CN101738748A

CN101738748A - 一种制备高速电吸收调制器的方法

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Publication number: CN101738748A
Application number: CN200810225782A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 潘教青; 汪洋; 朱洪亮
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: CN101738748B

Abstract

本发明公开了一种制备高速电吸收调制器的方法，采用量子阱混杂方法，一次外延生长实现有源波导与无源波导集成，同时采用行波电极以进一步提高调制速率，具有高调制速率、低插入损耗、高光饱和吸收功率和偏振不灵敏等特性。

Description

一种制备高速电吸收调制器的方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种制备高速电吸收调制器的方法，通过量子阱混杂(QWI)技术，结合常用的湿法腐蚀，干法刻蚀和光刻工艺，在不缩短器件长度的同时有效减小有源区长度，从而提高器件的调制速率，制作出性能优异的高速率电吸收调制器。

背景技术

随着人们对声音、数据、图像以及交互式等宽带业务的需求，为了能使移动通信多媒体化，通信系统必须能高速地传送数据和图像。但目前所用的无线频带带宽比较窄，还不能进行大容量传送。在城市中通信，微波以下的频段均被占用，为了提高通信容量.避免信道拥挤和相互干扰，就要求无线通信能突破拥挤的低频波段，从微波向更高频率的毫米波段扩展，从而提供更为广阔的传输带宽。但是.无线通信易受大气环境的影响，不能实现长距离的传输。

如果用光纤代替大气作为传输媒质来传输信号，将使目前的移动通信系统达到更高的传输容量，同时实现超长距离的传输。因此，将光纤通信技术融合到无线通信网中就构成了光纤毫米波系统，即ROF(Radio overFiber)系统。ROF系统对于电吸收调制器(EAM)的要求有：调制速率高，饱和光功率大，以及和光纤的耦合插损小等。

概括目前国际上报道的EAM器件，从电极结构上可以分为两种：集总(lumped)式电极结构电吸收调制器(L-EAM)和行波(traveling-wave)电极结构电吸收调制器(TW-EAM)。

在集总式电极结构中，信号只能加载到L-EAM光波导的中央。在信号频率提高到微波量级后，会在光波导的两端产生很强的微波反射。一旦信号频率超过L-EAM的截止频率，其信号输出强度将迅速下降，它的截止频率主要受电阻电容时间常数限制(f＝1/πRC，R一般为标准的50欧姆)。为了提高L-EAM的调制速率，必须降低其寄生电容，主要措施是减少吸收区的长度L和电极焊点直径Φ。当L减到100μm、Φ降低到35μm以下时，管芯的制作和封装极为困难。在行波电极结构的TW-EAM中，信号由光波导的一端加载，由于TW-EAM中的电阻、电容和电感是均匀分布在整个电极当中，只要波导的特征阻抗与输出端的负载阻抗匹配，高频微波信号就能与光波信号实现匹配，使微波信号的反射达到极小，从而减小RC时间常数对调制速率的限制，提高TW-EAM的高频调制响应带宽。但是，电容在频率响应中仍起重要作用，减小电容有利于提高调制速率。

量子阱混杂技术(QWI)是一种外延生长后处理技术。它是利用量子阱和垒的材料原子相互扩散改变量子阱的形状和深度，从而改变量子阱的量子化状态。这种量子化状态的改变通常表现为量子阱材料带隙波长的蓝移。量子阱混杂技术通常包括三个步骤：

1、在量子阱材料的表层产生大量的点缺陷；

2、在某种激励条件下，例如快速热退火促使点缺陷向量子阱区域移动；

3、点缺陷的移动诱导量子阱/垒材料的组份原子在界面处发生互混杂，导致材料组份发生变化，从而使带隙波长蓝移。QWI技术的主要优点为外延生长后的能带处理技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的注意目的在于提供一种制备高速电吸收调制器的方法，以制备出性能优异的高调制速率电吸收调制器。该调制器不仅具有高调制速率，还具有偏振不灵敏、高饱和光功率和低耦合损耗等特点。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备高速电吸收调制器的方法，包括如下步骤：

步骤1：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在衬底上依次外延生长铟磷(InP)缓冲层、铟镓砷磷(InGaAsP)下光限制层、多量子阱层(MQW)、InGaAsP上光限制层和InP注入缓冲层，得到制备高速电吸收调制器的外延片；

