CN112398004B - 电吸收光调制器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种电吸收光调制器包括：由多个层构成的多量子阱，多个层包括交替堆叠的多个量子阱层和多个势垒层，多个量子阱层和多个势垒层包括受体和供体；与多个层中的最上层接触的p型半导体层；以及与多个层中的最下层接触的n型半导体层，多量子阱的p型载流子浓度为p型半导体层的p型载流子浓度的10％至150％，并且在多量子阱中，与p型载流子浓度与n型载流子浓度之差对应的有效载流子浓度为多量子阱的p型载流子浓度的±l0％或更低。

Description

电吸收光调制器及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年8月19日提交的日本专利申请JP 2019-150056和2019年10月7日提交的JP 2019-184664的优先权，其内容通过引用并入本申请中。

技术领域

本公开涉及一种电吸收光调制器及其制造方法。

背景技术

近年来，在电吸收光调制器(EA调制器)中，为了使多量子阱(MQW)中的电场均匀，优选地，MQW的载流子浓度低。另一方面，当施加分离限制异质结构(SCH)时，优选地，在MQW之上和之下的SCH层中的载流子浓度高，以便避免增加电压损耗。

在通常用于光学半导体元件的晶体生长的金属有机化学气相沉积(MOCVD)中，Zn(锌)主要用作p型掺杂物。Zn易于在晶体生长期间扩散。因此，p侧SCH层的载流子浓度降低，MQW的载流子浓度增加。

发明内容

根据一些可能的实现方式，电吸收光调制器包括：由多个层构成的多量子阱，该多个层包括交替堆叠的多个量子阱层和多个势垒层，多个量子阱层和多个势垒层包括受体和供体；与多个层中的最上层接触的p型半导体层；以及与多个层中的最下层接触的n型半导体层，多量子阱的p型载流子浓度为p型半导体层的p型载流子浓度的10％至150％。在多量子阱中，与p型载流子浓度和n型载流子浓度之差对应的有效载流子浓度为多量子阱的p型载流子浓度的±10％或更低。

优选地，在电吸收光调制器中，p型半导体层和n型半导体层被配置为形成分离限制异质结构。

优选地，在电吸收光调制器中，最上层和最下层中的每一个对应于多个势垒层中的一个。

优选地，在电吸收光调制器中，p型载流子浓度和n型载流子浓度中的每一个为1×10¹⁷cm^-3或更高。

优选地，在电吸收光调制器中，在多量子阱中，p型载流子浓度高于n型载流子浓度。

优选地，在电吸收光调制器中，在多量子阱中，p型载流子浓度低于n型载流子浓度。

优选地，在电吸收光调制器中，受体是Zn或Mg中的至少一个。

优选地，在电吸收光调制器中，供体是Si。

优选地，在电吸收光调制器中，p型半导体层的受体与多量子阱的受体的材料相同。

优选地，在电吸收光调制器中，n型半导体层的供体与多量子阱的供体的材料相同。

优选地，在电吸收光调制器中，多量子阱的p型载流子浓度低于p型半导体层的p型载流子浓度。

优选地，在电吸收光调制器中，多量子阱的n型载流子浓度低于n型半导体层的n型载流子浓度。

优选地，在电吸收光调制器中，随着层越靠近p型半导体层，多个层的p型载流子浓度和n型载流子浓度越高。

根据一些可能的实现方式，一种电吸收光调制器的制造方法包括：形成n型半导体层；形成由多个层构成的多量子阱，该多个层包括交替堆叠的多个量子阱层和多个势垒层，该多个量子阱层和所述多个势垒层包括受体和供体，以及多个层中的最下层与n型半导体层接触；以及由金属有机化学气相沉积形成p型半导体层，以放置成与多个层的最上层接触，多量子阱的p型载流子浓度为p型半导体层的p型载流子浓度的10％至150％，并且在多量子阱中，与p型载流子浓度和n型载流子浓度之差对应的有效载流子浓度为多量子阱的p型载流子浓度的±10％或更低。

