CN112821197A - 一种光发射芯片的制作方法和光发射芯片 - Google Patents

一种光发射芯片的制作方法和光发射芯片 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种光发射芯片的制作方法，包括：在磷化铟衬底上依次生长N型磷化铟缓冲层、下光限制层、多量子阱有源区、上光限制层和二氧化硅掩蔽层，腐蚀掉该磷化铟衬底任意一端的预设面积的二氧化硅掩蔽层、上光限制层、多量子阱有源区和下光限制层，得到无源区，在上光限制层上靠近无源区的一端制作预设长度的光栅，得到光栅层，在该光栅层和无源区上生长电接触层，在该电接触层上刻蚀出与无源区长度相同的多模干涉反射镜，在该电接触层上制作分布反馈激光器和电吸收调制器。本公开可以使芯片结构更加紧凑，性能更加稳定，提高芯片制作地成品率。

Description

一种光发射芯片的制作方法和光发射芯片
技术领域
本公开涉及光发射芯片的制作方法，特别涉及基于电吸收调制器(Electricalabsorption modulator，EAM)、分布反馈激光器(Distributed feedback laser，DFB-Laser)与多模干涉反射镜(Multimode interference reflector，MIR)的单片集成光发射芯片的制作方法和光发射芯片。
背景技术
随着移动数据网络、云计算等技术的飞速发展，数据中心的通信容量呈现出爆炸性的增长，未来的数据中心需要比100G以太网更高容量的传输方案。电吸收调制激光器(Electro absorption-modulated laser，EML)因其具有高速、低啁啾、插入损耗小、可电调谐等优点成为数据中心光源的首选器件。在电吸收调制激光器(Electro absorption-modulated laser，EML)中，光栅均匀分布在整个分布反馈激光器(Distributed feedbacklaser，DFB-Laser)区域，利用光栅的选模特性实现单纵模的输出；而电吸收调制器(Electrical absorption modulator，EAM)对分布反馈激光器(Distributed feedbacklaser，DFB-Laser)出射的激光进行电吸收调制，并通过EAM的端面输出调制后的激光信号。
然而在传统电吸收调制激光器(Electro absorption-modulated laser，EML)的制作过程之中，往往需要对器件端面进行镀膜以提升其性能。镀膜的过程是将电吸收调制激光器(Electro absorption-modulated laser，EML)从衬底上解理下来制成多个长度为几百微米的阵列，然后将每列的激光器芯片装载到特殊的样品夹具上，放入真空镀膜设备对其端面镀光学膜。这种方式不仅生产效率低下，而且由于在镀膜之前已经将电吸收调制激光器(Electroabsorption-modulated laser，EML)芯片从衬底上解理下来，使其成为一个分立的单独器件，无法再进行后续的集成，极大地降低了光子芯片的集成度。
公开内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术的上述不足，本公开的主要目的在于提供一种光发射芯片制作方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
为了实现上述目的，根据本公开的一个方面，提供了一种光反射芯片的制作方法，该方法包括：
在磷化铟衬底上依次生长N型磷化铟缓冲层、下光限制层、多量子阱有源区、上光限制层和二氧化硅掩蔽层；
腐蚀掉该该磷化铟衬底上任意一端的预设面积的二氧化硅掩蔽层、上光限制层、多量子阱有源区和下光限制层，得到无源区；
对该无源区进行二次外延，使该无源区的上表面与二氧化硅掩蔽层的上表面位于同一高度；
在该上光限制层上靠近无源区的一端制作预设长度的光栅，得到光栅层；
