CN102749726A - GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器及制备方法 - Google Patents

GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器及制备方法 Download PDF

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本发明属于光电子技术领域，涉及一种改进的基于GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁吸收的近红外通信波段条形波导电光调制器及其制备方法。由底金属电极（1）、导电碳化硅单晶衬底（2）、GaN缓冲层（3）、SiO2掩模层（4）、AlGaN下包层（5）、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层（6）、AlGaN上包层（7）和金属上电极（8）构成；本发明可以有效降低导波光的传播损耗，同时使后期器件制备工艺大为简化，更有利于器件实用化，也便于实现与其它器件单片集成；另外，由于衬底导电，器件能够采用垂直调制电极结构，使调制电场与波导光场完全重合，最大限度提高调制效率，获得更高器件消光比。

Description

GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器及制备方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种改进的基于GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁吸收的近红外通信波段条形波导电光调制器及其制备方法。
背景技术
Ⅲ族氮化物耦合量子阱子带间跃迁具有极短吸收恢复时间(140-400fs)，基于GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁的电光调制器件可望实现0.1-1Tbit/s的光调制，其在超高速光通信网络中有明确的应用前景。
关于III族氮化物基于光通信波段子带间跃迁的电吸收调制研究近年来已有报道。2007年，L.Nevou等人报道了基于GaN/AlN耦合量子阱之间电子隧穿的波长覆盖光通信波段的子带间电吸收调制[Appl.Phys.Lett.90,223511(2007)]，器件采用蓝宝石衬底、PAMBE技术和台面平面电极结构，在λ＝2.2μm处最大调制深度约为44%，对于700×700μm2台面，-3dB截止频率（受到RC时间常数限制）为11.5MHz。2008年，N.Kheirodin等人报道了基于GaN-AlN耦合量子阱的电光调制器[IEEE PhotonicsTechnol.Lett.20,724(2008)]，工作于1.37μm光通信波段，器件仍然采用蓝宝石衬底、PAMBE技术和台面平面电极结构，对于50×50μm2台面，在λ=2.3μm处最大调制深度约为79%，在λ＝1.37μm处调制深度仅为0.18%。2009年，H.Machhadani等人提出了一种宽条形波导子带间吸收电光调制器[New Journal of Physics 11(2009)125023(16pp)]，器件结构见图1，器件由绝缘蓝宝石衬底101、AlN缓冲层102、AlGaN下包层103、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层104、AlGaN上包层105、底金属电极106和顶金属电极107构成。器件各外延层102、103、104、105采用等离子体增强分子束外延（PA-MBE）技术生长，制备工艺步骤如下：
①器件采用绝缘蓝宝石（Al2O3）101为衬底，在其上生长一层AlN缓冲层102；
②在缓冲层102上生长AlGaN下包层103；
③在下包层103生长GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层104；
④在超晶格波导芯层104上生长AlGaN上包层105，外延层生长完毕；
⑤采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）工艺制备出50μm宽条形光波导（103，104，105）；
⑥在条形波导两侧裸露的下包层103表面沉积金属层制备出底电极106；
⑦在上包层105上靠一侧边缘部分表面制备金属顶电极，完成器件结构制备。
上述器件结构存在如下缺点：
①50微米宽的条形波导对导波光横向限制作用微弱，实际等价于平板波导；
②器件采用蓝宝石为衬底，由于蓝宝石（Al2O3）与GaN晶格失配高达16%，在蓝宝石上生长GaN/AlN量子阱超晶格容易出现裂纹，结晶质量不高，直接影响了器件的性能；
③由于蓝宝石衬底绝缘，导致器件不得不采用共面电极结构（106，107）。共面电极结构不能形成严格垂直于量子阱超晶格平面的电场，对实现电子隧道贯穿不利；另外，共面电极结构分布电容较大，不利于实现高速调制；
④由于顶电极局部覆盖宽条波导，导致电场—光场重叠因子变小，因此电光调制效率降低；
⑤采用刻蚀方法制备的条形波导两侧表面粗糙，导致波导传播损耗增大。
发明内容
