CN112072462A - 半导体光子器件及其制作方法 - Google Patents

半导体光子器件及其制作方法 Download PDF

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CN112072462A CN202010964577.XA CN202010964577A CN112072462A CN 112072462 A CN112072462 A CN 112072462A CN 202010964577 A CN202010964577 A CN 202010964577A CN 112072462 A CN112072462 A CN 112072462A
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Abstract

本发明公开了一种半导体光子器件及其制作方法，其中，该半导体光子器件包括：衬底；以及在衬底上依次生长的下脊波导层、中间层和上脊波导层；其中，中间层包括顺次连接的激光器有源材料区和第一模斑转换器波导材料区，所述第一模斑转换器波导材料区的带隙波长小于所述激光器有源材料区的带隙波长。本发明提供的该半导体光子器件及其制作方法，通过集成模斑转换器结构，可以有效的提高半导体光子器件与光纤的耦合效率，同时器件的模斑转换器波导核心材料采用对接生长技术制作，有利于降低模斑转换器光损耗。

Description

半导体光子器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种半导体光子器件及其制作方法。
背景技术
随着光电子技术的快速发展，越来越多具有不同功能的激光器件逐渐深入各个领域。在相关技术中，半导体光子器件成为光通信的重要组件。
在实现本发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题，基于化合物半导体材料的波导的近场光斑小且不对称，导致远场发散角大且不对称。当半导体器件与光纤直接耦合时，由于光纤和半导体波导的模场不匹配，耦合损耗可高达10dB，同时对准容差较小，这无疑增加了封装难度和成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种半导体光子器件及其制作方法，以至少部分解决以上技术问题。
本发明在一方面提供了一种半导体光子器件，包括：衬底；以及在所述衬底上依次生长的下脊波导层、中间层和上脊波导层；其中，所述中间层包括顺次连接的激光器有源材料区和第一模斑转换器波导材料区，所述第一模斑转换器波导材料区的带隙波长小于所述激光器有源材料区的带隙波长。
可选地，所述上脊波导层包括：具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，设置于所述第一模斑转换器波导材料区之上，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度，具有所述第二波导宽度的端面为激光器发光端面。
可选地，所述中间层还包括第二模斑转换器波导材料区，连接于所述激光器有源材料区的另一侧，且所述第二模斑转换器波导材料区的带隙波长小于所述激光器有源材料区的带隙波长，所述上脊波导层还包括：具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，设置于所述第二模斑转换器波导材料区之上，所述第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至所述第二波导宽度或第三波导宽度，具有所述第二波导宽度或所述第三波导宽度的端面为激光器发光端面。
可选地，所述上脊波导层还包括：具有所述第一波导宽度的有源器件区脊波导，设置于部分或全部的所述激光器有源材料区之上，并与所述第一模斑转换器脊波导和/或所述第二模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接。
可选地，所述上脊波导层的宽度小于所述下脊波导层的宽度。
可选地，所述激光器有源材料区自所述下脊波导层至上依次包括下限制层、量子阱层、上限制层和光栅层。
本发明另一方面提供了一种半导体光子器件的制作方法，包括：在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层和激光器有源材料层；将所述激光器有源材料层进行区域划分，得到激光器有源材料区和用于制作模斑转换器波导材料区的区域；将所述激光器有源材料层中的用于制作所述模斑转换器波导材料区的区域进行腐蚀，将未腐蚀的所述激光器有源材料层作为所述激光器有源材料区；基于所述激光器有源材料区在用于制作所述模斑转换器波导材料区的区域对接生长波导材料，得到所述模斑转换器波导材料区；在所述激光器有源材料区和所述模斑转换器波导材料区上生长包层和接触层；根据所述包层和所述接触层制作上脊波导；以及根据模斑转换器波导材料区中的部分所述波导材料，以及所述模斑转换器波导材料区下的所述间隔层、所述远场缩减层和部分的所述缓冲层制作所述下脊波导。
可选地，在所述模斑转换器波导材料区对接生长于所述激光器有源材料区的一侧的情况下，根据所述包层和所述接触层制作上脊波导包括：在所述激光器有源材料区上制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导；在所述模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至第二波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第一端面与所述第一模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接；以及将所述有源器件区脊波导和所述第一模斑转换器脊波导作为所述上脊波导。