优选地，在所述方法中，多量子阱由金属有机化学气相沉积形成。

优选地，在所述方法中，p型半导体层和n型半导体层被配置为形成分离限制异质结构。

优选地，在所述方法中，受体是Zn或Mg中的至少一个，并且供体是Si。

优选地，在所述方法中，满足以下的至少一个：p型半导体层的受体与多量子阱的受体的材料相同，或者n型半导体层的供体与多量子阱的供体的材料相同。

优选地，在所述方法中，满足以下的至少一个：多量子阱的p型载流子浓度低于p型半导体层的p型载流子浓度，或者多量子阱的n型载流子浓度低于n型半导体层的n型载流子浓度。

优选地，在所述方法中，随着层越靠近p型半导体层，多个层的p型载流子浓度和n型载流子浓度越高。

附图说明

图1是根据示例的电吸收光调制器的平面图。

图2是图1所图示的电吸收光调制器沿线II-II截取的剖面视图。

图3是图示n型半导体层(下部SCH)、多量子阱(MQW)和p型半导体层(上部SCH)的载流子浓度的示意图。

图4是图示电吸收光调制器的修改例1中的载流子浓度的示意图。

图5是图示电吸收光调制器的修改例2中的载流子浓度的示意图。

具体实施方式

下面示例性实现方式的详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。

图1是根据一实现方式的电吸收光调制器的平面图。图2是图1所图示的电吸收光调制器沿线II-II截取的剖面视图。

电吸收光调制器是集成调制器的半导体光学元件(例如集成调制器的激光器)，其中激光器单元10和调制单元12被整体地集成。电吸收光调制器通过调制单元12对通过将驱动电流注入激光器单元10中而发射的连续光进行调制，并且输出信号光。

激光器单元10是分布式反馈半导体激光器(分布式反馈激光器：DFB激光器)。调制单元12是电吸收调制器(EA调制器)。电吸收调制器被广泛地使用，因为电吸收调制器体积小且成本低，还有诸如啁啾(波长变化)销、消光比(即光学信号的导通(ON)电平和关断(OFF)电平之间的差异)大、以及波段宽的优点特性。在此，电吸收光调制器是集成EA调制器的DFB激光器元件。

电吸收光调制器具有掩埋异质结构(BH结构)(未示出)。BH结构是指在具有光波导的台式条纹结构的两侧具有掩埋层的结构。BH结构具有将光限制在横向方向上的强效应，并且远场图案(FFP)更圆。因此，BH结构由于与光纤的耦合效率高且热耗散好的优点而被广泛地使用。

如图2所示，电吸收光调制器包括半导体衬底14(n型InP衬底)。下部包覆层16(n型InP层)堆叠在半导体衬底14上。在半导体衬底14的背面(与下部包覆层16相对的表面)上，存在电极18(例如，阴极)。

[n型半导体层(下部SCH层)]

电吸收光调制器(调制单元12)在下部包覆层16上包括n型半导体层20(InGaAsP层)。n型半导体层20的供体(n型掺杂物)是Si。已知Si在晶体生长期间极少扩散。n型半导体层20用于形成分离限制异质结构(SCH)，并且还是下部SCH层。

[调制单元的多个量子阱]

电吸收光调制器(调制单元12)包括多量子阱(MQW)22。当将电场施加到多量子阱22时，获得量子限制斯塔克效应(QCSE)，该效应中光的吸收边沿移位至较长波长侧。调制单元12使用QCSE来调制光。多量子阱22由多个层构成，并且其中最下层与n型半导体层20接触。多个层中的最下层是势垒层24(InGaAsP层)。多个层中的最上层也是势垒层24。多个层包括多个势垒层24。多个势垒层24包含受体(p型掺杂物)和供体(n型掺杂物)二者。多个势垒层24的p型载流子浓度和n型载流子浓度中的每一个为1×10¹⁷cm^-3或更高。受体是Zn或Mg中的至少一个。供体是Si(与n型半导体层20的供体相同的材料)。