本发明的目的是通过改进外延生长工艺方法，在外延生长过程中直接形成侧面及上下表面均为结晶平面的脊形条波导，简化工艺步骤，降低波导传播损耗；通过采用上下调制电极结构，提高电光调制效率；通过优化波导结构尺寸，实现单横模传输；通过优化调制电极结构尺寸，降低分布电容，提高调制速率，从而提供一种基于GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁吸收的近红外通信波段条形波导电光调制器及其制备方法。
如图2所示，本发明所述的电光调制器由底金属电极1、导电碳化硅单晶衬底2、GaN缓冲层3、SiO2掩模层4、AlGaN下包层5、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6、AlGaN上包层7和金属上电极8构成；其中，在SiO2掩模层4上有沿GaN缓冲层3的
Figure BDA00001793142700021
方向或
Figure BDA00001793142700022
方向的宽度为2~10μm的条形波导窗口，n-Si掺杂的AlGaN下包层5、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6、n-Si掺杂的AlGaN上包层7依次制备在该条形波导窗口中露出的GaN缓冲层3上，从而形成侧面为结晶平面的脊形条波导结构；GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6为10~50个周期的GaN/AlN双耦合量子阱或三耦合量子阱结构；AlGaN下包层5和AlGaN上包层7的n-Si掺杂浓度为5×1018~8×1019cm-3。
其中，GaN缓冲层3、AlGaN下包层5、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6和AlGaN上包层7均采用选择式金属有机化合物气相外延（MOVPE）技术生长，器件制备工艺步骤如下：
①在导电碳化硅单晶衬底2上采用MOVPE两步生长法生长GaN缓冲层3：以TMGa和NH3为源，先将衬底2在氢气流下加热到1000～1100℃进行表面高温处理，然后降温到450~600℃生长GaN成核层，其厚度为10~120nm；然后再升温到1000～1050℃，在GaN成核层上生长1~2μm厚的GaN缓冲层3；
②采用射频溅射技术在GaN缓冲层3表面生长100~400nm的SiO2膜层，然后沿GaN缓冲层3的
Figure BDA00001793142700031
方向或
Figure BDA00001793142700032
方向，采用光刻腐蚀工艺在GaN缓冲层3上制成具有条形波导窗口的SiO2掩模层4，条形波导窗口的宽度为2~10μm，且在条形波导窗口中露出GaN缓冲层3；
③采用MOVPE技术在条形波导窗口中露出的GaN缓冲层3上生长厚度为300~800nm、n-Si掺杂浓度为5×1018~8×1019cm-3、沿
Figure BDA00001793142700033
方向或方向的AlGaN下包层5；
④采用MOVPE技术继续在AlGaN下包层5上生长10~50个周期的GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6（其中GaN/AlN耦合量子阱为双耦合量子阱或多耦合量子阱结构，由AlN隔离层和GaN/AlN耦合量子阱重复生长形成周期超晶格，详见实施例）；
⑤然后采用MOVPE技术在GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6上生长AlGaN上包层7，厚度为50~500nm、n-Si掺杂浓度为5×1018~8×1019cm-3；在SiO2掩模层4的限制作用下，AlGaN下包层5、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6、AlGaN上包层7形成侧面为结晶平面的脊形条波导结构；
⑥采用光刻剥离技术在AlGaN上包层7上依次蒸镀Ti/Al/Ti/Au金属膜层，作为电光调制器的金属上电极8，金属上电极8的宽度与AlGaN上包层7上表面的宽度相同；
⑦对导电碳化硅单晶衬底2的背面进行研磨减薄抛光，然后依次蒸镀总厚度为200~1000nm的Ti/Al/Ti/Au金属膜层，作为电光调制器的金属下电极1；
⑧对脊形波导输入输出端面进行切割抛光，完成器件制备。
一般地，双耦合量子阱结构由GaN宽量子阱层62、AlN耦合势垒层63、GaN窄量子阱层64构成。一个AlN隔离层61和一个双耦合量子阱结构构成超晶格的一个周期，多周期超晶格构成条形光波导芯层；多耦合量子阱结构由多个GaN量子阱层被AlN耦合势垒层隔开，一个AlN隔离层61和一个多耦合量子阱结构构成超晶格的一个周期，多周期超晶格构成条形光波导芯层。两个相邻GaN量子阱之间的AlN耦合势垒层的厚度为1nm左右，在调制电压作用下能够实现两个相邻量子阱之间的电子隧道贯穿。
本发明优点或积极效果：