步骤2：对该外延片的无源波导区进行磷离子注入诱导量子阱混杂处理：

步骤3：采用金属有机化学气相沉积法在外延片上二次外延生长p型InP盖层和p型铟镓砷(InGaAs)欧姆电极接触层；

步骤4：掩蔽有源波导区域，腐蚀掉无源波导区上的p型InGaAs欧姆电极接触层，并对无源波导区的p型InP盖层进行氦离子注入；

步骤5：刻出脊型波导结构；

步骤6：利用热氧化技术生长SiO₂绝缘层，腐蚀掉有源波导区上面的SiO₂，蒸发金/锌(Au/Zn)作为p型欧姆接触金属；

步骤7：蚀掉脊波导两侧下光限制层上的SiO₂绝缘层，蒸发金/锗/镍(Au/Ge/Ni)作为n型欧姆接触金属；

步骤8：用光刻胶保护脊波导和两侧的n型欧姆接触金属，化学腐蚀其余区域未至半绝缘衬底；

步骤9：涂覆聚酰亚胺保护脊波导，光刻露出脊波导中间有源波导区上的p型欧姆接触金属和脊波导两侧的n型欧姆接触金属，然后进行固化；

步骤10：在器件的整个上表面溅射钛/铂/金(Ti/Pt/Au)，光刻并腐蚀出电极图形；背面减薄，完成器件的制作。

上述方案中，步骤1中所述衬底为半绝缘铟磷InP衬底。所述InGaAsP下光限制层的厚度是1000nm，InGaAsP上光限制层的厚度是100nm，形成非对称大光腔结构。所述MQW层为8～12个含有内台阶的量子阱结构，带隙波长为1500nm，补偿综合应变为弱张应变。

上述方案中，所述步骤2包括：利用热氧化技术在整个外延片上面生长二氧化硅SiO₂保护层，腐蚀掉无源波导区上的SiO₂保护层，保留有源波导区上的SiO₂保护层；使用热耙低能磷离子注入，在无源波导区的InP注入缓冲层内产生点缺陷；利用快速退火技术使InP注入缓冲层内的点缺陷向下层多量子阱区转移，实现注入区量子阱层带隙波长的蓝移；然后腐蚀去掉SiO₂保护层和InP注入缓冲层。所述磷离子注入诱导量子阱混杂处理的区域为器件的无源区域，它位于有源区域的两端；作为吸收区的有源区域的能隙波长是1.50μm，无源区经量子阱混杂处理后材料能隙波长会向短波方向移动，小于或者等于1.40μm，用于形成低吸收损耗光波导。

上述方案中，步骤4中所述氦离子注入的区域为器件无源波导上的InP盖层区。

上述方案中，步骤10中所述金属电极采用行波电极结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、通常为了提高器件的调制速率，需尽量减小器件长度。但是当器件长度减小到一定程度后，器件的制作工艺和封装都将极其困难。本发明将无源波导集成在有源波导两端，两端无源波导部分通过量子阱混杂技术实现带隙波长蓝移，可有效地减少无源部分的光吸收。器件的长度为两端无源波导和中间有源波导的长度之和，在不改变器件长度的同时可以缩短有源波导区长度，用简单的技术可制作出高调制速率的电吸收调制器。

2、本发明将量子阱混杂技术有机地应用于电吸收调制器的制备，结合行波电极结构，制作出两端集成有无源波导部分的高调制速率电吸收调制器。

附图说明

图1是本发明制备高速电吸收调制器的方法流程图；

图2是在衬底上一次外延生长后的结构示意图；

图3是一次外延生长后作磷离子注入时的结构示意图；

图4是二次外延后的结构示意图；

图5是氦离子注入时的结构示意图；

图6是光刻出脊型波导后的结构示意图；

图7是做出p型电极欧姆接触金属后的结构示意图；

图8是做出n型电极欧姆接触金属后的结构示意图；

图9是刻蚀出绝缘台后的结构示意图；

图10是聚酰亚胺包台后的结构示意图；

图11是做出行波电极后的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种制备高速电吸收调制器的方法，采用量子阱混杂(QWI)方法，一次外延生长实现有源波导与无源波导集成，同时采用行波电极以进一步提高调制速率，具有高调制速率、低插入损耗、高光饱和吸收功率和偏振不灵敏等特性。