在该光栅层和无源区上生长电接触层；
在该电接触层上刻蚀出与无源区长度相同的多模干涉反射镜；
在电接触层上制作分布反馈激光器和电吸收调制器；
在磷化铟衬底的底部蒸镀N面电极；
在靠近电吸收调制器的一侧蒸镀增透膜，得到管芯；
将该管芯烧结在铜质热沉上，完成芯片的制作。
优选地，制作分布反馈激光器和电吸收调制器具体包括：
在电接触层上制作与多量子阱有源区长度相同的P面电极；
在该P面电极上沿宽度方向腐蚀出一条电隔离沟，靠近多模干涉反射镜的一侧为分布反馈激光器，另一侧为电吸收调制器。
优选地，在上光限制层上靠近该无源区的一端制作预设长度的光栅之前还包括：
腐蚀掉二次外延时生成的二氧化硅掩蔽层；
在无源区上生长一层用作光栅掩模的二氧化硅。
优选地，在光栅层和无源区上生长电接触层之前还包括：腐蚀掉制作用作光栅掩模的二氧化硅。
优选地，在电接触层上刻蚀出与无源区长度相同的多模干涉反射镜之前还包括：腐蚀掉电接触层中的铟镓砷材料。
优选地，上光限制层和下光限制层的材料均包括铟镓砷磷材料；
多量子阱有源区的材料包括铟镓砷磷材料；
无源区的材料包括铟镓砷磷材料。
优选地，光栅的周期为240nm。
优选地，多模干涉反射镜一端为两个45°端面组成的全反射界面。
优选地，铜质热沉底面接地。
另一方面，本公开提供了一种光发射芯片，采用如上述的光发射芯片的制作方法制作而成，包括：
管芯和铜质热沉，所述管芯烧结在所述铜质热沉上；
所述管芯包括：
磷化铟衬底，所述磷化铟衬底上制作有N型磷化铟缓冲层，所述磷化铟衬底底面制作有N面电极；
所述N型磷化铟缓冲层上制作有下光限制层和无源区，所述下光限制层和所述无源区相邻；
所述下光限制层上依次制作有多量子阱有源区、上光限制层和光栅层；
所述无源区的上表面和所述光栅层的上表面位于同一高度；
所述无源区和所述光栅层上制作有电接触层；
所述电接触层上制作有多模干涉反射镜、分布反馈激光器和电吸收调制器；
所述多模干涉反射镜和所述无源区长度相同，所述多模干涉反射镜和所述无源区位于同一端；
所述分布反馈激光器一侧为多模干涉反射镜，另一侧为电吸收调制器；
所述分布反馈激光器和所述电吸收调制器之间制作有一个电隔离沟；
所述光反射芯片靠近所述电吸收调制器一侧制作有增透膜。
(三)有益效果
本公开的分布反馈激光器与电吸收调制器的多量子阱有源区均在一次选区外延生长中完成，可以使得两个有源器件间能准确对准，避免出现光场泄露的情况，使芯片结构更加紧凑，性能更加稳定。
本公开采用对接耦合生长法(BJG)，先采用干法刻蚀结合湿法腐蚀的方法去除掉无源区的多量子阱有源区，再二次外延出无源区材料，可以避免对接界面鼓包或空洞的问题，形成良好的对接界面，提高芯片制作地成品率。
本公开采用多模干涉反射镜，可以使分布反馈激光器出射的激光在多模干涉反射镜的反射界面发生全反射，大大提高了反射率，并且避免了镀膜前所需的解理过程，使芯片能保留在衬底上，同时还能实现与后端光子器件的进一步集成，极大的提高了集成度。
本公开将电吸收调制器、分布反馈激光器与多模干涉反射镜单片集成器件芯片烧结在导电、散热性能良好的铜质热沉上，并从电吸收调制器和分布反馈激光器压焊上金丝，引出电极，可以方便加载上电压/电流信号。
本公开采用导电、散热性能良好的铜质热沉，热沉底面接地，这种烧结方式简单、可靠，对管芯无不良影响。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本公开一实施例提供的光发射芯片制作方法的流程示意图；
图2为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S101对应的结构示意图；
图3为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S102对应的结构示意图；
图4为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S103对应的结构示意图；