可选地，在所述模斑转换器波导材料区对接生长于所述激光器有源材料区的两侧的情况下，根据所述包层和所述接触层制作上脊波导包括：在所述激光器有源材料区上制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导；在所述激光器有源材料区的一侧的所述模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至第二波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第一端面与所述第一模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接；在所述激光器有源材料区的另一侧的所述模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，其中，所述第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至所述第二波导宽度或第三波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第二端面与所述第二模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接；以及将所述有源器件区脊波导、所述第一模斑转换器脊波导和所述第二模斑转换器脊波导作为所述上脊波导。
可选地，所述制作下脊波导还包括：根据部分的所述波导材料、部分的所述激光器有源材料层、所述间隔层、所述远场缩减层和部分的所述缓冲层制作下脊波导。
本发明提供的该半导体光子器件及其制作方法，具有以下有益效果：
(1)器件的模斑转换器波导材料区的波导核心材料采用对接生长技术制作，有利于降低模斑转换器光损耗；
(2)通过采用集成模斑转换器的半导体光子器件，可以有效的提高器件与光纤的耦合效率。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的半导体光子器件的三维结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的半导体光子器件的截面图；以及
图3示意性示出了根据本发明实施例的半导体光子器件的制作方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
半导体光子器件是一种应用于光通信的基本器件。
发明人在实现本发明构思的过程中发现，基于化合物半导体材料的波导的近场光斑小且不对称，导致远场发散角大且不对称。当半导体器件与光纤直接耦合时，由于光纤和半导体波导的模场不匹配，耦合损耗可高达10dB，同时对准容差较小，这无疑增加了封装难度和成本。
有鉴于此，本发明公开了一种半导体光子器件及其制作方法，该半导体光子器件包括：衬底；以及在衬底上依次生长的下脊波导层、中间层和上脊波导层；其中，中间层包括顺次连接的激光器有源材料区和第一模斑转换器波导材料区，第一模斑转换器波导材料区的带隙波长小于激光器有源材料区的带隙波长。
通过本发明的上述实施例，由于设置了模斑转换器波导材料区的带隙波长小于激光器有源材料区的带隙波长，可有效降低模斑转换器光损耗。
图1示意性示出了根据本发明实施例的半导体光子器件的三维结构示意图。
图2示意性示出了根据本发明实施例的半导体光子器件的截面图。
如图1和图2所示，该器件包括衬底10、缓冲层20、远场缩减层30、间隔层40、激光器有源材料区50、模斑转换器波导材料区60、包层70和接触层80。
根据本发明的实施例，包层70和接触层80形成具有W1和W2(W2<W1)宽度的上脊波导，其中，位于激光器有源材料区50之上的上脊波导(即有源器件区脊波导L)的波导宽度为W1，位于模斑转换器波导材料区60之上的上脊波导(即模斑转换器脊波导T)的波导宽度为渐变波导宽度，表现为从W1逐渐减小为W2的结构，并以具有W2宽度的面作为激光器发光端面。
需要说明的是，上述模斑转换器脊波导T可以为两个，分别设置于有源器件区脊波导L的两端，在该种情况下，需在激光器有源材料区两侧均对接生长模斑转换器波导材料区，且两侧的模斑转换器波导材料区的带隙波长均小于激光器有源材料区的带隙波长，以使得该两个模斑转换器脊波导可以分别设置于两侧的模斑转换器波导材料区至少，该两个模斑转换器脊波导均具有从W1逐渐减小为W2或W2’的渐变波导宽度。其中，W2≠W2’，以适应更多样化的出光需求。
根据本发明的实施例，上述部分缓冲层20、远场缩减层30和间隔层40，以及激光器有源材料区50的部分波导材料和模斑转换器波导材料区60的部分激光器有源材料层，形成具有W3宽度的下脊波导。
需要说明的是，在该半导体光子器件结构中，W1、W2均小于W3。
根据本发明的实施例，上述激光器有源材料区50包括上下限制层和位于两者之间的多量子阱层，以及位于限制层之上的光栅结构。
通过本发明的上述实施例，根据模斑转换器可以几乎绝热地将波导的不对称近场分布转换为对称的输入或输出近场的能力，本发明在设计激光器内部结构时引入模斑转换器的结构，有效解决了基于化合物半导体材料的波导的近场光斑小且不对称，导致远场发散角大且不对称，尤其是当半导体器件与光纤直接耦合时，由于光纤和半导体波导的模场不匹配，耦合损耗可高达10dB，同时对准容差较小，增加封装难度和成本的问题，从而既可以提高有源器件和光纤的耦合效率，又可以提高其耦合容差。
图3示意性示出了根据本发明实施例的半导体光子器件的制作方法的流程图。
参见图1和图3所示，该方法包括操作S301～S309。
在操作S301，在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层和激光器有源材料层。
