CN103414107B

CN103414107B - 利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法

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Publication number: CN103414107B
Application number: CN201310370281.5A
Authority: CN
Inventors: 张灿; 朱洪亮; 梁松
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: CN103414107A

Abstract

本发明公开了一种利用量子阱混杂技术制作多波长光子集成发射芯片的方法，包括如下步骤:在衬底上依次外延缓冲层、多量子阱有源区、快速退火缓冲层和空位释放层;腐蚀去掉激光器、探测器和光放大器区的空位释放层后生长二氧化硅，一次退火获得电吸收调制器区材料;腐蚀去掉电吸收调制器区空位释放层后二次退火获得无源区材料;腐蚀去掉所有的空位释放层以及快速退火缓冲层;在激光器区表层制作光栅后生长盖层和电接触层，然后制作条形脊波导;分别在有源区脊波导结构上和减薄后的衬底上制作正面和背面电极，完成管芯制作。整个光子集成芯片制作只需两次外延步骤，即能完成不同带隙有源区与无源区材料之间的集成，成本低，产率高，适宜推广。

Description

利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法。

背景技术

光通信系统与网络已成为国家信息基础设施中不可替代的信息承载平台，成为人们生活和工作中不可或缺的重要部分。其中光子集成(photonicintegrated circuits，PIC)是未来实现大容量、低功耗光网络所必须依赖的技术，多波长光子集成芯片将成为高速率数据传输的核心。对于高集成度、工艺制备复杂的多波长光子集成发射器芯片，由于其包含三种带隙波长的功能器件:DFB激光器和SOA光放大器以及PD探测器(1.55μm)、EAM电吸收调制器(1.48-1.50μm)、以及无源波导和用于合波输出的AWG或者MMI以及星型耦合器(≤1.45μm)等器件，对生产设备、工艺技术等要求颇高。

目前，制作多种功能器件集成的技术主要包括选择区域外延生长(SAG)技术、对接再生长技术(BJR)，量子阱混杂技术(QWI)以及非对称双波导(ATG)技术等。其中，BJR技术可以分别优化不同功能器件的量子阱材料，但是该方法对刻蚀再生长的界面质量要求苛刻，通常界面处的光传输损耗较大，影响了激光器与调制器之间的耦合效率。ATG技术需要界面陡峭、深度可控、表面平整、低损伤的干法刻蚀技术，工艺要求相对苛刻。而SAG技术可以一次外延出不同功能器件的量子阱材料且界面过渡均匀，但是选区材料质量对反应室生长条件较为敏感，且不能够分别优化各器件材料。

对于后工艺技术QWI，其通过外界某种激励，在有同样外延层的不同区域选择性地调节能量带隙。相比其他几种方法，QWI技术更为简便，而且具有兼容性和高效性。通过磷离子注入引入缺陷实现量子阱混杂的技术已被应用于1nP基的光子集成器件，但是磷离子注入方式会对量子阱区的晶格带来损伤，增加波导损耗，在有源集成方面受到限制。而通过生长缺陷外延层在不引入杂质的条件下引入缺陷的无杂质空位扩散(Impurity-free vacancy diffusion-IFVD)实现量子阱混杂是一种新的技术，其中无杂质空位扩散能避免在光子器件中产生光损耗的任何损伤或者杂质相关的缺陷，其是实现光集成较有潜力的一种方法。对于IFVD技术，通过控制快速退火(RTA)的温度和时间可以分别获得不同带隙波长的材料，其只需两次外延生长结合后工艺RTA即可完成各种功能器件材料。本发明采用两次IFVD量子阱混杂得到三种带隙波长材料，并采用该材料制备多波长光子集成器芯片。

发明内容

(一)要解决的技术问题

如上所述，目前的多波长光子集成发射器芯片为了获得较好的性能，大部需要多步外延生长来实现不同带隙的功能材料，其工艺复杂、器件成品率低、制作成本高。为解决上述问题本发明公开了一种利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法。本发明公开的芯片制作方法较之常规的材料集成技术，可以大大简化芯片制作工艺、提高芯片成品率以及降低芯片制作成本。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，包括:

步骤1:在磷化铟衬底1上依次外延生长缓冲层2、带隙波长为1.55μm的多量子阱有源区3、快速退火缓冲层4和空位释放层5;

步骤2:采用光刻技术腐蚀去掉激光器、探测器和光放大器区的空位释放层5后生长第一二氧化硅层6，一次退火使其余区域带隙波长蓝移到1.48-1.50μm之间，获得电吸收调制器区带隙材料;

步骤3:腐蚀去掉第一二氧化硅层6后，采用光刻技术腐蚀去掉电吸收调制器区的空位释放层5，重新生长第二二氧化硅层7，二次退火使无源区域带隙波长蓝移到1.45μm以下，获得无源区带隙材料;

