選擇區域外延疊層行波電吸收調制激光器的制作方法

文檔序號：7238832閱讀：144來源：國知局

專利名稱：選擇區域外延疊層行波電吸收調制激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用選擇區域外延(SAG)技術制作有源區疊層結構行波電吸收調制激光器的制作方法。
背景技術：
隨著信息時代的發展，現有的通信網絡已不能滿足通信容量和速度的要求，許多高速光電子器件被爭相研制。在光通信用激光光源領域，傳統的集總式電吸收調制激光器由于其自身結構特點的限制，調制帶寬很難有大的提高。而行波電吸收調制激光器，由于其調制帶寬有很大的提升潛力，正在成為通信用激光光源的主流。
行波電吸收調制激光器(EML)的研究重點之一在于設計和優化調制器
區的行波電極結構以及與之相匹配的器件波導結構。對于行波電極結構，前人曾采用過微帶線、槽線、平行雙線和共面波導(CPW)等結構。但前三種結構均有較大缺陷，相比而言，CPW的地線和信號線位于同一平面，襯底不用導電，可采用很厚的半絕緣材料作襯底從而減小微波損耗，CPW結構也方便與其它高速元件如K-或V-接頭等的連接和封裝。因此CPW結構最適合于行波器件的電極結構。目前CPW行波電極結構的種類很多，主要區別在于其信號線的形狀上，如"之"字型信號線等(Photonics Technology Letters, 2002 Vol.14 No. 12 1647-1649 )，但這些行波電極的微波損耗較大。
行波電吸收調制激光器的研究重點之二是集成芯片的設計和制作。要將激光器(LD)和調制器(EAM)這兩種功能差異大、帶隙波長不同的材料聯系在一起，既要考慮工藝成本方面的問題，也還要顧及彼此功能的發揮。目前文獻報道的制作方法主要有直接對接耦合法(Butt-joint method) (Photonics Technology Letters, 2001 Vol. 13 No.9 954—956)、
4選擇區域夕卜延法(Selective-aera growth, SAG) (Semiconductor Science and Technology, 2007 917-920)、量子阱混雜法(Quantum Intermixing) (Electronics Letters, 2005 Vol. 41 No. 18)、雙疊層多量子阱法(Double-stack MQWs) (Photonics Technology Letters, 2002 Vol. 14 No. 12 1647-1649 )等。目前制作EML最常用的方法為直接對接耦合法與選擇區域外延法。Butt-joint method雖然可實現激光器、調制器結構的分別優化，提高器件的總體性能，但該法需多次外延生長，工藝復雜，制作周期長，成本較高，激光器與調制器之間的耦合效率也不高。SAG 技術工藝相對簡單，有源區只需要一次外延，光耦合效率高，但它不能分別優化激光器、調制器的有源區結構，功能發揮難以盡如人意。雙疊層多量子阱法工藝簡單，有源區只需一次外延，激光器與調制器的多量子阱 (MQW)結構可以分別優化，但激光器有源區性能受垂直方向調制器疊層的影響很大，致使激光器閾值電流增大，EML器件出光功率低。

發明內容
本發明的目的是提出一種選擇區域外延(SAG)技術制作有源區疊層結
構行波電吸收調制激光器的制作方法，該方法結合了有源區疊層技術與 SAG技術的優點LD與EAM的MQW結構可以分別優化，有源區只需要一次外延，制作工藝簡單，且制備的EML器件閾值電流小，性能高。本發明同時還在EML器件的調制器段設計了一種蝶形行波CPW電極，使之能有效地加載行波信號，提高EML器件的調制帶寬。