多个层包括多个量子阱层26(InGaAsP层)。多个量子阱层26包含受体(p型掺杂物)和供体(n型掺杂物)二者。多个量子阱层26的p型载流子浓度和n型载流子浓度中的每一个为1×10¹⁷cm^-3或更高。受体是Zn或Mg中的至少一个。供体是Si(与n型半导体层20的供体相同的材料)。量子阱层26和势垒层24彼此邻近。也就是说，多个量子阱层26和多个势垒层24交替地堆叠。即，多量子阱22在整个区域之上包含受体和供体二者。

[p型半导体层(上部SCH层)]

电吸收光调制器(调制单元12)包括p型半导体层28(InGaAsP层)。例如，p型半导体层28的受体是Zn或Mg中的至少一个(与量子阱层26的受体相同的材料)，并且使其扩散降低是极其困难的。p型半导体层28与多量子阱22的最上层接触。p型半导体层28用于形成分离限制异质结构(SCH)，并且还是上部SCH层。上部包覆层30(p型InP层)堆叠在p型半导体层28上。

[激光器单元的结构]

电吸收光调制器在激光器单元10中包括n型半导体层20B、多量子阱22B和p型半导体层28B。其细节对应于调制单元12中的n型半导体层20、多量子阱22和p型半导体层28的内容。在激光器单元10中，上部包覆层30堆叠在衍射光栅层32上。衍射光栅层32和多量子阱22设置为使得振荡波长在1.3μm波段或1.55μm波段。

[电极]

激光器单元10包括与电极18(例如，阴极)一起施加DC电压的电极34(例如，阳极)。调制单元12包括与电极18(例如，阴极)一起施加AC电压的电极36(例如，阳极)。激光器单元10和调制单元12中使用的电极18是集成的，但是可以是分离的。调制单元12和激光器单元10可以不集成在同一半导体衬底14上。例如，调制单元12和激光器单元10可以形成在不同的半导体衬底14上并且安装在调制单元12所在的区域中，并且激光器单元10具有相同的电势。

[载流子浓度]

图3是图示n型半导体层20(下部SCH)、多量子阱(MQW)22和p型半导体层28(上部SCH)的载流子浓度的示意图。

p型半导体层28(上部SCH)掺杂有1×10¹⁸cm^-3的p型载流子(Zn)。多量子阱(MQW)22掺杂有3.0×10¹⁷cm^-3的p型载流子(Zn)和2.9×10¹⁷cm^-3的n型载流子(Si)。n型半导体层20(下部SCH)掺杂有1×10¹⁸cm^-3的n型载流子(Si)。

因为p型半导体层28(上部SCH)和多量子阱(MQW)22二者都掺杂有p型载流子(Zn)，因此p型载流子(Zn)从p型半导体层28(上部SCH)到多量子阱(MQW)22的扩散被减少。另一方面，因为n型载流子(Si)在晶体生长期间几乎没有扩散，因此多量子阱(MQW)22中的p型载流子浓度与n型载流子浓度之差(有效载流子浓度)可以降低到约1×10¹⁶cm^-3，同时保持p型半导体层28(上部SCH)的p型载流子浓度。

多量子阱(MQW)22的p型载流子浓度(3.0×10¹⁷cm^-3)为p型半导体层28(上部SCH)的p型载流子浓度(1×10¹⁸cm^-3)的10％至150％。在本示例中，多量子阱(MQW)22的p型载流子浓度低于p型半导体层28(上部SCH)。多量子阱(MQW)22的n型载流子浓度(2.9×10¹⁷cm^-3)低于n型半导体层20(下部SCH)的n型载流子浓度(1×10¹⁸cm^-3)。