首先，选用导电碳化硅（6H-SiC）晶体为衬底，充分利用6H-SiC与GaN晶格匹配（晶格失配率仅为3.5%）的优点，可外延生长出质量更好的GaN/AlN耦合量子阱超晶格；第二，由于衬底导电，器件能够采用垂直调制电极结构，使调制电场与波导光场完全重合，最大限度提高调制效率，获得更高器件消光比；第三，器件采用脊形窄条波导结构，通过对条形波导截面尺寸优化设计和外延生长工艺控制，可实现对导波光强束缚限制、二维单横模传输；第四，器件采用波导端面光纤输入输出耦合，波导行波调制，更有利于提高器件的调制带宽，更接近于实用化；最后，在条波导制备方面，提出了采用选择式MOVPE技术生长GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格脊形条波导结构，其优点在于外延生长完成后可直接形成侧面为结晶平面的脊形条波导，有效降低导波光的传播损耗，同时使后期器件制备工艺大为简化，更有利于器件实用化，也便于实现与其它器件单片集成。
附图说明
图1：文献报道的GaN/AlN耦合量子阱子带间电吸收的宽条形波导电光调制器结构示意图；各部分名称为：绝缘蓝宝石衬底101、AlN缓冲层102、AlGaN下包层103、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层104、AlGaN上包层105、底金属电极106和顶金属电极107。
图2：本发明提出的GaN/AlN耦合量子阱子带间电吸收的近红外通信波段条形波导电光调制器结构示意图；各部分名称为：底金属电极1、导电碳化硅单晶衬底2、GaN缓冲层3、SiO2掩模层4、AlGaN下包层5、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6、AlGaN上包层7和金属上电极8构成。
图3：双耦合量子阱周期超晶格导带结构示意图；各部分名称为：AlN隔离层61、GaN宽量子阱层62、AlN耦合势垒层63、GaN窄量子阱层64。
具体实施方式
实施例1：双GaN/AlN耦合量子阱型子带间电吸收条形波导电光调制器的制备
①导电碳化硅单晶衬底2选用6H-SiC单晶，(0 0 0 1)晶面切割抛光，外延层沿碳化硅衬底c-轴[0 0 0 1]晶向生长；
②采用MOVPE两步生长法在衬底2上生长2μm厚的GaN缓冲层3：以TMGa和NH3为源，先将衬底2在氢气流下加热到1050℃进行表面高温处理，然后降温到500℃生长GaN成核层，其厚度为60nm；然后再升温到1030℃，在GaN成核层上生长2μm厚的GaN缓冲层3；
③采用射频溅射技术在GaN层3表面生长400nm的SiO2膜层，然后采用紫外光刻和ICP刻蚀技术，平行于GaN的
Figure BDA00001793142700041
晶向，在GaN缓冲层3上形成具有4μm宽的条形波导窗口的SiO2掩模层4；
④采用MOVPE技术在条形波导窗口露出的GaN缓冲层3上生长厚度为500nm、n-Si掺杂浓度为5×1019cm-3的AlGaN层作为条形波导下包层5：以TMAl、TMGa和NH3为源，采用SiH4作为n-型掺杂剂，生长温度为1100℃；
下面叙述双耦合量子阱生长步骤（参见图3）：
⑤采用MOVPE技术在AlGaN下包层5上生长2.7nm厚的AlN隔离层，形成隔离势垒层61：采用TMAl和NH3为源，生长温度为1200℃；
⑥采用MOVPE技术在AlN隔离层止生长3nm厚的GaN势阱层，形成宽量子阱层62，作为收集阱：采用TMGa和NH3为源，生长温度为1000℃；
⑦采用MOVPE技术在GaN宽量子阱层上生长1nm厚的AlN层，形成耦合势垒层63：采用TMAl和NH3为源，生长温度为1200℃；
⑧采用MOVPE技术在AlN耦合势垒层上生长厚度为1nm、n-Si掺杂浓度为5×1019cm-3的GaN势阱层，形成窄量子阱层64，作为有源阱：采用TMGa和NH3为源，SiH4作为n-型掺杂剂，生长温度为1100℃；
⑨AlN隔离层61、GaN宽量子阱层62、AlN耦合势垒层63、GaN窄量子阱层64组成GaN/AlN双耦合量子阱结构的一个周期；
⑩重复步骤⑤—⑧，生长20个周期，最后，再生长一层AlN隔离层65，第一层AlN隔离层61和最后一层AlN隔离层65以及二者之间的20个周期的耦合量子阱周期超晶格共同组成GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层6；
Figure BDA00001793142700051
采用MOVPE技术在超晶格波导芯层6的表面生长厚度为125nm、n-Si掺杂浓度为5×1019cm-3的AlGaN层作为上包层7：以TMAl、TMGa和NH3为源，SiH4作为n-型掺杂剂，生长温度为1100℃；至此脊形条波导结构制备完毕；
采用紫外光刻技术，在上包层7上制备上电极图形光刻胶掩模，采用电子束蒸发技术，依次蒸镀总厚度为500nm的Ti/Al/Ti/Au金属膜层，去掉光刻胶后形成电光调制器的金属上电极8；
Figure BDA00001793142700053
对6H-SiC衬底的背面进行研磨减薄抛光，然后依次蒸镀总厚度为500nm的Ti/Al/Ti/Au金属膜层，作为电光调制器的金属下电极1；
Figure BDA00001793142700054
对脊形波导输入输出端面进行切割抛光，完成器件制备。

Claims (6)