图5为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S104对应的结构示意图；
图6为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S105对应的结构示意图；
图7为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S106对应的结构示意图；
图8为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S107对应的结构示意图；
图9为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S108对应的结构示意图；
图10为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S109对应的结构示意图；
图11为本公开一实施例提供的光发射芯片的制作方法S110对应的结构示意图；
图12为本公开一实施例提供的光发射芯片的立体图；
图13为本公开一实施例提供的光发射芯片的俯视示意图。
附图标记说明
1 电吸收调制器 2 分布反馈激光器 3 多模干涉反射镜
10 磷化铟衬底 11 N型磷化铟缓冲层 12 下光限制层
13 多量子阱有源区 14 上光限制层 15 无源区
16 光栅层 17 电接触层 18 P面电极
19 N面电极 20 增透膜 21 铜质热沉
22 二氧化硅掩蔽层
具体实施方式
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开一实施例提供的光反射芯片制作方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S101、在磷化铟衬底10上依次生长N型磷化铟缓冲层11、下光限制层12、多量子阱有源区13、上光限制层14和二氧化硅掩蔽层22。
参见图2，选择一磷化铟衬底10，在磷化铟衬底10上外延一层N型磷化铟缓冲层11。
在本实施例中，N型磷化铟缓冲层11的厚度为500nm。
在该N型磷化铟缓冲层11上采用外延生长法依次生长下光限制层12、多量子阱有源区13和上光限制层14。
在本实施例中，上光限制层14和下光限制层12的材料均包括铟镓砷磷材料，上光限制层14和下光限制层12的厚度均为80nm，多量子阱有源区13的材料包括铟镓砷磷材料，多量子阱有源区13的厚度为100nm。
在上光限制层14上使用等离子体增强化学气相沉积法生长一层二氧化硅掩蔽层22。
S102、腐蚀掉S101中生成的多量子阱有源区13任意一端的预设面积的二氧化硅掩蔽层22、上光限制层14、多量子阱有源区13和下光限制层12，得到无源区15。
本实施例中腐蚀掉三分之一面积的二氧化硅掩蔽层22、上光限制层14、多量子阱有源区13和下光限制层12。
参见图3，用光刻胶作掩蔽，氢氟酸腐蚀掉多量子阱有源区13任意一端的多量子阱有源区13总面积的三分之一面积的二氧化硅掩蔽层22，定义出无源区15。
采用干法/湿法相结合的方式刻蚀掉无源区15处的上光限制层14、下光限制层12和多量子阱有源区13。
在本实施例中，无源区15的材料包括铟镓砷磷材料，无源区15的厚度为300nm。
S103、对无源区15进行二次外延，使无源区15的上表面与S101中生成的二氧化硅掩蔽层22的上表面位于同一高度。
采用金属有机化学气相沉积法二次外延出无源区15。
S104、在上光限制层14上靠近无源区15的一端制作预设长度的光栅，得到光栅层16。
参见图4和图5，在本实施例中，光栅的长度为上光限制层的二分之一，用氢氟酸腐蚀掉二次外延时生成的二氧化硅掩蔽层，然后在无源区15上用等离子体增强化学气相沉积法生长一层用作光栅掩模的二氧化硅。
在上光限制层14上靠近无源区15的一端制作光栅，得到光栅层16。
在本实施例中，光栅的周期为240nm。