多量子阱(MQW)22中，与p型载流子浓度和n型载流子浓度之差(绝对值)对应的有效载流子浓度(1×10¹⁶cm^-3)为多量子阱(MQW)22的p型载流子浓度(3.0×10¹⁷cm^-3)的10％或更低。在多量子阱(MQW)22中，p型载流子浓度(3.0×10¹⁷cm^-3)高于n型载流子浓度(2.9×10¹⁷cm^-3)。

根据实现方式，因为多量子阱(MQW)22的p型载流子浓度较高，因此可以降低来自p型半导体层28(上部SCH)的受体的扩散并确保适当的载流子浓度。另一方面，多量子阱(MQW)22的有效载流子浓度较低，以便使电场均匀。根据实现方式，可以改进电吸收调制器的调制特性。也就是说，能够使用低的电压振幅获得大的消光比。

[制造方法]

接下来，将描述制造电吸收光调制器的方法。在本示例中，调制单元12是在形成激光器单元10之后形成的(参见图2)。

在激光器单元10的形成过程中，激光器单元10的结构所需的多层形成在半导体衬底14(n型InP衬底)上，然后通过蚀刻移除激光器单元10的不必要的部分。

接下来，在调制单元12的形成过程中，n型半导体层20(InGaAsP层)、多量子阱22和p型半导体层28(InGaAsP层)形成在半导体衬底14(n型InP衬底)上。每个层由金属有机化学气相沉积(MOCVD)形成。量子阱层26和势垒层24二者都由InGaAsP制成，并且在添加Zn(p型掺杂物)和Si(n型掺杂物)的同时执行多层生长。

调整生长条件，使得多量子阱22的p型载流子浓度为p型半导体层28的10％至150％。调整生长条件，使得在多量子阱22中，有效载流子浓度(p型载流子浓度与n型载流子浓度之差的绝对值)为多量子阱22的p型载流子浓度的10％或更低。其他细节包括从电吸收光调制器的上文描述中显而易见的内容和众所周知的金属有机化学气相沉积的技术。

[修改例1]

图4是图示电吸收光调制器的修改例1中的载流子浓度的示意图。在本修改例中，在多量子阱(MQW)中，p型载流子浓度((2.9×10¹⁷cm^-3)低于n型载流子浓度(3.0×10¹⁷cm^-3)。也就是说，多量子阱22的有效载流子浓度为p型载流子浓度的±10％或更低。

[修改例2]

图5是图示电吸收光调制器的修改例2中的载流子浓度的示意图。在本修改例中，构成多量子阱(MQW)的多个层的p型载流子浓度和n型载流子浓度随着层越靠近p型半导体层(上部SCH)而越高。这指示包含在上部包覆层30(p型InP层)或p型半导体层28中的p型掺杂物已经扩散到多量子阱22中的状态。p型掺杂物除了在形成多量子阱22时所增加的量以外还具有由扩散而增加的量。为了补偿增加的量，当形成多量子阱22时添加n型掺杂物以形成图4所示的轮廓。因此，通过根据p型掺杂物的扩散状态调整n型掺杂物的轮廓(n型载流子浓度分布)，可以实现具有优异的高消光比特性的电吸收光调制器。

尽管已经描述目前考虑到的某些实现方式，但是将理解的是可以对其进行各种修改，并且意图是所附权利要求覆盖落入实现方式的真实精神和范围内的所有此类修改。例如，已经描述集成EA调制器的DFB激光器元件。但是，只能应用EA调制器。

前述公开提供图示和描述，但并不旨在穷举或将实现方式限制为所公开的精确形式。可以按照上述公开做出修改例和变型，或者可以从实现方式的实践中获得修改例和变型。

尽管在权利要求中叙述了特征的特定组合和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合不旨在限制各种实现方式的公开。实际上，这些特征中的许多特征可以以权利要求中未具体叙述和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以仅直接从属于一个权利要求，但是各种实现方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求相结合。

