一种边发射半导体激光器腔面的非解理制备方法技术

本发明专利技术涉及一种边发射半导体激光器谐振腔腔面的非解理制备方法。其特征在于：设计并生长激光器的特定材料结构，利用光刻方法制备激光器的谐振腔掩膜图形，根据激光器材料结构选用特定腐蚀液并刻蚀谐振腔，再利用选择性腐蚀液对腐蚀牺牲层进行侧向腐蚀，在激光器腔面处形成悬臂结构，利用超声震断悬臂结构，形成激光器前后腔面。利用本发明专利技术的方法制备激光器前后腔面，可以在不需要解理衬底的条件下，形成高质量的激光器腔面。利用本发明专利技术可以制备特定条件下的激光器腔面，比如激光器衬底难以解理形成高质量解理面或者由于特定需要激光器衬底不能被解理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高质量边发射半导体激光器腔面的制备方法，属于半导体光电器件
。
技术介绍
硅基光电集成电路技术是利用现有的超大规模集成电路工艺把硅基光子器件和电路集成在同一芯片上，由于硅材料在集成方面有着绝对优势，无论是集成光学技术和相对成熟的微电子技术都在蓬勃发展，这促使光电子器件往系统集成方向不断迈进，具有结构紧凑、成本低廉等优点的硅基单片集成芯片是一个重要的发展方向。硅基光子学以高速化、节约化、小型化、简易化和智能化为发展趋势，是解决高性能计算机、高端CPU和高速网络发展中所面临的互连瓶颈问题的关键解决方案，可应用于通用微处理器芯片、专用数据处理芯片、高清电视芯片等的光互连和光交换，具有广阔的应用领域和产业化前景。例如从芯片内部互连(<2cm)到板卡级的芯片间互连再到设备级的背板互连，从局域网/存储网络到光接入网，从城域网再到超过1000公里的长途通信网等。个人计算机的USB3.0以后的接口将普遍采用光互连技术，Intel已经在着手制定LightPeak等光互连标准，面向家庭消费市场的HDMI V1.3的数据传输速率已达lOGbps，由此发展出的消费类光传输市场，将是一个上百亿美元的新兴的海量市场。因此，发展光互连技术，研究片内光互连所需的各种硅基光电集成器件和单元，包括片上集成激光器、光探测器、调制器和驱动器硅基光电子学中最关键的技术瓶颈是缺乏硅基激光器。针对通讯波段，目前主要是采用混合集成(Nature Photonics4, 511(2010))，即把II1-V族激光器材料键合到硅基上，但这两种材料衬底尺寸差异很大，很难upscaling,单片外延集成有望在大尺寸娃基衬底上实现硅/II1-V族材料融合，同时还可以使用CMOS工艺降低器件成本。在硅基上用IMF (interfacial misfit)方法可以实现高质量的大晶格失配铺化物异变薄膜衬底，应力驰豫在硅/II1-V界面处完成，绝大部分位错限制在界面上，是现有采用单片集成方法在硅基上实现室温电泵激光器的唯一途径(L.Cerutti, J.B.Rodriguez, and E.Tournie, IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.22，N0.8，APRIL15, 2010)。在硅基上直接外延II1-V半导体激光器材料对后续的器件工艺引入许多新的的要求和限制，其中激光器谐振腔腔面的制备是一个重要的环节。通常硅基II1-V激光器衬底为硅或者S0I，由于硅或锗材料比之于II1-V化合物有很高的硬度，常规机械解理很难实现平整腔面，腔面反射率降低，光学损耗增大，因此无法用常规的半导体激光器的机械解理方法制备激光器谐振腔腔面。本专利技术拟提出一种边发射半导体激光器腔面的制备方法，利用本专利技术可以在不破坏衬底的情况下利用非解理方法形成高质量腔面，利于后续激光器和娃基器件的集成。
技术实现思路
