(chǎng)的不對(duì)稱，表現(xiàn)在光遠(yuǎn)場(chǎng)特性即大的發(fā)散角及很不對(duì)稱的光斑形狀，在器件封裝時(shí)，不對(duì)稱光斑及大發(fā)散角激光器芯片發(fā)出來的光難于耦合到光纖中。為了達(dá)到預(yù)期的光纖耦光功率，封裝廠會(huì)對(duì)芯片的功率提出非常高的要求，并采用昂貴的透鏡來改善耦光效果；對(duì)于不對(duì)稱的光斑還需要手動(dòng)調(diào)節(jié)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(jī)構(gòu)嘗試了各種方式，其中最主要的方案有兩種方式1、應(yīng)用區(qū)域選擇生長(zhǎng)技術(shù)(sag)實(shí)現(xiàn)端面有源區(qū)在垂直結(jié)構(gòu)上的梯度分布以實(shí)現(xiàn)改善發(fā)散角；2、采用雙波導(dǎo)型(twg)設(shè)計(jì)，在出光端面去掉上方波導(dǎo)，利用下方波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)改善發(fā)散角的目的；這些解決方案可以將發(fā)散角做到很小，解決客戶對(duì)耦光效率的需求，但是這些方案大大的增加了工藝的復(fù)雜性，芯片的制造工藝不穩(wěn)定，并存在光束的光軸會(huì)出現(xiàn)歪斜影響封裝生產(chǎn)效率，產(chǎn)品良率低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一新的制造端面出光型小發(fā)散角激光器的方法，通過特定的刻蝕方式與出光端面mocvd再生長(zhǎng)方式，來減小激光器遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，具有較高的耦光效率，本發(fā)明制造工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定，可以大幅提高產(chǎn)出芯片的良率，同時(shí)也降低了客戶封裝過程中的成本。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種小發(fā)散角激光器，包括基板和依次設(shè)置在基板上的有源區(qū)、第一包層和衍射光柵層，第一包層和衍射光柵層一端設(shè)置有端面刻蝕區(qū)，端面刻蝕區(qū)底部位于基本內(nèi)，且端面刻蝕區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)有發(fā)散角改善層；衍射光柵層和發(fā)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(fā)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(fā)散角改善層為絕緣型inp材料。

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

端面刻蝕區(qū)的長(zhǎng)度ls為15um，端面刻蝕區(qū)的刻蝕底面距有源區(qū)底面的深度db與有源區(qū)的厚度dq相等。

本發(fā)明的一種小發(fā)射角激光器的制備工藝，包括以下工序：

工序一：在已經(jīng)制作好的光柵表面用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的方法沉積一層端面刻蝕的掩模層，然后采用光刻技術(shù)將刻蝕區(qū)域露出，即端面刻蝕區(qū)的頂面，首先采用干刻蝕的方式，將露出區(qū)域刻蝕至有源區(qū)下方；然后使用含有br、hbr和h2o的刻蝕溶液進(jìn)行刻蝕，干刻蝕側(cè)壁角度保持在103°～90°，刻蝕后，刻蝕區(qū)域底部距有源區(qū)下表面的距離為有源區(qū)厚度的0～1.5倍，且在波導(dǎo)方向刻蝕側(cè)面與底面夾角為110°～90°；

工序二，采用sag技術(shù)使用mocvd沉積一層絕緣型inp包層作為發(fā)散角改善層，其中：發(fā)散角改善層的沉積溫度比有源區(qū)11生長(zhǎng)的溫度高10～30℃，發(fā)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(fā)散角改善層上方依次沉積inp包層與ingaas接觸層；

工序四，在工序三后，首先使用通用光刻技術(shù)在晶圓上方形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后在其表面使用pecvd形成一層絕緣層，之后再去除波導(dǎo)上表面的絕緣層，露出ingaas接觸層，然后在ingaas接觸層與絕緣層上方形成p-金屬電極層，之后將inp基板背面減薄拋光至100um，鍍上n-金屬電極層41；晶圓經(jīng)過切割后在有發(fā)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(fā)散角的激光器芯片。

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范圍是3-10，最佳值是5。

工序一中：

端面刻蝕區(qū)的長(zhǎng)度ls為5～20um，其中15um為最佳值；

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

端面刻蝕區(qū)在波導(dǎo)方向的側(cè)面與刻蝕底面的夾角α的角度為70°～90°。

發(fā)散角改善層的總厚度dg范圍為1*dt～1.5*dt，最佳值為1.2*dt，dt為端面刻蝕區(qū)的刻蝕總深度；發(fā)散角改善層的生長(zhǎng)溫度范圍是tq+10℃～tq+30℃，最佳值是tq+15℃，tq為激光器有源區(qū)11生長(zhǎng)溫度。