如图1所示，图1是本发明制备高速电吸收调制器的方法流程图，该方法包括如下步骤：

步骤1：采用MOCVD方法在衬底上依次外延生长InP缓冲层、InGaAsP下光限制层、MQW层、InGaAsP上光限制层和InP注入缓冲层，得到制备高速电吸收调制器的外延片；

步骤3：采用金属有机化学气相沉积法在外延片上二次外延生长p型InP盖层和p型InGaAs欧姆电极接触层；

步骤5：刻出脊型波导结构；

步骤6：利用热氧化技术生长SiO₂绝缘层，腐蚀掉有源波导区上面的SiO₂，蒸发Au/Zn作为p型欧姆接触金属；

步骤7：蚀掉脊波导两侧下光限制层上的SiO₂绝缘层，蒸发Au/Ge/Ni作为n型欧姆接触金属；

步骤10：在器件的整个上表面溅射Ti/Pt/Au，光刻并腐蚀出电极图形；背面减薄，完成器件的制作。

请参阅图2至图11，是依照本发明具体实施例制备高调制速率的InGaAsP/InGaAsP量子阱电吸收调制器的方法示意图。

1)、在半绝缘InP衬底1上采用MOCVD方法生长依次生长300nm厚的InP缓冲层2、1000nm厚的InGaAsP下光限制层3、含内台阶量子阱结构的多量子阱(MQW)层4、100nm厚的InGaAsP上光限制层5和250nm厚的InP注入缓冲层6，见图2。其中较厚的下光限制层3亦可构成器件的大光腔结构以改善器件与光纤的耦合效率，该层材料是带隙波长为1.1μm的InGaAsP，初始200nm厚度内不掺杂，后面800nm厚度内用Si掺杂，掺杂浓度为1～5×10¹⁸/cm³。MQW层4为8～12个含有内台阶的多量子阱，内台阶量子阱结构可以提高器件的饱和光功率，其中阱材料为带隙波长1.6μm、厚度6nm的张应变InGaAsP材料，内台阶为带隙波长1.4μm、厚度6nm的张应变InGaAsP材料，垒材料为带隙波长1.2μm、厚度7nm的压应变InGaAsP材料。MQW层4补偿后的综合应变为弱张应变，这种设计有利于实现调制器的偏振不灵敏特性。上光限制层5为带隙波长1.1μm、厚度100nm的InGaAsP匹配材料。MQW层4、上光限制层5与注入缓冲层6都不掺杂。

2)、在晶片表面热氧化一层SiO₂，光刻，去掉无源区部分的SiO₂，仅留下有源区部分的SiO₂掩蔽层7，见图3。使用热耙低能磷离子注入，在两端无源波导区的本征InP注入缓冲层内产生点缺陷，利用快速热退火技术使注入缓冲层内的点缺陷向下层MQW4区转移，实现注入区量子阱层带隙波长的蓝移；然后腐蚀去SiO₂保护层7和InP注入缓冲层6。

3)、二次外延生长InP盖层8和InGaAs欧姆接触层9，见图4。InP盖层8的厚度为1.6～2.0μm，掺锌浓度为1～2×10¹⁸/cm³；欧姆接触层9为掺锌的InGaAs材料，厚度为0.1～0.3μm，掺杂浓度为1～5×10¹⁹/cm³。

4)、在晶片上面涂甩光刻胶，将两端无源区上的光刻胶刻掉，仅留下有源区部分的光刻胶层10，见图5。用硫酸∶双氧水∶水(H₂SO₄∶H₂O₂∶H₂O)腐蚀液腐蚀掉两端无光刻胶保护区域的InGaAs欧姆接触层，然后作氦离子注入。注入完成后，利用丙酮去掉表面的光刻胶10。

5)、在晶片上热氧化淀积厚度为0.1～0.3μm的SiO₂层，用氢氟酸(HF)溶液腐蚀出SiO₂掩蔽脊条图形11，脊条宽3μm。以SiO₂脊条11为掩蔽，利用反应离子刻蚀(RIE)刻出深度达到2.3～2.5μm的脊型波导，直达下光限制层3，见图6。刻出脊波导后用HF溶液去掉SiO₂层11。

6)、在晶片上利用热氧化淀积方法生长0.3～0.5μm的SiO₂层12，在脊条有源调制器段光刻开出SiO₂窗口，在窗口内的IGaAs接触层9上蒸发上0.2μm厚的Au/Zn金属层13，见图7。形成p接触电极。