为了获得高质量的硅基半导体激光器的腔面，同时不破坏衬底以便于后续电路的集成，本专利技术的目的在于提供一种全新的制备高质量边发射半导体激光器的谐振腔腔面的非解理制备方法，目的是通过悬臂式激光器谐振腔的制备，利用外部超声的方法震断谐振腔两端，从而形成高质量的谐振腔腔面。本专利技术所述的制备方法特征在于:(1)设计并生长激光器的特定材料结构，在激光器有源区下方插入腐蚀牺牲层；所述的腐蚀牺牲层可以直接在激光器有源区的下方或者在激光器底部光波导的下方；(2)利用光刻方法制备激光器的谐振腔掩膜图形，根据激光器材料结构刻蚀谐振腔；(3)再利用选择性腐蚀液对腐蚀牺牲层进行侧向腐蚀，在激光器腔面处形成悬臂结构；(4)利用超声震断悬臂结构，形成激光器前后腔面。(1)边发射半导体激光器的材料结构设计和生长首先在激光器有源区下方插入腐蚀牺牲层，然后利用牺牲层的过腐蚀形成激光器谐振腔两端的悬臂结构。为达到这个目的，在激光器的材料结构的设计方面有一个重要的特征，就是牺牲层上方的材料结构需要和牺牲层材料有较高的腐蚀选择比，即用来腐蚀牺牲层材料的腐蚀剂对激光器牺牲层上方的有源区等材料结构腐蚀速度远小于对牺牲层的腐蚀速度。因此要根据激光器的整个材料结构，合理选择牺牲层材料，腐蚀牺牲层厚度一般在80-120纳米左右，腐蚀牺牲层可以直接在激光器有源区下方或者在激光器底部光波导的下方，腐蚀牺牲层可以是稳定的晶体材料，也可以是通过在暴露空气或潮湿环境中氧化形成的无定型氧化物，腐蚀牺牲层的设计应不影响注入电流的通过，这是实现本专利技术的首要条件。(2)通过刻蚀方法制备激光器谐振腔结构首先采用激光器常规器件工艺进行激光器脊条的制备，利用湿法化学腐蚀或者干法刻蚀，结合光刻技术，制备激光器的谐振腔结构。刻蚀深度需要达到牺牲层，可以刻蚀到牺牲层截止，也可以刻蚀穿透牺牲层，附图1激光器脊条结构示意图。(3)选择性侧向腐蚀制备谐振腔两端的悬臂结构根据激光器材料结构和牺牲层材料结构，选择高选择比的腐蚀剂(对牺牲层的腐蚀速度大于对牺牲层上方激光器结构的腐蚀速度)，对牺牲层材料进行腐蚀。合理控制腐蚀时间，通过充分的腐蚀，会在谐振腔周边形成悬臂结构，悬臂结构需要超过10-15微米。如果使用氧化方法，应该控制侧向氧化的深度，然后用选择性腐蚀剂腐蚀氧化层.参见图2，激光器器件结构侧视图(左)，及制备的牺牲层悬臂结构(右)示意图。(4)利用超声振荡的方法制备谐振腔两侧腔面。悬臂结构完成后，将激光器芯片清洗后置于去离子水中。这个过程中重要的是，为避免悬臂结构受到破坏，在腐蚀、清洗过程中，芯片始终处于液体中，不能暴露在空气中。然后将装有激光器芯片的器皿置于超声震荡中，合理选择超声功率，可以利用超声将悬臂结构震断，从而在谐振腔两端形成高质量的腔面。见图3，利用悬臂结构，制备激光器腔面示意图。综上所述，本专利技术提供了一种全新的制备激光器的谐振腔腔面的方法，目的是通过悬臂式激光器谐振腔的制备，利用外部超声的方法震断谐振腔两端，从而形成高质量的谐振腔腔面。通过本专利技术提供的方法，可以在不破坏激光器衬底材料的基础上形成高质量的谐振腔的腔面，可以用于衬底材料难以解理(单一的硅基或者锗基化合物半导体激光器)或者衬底材料不能被破坏的激光器腔面的制备，从而获得高质量的激光器激射。【附图说明】图1激光器常规脊条结构截面图，其中InAlAs为腐蚀牺牲层。图2激光器器件结构侧视图(左)，及牺牲层悬臂结构(右)示意图。图3利用悬臂结构，激光器腔面制备示意图。图4利用侧向选择性腐蚀在腔面处形成的悬臂结构的光学显微镜照片。图5利用本专利技术制备的激光器腔面的SEM照片。【具体实施方式】下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例llnGaAs量子阱边发射激光器腔面的非解理制备具体步骤为:利用本专利技术制备边发射InGaAs量子阱激光器的前后腔面，主要步骤包括:(1)InGaAs量子阱激光器的特定材料结构设计和生长，选用InAlAs作为本专利技术的腐蚀牺牲层材料；(2)通过湿法腐蚀制备InGaAs量子阱激光器谐振腔结构；(3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种边发射半导体激光器腔面的非解理制备方法，其特征在于包括：（1）设计并生长激光器的特定材料结构，在激光器有源区下方插入腐蚀牺牲层；（2）利用光刻方法制备激光器的谐振腔掩膜图形，根据激光器材料结构刻蚀谐振腔；（3）再利用选择性腐蚀液对腐蚀牺牲层进行侧向腐蚀，在激光器腔面处形成悬臂结构；（4）利用超声震断悬臂结构，形成激光器前后腔面。

【技术特征摘要】