工序一中，采用sio2作為絕緣層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果，本發(fā)明可以用一種全新的方式來制造擁有小發(fā)散角的激光器芯片，通過改變出光端面附近的材料來改善發(fā)散角，由于其并不改變激光器原有結(jié)構(gòu)且不存在光波導(dǎo)形貌與耦光控制問題。因此實(shí)現(xiàn)的工藝簡(jiǎn)單，可接受的容錯(cuò)范圍大，且不改變?cè)屑す馄鞅旧淼奶匦裕淮送?，本發(fā)明采用干法刻蝕與選擇性刻蝕技術(shù)，結(jié)合mocvd的選擇區(qū)域性體材料生長(zhǎng)技術(shù)完成出光端面的發(fā)散角改善，本方案的刻蝕與生長(zhǎng)技術(shù)都十分的成熟，是業(yè)界最常用的技術(shù)，其工藝穩(wěn)定且易于實(shí)現(xiàn)，且由于本方案不存在波導(dǎo)軸心偏斜的問題，因此出光軸向不會(huì)發(fā)生偏斜。與現(xiàn)有技術(shù)相比工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定，模態(tài)穩(wěn)定性增加，產(chǎn)出良率提升，同時(shí)幫助減少客戶封裝成本與效率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的端面出光型激光器芯片結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的制造工序圖，其中，圖2a為端面刻蝕工藝圖，圖2b為端面發(fā)散角改善層生長(zhǎng)工藝圖，圖2c為外包層再生長(zhǎng)工藝圖，圖2d為器件結(jié)構(gòu)形成工藝圖。

圖3為一般芯片與本發(fā)明小發(fā)散角在出光平面內(nèi)的電場(chǎng)分布對(duì)比圖，其中，圖3a為常規(guī)無小發(fā)散角設(shè)計(jì)在出光平面電場(chǎng)分布圖，圖3b為本發(fā)明有小發(fā)散角設(shè)計(jì)在出光平面電場(chǎng)分布圖。

圖4為一般芯片與本發(fā)明小發(fā)散角在出光平面內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布對(duì)比圖，其中，圖4a為一般無小發(fā)散角設(shè)計(jì)的光場(chǎng)分布；圖4b為本發(fā)明有小發(fā)散角設(shè)計(jì)的光場(chǎng)分布。

圖5為激光器遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角曲線圖，其中，圖5a為垂直發(fā)散角曲線圖；圖5b為水平發(fā)散角曲線圖；

圖6為本發(fā)明小發(fā)散角設(shè)計(jì)端面刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明小發(fā)散角設(shè)計(jì)端面生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中：10-基板，11-有源區(qū)，12-第一包層，13-衍射光柵層，14-掩模層，15-端面刻蝕區(qū)，20-發(fā)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖2d所示，本發(fā)明的小發(fā)散角激光器，一種小發(fā)散角激光器，包括基板10和和依次設(shè)置在基板10上的有源區(qū)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(shè)置有端面刻蝕區(qū)15，端面刻蝕區(qū)15底部位于基本10內(nèi)，且端面刻蝕區(qū)15內(nèi)生長(zhǎng)有發(fā)散角改善層20，發(fā)散角改善層20為絕緣型inp材料；衍射光柵層13和發(fā)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(fā)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(qū)15的長(zhǎng)度ls為5～20um；端面刻蝕區(qū)15的刻蝕底面距有源區(qū)底面的深度db為0*dq-1.5*dq，dq為有源區(qū)11的厚度；端面刻蝕區(qū)15在波導(dǎo)方向的側(cè)面與刻蝕底面的夾角α的角度為110°～90°。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，端面刻蝕區(qū)15的長(zhǎng)度ls為15um，端面刻蝕區(qū)15的刻蝕底面距有源區(qū)底面的深度db與有源區(qū)11的厚度dq相等。

圖2是本實(shí)施方案通過刻蝕與生長(zhǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光器小發(fā)散角的制造工序流程框圖，本發(fā)明的制備工藝包括四個(gè)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(jīng)制作好的grating表面用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)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，然后采用光刻技術(shù)將需要刻蝕的區(qū)域露出，需要刻蝕的區(qū)域?yàn)閺某龉舛讼騼?nèi)縮15um，即端面刻蝕區(qū)15的頂面，光刻技術(shù)使用常規(guī)的光刻技術(shù)即可；首先采用干刻蝕的方式，將露出區(qū)域刻蝕過有源區(qū)11，干刻蝕側(cè)壁角度保持在103°～90°；然后使用含有br：hbr：h2o刻蝕溶液刻蝕后，刻蝕區(qū)域底部距有源區(qū)11下表面的距離為有源區(qū)11厚度的0～1.5倍，且在波導(dǎo)方向刻蝕側(cè)面與底面夾角在110°～90°內(nèi)。

