CN114188823A - 无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法 - Google Patents

无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法 Download PDF

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Abstract

无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法，对基于InP衬底的量子点激光器内的量子点层叠区域，增设同由欧姆接触层覆盖的且与量子点层叠区域水平耦合的量子阱电吸收调制区。其为通过分子束外延或金属有机化学气相沉积制备的、采用对接生长方式将量子点分布反馈激光器和量子阱电吸收调制器进行集成生长成的电吸收调制激光器；该电吸收调制激光器将量子点激光器优异的抗反射及高温度稳定性的特点和量子阱电吸收调制器高调制速率的特性结合，实现在无光隔离器、无制冷条件下5‑75℃的稳定工作。制备方法的步骤清晰简单，易操作，制备的电吸收调制激光器效果好，性能稳定，可持续工作，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种激光器外延片的制备方法，具体涉及无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
半导体激光器是一种将电信号转化为光信号的电光转化器件，依据电信号调制方式的不同，又分为直接调制激光器（DML）和外调制激光器两种。直接调制是指在半导体激光器中直接注入附加高频电信号的电流实现对光信号的调制，外调制是利用马赫—曾德(Mach-Zehnder, MZ) 调制器或电吸收（Electro-absorption，EA）调制器对已输出的激光进行调制。激光器的直接调制方式最简单易行，但由于载流子与光子之间的张弛振荡，其最高调制速率受限，且调制速率增加时其啁啾显著增加，加大了光纤色散引起的信号畸变，限制了直接调制激光器在长距离光传输中的应用。同时，由于激光器增益介质的增益有限，以及高器件性能与高可靠性的失衡，单波50G及以上速率DML的研制与产业化变得十分困难。而使用分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）与电吸收调制器（Electro-absorption Modulator，EAM）进行单片集成所制备的电吸收调制激光器（Electro-absorption Modulated Laser，EML）以其在体积、色散、速率等方面的良好性能架构，在通信应用中受到广泛青睐。在EML中，DFB 激光器和EAM调制器两部分分开工作。在DFB激光器部分，通过有源区有效提供增益，同时借助光栅对激射波长的选择作用，从而保证激光器在较小的阈值电流下即可实现单模工作。在EAM调制器部分，利用量子阱材料在外加电场下的量子限制斯塔克效应（Quantum Confinement Stark Effect，QCSE）能够实现对激光器输出光的强度调制，进而使其在很小的反向偏压下即可实现较高的消光比。
虽然国内外EML的研究和产业化工作蓬勃开展，但EML激光器仍面临两个问题需要解决，一个是器件工作通常需要TEC制冷，这增加了器件成本和链路预算；另一个则是EAM和空气界面的光反射会干扰DFB谐振，这会易引起EML啁啾变大。
针对第一个问题，目前研究及商用EML器件主要采用磷化铟（InP）基量子阱材料作为有源层，由于量子阱是经典的一维结构，只在沿外延方向的维度上对载流子有量子限制效应，因此器件的特征温度相对较低，输出波长及功率随温度变化明显。为满足实际应用中工作温度范围内光输出不变的性能要求，需要增加TEC制冷器，这带来了额外的成本和功耗。
针对第二个问题，EML使用中的一个重大问题是在空气和半导体交界面的光反射问题，即从DFB区传播过来的光即使只有极小部分从EAM-空气界面反射回来，也会对EML芯片中DFB区的激光谐振产生扰动，引起EML信号的啁啾，这将显著降低高速光信号的传输距离。因此，需要在器件中引进光学隔离器来减少光反馈，这会增加器件的成本和复杂性。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法，对基于InP衬底A的量子点激光器内的量子点层叠区域，增设同由欧姆接触层覆盖的且与量子点层叠区域水平耦合的量子阱电吸收调制区。
上述量子点层叠包括依次叠覆的缓冲层B、下分别限制层C、若干量子点有源层D、上分别限制层E、光栅层F以及盖层G。
进一步的，上述缓冲层B的材料为磷化铟，下分别限制层C的材料为铟镓砷磷，量子点有源层D的材料为砷化铟/铟镓砷磷，上分别限制层E的材料为铟镓砷磷，光栅层F的材料为铟镓砷磷，以及盖层G的材料为磷化铟。
更进一步的，上述量子点有源层D的层数为1-30层；
所述量子点有源层D包括量子点层，及之上的第一盖层、第二盖层；
所述量子点层的材料为砷化铟，第一盖层、第二盖层的材料为铟镓砷磷。
上述光栅层F的光栅周期为150-400nm。