S105、在光栅层16和无源区15上生长电接触层17。
参见图6，在光栅层16和无源区15上生长电接触层17。
腐蚀掉电接触层17中的铟镓砷材料。
S106、在电接触层17上刻蚀出与无源区15长度相同的多模干涉反射镜3。
参见图7，用二氧化硅作掩蔽，使用电感耦合等离子体刻蚀法在无源区15刻蚀出多模干涉反射镜3。
在本实施例中，多模干涉反射镜3的宽度为6μm，长度为38μm，多模干涉反射镜3一端为两个45°端面组成的全反射界面。
S107、在电接触层17上制作分布反馈激光器2和电吸收调制器1。
参见图8，在电接触层17上制作与多量子阱有源区13长度相同的P面电极18。
在P面电极18上沿宽度方向腐蚀出一条电隔离沟，该电隔离沟靠近所述多模干涉反射镜3的一侧为分布反馈激光器2，另一侧为电吸收调制器1。
S108、在磷化铟衬底10的底部蒸镀N面电极19。
参见图9，在磷化铟衬底10的底部蒸镀N面电极19。
S109、在靠近电吸收调制器1的一侧蒸镀增透膜20，得到管。
参见图10，在靠近电吸收调制器1的一侧蒸镀增透膜20，得到管芯，在本实施例中，所述增透膜20覆盖了电吸收调制器1、电接触层17、光栅层16、上光限制层14、多量子阱有源区13、下光限制层12、N型磷化铟缓冲层、磷化铟衬底和N面电极的侧面。
S110、将管芯烧结在铜质热沉21上，完成芯片的制作。
参见图11，将上述管芯烧结在铜质热沉21上，完成光发射芯片的制作。
铜质热沉21底面接地，铜质热沉21为导电、散热性能良好的铜质热沉。
本公开采用选区外延生长法(SAG)将分布反馈激光器2与电吸收调制器1在铟化磷衬底10上单片集成。分布反馈激光器2对应的多量子阱有源区与电吸收调制器1对应的的多量子阱有源区是在同一次选区外延生长中生成的，这样做可以使得分布反馈激光器2和电吸收调制器1之间能准确对准，尽可能地避免光场泄露的情况，使得芯片结构更加紧凑，性能更加稳定。
本公开采用对接耦合生长法(BJG)将多量子阱有源区13与无源区15在铟化磷衬底10上单片集成，有源区器件包括电吸收调制器1和分布反馈激光器2，无源区器件包括多模干涉反射镜3。对接耦合生长先采用干法刻蚀结合湿法腐蚀的方法去除掉无源区15的上光限制层14、多量子阱有源区13和下光限制层12，再二次外延出无源区材料。这样做可以尽可能地避免对接界面的鼓包或空洞问题，形成良好的对接界面，提高芯片制作地成品率。
本公开采用多模干涉反射镜3替代分布反馈激光器2远离电吸收调制器1的那一端的解理面，与电吸收调制器1靠近增透膜20那一端的解理面组成谐振腔面。采用多模干涉反射镜3的优势在于分布反馈激光器2出射的激光在多模干涉反射镜3的反射界面发生全反射，大大提高了反射率，并且避免了镀膜前所需的解理过程，使芯片能保留在衬底上，同时，通过引出输出波导还能实现与后端光子器件的进一步集成，极大的提高了集成度。
本公开将电吸收调制器1、分布反馈激光器2与多模干涉反射镜3单片集成器件芯片烧结在导电、散热性能良好的铜质热沉21上，并在电吸收调制器1和分布反馈激光器2上压焊金丝，引出电极，方便加载上电压或电流信号。集成芯片烧结示意图如图11所示。这种烧结方式简单、可靠，对管芯无不良影响。
另一方面，本公开还提供了一种光发射芯片，采用如上述的光发射芯片的制作方法制作而成，该芯片包括：
管芯和铜质热沉，管芯烧结在铜质热沉上；
管芯包括：
磷化铟衬底，磷化铟衬底上制作有N型磷化铟缓冲层，磷化铟衬底底面制作有N面电极；
N型磷化铟缓冲层上制作有下光限制层和无源区，下光限制层和无源区相邻；
下光限制层上依次制作有多量子阱有源区、上光限制层和光栅层；
无源区的上表面和光栅层的上表面位于同一高度；
无源区和光栅层上制作有电接触层；
电接触层上制作有多模干涉反射镜、分布反馈激光器和电吸收调制器；
多模干涉反射镜和无源区长度相同，多模干涉反射镜和无源区位于同一端；
分布反馈激光器一侧为多模干涉反射镜，另一侧为电吸收调制器；
分布反馈激光器和电吸收调制器之间制作有一个电隔离沟；