1.一种边发射半导体激光器腔面的非解理制备方法，其特征在于包括:(1)设计并生长激光器的特定材料结构，在激光器有源区下方插入腐蚀牺牲层；(2)利用光刻方法制备激光器的谐振腔掩膜图形，根据激光器材料结构刻蚀谐振腔；(3)再利用选择性腐蚀液对腐蚀牺牲层进行侧向腐蚀，在激光器腔面处形成悬臂结构；(4)利用超声震断悬臂结构，形成激光器前后腔面。2.按权利要求1所述的方法，其特征在于具体步骤为:(1)激光器的材料结构设计和生长首先在激光器有源区下方插入腐蚀牺牲层，然后利用牺牲层的过腐蚀形成激光器谐振腔两端的悬臂结构；牺牲层上方的材料结构需要和牺牲层材料有较高的腐蚀选择比，用来腐蚀牺牲层材料的腐蚀剂对激光器牺牲层上方的有源区材料结构腐蚀速度远小于对牺牲层的腐蚀速度；(2)通过刻蚀方法制备激光器谐振腔结构首先采用激光器常规器件工艺进行激光器脊条的制备，利用湿法化学腐蚀或者干法刻蚀，结合光刻技术，制备激光器的谐振腔结构；刻蚀深度需要达到牺牲层，刻蚀到牺牲层截止或刻蚀穿透牺牲层；(3)选择性侧向腐蚀制备谐振腔两端的悬臂结构根据激光器材料结构和牺牲层材料结构，选择对牺牲层的腐蚀速度大于对牺牲层上方激光器结构的腐蚀速度的高选择比的腐蚀剂，对牺牲层材料进行腐蚀；合理控制腐蚀时间，通过充分的腐蚀，在谐振腔周边形成悬臂结构；(4)利用超声振荡的方法 制备谐振腔两侧腔面悬臂结构完成后，将激光器芯片清洗后置于去离子水中，在腐蚀、清洗过程中，芯片始终处于液体中，不能暴露在空气中；然后将装有激光器芯片的器皿置于超声震荡中，合理选择超声功率，利用超声将悬臂结构震断，从而在谐振腔两端形成高质量的腔面。3.按权利要求2所述的方法，其特征在于:(a)步骤(1)中所述的腐蚀牺牲层直接在激光器有源区下方或者在激光器底部光波导的下方；(b)所述的腐蚀牺牲层为稳定的晶体材料或为通过在暴露空气或潮湿环境中氧化形成的无定型氧化物。4.按权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于腐蚀牺牲层厚度为80-120纳米。5.按权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(3)中所述的悬臂结构超过谐振腔周边10-15微米。6.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于InGaAs量子阱边发射激光器腔面的非解理制备步骤包括:(1) InGaAs量子阱激光器的特定材料结构设计和生长，选用InAlAs作为腐蚀牺牲层材料；(2)通过湿法腐蚀制备InGaAs量子阱激光器谐振腔结构；(3)选择性侧向腐蚀制备InGaAs量子阱激光器谐振腔两端的悬臂结构；(4)利用超声振荡的方法制备谐振腔两侧腔面；具体步骤为:(1)首先根据InGaAs量子阱激光器器件结构选择合适的腐蚀牺牲层，选用和InGaAs材料腐蚀选择性高的InAlAs作为牺牲层材料，和量子阱激光器有源区的InGaAs量子阱和InP波导层有较高的腐蚀选择比，利于后续步骤的实施；(2)通过常规的化学湿法腐蚀的方法制备激光器的谐振腔结构，腐蚀在牺牲层上方截止或者穿透牺牲层；采用传统的光刻方法制备脊波导掩膜，采用耐腐蚀的美国安智电子材料公司的AZ5214型号的光刻胶；光刻条件为:光刻胶以2500转/分钟的速度涂覆，脊波导的制备选择用40%的氢溴酸和68%的浓硝酸混合的腐蚀液，该腐蚀剂对InP、InGaAs、InAlAs非选择腐蚀，腐蚀速度接近；利用该腐蚀剂制备激光器的谐振腔结构，腐蚀穿过InAlAs腐蚀牺牲层，在牺牲层下方截止。(3)激光器腔面悬臂结构的制备，激光器谐振腔结构制备好之后，去除光刻胶，利用选择性腐蚀剂制备激光器前后腔面处的悬臂结构；首先根据需要设计光刻掩膜，确定激光器的宽度和脊条的长度；光刻胶采用AZ5214，工艺与上述步骤(2)中的光刻工艺一致；针对InAlAs的腐蚀牺牲层以及牺牲层上方材料结构的设计，选取柠檬酸:双氧水=3:1的腐蚀剂对牺牲层进行选择性腐蚀，该腐蚀剂对InP基本不腐蚀，对InGaAs腐蚀速率大大低于对InAlAs的腐蚀速度，因此选择合适的腐蚀时间，对牺牲层材料形成侧向腐蚀，对牺牲层上方和下方的材料均不腐蚀，从而在前后...

【专利技术属性】
技术研发人员：李耀耀，王庶民，曹春芳，龚谦，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31