上述量子阱电吸收调制区包括基于InP衬底A依次叠覆的缓冲层H、下分别限制层I、若干量子阱/垒对J、上分别限制层K。
进一步的，上述缓冲层H的材料为磷化铟，下分别限制层I的材料为铟镓砷磷，量子阱/垒对J，上分别限制层K的材料为铟镓砷磷。
进一步的，上述量子阱/垒对J的厚度为4-20nm，量子阱/垒对J的数量为1-30对。
上述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在InP衬底A上进行量子点层叠的第一次外延生长；
S2、在完成第一次外延的基片上制备光栅结构；
S3、在带有光栅结构的基片上生长磷化铟盖层G，完成第二次外延生长；
S4、生长SiO2掩膜，而后光刻曝光对接区域并刻蚀SiO2掩膜及对接区域至InP衬底A；
S5、于对接区域生长量子阱电吸收调制区，完成第三次外延生长；
S6：去除SiO2掩膜，生长欧姆接触层，完成制备。
上述步骤S2中光栅结构的制备包括全息法、电子束曝光法及纳米压印法；步骤S4中对接区域的处理，包括干法刻蚀及湿法腐蚀方法。
上述的外延生长包括分子束外延法和金属有机化学沉积法。
本发明的有益之处在于：
本发明的无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片，为通过分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备的、采用对接生长方式将量子点分布反馈激光器和量子阱电吸收调制器进行集成生长成的电吸收调制激光器（EML）；该电吸收调制激光器（EML）将量子点激光器优异的抗反射以及高温度稳定性的特点和量子阱电吸收调制器高调制速率的特性结合起来，进而实现在无光隔离器、无制冷条件下5-75℃的稳定工作。
本发明的制备方法，步骤清晰简单，易操作，制备的电吸收调制激光器效果好，性能稳定，可持续工作，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为第一次外延生长的结构示意图。
图2为光栅制备完成后的结构示意图。
图3为第二次外延生长的结构示意图。
图4为对接区域处理后的结构示意图。
图5为第三次外延生长的结构示意图。
图6为欧姆接触层生长后的结构示意图。
图7为以本发明的外延片所制备芯片在无光隔离器无制冷条件下工作的光谱图。
附图中标记的含义如下：InP衬底A，缓冲层B，下分别限制层C，量子点有源层D（D1、D2、D3），量子点层(D11、D21、D31 )，第一盖层(D12、D22、D32)，第二盖层(D13、D23、D33)，上分别限制层E，光栅层F，盖层G（G1、G2），缓冲层H，下分别限制层I，量子阱/垒对J，上分别限制层K，磷化铟层L，姆接触层M。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片，由InP衬底A、量子点层叠、量子阱层叠和覆盖的欧姆接触层组成；量子点层叠和量子阱层叠在InP衬底A上水平耦合，构成耦合的量子点层叠区域和量子阱电吸收调制区，并同由欧姆接触层覆盖。
量子点层叠由依次叠覆的磷化铟缓冲层B、铟镓砷磷下分别限制层C、若干层砷化铟/铟镓砷磷量子点有源层D、铟镓砷磷上分别限制层E、铟镓砷磷光栅层F以及磷化铟盖层G组成。
其中，量子点有源层（D）由砷化铟量子点层，及之上的铟镓砷磷第一盖层、铟镓砷磷第二盖层组成；量子点有源层D的层数优选为1-30层；光栅层F的光栅周期为150-400nm。
量子阱电吸收调制区由依次叠覆的磷化铟缓冲层H、铟镓砷磷下分别限制层I、若干量子阱/垒对J、铟镓砷磷上分别限制层K组成。
其中，量子阱/垒对J的厚度优选为4-20nm，量子阱/垒对J的数量优选为1-30对。
实施例：
无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、选择InP衬底A：该衬底为n＋型磷化铟单晶片，晶向为（100），掺杂元素Si，掺杂浓度为（1-3）×1018cm-3。
步骤2、在InP衬底A上进行量子点层叠的第一次外延生长；外延生长的方法包括分子束外延法和金属有机化学沉积法。
第一次生长的结构依次为磷化铟缓冲层B、铟镓砷磷下分别限制层C、砷化铟/铟镓砷磷量子点有源层、铟镓砷磷上分别限制层E、铟镓砷磷光栅层F以及磷化铟盖层G1，结构如图1所示。
其中，磷化铟缓冲层（B）的厚度为500nm；
铟镓砷磷下分别限制层（C）的厚度为200nm；
砷化铟/铟镓砷磷量子点有源层（D），包括材料为砷化铟的量子点层和材料为铟镓砷磷的盖层。其采用两温两步盖层法生长，即每层量子点有源层中包含三层结构，分别为砷化铟量子点层，以及铟镓砷磷第一盖层和铟镓砷磷第二盖层。在本实施例中量子点有源层的层数为3层（D1、D2、D3），其中，砷化铟量子点层 (D11、D21、D31 )的沉积厚度均为1.5ML，铟镓砷磷第一盖层(D12、D22、D32)的厚度均为8nm，铟镓砷磷第二盖层(D13、D23、D33)的厚度均为35nm；
上分别限制层（E）的材料为，厚度为100nm；
光栅层（F）的材料为，厚度为40nm；
盖层（G1）的材料为磷化铟，厚度为20nm。
步骤3、在完成第一次外延的基片上，用全息曝光法在外延片上进行全息曝光，用ICP进行光栅干法刻蚀，刻蚀深度为70nm，而后用氧等离子进行去胶，结构如图2所示。