根据本发明的实施例，以InP基材料体系为例，衬底10为InP衬底，缓冲层20为InP缓冲层，远场缩减层30为InGaAsP远场缩减层，间隔层40为InP间隔层。激光器有源材料层为InGaAsP有源材料层，且其最上部为InGaAsP光栅层，用于制作光栅材料，激光器有源材料层的InGaAsP光栅层下为InGaAsP或InGaAlAs量子阱材料，包括上/下分别限制层及两者间的多量子阱层或体材料层。
在操作S302，将激光器有源材料层进行区域划分，得到激光器有源材料区和用于制作模斑转换器波导材料区的区域。
在操作S303，将激光器有源材料层中的用于制作模斑转换器波导材料区的区域进行腐蚀，将未腐蚀的激光器有源材料层作为激光器有源材料区；
根据本发明的实施例，利用光刻胶或者SiO2介质掩膜保护激光器有源材料层的LD区域，选择性腐蚀去掉LD区域外(即模斑转换器波导材料区，如图1中的SSC区域)的有源材料层，得到激光器有源材料区50。
在操作S304，基于激光器有源材料区在用于制作模斑转换器波导材料区的区域对接生长波导材料，得到模斑转换器波导材料区。
根据本发明的实施例，在器件的模斑转换器波导材料区(SSC区)对接生长InGaAsP无源波导材料，其带隙波长小于激光器有源材料的带隙波长，得到模斑转换器波导材料区60。
在操作S305，在激光器有源材料区和模斑转换器波导材料区上生长包层和接触层。
根据本发明的实施例，将激光器有源材料区50、模斑转换器波导材料区60及其下的间隔层40、远场缩减层30、缓冲层20和衬底10作为基片，在基片上依次生长P型掺杂InP包层70及P型掺杂InGaAsP接触层80。
在操作S306，根据包层和接触层制作上脊波导。
在操作S307，根据模斑转换器波导材料区中的部分波导材料，以及模斑转换器波导材料区下的间隔层、远场缩减层和部分的缓冲层制作下脊波导。
根据本发明的实施例，利用模斑转换器波导材料区60的部分激光器有源材料层及其下的间隔层40、远场缩减层30及部分缓冲层10制作下脊波导X。
需说明的是，器件的模斑转换器波导材料区对接生长的材料不仅限于上述的InGaAsP无源波导材料，只要在该处的波导材料的带隙波长小于激光器有源材料的带隙波长均可。
通过本发明的上述实施例，由于模斑转换器波导材料区的带隙波长小于激光器有源材料的带隙波长，从而可以减少光在模斑转换器区的吸收损耗。
根据本发明的实施例，模斑转换器脊波导可仅制作于有源器件区的一侧，也可以制作于有源器件区脊波导的两侧，以供器件两端同时与光纤耦合使用，同时可适应不同种光纤耦合需求。
有鉴于此，进一步的，在一些实施例中，在器件中设置的上述模斑转换器脊波导只有一个的情况下，上述操作S305包括：上述模斑转换器波导材料区对接生长于激光器有源材料区的一侧，在激光器有源材料区上制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导；在模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度，且有源器件区脊波导的第一端面与第一模斑转换器脊波导的具有第一波导宽度的端面相连接；以及将有源器件区脊波导和第一模斑转换器脊波导作为上脊波导。
根据本发明的实施例，使用干法或湿法刻蚀技术利用包层70及接触层80制作脊型波导，其中，激光器有源材料区50(即图1中的LD区域)上的脊波导L宽度不变均为W1，模斑转换器波导材料区60(即图1中的SSC区域)的脊波导T的宽度由LD区的W1向器件端面S逐渐减小至W2。
进一步的，在另一些实施例中，在器件中设置的上述模斑转换器脊波导为两个的情况下，上述操作S305包括：上述模斑转换器波导材料区对接生长于激光器有源材料区的两侧，在激光器有源材料区上制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导；在激光器有源材料区的一侧的模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度，且有源器件区脊波导的第一端面与第一模斑转换器脊波导的具有第一波导宽度的端面相连接；在激光器有源材料区的另一侧的所述模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，其中，第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度或第三波导宽度，且有源器件区脊波导的第二端面与第二模斑转换器脊波导的具有第一波导宽度的端面相连接；以及将有源器件区脊波导、第一模斑转换器脊波导和第二模斑转换器脊波导作为上脊波导。
进一步的，在一些实施例中，上述操作S306还包括：根据部分波导材料、部分的所述激光器有源材料层、间隔层、远场缩减层和部分的缓冲层制作下脊波导。
需要说明的是，下脊波导X可以仅在具有模斑转换器的区域(即模斑转换器波导材料区，或具有两个模斑转换器时还在部分的激光器有源材料区)制作，也可以在包括有源器件区域(即激光器有源材料区)在内的整个芯片区域制作。
还需要说明的是，在本发明的半导体光子器件中，有源器件区脊波导L及模斑转换器脊波导T的宽度小于下脊波导X的宽度W3，并可位于下脊波导X中间位置。
通过本发明的上述实施例，在器件发光端面S，由于模斑转换器脊波导T宽度小，有效折射率减小，光场强度主要分布于下脊波导X。同时，由于远场缩减层厚度较小，下脊波导X的主要部分是厚度较大的InP间隔层，这使器件耦合端面S处波导的近场光斑较大，从而可以获得小且对称的远场发散角，提高与光纤的耦合效率。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体光子器件，包括：
衬底；以及
在所述衬底上依次生长的下脊波导层、中间层和上脊波导层；