本發明提出的選擇區域外延疊層行波電吸收調制激光器的制作方法，包括
在襯底101上制作掩膜條圖形117;
在襯底101上依次外延生長重摻雜n-InP緩沖層102、 1. 2Q下限制層 103、調制器的多量子阱結構104、激光器的多量子阱結構105、 1.2Q上限制層106與n-InP反型層107;
將選擇區域外延(SAG)區113 114疊層多量子阱結構中的上疊層多量子阱結構105和光端區域113的下疊層多量子阱結構104、 1. 2Q下限制層103腐蝕掉；
5在大面積生長區制作光柵108，光柵刻透反型層107并深入1. 2Q上限
制層106;
依次外延生長p-InP保護層109、刻蝕阻止層110、 p-InP蓋層111 與p-InGaAs層112;
將電隔離區域15的p-InGaAs層腐蝕掉后，通過向該區域內的p-InP 蓋層中進行離子注入產生高阻抗區，實現電隔離。
進一步，所述襯底為半絕緣InP襯底。
進一步，所述掩膜條為楔形Si02掩膜。
進一步，在所述激光器段采用大面積生長技術。
進一步，所述在選擇區域外延生長過程中生長的多量子阱結構，是調制器多量子阱和激光器多量子阱的雙有源區疊層結構。
進一步，在所述激光器段，雙有源區疊層多量子阱之間的波長差^ llOnm;調制器段下層多量子阱與激光器段上層多量子阱之間的波長差為 40 60歷。
進一步，在外延InP蓋層和p-InGaAs層之后，通過光刻與濕法腐蝕刻蝕器件淺脊到阻止層。
進一步，所述調制器段和激光器段均采用共面波導電極結構，并且調制器段采用共面行波電極結構。
進一步，所述調制器段行波信號電極采用了蝶形的信號線結構，信號線通過聚酰亞胺包臺做于器件的淺脊之上，而地線則做于半絕緣襯底上。
進一步，所述調制器段設有抗反射端口。
本發明中的行波器件能夠實現高頻調制激光信號的單縱模穩定輸出，器件的閾值電流小，輸出光的遠場特性良好。此外，該器件結構在設計中充分考慮到了制作的方便性及成本，使得該器件在今后的推廣應用上有巨大的競爭優勢。

圖1是本發明中采用選擇區域外延疊層行波電吸收調制激光器的縱向結構示意6圖2是本發明中器件EAM段的橫截面結構圖；圖3是本發明中器件CPW電極結構的俯視圖4是中科院半導體所設計的SAG電吸收調制激光器的縱向結構示意
圖5是德國Bernhard Stegmueller等人設計的雙疊層多量子阱EML 的縱向結構圖。
其中，圖l中101:半絕緣InP襯底；102:重摻雜n-InP緩沖層；
103: 1.2Q下限制層；104:調制器的多量子阱；105:激光器的多量子阱；
106: 1.2Q上限制層；107: n-InP反型層；108:布拉格光柵；109: p-InP
保護層；110:刻蝕阻止層；111: p-InP蓋層；112: p-InGaAs; 113:出光窗口區；114:調制器區；115:電隔離區；116:激光器區；117:楔型 SAG掩膜。
圖2中201:半絕緣n-InP襯底；202: CPW的地線電極；203:重摻雜n-InP緩沖層；204:歐姆接觸層；205: 1.2Q下限制層;206:調制器的多量子阱；207: p-InP保護層；208:刻蝕阻止層；209: p-InP蓋層； 210: p-InGaAs; 211:聚酰亞胺包臺；212:調制器行波電極(CPW的信號線)；Wr:淺脊條寬；Wm:深脊條寬。
圖3中301:調制器CPW的地線電極；302:調制器CPW的信號線電極；303:激光器CPW的n電極；304:激光器CPW的p電極；Wr:淺脊條寬；L。ut:出光窗口區長度；UM:調制器區長度；LS(;p:電隔離區長度；LDFB:
激光器區長度。
圖4中401: n-InP襯底；402: n-InP緩沖層；403: 1.2Q下限制
層；404:多量子阱層；405: 1. 2Q上限制層；406:布拉格光柵；407: p-InP保護層;408:刻蝕阻止層；409: p-InP蓋層；410: p-InGaAs; 411: 激光器區；412:電隔離區；413:調制器區；414: SAG掩膜。
圖5中501: n-InP襯底；502: n-InP緩沖層；503: 1.2Q下限制
層；504:調制器的多量子阱層；505:激光器的多量子阱層；506: 1. 2Q 上限制層；507:布拉格光柵；508: p-InP保護層；509:刻蝕阻止層； 510: p-InP蓋層；511: p-InGaAs; 512:激光器區；513:電隔離區；514:
調制器區。
具體實施例方式
下面通過上述附圖闡述本發明制作選擇區域外延(SAG)技術制作有源區疊層結構行波電吸收調制激光器的過程。
圖1為本發明中采用選擇區域外延疊層行波電吸收調制激光器的縱向結構示意圖，首先在半絕緣InP襯底上101制作楔形介質掩膜條圖形117，然后在半絕緣InP襯底1上依次外延生長重摻雜n-InP緩沖層102、1. 2Q下限制層103、調制器的MQW結構104、激光器的MQW結構105、 1. 2Q上限制層106與n-InP反型層107;將左側SAG區113-114疊層MQW結構中的上疊層MQW結構105 (DFB的^^QW)，連同左邊出光端區域113的下疊層MQW結構104 (EAM的MQW) 、 1. 2Q下限制層103腐蝕掉；在左側大面積生長區制作光柵108，光柵刻透反型層107并深入1. 2Q上限制層106;此后依次外延生長p-InP保護層109、刻蝕阻止層110、 p-InP蓋層111與p-InGaAs層112;將電隔離區域115的p-InGaAs層腐蝕掉后，通過向該區域內的p-InP蓋層中進行離子注入產生高阻抗區，實現電隔離的目的。
圖2為是本發明中器件EAM段的橫截面結構圖，圖中的各層結構與圖l基本相同。通過兩次刻脊過程制作脊型波導結構，較窄的淺脊刻蝕到刻蝕阻止層208為止，而較寬的深脊要刻蝕到重摻雜n-InP緩沖層203中，其中淺脊寬Wr為2. 5微米，深脊寬Wm為6微米；而后CPW電極的地線電極202做于半絕緣襯底201上，并上行將重摻雜n-InP緩沖層203連同其上的歐姆接觸204包絡，而CPW電極的信號線212將通過聚酰亞胺(PI)包臺211做于器件的淺脊之上。
圖3為本發明中器件CPW電極結構的俯視圖。器件的CPW電極結構包括E扁區的蝶型行波CPW結構301-302與DFB區的普通CPW結構303-304。器件激光器段的長度UB為300微米，電隔離區長度Up為50微米，調制器段長度L,週為100微米，出光窗口區長度Ut為50微米。
本發明的創新之處在于
1、提出了一種采用SAG技術的有源區疊層波導結構，簡化了器件制作工藝，提高了器件性能。
8圖4是中科院半導體研究所設計的SAG電吸收調制激光器的縱向結構
示意圖，首先在n-InP襯底401上制作介質掩膜條圖形414，然后在襯底401上依次外延生長n-InP緩沖層402、 1. 2Q下限制層403、多量子阱結構404、 1. 2Q上限制層405;在左側SAG區的上限制層405上制作光柵406;此后再依次外延生長P-InP保護層407、刻蝕阻止層408、 p-InP蓋層409與p-InGaAs層410;將電隔離區域412的p-InGaAs層410腐蝕掉后，通過向該區域內的P-工nP蓋層409中進行離子注入產生高阻抗區，實現電隔離的目的。該器件的激光器段在SAG區411,而調制器段在大面積生長區413。