步骤4、清洗外延片后进行二次外延生长，生长材料为磷化铟盖层G2，生长厚度为100nm，结构如图3所示。
于本实施例的制备方法中，磷化铟盖层G细分为磷化铟盖层G1和磷化铟盖层G2分别在步骤2和步骤4中制备。
步骤5、用PECVD生长SiO2掩膜，而后光刻曝光对接区域并用ICP干法刻蚀SiO2掩膜，氧等离子体去除光刻胶后用湿法腐蚀方法腐蚀对接区域至InP衬底A，结构如图4所示。
步骤6、于对接区域生长量子阱层叠，构成量子阱电吸收调制区，完成第三次外延生长。
所生长量子阱电吸收调制区从下到上依次为磷化铟缓冲层H、铟镓砷磷下分别限制层I、若干量子阱/垒对J、铟镓砷磷上分别限制层K；结构如图5所示。
其中，磷化铟缓冲层H的厚度为300nm；
铟镓砷磷下分别限制层I的厚度为320nm；
量子阱/垒对J包括量子阱和量子垒；其中，量子阱的厚度为6nm，量子垒的厚度为10nm，量子阱/垒对J的数量为10对；
铟镓砷磷上分别限制层K的厚度为320nm。
步骤7、HF去除SiO2掩膜，清洗外延片后进行第四次外延生长，即厚度为200nm的掺杂磷化铟层L及厚度为200nm的铟镓砷欧姆接触层（M）的生长；结构如图6所示。
其中，磷化铟层L及铟镓砷欧姆接触层（M）的掺杂元素均为Zn元素，磷化铟层L掺杂浓度为5×1017，铟镓砷欧姆接触层（M）的掺杂浓度为2×1019。
性能检测：
如图7所示，为无制冷条件下用InP基量子点/量子阱耦合高速电吸收调制激光器外延片所制备芯片在无光隔离器，无制冷，DFB端驱动电流为190mA，EA端偏置电压为0V条件下5-77℃工作的光谱图。
从上图可知，由InP基量子点/量子阱耦合高速电吸收调制激光器外延片所制备的芯片在无光隔离器、无制冷条件下能够正常工作，器件边模抑制比在35dB左右。由于具有三维限制载流子运动的能力，因此半导体量子点激光器相比于一维受限的量子阱激光器具有更好的温度稳定性、更小的频率啁啾效应和更好的抗反射特性等优越性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法，其特征在于，对基于InP衬底（A）的量子点激光器内的量子点层叠区域，增设同由欧姆接触层覆盖的且与量子点层叠区域水平耦合的量子阱电吸收调制区。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述量子点层叠包括依次叠覆的缓冲层（B）、下分别限制层（C）、若干量子点有源层（D）、上分别限制层（E）、光栅层（F）以及盖层（G）。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲层（B）的材料为磷化铟，下分别限制层（C）的材料为铟镓砷磷，量子点有源层（D）的材料为砷化铟/铟镓砷磷，上分别限制层（E）的材料为铟镓砷磷，光栅层（F）的材料为铟镓砷磷，以及盖层（G）的材料为磷化铟。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述量子点有源层（D）的层数为1-30层；
所述量子点有源层（D）包括量子点层，及之上的第一盖层、第二盖层；
所述量子点层的材料为砷化铟，第一盖层、第二盖层的材料为铟镓砷磷。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述光栅层（F）的光栅周期为150-400nm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述量子阱电吸收调制区包括基于InP衬底（A）依次叠覆的缓冲层（H）、下分别限制层（I）、若干量子阱/垒对（J）、上分别限制层（K）。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲层（H）的材料为磷化铟，下分别限制层（I）的材料为铟镓砷磷，量子阱/垒对（J），上分别限制层（K）的材料为铟镓砷磷。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述量子阱/垒对（J）的厚度为4-20nm，量子阱/垒对（J）的数量为1-30对。
9.根据权利要求1-8任一所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在InP衬底（A）上进行量子点层叠的第一次外延生长；
S2、在完成第一次外延的基片上制备光栅结构；
S3、在带有光栅结构的基片上生长磷化铟盖层（G），完成第二次外延生长；
S4、生长SiO2掩膜，而后光刻曝光对接区域并刻蚀SiO2掩膜及对接区域至InP衬底（A）；
S5、于对接区域生长量子阱电吸收调制区，完成第三次外延生长；
S6：去除SiO2掩膜，生长欧姆接触层，完成制备。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中光栅结构的制备包括全息法、电子束曝光法及纳米压印法；步骤S4中对接区域的处理，包括干法刻蚀及湿法腐蚀方法。
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