7)、腐蚀掉脊条两侧的n型下光限制层3上的SiO₂，蒸发0.35μm厚的Au/Ge/Ni金属层14，见图8。形成n接触电极。

8)、用光刻胶将脊波导与n接触电极保护起来，用H₂SO₄∶H₂O₂∶H₂O溶液腐蚀下光限制层3，盐酸(HCl)溶液腐蚀InP缓冲层直至半绝缘衬底，见图9。利用丙酮去掉表面的光刻胶。

9)、在晶片上面涂甩厚度约4μm的聚酰亚胺，光刻出环抱脊型条的聚酰亚胺15，露出p接触电极和n接触电极，见图10。随后在保温炉中进行固化。

10)、溅射厚度达0.4μm厚的Ti/Pt/Au金属层16，光刻并腐蚀出行波电极图形，见图11。最后芯片背面减薄到100μm以利于解理。

本发明为利用量子阱混杂技术实现有源波导与无源波导集成结构的电吸收调制器，可以解决单个电吸收调制器腔长短，工艺上不易实现的难题，同时为制作行波电极预留有足够空间，这为制备性能优异的超高速调制电吸收调制器提供了一种很好的方案。本发明器件同时具有低插入损耗、高光饱和吸收功率和偏振不灵敏等特性。可用作高速光通信系统中的光调制器，特别适宜于与分布反馈半导体激光器的单片集成，同时还可用作高速光开光器件和波长转换器件等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备高速电吸收调制器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采用金属有机化学气相沉积方法在衬底上依次外延生长铟磷InP缓冲层、铟镓砷磷InGaAsP下光限制层、多量子阱层MQW、InGaAsP上光限制层和InP注入缓冲层，得到制备高速电吸收调制器的外延片；

步骤3：采用金属有机化学气相沉积法在外延片上二次外延生长p型InP盖层和p型铟镓砷InGaAs欧姆电极接触层；

步骤5：刻出脊型波导结构；

步骤6：利用热氧化技术生长SiO₂绝缘层，腐蚀掉有源波导区上面的SiO₂，蒸发金Au/锌Zn作为p型欧姆接触金属；

步骤7：蚀掉脊波导两侧下光限制层上的SiO₂绝缘层，蒸发金Au/锗Ge/镍Ni作为n型欧姆接触金属；

步骤10：在器件的整个上表面溅射钛Ti/铂Pt/金Au，光刻并腐蚀出电极图形；背面减薄，完成器件的制作。

2.根据权利要求1所述的制备高速电吸收调制器的方法，其特征在于，步骤1中所述衬底为半绝缘铟磷InP衬底。

3.根据权利要求1所述的制备高速电吸收调制器的方法，其特征在于，步骤1中所述InGaAsP下光限制层的厚度是1000nm，InGaAsP上光限制层的厚度是100nm，形成非对称大光腔结构。

4.根据权利要求1所述的制备高速电吸收调制器的方法，其特征在于，步骤1中所述MQW层为8～12个含有内台阶的量子阱结构，带隙波长为1500nm，补偿综合应变为弱张应变。

5.根据权利要求1所述的制备高速电吸收调制器的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

利用热氧化技术在整个外延片上面生长二氧化硅SiO₂保护层，腐蚀掉无源波导区上的SiO₂保护层，保留有源波导区上的SiO₂保护层；使用热耙低能磷离子注入，在无源波导区的InP注入缓冲层内产生点缺陷；利用快速退火技术使InP注入缓冲层内的点缺陷向下层多量子阱区转移，实现注入区量子阱层带隙波长的蓝移；然后腐蚀去掉SiO₂保护层和InP注入缓冲层。

6.根据权利要求1所述的制备高速电吸收调制器的方法，其特征在于，步骤2中所述磷离子注入诱导量子阱混杂处理的区域为器件的无源区域，它位于有源区域的两端；作为吸收区的有源区域的能隙波长是1.50μm，无源区经量子阱混杂处理后材料能隙波长会向短波方向移动，小于或者等于1.40μm，用于形成低吸收损耗光波导。

7.根据权利要求1所述的制备高速电吸收调制器的方法，其特征在于，步骤4中所述氦离子注入的区域为器件无源波导上的InP盖层区。

8.根据权利要求1所述的制备高速电吸收调制器的方法，其特征在于，步骤10中所述金属电极采用行波电极结构。