步骤4:腐蚀去掉所有的空位释放层5以及快速退火缓冲层4;

步骤5:在激光器区表层采用电子束曝光技术在各个信道制作不同周期的光栅8;

步骤6:在整个样片上生长包层9、盖层和电接触层10;

步骤7:采用光刻刻蚀工艺，在激光器、调制器、探测器和放大器区域制作出条形脊波导结构11;

步骤8:分别在激光器、调制器、探测器和放大器区脊波导结构11上制作正面电极12;

步骤9:衬底减薄后在整个管芯的底部制作背面电极13，完成芯片的制作。

上述方案中，步骤1中所述磷化铟衬底1，掺杂浓度为5×10¹⁷-5×10^l8cm^-3。

上述方案中，步骤1中所述多量子阱有源区3包括依次生长的下波导层31、芯层32和上波导层33。

上述方案中，步骤1中所述快速退火缓冲层4为本征的磷化铟层，厚度为300-500nm。

上述方案中，步骤1中所述空位释放层5为本征的铟镓砷层，厚度为300-450nm。

上述方案中，步骤2中所述激光器、探测器、光放大器和电吸收调制器区的长度分别为300-500μm、50-80μm、400-500μm和100-160μm。

上述方案中，步骤2中所述一次退火为采用RTA快速退火设备实现的，条件为670-685℃，80-120秒。

上述方案中，步骤3中所述二次退火为采用RTA快速退火设备实现的，条件为690-750℃，100-160秒。

上述方案中，步骤3中所述二氧化硅6和二氧化硅7为用PECVD生长的，厚度为150-250nm。

上述方案中，步骤3中所述无源区域包括无源波导和合波器件。

上述方案中，步骤5中所述光栅8的周期根据各信道激光器的发射波长而确定。

上述方案中，步骤7中所述条形脊波导结构11的宽度为3-4μm。

(三)有益效果

本发明提出的上述方法采用IFVD无杂质空位扩散技术实现量子阱混杂(QWI)来制作多波长光子集成发射器芯片，只需两次外延和两次快速退火混杂即可实现三种不同带隙波长的光电功能器件芯片。对于后工艺技术的QWI，其通过外界某种激励，在有同样外延层的不同区域选择性地调节能量带隙。相比其他几种方法，QWI技术更为简便，而且具有兼容性和高效性，且通过生长缺陷外延层在不引入杂质的条件下引入缺陷的无杂质空位扩散实现量子阱混杂是一种新的技术，其中无杂质空位扩散能避免在光子器件中产生光损耗的任何损伤或者杂质相关的缺陷，其是实现光集成较有潜力的一种方法。本发明公开的多波长光子集成发射器芯片的制作方法可以大大简化大规模光子集成芯片的制作工艺，提高芯片成品率以及降低了制作成本。概括来讲，该种方法制作大规模光子集成芯片成本低，产率高，适宜推广。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，一下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，其中:

图1是本发明提供的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法流程图;

图2(a)至图2(f)是依照本发明实施例制作多波长光子集成发射器芯片的工艺流程图，其中:

图2(a)是多波长光子集成发射器一次外延结构的示意图;

图2(b)是一次RTA快速退火形成EAM区的示意图;

图2(c)是二次RTA快速退火形成无源区的示意图;

图2(d)是制作DFB区光栅的示意图;

图2(e)是外延制作包层、盖层和接触层的示意图;

图2(f)是制作正面电极和背面电极的示意图;

图3是依照本发明实施例制作的多波长光子集成发射器芯片的结构示意图。

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。

请参照图1和图2(a)至图2(f)，图1是本发明提供的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法流程图，图2(a)至图2(f)是依照本发明实施例制作多波长光子集成发射器芯片的工艺流程图，该方法包括以下步骤:

步骤1:在磷化铟衬底1上依次外延生长缓冲层2、带隙波长为1.55μm的多量子阱有源区3、快速退火缓冲层4和空位释放层5，如图2(a)所示，图2(a)是多波长光子集成发射器一次外延结构的示意图;

在本步骤中，磷化铟衬底1的掺杂浓度为5×10¹⁷-5×10¹⁸cm^-3;多量子阱有源区3包括依次生长的下波导层31、芯层32和上波导层33;快速退火缓冲层4为本征的磷化铟层，厚度为300-500nm；空位释放层5为本征的铟镓砷层，厚度为300-450nm；

步骤2:采用光刻技术腐蚀去掉激光器、探测器和光放大器区的空位释放层5后生长第一二氧化硅层6，一次退火使其余区域带隙波长蓝移到1.48-1.50μm之间，获得电吸收调制器区带隙材料，如图2(b)所示，图2(b)是一次RTA快速退火形成EAM区的示意图;