見圖1，本發明器件利用SAG技術在半絕緣InP襯底1上依次生長出上下兩疊層多量子阱結構(104和105)，上層與下層多量子阱結構分別對應于激光器與調制器的有源區。但整個器件的激光器段不是在SAG區114，而是在大面積生長區116，與圖4中所示的采用通常的SAG法制作的器件的激光器與調制器的位置正好相反。
圖5是德國Bernhard Stegmueller等人設計的雙疊層多量子阱EML的縱向結構圖。他們在n-InP襯底1上直接大面積外延生長n-InP緩沖層2、 1.2Q下限制層503、調制器的MQW結構504、激光器的MQW結構505、1. 2Q上限制層506;然后在左側激光器段12的上限制層506上制作光柵507;此后再依次外延生長p-InP保護層508、刻蝕阻止層509、 p-InP蓋層510與p-InGaAs層511;將電隔離區域513的p-InGaAs層511腐蝕掉后，通過向該區域內的p-InP蓋層510中進行離子注入產生高阻抗區，實現電隔離的目的。
見圖1，在本發明器件制作過程中需將左邊SAG區114的上層MQW層105腐蝕掉，只留下下層MQW層104。因此利用左邊SAG區114的下層MQW層104作調制器的有源區，利用右邊大面積生長區116的上層MQW層105作激光器的有源區，這與圖5中所示通常的雙疊層多量子阱技術又有明顯的不同。
由于本發明器件下層MQW層104的左右兩段(SAG區114與大面積生長區116)是同時外延生長的，在SAG區114的MQW層104自然比右邊的MQW層104要厚，波長要長。只要改變介質掩膜117的寬度和間距，就可
9以方便地使下層MQW層104材料左右兩段間的波長差〉60nm(即左邊SAG 區114的MQW層104比右邊大面積生長區的MQW層104的波長長60nm); 而上層MQW層105是在其后面生長，可以方便地設計外延參數使起產生激光作用的上層MQW層5的波長比左側SAG區114的下層MQW層104的波長長50 60nm，以滿足EML工作的一般要求。
因此，在水平方向上，右邊大面積生長區116的上層MQW層5(激光器的有源區)的波長比左邊SAG區114的MQW層4(調制器的有源區)的波長長50 60nm，而左邊SAG區14的MQW層4的波長又比右邊大面積生長區116的下層MQW層104的波長長60nm，因而在右邊大面積生長區激光器段116的垂直方向，上下兩疊層MQW結構104與105之間的波長差》 110nm，它們之間的能帶差AE 〉 56meV(對1550醒通信波長)，在外加注入電流情況下，上層MQW層105中產生的激光被下層MQW層104吸收的幾率大大減少，從而可有效地降低器件的閾值電流，提高輸出光功率，解決圖5中器件閾值電流很大的問題；由于該技術是采用疊層結構，可以分別優化調制器MQW和DFB激光器MQW結構EAM段114的MQW層104阱厚增加，阱數增加，以提高器件的消光比和調制效率；DFB激光器段116的MQW 層105厚度薄，阱數少，以利于降低閾值和減弱非均勻注入。解決圖4中器件調制器與激光器的MQW結構不能分別優化的問題。
此外，本發明還設計了的楔形SAG掩膜117，楔型結構的引入能夠改善器件激光器與調制器的對接界面，從而減小該過渡區域的光吸收損耗，見圖1。
2.設計了的蝶形行波CPW電極結構
本發明設計的器件CPW電極結構見圖3所示。左側為調制器的CPW電極結構，其信號線302形狀呈蝶形，通過聚酰亞胺包臺做于器件E認區的淺脊之上，而地線電極做于半絕緣襯底上，并上行將重摻雜n-InP緩沖層連同其上的歐姆接觸包絡；右側為激光器的CPW電極結構，其p電極304 直接做于器件激光器區的錢脊之上，而n電極3的做法與調制器地線電極的做法類似。盡管本發明中對器件的結構進行了詳盡的闡述，還給出了器件的某些具體參數，但還應該指出，對于本專業領域的技術人員來說，可對其結構和細節進行各種改變，而不脫離所附權利要求限定的本發明的范圍。