1.一种GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器，其特征在于：由底金属电极（1）、导电碳化硅单晶衬底（2）、GaN缓冲层（3）、SiO2掩模层（4）、n-Si掺杂的AlGaN下包层（5）、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层（6）、n-Si掺杂的AlGaN上包层（7）和金属上电极（8）构成；其中，在SiO2掩模层（4）上有沿GaN缓冲层（3）的
Figure FDA00001793142600011
方向或
Figure FDA00001793142600012
方向的宽度为2~10μm的条形波导窗口，AlGaN下包层（5）、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层（6）、AlGaN上包层（7）依次制备在该条形波导窗口中露出的GaN缓冲层（3）上，从而形成侧面为结晶平面的脊形条波导结构。
2.如权利要求1所述的一种GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器，其特征在于：AlGaN下包层（5）和AlGaN上包层（7）的n-Si掺杂浓度为5×1018~8×1019cm-3。
3.如权利要求1所述的一种GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器，其特征在于：GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层（6）中的耦合量子阱为双耦合量子阱或多耦合量子阱。
4.如权利要求3所述的一种GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器，其特征在于：双耦合量子阱周期超晶格的一个周期是由AlN隔离层（61）、GaN宽量子阱层（62）、AlN耦合势垒层（63）和GaN窄量子阱层（64）构成。
5.如权利要求1~4任何一项所述的一种GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器，其特征在于：底金属电极（1）和金属上电极（8）是厚度为200～1000nm的Ti/Al/Ti/Au金属膜层，GaN缓冲层（3）的厚度为1~2μm；条形波导窗口的宽度为2~10μm；SiO2掩模层（4）的厚度为100~400nm；n-Si掺杂的AlGaN下包层（5）的厚度为300~800nm；n-Si掺杂的AlGaN上包层（7）的厚度为50~500nm。
6.权利要求5所述的一种GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器的制备方法，其步骤如下：
1)在导电碳化硅单晶衬底（2）上采用MOVPE两步生长法生长GaN缓冲层（3）：以TMGa和NH3为源，先将硅单晶衬底（2）在氢气流下加热到1000~1100℃进行表面高温处理，然后降温到450~600℃生长GaN成核层，其厚度为10～120nm；然后再升温到1000～1050℃，在GaN成核层上生长1~2μm厚的GaN缓冲层（3）；
2)采用射频溅射技术在GaN缓冲层（3）表面生长100~400nm的SiO2膜层，然后沿GaN缓冲层（3）的方向或
Figure FDA00001793142600022
方向，采用光刻腐蚀工艺在GaN缓冲层（3）上形成具有条形波导窗口的SiO2掩模层（4），条形波导窗口的宽度为2~10μm，且在条形波导窗口中露出GaN缓冲层（3）；
3)采用MOVPE技术在条形波导窗口中露出的GaN缓冲层（3）上生长厚度为300~800nm、n-Si掺杂浓度为5×1018~8×1019cm-3、沿
Figure FDA00001793142600023
方向或
Figure FDA00001793142600024
方向的AlGaN下包层（5）；
4)采用MOVPE技术继续在AlGaN下包层（5）上生长10~50个周期的GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层（6）；
5)然后采用MOVPE技术在GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层（6）上生长AlGaN上包层（7），厚度为50~500nm、n-Si掺杂浓度为5×1018~8×1019cm-3；在SiO2掩模层（4）的限制作用下，AlGaN下包层（5）、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层（6）、AlGaN上包层（7）形成侧面为结晶平面的脊形条波导结构；
6)采用光刻剥离技术在AlGaN上包层（7）上依次蒸镀Ti/Al/Ti/Au金属膜层，作为电光调制器的金属上电极（8），金属上电极（8）的宽度与AlGaN上包层（7）上表面的宽度相同；
7)对导电碳化硅单晶衬底（2）的背面进行研磨减薄抛光，然后依次蒸镀总厚度为200～1000nm的Ti/Al/Ti/Au金属膜层，作为电光调制器的金属下电极（1）；
8)对脊形波导输入、输出端面进行切割抛光，从而完成GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器的制备。
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