在本步骤中，激光器、探测器、光放大器和调制器区的长度分别为300-500μm、50-80μm、400-500μm和100-160μm，一次退火为采用RTA快速退火设备实现的，条件为670-685℃，80-120秒;第一二氧化硅层6是用PECVD生长的，厚度为150-250nm;

步骤3:腐蚀去掉第一二氧化硅层6后，采用光刻技术腐蚀去掉电吸收调制器区的空位释放层5，重新生长第二二氧化硅层7，二次退火使无源区域带隙波长蓝移到1.45μm以下，获得无源区带隙材料，如图2(c)所示，图2(c)是二次RTA快速退火形成无源区的示意图;

在本步骤中，二次退火为采用RTA快速退火设备实现的，条件为690-750℃，100-160秒;二氧化硅6和二氧化硅7为用PECVD生长的，厚度为150-250nm;无源区域包括无源波导和合波器件;

步骤4:腐蚀去掉所有的空位释放层5以及快速退火缓冲层4;

步骤5:在激光器区表层采用电子束曝光技术在各个信道制作不同周期的光栅8，光栅8的周期根据各信道激光器的发射波长而确定，如图2(d)所示，图2(d)是制作DFB区光栅的示意图;

步骤6:在整个样片上生长包层9、盖层和电接触层10，如图2(e)所示，图2(e)是外延制作包层、盖层和接触层的示意图;

在本步骤中，条形脊波导结构11的宽度为3-4μm;

步骤9:衬底减薄后在整个管芯的底部制作背面电极13，完成芯片的制作;如图2(f)所示，图2(f)是制作正面电极和背面电极的示意图;

图3示出了依照本发明实施例制作的多波长光子集成发射器芯片的结构示意图。

实施例一

本发明一个优选实施例中，所述一种利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，包括如下步骤:

在掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3磷化铟衬底1上依次外延生长缓冲层2、带隙波长为1.55μm的多量子阱有源区3、厚度为300nm的快速退火缓冲层4和厚度为300nm的空位释放层5，其中多量子阱有源区3包括依次生长的下波导层31、芯层32和上波导层33。

采用常规光刻技术，腐蚀去掉激光器、探测器和光放大器区的空位释放层5后采用PECVD生长一层厚度为150nm二氧化硅6，在670℃，80s的退火条件下一次退火使其余区域带隙波长蓝移到1.50μm，获得电吸收调制器区带隙材料，其中激光器、探测器、光放大器和调制器区的长度分别为300μm、50μm、400μm和100μm。

腐蚀去掉二氧化硅6后，采用常规光刻技术，腐蚀去掉电吸收调制器区的空位释放层5，采用PECVD重新生长一层厚度为150nm二氧化硅7，在690℃，100s的退火条件下使带隙波长蓝移到1.45μm，获得无源区带隙材料，其中无源区域包含无源波导和合波器;

腐蚀去掉所有的空位释放层5以及快速退火缓冲层4;在激光器区表层根据各信道激光器的发射波长采用电子束曝光技术在各个信道制作不同周期的光栅8;在整个样片上生长包层9、盖层和电接触层10;

采用常规光刻、刻蚀工艺，在激光器、调制器、探测器和放大器区域制作出宽度为3μm条形脊波导结构11;分别在激光器、调制器、探测器和放大器区脊波导结构11上制作正面电极12;衬底减薄后在整个管芯的底部制作背面电极13，完成管芯制作。

实施例二

在掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3磷化铟衬底1上依次外延生长缓冲层2、带隙波长为1.55μm的多量子阱有源区3、厚度为500nm的快速退火缓冲层4和厚度为450nm的空位释放层5，其中多量子阱有源区3包括依次生长的下波导层31、芯层32和上波导层33。

采用常规光刻技术，腐蚀去掉激光器、探测器和光放大器区的空位释放层5后采用PECVD生长一层厚度为250nm二氧化硅6，在685℃，120s的退火条件下一次退火使其余区域带隙波长蓝移到1.48μm，获得电吸收调制器区带隙材料，其中激光器、探测器、光放大器和调制器区的长度分别为500μm、80μm、500μm和160μm。

腐蚀去掉二氧化硅6后，采用常规光刻技术，腐蚀去掉电吸收调制器区的空位释放层5，采用PECVD重新生长一层厚度为250nm二氧化硅7，在750℃，160s的退火条件下使带隙波长蓝移到1.35μm，获得无源区带隙材料，其中无源区域包含无源波导和合波器;