權利要求
1. 一種選擇區域外延疊層行波電吸收調制激光器的制作方法，其特征在于，包括在襯底(101)上制作掩膜條圖形(117)；在襯底(101)上依次外延生長重摻雜n-InP緩沖層(102)、1.2Q下限制層(103)、調制器的多量子阱結構(104)、激光器的多量子阱結構(105)、1.2Q上限制層(106)與n-InP反型層(107)；將選擇區域外延(SAG)區(113)～(114)疊層多量子阱結構中的上疊層多量子阱結構(105)和光端區域(113)的下疊層多量子阱結構(104)、1.2Q下限制層(103)腐蝕掉；在大面積生長區制作光柵(108)，光柵刻透反型層(107)并深入1.2Q上限制層(106)；依次外延生長p-InP保護層(109)、刻蝕阻止層(110)、p-InP蓋層(111)與p-InGaAs層(112)；將電隔離區域(115)的p-InGaAs層腐蝕掉后，通過向該區域內的p-InP蓋層中進行離子注入產生高阻抗區，實現電隔離。
2. 根據權利要求1所述的激光器的制作方法，其特征在于，所述襯底(101)為半絕緣InP襯底。
3. 根據權利要求1所述的激光器的制作方法，其特征在于，所述掩膜條為楔形Si02掩膜。
4. 在所述調制器段采用選擇區域生長技術，在所述激光器段采用大面積生長技術。
5. 根據權利要求1所述的激光器的制作方法，其特征在于，所述在選擇區域外延生長過程中生長的多量子阱結構，是調制器多量子阱和激光器多量子阱的雙有源區疊層結構。
6. 根據權利要求1所述的激光器的制作方法，其特征在于，在所述激光器段，雙有源區疊層多量子阱之間的波長差》110nm;調制器段下層多量子阱與激光器段上層多量子阱之間的波長差為40 60nm。
7. 根據權利要求1所述的激光器的制作方法，其特征在于，器件在外延InP蓋層和p-InGaAs層之后，通過光刻與濕法腐蝕刻蝕器件淺脊到阻止層。
8. 根據權利要求1所述的激光器的制作方法，其特征在于，調制器段和激光器段均采用共面波導電極結構，并且調制器段采用共面行波電極結構。
9. 根據權利要求7所述的激光器的制作方法，其特征在于，所述調制器段行波信號電極采用了蝶形的信號線結構，信號線通過聚酰亞胺包臺做于器件的淺脊之上，而地線則做于半絕緣襯底上。
10. 根據權利要求1所述的激光器的制作方法，其特征在于，所述調制器段設有抗反射端口。
全文摘要
本發明是一種選擇區域外延疊層行波電吸收調制激光器的制作方法，包括在半絕緣InP襯底上制作掩膜條圖形；依次外延生長重摻雜n-InP緩沖層、1.2Q下限制層、調制器的多量子阱結構、激光器的多量子阱結構、1.2Q上限制層與n-InP反型層；將選擇區域外延區疊層多量子阱結構中的上疊層多量子阱結構和光端區域的下疊層多量子阱結構、1.2Q下限制層腐蝕掉；在大面積生長區制作光柵，光柵刻透反型層并深入1.2Q上限制層；依次外延生長p-InP保護層、刻蝕阻止層、p-InP蓋層與p-InGaAs層；將電隔離區域的p-InGaAs層腐蝕掉后，通過向該區域內的p-InP蓋層中進行離子注入產生高阻抗區。
文檔編號H01S5/343GK101471541SQ20071030425
公開日2009年7月1日申請日期2007年12月26日優先權日2007年12月26日
發明者朱洪亮, 潘教青, 桓王, 程遠兵申請人:中國科學院半導體研究所

完整全部詳細技術資料下載