工序二，端面發(fā)散角改善層生長(zhǎng)工序，參見圖2b，采用sag技術(shù)使用mocvd沉積一層絕緣型inp包層作為發(fā)散角改善層20，其中：發(fā)散角改善層20的沉積溫度比有源區(qū)11生長(zhǎng)的溫度高10～30℃，如有源區(qū)生長(zhǎng)溫度為700℃時(shí)，則發(fā)散角改善層20的沉積溫度應(yīng)為710-730℃，發(fā)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(fā)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，在工序三后，首先使用通用光刻技術(shù)在晶圓上方形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后在其表面使用pecvd形成一層絕緣層，在本實(shí)施例中，采用sio2作為絕緣層，之后再去除波導(dǎo)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，之后將inp基板10背面減薄拋光至100um，鍍上n-金屬電極層41；晶圓經(jīng)過切割后在有發(fā)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(fā)散角的激光器芯片。

本發(fā)明通過在出光端面去除有源區(qū)材料，再生長(zhǎng)一特定長(zhǎng)度與厚度的絕緣型的inp層來實(shí)現(xiàn)激光器光斑整形的目的，使激光器的光斑對(duì)稱且遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角縮小，來提升激光器芯片的耦光效果。在去除有源區(qū)時(shí)我們通過理論模擬與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)延波導(dǎo)方向刻蝕傾角<70°時(shí)，出光會(huì)發(fā)生歪斜，原因是光束傳播在有源區(qū)-inp交界面時(shí)，若此交界面有很大斜度，光束的傳播方向就會(huì)發(fā)生扭折最終影響出光的方向。另一方面，我們通過理論計(jì)算表明，增加inp的端面層后，原來在出光平面內(nèi)嚴(yán)重變形的電場(chǎng)可以將被拉散，形成較為對(duì)稱的分布，如圖3：a為常規(guī)無小發(fā)散角設(shè)計(jì)在出光平面電場(chǎng)分布，b為本發(fā)明有小發(fā)散角設(shè)計(jì)在出光平面電場(chǎng)分布；從圖中可以看出，這種對(duì)稱的電場(chǎng)分布可以使得激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角減小，光斑形狀更對(duì)稱，此外也可以大大降低端面的反射，增強(qiáng)激光器的模態(tài)穩(wěn)定性。本發(fā)明利用該理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，改善激光器出光端面的材料分布，實(shí)現(xiàn)了高模態(tài)穩(wěn)定性的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角小的對(duì)稱光斑激光器芯片。與其他方案相比極大的降低了芯片制造工藝復(fù)雜度和成本，同時(shí)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(fā)散角設(shè)計(jì)與無小發(fā)散角設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)場(chǎng)光場(chǎng)分布圖?？梢钥吹?，由于激器芯片在端面電場(chǎng)分布的聚集畸變，沒有小發(fā)散角設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑大且不對(duì)稱。而具有小發(fā)散角設(shè)計(jì)的光場(chǎng)由于出光端電場(chǎng)被對(duì)稱拉散，導(dǎo)致其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑更小且對(duì)稱，即其發(fā)散角更小。

圖5為有/無發(fā)散角設(shè)計(jì)在出光平面的垂直與水平遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角曲線?？梢钥闯霰景l(fā)明的發(fā)散角明顯縮小，這將更有利于封裝耦光，降低客戶封裝的成本與效率。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有小發(fā)散角的激光器芯片在端面刻蝕與生長(zhǎng)工藝的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6和圖7所示，其中：

端面刻蝕區(qū)如圖6中【6-0】所表示，其中l(wèi)s是端面刻蝕區(qū)的長(zhǎng)度，dq是有源區(qū)的厚度，db是刻蝕底面距有源區(qū)底面的深度，α是刻蝕區(qū)在波導(dǎo)方向的側(cè)面與刻蝕底面的夾角；本發(fā)明中，ls的長(zhǎng)度范圍為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范圍是3-10，最佳值是5；db的深度范圍為0*dq-1.5*dq,其中最佳設(shè)計(jì)為1*dq；α的角度范圍為70°～90°。

端面mocvd生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)如圖7中【7-0】所表示，dt是刻蝕總深度，dg是生長(zhǎng)inp總厚度，本發(fā)明中，生長(zhǎng)inp總厚度dg范圍為1*dt～1.5*dt，最佳值為1.2*dt；tq是激光器有源區(qū)生長(zhǎng)溫度，本發(fā)明中，生長(zhǎng)端面inp層的溫度范圍是tq+10℃～tq+30℃，最佳值是tq+15℃。