其中，所述中间层包括顺次连接的激光器有源材料区和第一模斑转换器波导材料区，所述第一模斑转换器波导材料区的带隙波长小于所述激光器有源材料区的带隙波长。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述上脊波导层包括：
具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，设置于所述第一模斑转换器波导材料区之上，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至第二波导宽度，具有所述第二波导宽度的端面为激光器发光端面。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，所述中间层还包括第二模斑转换器波导材料区，连接于所述激光器有源材料区的另一侧，且所述第二模斑转换器波导材料区的带隙波长小于所述激光器有源材料区的带隙波长，所述上脊波导层还包括：
具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，设置于所述第二模斑转换器波导材料区之上，所述第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由第一波导宽度减小至所述第二波导宽度或第三波导宽度，具有所述第二波导宽度或所述第三波导宽度的端面为激光器发光端面。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的器件，其中，所述上脊波导层还包括：
具有所述第一波导宽度的有源器件区脊波导，设置于部分或全部的所述激光器有源材料区之上，并与所述第一模斑转换器脊波导和/或所述第二模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接。
5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述上脊波导层的宽度小于所述下脊波导层的宽度。
6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述激光器有源材料区自所述下脊波导层至上依次包括下限制层、量子阱层、上限制层和光栅层。
7.一种半导体光子器件的制作方法，包括：
在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层和激光器有源材料层；
将所述激光器有源材料层进行区域划分，得到激光器有源材料区和用于制作模斑转换器波导材料区的区域；
将所述激光器有源材料层中的用于制作所述模斑转换器波导材料区的区域进行腐蚀，将未腐蚀的所述激光器有源材料层作为所述激光器有源材料区；
基于所述激光器有源材料区在用于制作所述模斑转换器波导材料区的区域对接生长波导材料，得到所述模斑转换器波导材料区；
在所述激光器有源材料区和所述模斑转换器波导材料区上生长包层和接触层；
根据所述包层和所述接触层制作上脊波导；以及
根据模斑转换器波导材料区中的部分所述波导材料，以及所述模斑转换器波导材料区下的所述间隔层、所述远场缩减层和部分的所述缓冲层制作所述下脊波导。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其中，在所述模斑转换器波导材料区对接生长于所述激光器有源材料区的一侧的情况下，根据所述包层和所述接触层制作上脊波导包括：
在所述激光器有源材料区上制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导；
在所述模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至第二波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第一端面与所述第一模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接；以及
将所述有源器件区脊波导和所述第一模斑转换器脊波导作为所述上脊波导。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其中，在所述模斑转换器波导材料区对接生长于所述激光器有源材料区的两侧的情况下，根据所述包层和所述接触层制作上脊波导包括：
在所述激光器有源材料区上制作具有第一波导宽度的有源器件区脊波导；
在所述激光器有源材料区的一侧的所述模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第一模斑转换器脊波导，其中，所述第一模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至第二波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第一端面与所述第一模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接；
在所述激光器有源材料区的另一侧的所述模斑转换器波导材料区上制作具有渐变波导宽度的第二模斑转换器脊波导，其中，所述第二模斑转换器脊波导的渐变波导宽度为由所述第一波导宽度减小至所述第二波导宽度或第三波导宽度，且所述有源器件区脊波导的第二端面与所述第二模斑转换器脊波导的具有所述第一波导宽度的端面相连接；以及
将所述有源器件区脊波导、所述第一模斑转换器脊波导和所述第二模斑转换器脊波导作为所述上脊波导。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其中，所述制作下脊波导还包括：
根据部分的所述波导材料、部分的所述激光器有源材料层、所述间隔层、所述远场缩减层和部分的所述缓冲层制作下脊波导。
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