光反射芯片靠近电吸收调制器一侧制作有增透膜。
图12为本公开一实施例提供的光发射芯片的立体图，图13为本公开一实施例提供的光发射芯片的俯视示意图。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光发射芯片的制作方法，其特征在于，包括：
在磷化铟衬底上依次生长N型磷化铟缓冲层、下光限制层、多量子阱有源区、上光限制层和二氧化硅掩蔽层；
腐蚀掉所述磷化铟衬底上任意一端的预设面积的所述二氧化硅掩蔽层、上光限制层、多量子阱有源区和下光限制层，得到无源区；
对所述无源区进行二次外延，使所述无源区的上表面与所述二氧化硅掩蔽层的上表面位于同一高度；
在所述上光限制层上靠近所述无源区的一端制作预设长度的光栅，得到光栅层；
在所述光栅层和所述无源区上生长电接触层；
在所述电接触层上刻蚀出与所述无源区长度相同的多模干涉反射镜；
在所述电接触层上制作分布反馈激光器和电吸收调制器；
在所述磷化铟衬底的底部蒸镀N面电极；
在靠近所述电吸收调制器的一侧蒸镀增透膜，得到管芯；
将所述管芯烧结在铜质热沉上，完成所述光发射芯片的制作。
2.根据权利要求1所述的光发射芯片的制作方法，其特征在于，所述在所述电接触层上制作分布反馈激光器和电吸收调制器，具体包括：
在所述电接触层上制作与所述多量子阱有源区长度相同的P面电极；
在所述P面电极上沿宽度方向腐蚀出一条电隔离沟，靠近所述多模干涉反射镜的一侧为分布反馈激光器，另一侧为电吸收调制器。
3.根据权利要求1所述的光发射芯片的制作方法，其特征在于，所述在所述上光限制层上靠近所述无源区的一端制作预设长度的光栅之前还包括：
腐蚀掉所述二次外延时生成的二氧化硅掩蔽层；
在所述无源区上生长一层用作光栅掩模的二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的光发射芯片的制作方法，其特征在于，所述在所述光栅层和所述无源区上生长电接触层之前还包括：腐蚀掉制作所述用作光栅掩模的二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的光发射芯片的制作方法，其特征在于，所述在所述电接触层上刻蚀出与所述无源区长度相同的多模干涉反射镜之前还包括：腐蚀掉所述电接触层中的铟镓砷材料。
6.根据权利要求1所述的光发射芯片的制作方法，其特征在于，
所述上光限制层和所述下光限制层的材料均包括铟镓砷磷材料；
所述多量子阱有源区的材料包括铟镓砷磷材料；
所述无源区的材料包括铟镓砷磷材料。
7.根据权利要求1所述的光发射芯片的制作方法，其特征在于，所述光栅的周期为240nm。
8.根据权利要求1所述的光发射芯片的制作方法，其特征在于，所述多模干涉反射镜一端为两个45°端面组成的全反射界面。
9.根据权利要求1所述的光发射芯片的制作方法，其特征在于，所述铜质热沉底面接地。
10.一种光发射芯片，采用如权利要求1-9任一所述的光发射芯片的制作方法制作而成，其特征在于，包括：
管芯和铜质热沉，所述管芯烧结在所述铜质热沉上；
所述管芯包括：
磷化铟衬底，所述磷化铟衬底上制作有N型磷化铟缓冲层，所述磷化铟衬底底面制作有N面电极；
所述N型磷化铟缓冲层上制作有下光限制层和无源区，所述下光限制层和所述无源区相邻；
所述下光限制层上依次制作有多量子阱有源区、上光限制层和光栅层；
所述无源区的上表面和所述光栅层的上表面位于同一高度；
所述无源区和所述光栅层上制作有电接触层；
所述电接触层上制作有多模干涉反射镜、分布反馈激光器和电吸收调制器；
所述多模干涉反射镜和所述无源区长度相同，所述多模干涉反射镜和所述无源区位于同一端；
所述分布反馈激光器一侧为多模干涉反射镜，另一侧为电吸收调制器；
所述分布反馈激光器和所述电吸收调制器之间制作有一个电隔离沟；
所述光反射芯片靠近所述电吸收调制器一侧制作有增透膜。
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