采用常规光刻、刻蚀工艺，在激光器、调制器、探测器和放大器区域制作出宽度为4μm条形脊波导结构11;分别在激光器、调制器、探测器和放大器区脊波导结构11上制作正面电极12;衬底减薄后在整个管芯的底部制作背面电极13，完成管芯制作。

实施例三

本发明另一个优选实施例中，所述一种利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，包括如下步骤:

在掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3磷化铟衬底1上依次外延生长缓冲层2、带隙波长为1.55μm的多量子阱有源区3、厚度为400nm的快速退火缓冲层4和厚度为400nm的空位释放层5，其中多量子阱有源区3包括依次生长的下波导层31、芯层32和上波导层33。

采用常规光刻技术，腐蚀去掉激光器、探测器和光放大器区的空位释放层5后采用PECVD生长一层厚度为200nm二氧化硅6，在678℃，100s的退火条件下一次退火使其余区域带隙波长蓝移到1.49μm，获得电吸收调制器区带隙材料，其中激光器、探测器、光放大器和调制器区的长度分别为400μm、65μm、450μm和130μm。

腐蚀去掉二氧化硅6后，采用常规光刻技术，腐蚀去掉电吸收调制器区的空位释放层5，采用PECVD重新生长一层厚度为200nm二氧化硅7，在720℃，130s的退火条件下使带隙波长蓝移到1.40μm，获得无源区带隙材料，其中无源区域包含无源波导和合波器;

采用常规光刻、刻蚀工艺，在激光器、调制器、探测器和放大器区域制作出宽度为3.5μm条形脊波导结构11;分别在激光器、调制器、探测器和放大器区脊波导结构11上制作正面电极12;衬底减薄后在整个管芯的底部制作背面电极13，完成管芯制作。

综上所述，本发明器件设计制作的多波长光子集成发射器，可以大大简化器件制作工艺，提高芯片成品率，降低制作成本。

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

1.一种利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，其特征在于，包括：

步骤1：在磷化铟衬底(1)上依次外延生长缓冲层(2)、带隙波长为1.55μm的多量子阱有源区(3)、快速退火缓冲层(4)和空位释放层(5)；

步骤2：采用光刻技术腐蚀去掉激光器、探测器和光放大器区的空位释放层(5)后生长第一二氧化硅层(6)，一次退火使其余区域带隙波长蓝移到1.48-1.50μm之间，获得电吸收调制器区带隙材料；

步骤3：腐蚀去掉第一二氧化硅层(6)后，采用光刻技术腐蚀去掉电吸收调制器区的空位释放层(5)，重新生长第二二氧化硅层(7)，二次退火使无源区域带隙波长蓝移到1.45μm以下，获得无源区带隙材料；

步骤4：腐蚀去掉所有的空位释放层(5)以及快速退火缓冲层(4)；

步骤5：在激光器区表层采用电子束曝光技术在各个信道制作不同周期的光栅(8)；

步骤6：在整个样片上生长包层(9)、盖层和电接触层(10)；

步骤7：采用光刻刻蚀工艺，在激光器、调制器、探测器和放大器区域制作出条形脊波导结构(11)；

步骤8：分别在激光器、调制器、探测器和放大器区脊波导结构(11)上制作正面电极(12)；

步骤9：衬底减薄后在整个管芯的底部制作背面电极(13)，完成芯片的制作；

其中，该多波长光子集成发射器芯片是采用将多个功能器件并排在芯片上的排布方式，该多个功能器件为激光器、调制器、探测器或光放大器。

2.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤1中所述磷化铟衬底(1)，掺杂浓度为5×10¹⁷-5×10¹⁸cm^-3。

3.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤1中所述多量子阱有源区(3)包括依次生长的下波导层(31)、芯层(32)和上波导层(33)。

4.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤1中所述快速退火缓冲层(4)为本征的磷化铟层，厚度为300-500nm。

5.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤1中所述空位释放层(5)为本征的铟镓砷层，厚度为300-450nm。

6.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤2中所述激光器、探测器、光放大器和电吸收调制器区的长度分别为300-500μm、50-80μm、400-500μm和100-160μm。

7.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤2中所述一次退火为采用RTA快速退火设备实现的，条件为670-685℃，80-120秒。

8.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤3中所述二次退火为采用RTA快速退火设备实现的，条件为690-750℃，100-160秒。

9.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤3中所述二氧化硅6和二氧化硅7为用PECVD生长的，厚度为150-250nm。

10.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤3中所述无源区域包括无源波导和合波器件。

11.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤5中所述光栅(8)的周期根据各信道激光器的发射波长而确定。

12.根据权利要求1所述的利用量子阱混杂制作多波长光子集成发射器芯片的方法，步骤7中所述条形脊波导结构(11)的宽度为3-4μm。