除非明确说明，否则本文中使用的任何元素、动作或指令都不应解释为关键或必要的。同样，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，术语“集”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。在旨在只有一个项目的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。另外，如本文所用，术语“具有”等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。另外，如在此使用的，术语“或”在被成系列地使用时旨在于是包括性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“或者”或“中的仅一个”组合使用)。

Claims (18)

1.一种电吸收光调制器，包括：

由多个层构成的多量子阱，所述多个层包括交替堆叠的多个量子阱层和多个势垒层；

所述多个量子阱层和所述多个势垒层包括受体和供体；

与所述多个层中的最上层接触的p型半导体层；以及

与所述多个层中的最下层接触的n型半导体层，

所述多量子阱的p型载流子浓度为所述p型半导体层的p型载流子浓度的10％至150％，

在所述多量子阱中，与所述p型载流子浓度与n型载流子浓度之差对应的有效载流子浓度在绝对值方面为所述多量子阱的p型载流子浓度的10％或更低，以及

随着层越靠近所述p型半导体层，所述多个层的p型载流子浓度和n型载流子浓度越高。

2.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述p型半导体层和所述n型半导体层被配置为形成分离限制异质结构。

3.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述最上层和所述最下层中的每一个对应于所述多个势垒层中的一个。

4.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述p型载流子浓度和所述n型载流子浓度中的每一个为1×10¹⁷cm^-3或更高。

5.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，在所述多量子阱中，所述p型载流子浓度高于所述n型载流子浓度。

6.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，在所述多量子阱中，所述p型载流子浓度低于所述n型载流子浓度。

7.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述多量子阱的所述受体是Zn或Mg中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述多量子阱的所述供体是Si。

9.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述p型半导体层的受体与所述多量子阱的所述受体的材料相同。

10.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述n型半导体层的供体与所述多量子阱的所述供体的材料相同。

11.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述多量子阱的p型载流子浓度低于所述p型半导体层的p型载流子浓度。

12.根据权利要求1所述的电吸收光调制器，其中，所述多量子阱的n型载流子浓度低于所述n型半导体层的n型载流子浓度。

13.一种电吸收光调制器的制造方法，包括：

形成n型半导体层；

形成由多个层构成的多量子阱，所述多个层包括交替堆叠的多个量子阱层和多个势垒层，

所述多个量子阱层和所述多个势垒层包括受体和供体，且

所述多个层中的最下层放置为与所述n型半导体层接触；以及形成p型半导体层，以与所述多个层中的最上层接触，

所述多量子阱的p型载流子浓度为所述p型半导体层的p型载流子浓度的10％至150％，

在所述多量子阱中，与所述p型载流子浓度与n型载流子浓度之差对应的有效载流子浓度在绝对值方面为所述多量子阱的p型载流子浓度的10％或更低，以及

随着层越靠近所述p型半导体层，所述多量子阱的多个层的p型载流子浓度和n型载流子浓度越高。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其中，所述多量子阱由金属有机化学气相沉积形成。

15.根据权利要求13所述的制造方法，其中，所述p型半导体层和所述n型半导体层被配置为形成分离限制异质结构。

16.根据权利要求13所述的制造方法，其中

所述多量子阱的所述受体是Zn或Mg中的至少一个，并且

所述多量子阱的所述供体是Si。

17.根据权利要求13所述的制造方法，其中，满足以下的至少一个：

所述p型半导体层的受体与所述多量子阱的所述受体的材料相同，或者

所述n型半导体层的供体与所述多量子阱的所述供体的材料相同。

18.根据权利要求13所述的制造方法，其中，满足以下的至少一个：

所述多量子阱的p型载流子浓度低于所述p型半导体层的p型载流子浓度，或者

所述多量子阱的n型载流子浓度低于所述n型半导体层的n型载流子浓度。