CN114966973A - 一种InP/InGaAsP模斑转换器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属半导体光电子技术领域，具体涉及一种InP/InGaAsP模斑转换器及其制作方法，包括在InP衬底上形成InP缓冲层，在InP缓冲层上形成由InGaAsP与InP外延层构成的引导层，在引导层上形成InP上转换层，在上转换层上依次形成InGaAsP波导层和InP帽层，在上述外延材料的模斑转换器区域上转换层InP材料、InGaAsP波导层和InP帽层上设置不同倾斜角的斜面，其斜面的总倾斜角度小于1.5°；本发明利用模斑转换器增加深脊波导的耦合端面面积，提高与光纤耦合模式尺寸，提升深脊波导的光耦合效率，减少所需耦合对准元器件数量，降低耦合工艺难度。
Description
技术领域
本发明属半导体光电子技术领域，具体涉及一种InP/InGaAsP模斑转换器及其制作方法。
背景技术
光电子器件集成化不断发展，其中InP材料体系因其具有制备光源、探测器、调制器及波导等基础光电子器件的优点，在光电子集成领域得到了广泛关注。InP材料体系构建的光波导为强引导波导，本征光的分布比较紧凑，波导的尺寸为微米或亚微米量级，而且一般为对称度较小的长方型，其本征模场为椭圆分布。而与之耦合的单模光纤模场直径一般约为10μm，其本征模场为对称圆分布，因光纤与波导两者之间的模场匹配度很差，导致较大的模场失配损耗，降低光纤与波导的耦合效率，增加耦合对准工艺难度。
为提高光纤与InP材料体系构建的波导间的耦合效率及工艺容差，人们提出两类方法，第一类是采用微透镜、楔形/拉锥光纤等方法改变模斑尺寸，这种方式具有系统简单、耦合效率高、制作简单的优点，但其耦合工艺对准容差小，封装难度大；第二类是采用混合集成模斑转换模块，匹配光纤与InP材料体系构建的波导的本征模场，但是混合集成的工艺方式降低了耦合工艺效率，不利于实现批产化生产。
发明内容
针对光纤与InP材料体系构建的波导的耦合问题，本发明提出了一种InP/InGaAsP模斑转换器及其制作方法，发明了一种与深脊波导单片集成的模斑转换器(Spot-Size-Converter，以下简称模斑转换器为SSC)。模斑转换器在耦合端面的厚度Y和宽度X两个方向同时扩展，提高与光纤的耦合尺寸，实现模场匹配。在模斑转换器长度Z方向，在一定范围的长度内逐渐变小至波导尺寸，形成锥形结构，实现模斑转换器内模场的绝缘转换。与深脊波导集成的模斑转化器，既可以提高光纤和波导之间的耦合效率，又可以提高工艺对准容差，降低耦合工艺的难度，提高耦合工艺效率。
在第一方面，本发明提出的一种InP/InGaAsP模斑转换器，包括：
InP衬底、组分相同的模斑转换器和深脊波导，在InP衬底上形成模斑转换器和深脊波导，模斑转换器与深脊波导集成，模斑转换器和深脊波导的组分包括在InP衬底上形成InP缓冲层，在InP缓冲层上形成由InGaAsP外延层与InP外延层构成的引导层，在引导层上形成InP上转换层，在InP上转换层上依次形成InGaAsP波导层和InP帽层，在模斑转换器的InP上转换层、InGaAsP波导层和InP帽层上设置不同倾斜角的斜面，所有斜面的总倾斜角度小于1.5°。
进一步的，一个InGaAsP外延层和一个InP外延层组成一个周期的InGaAsP/InP外延层，采用3-10个周期的InGaAsP/InP外延层构成模斑转换器的引导层，用于拓展模斑转换器耦合端面的厚度，其中，InGaAsP层的厚度为50nm～300nm，InP层的厚度为300nm～800nm。
进一步的，InGaAsP波导层和引导层的InGaAsP外延层均采用组分渐变的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)四元合金材料，其中，在引导层的InGaAsP外延层材料中，Ga原子配比的范围是x＝0.15～0.45，As原子配比的范围是y＝0.2～1；在外延材料的InGaAsP波导层材料中，Ga原子配比的范围是x＝0.2～0.45，As原子配比的范围是y＝0.4～1。
进一步的，因选用的Ga原子、As原子配比不同，外延材料中的中InGaAsP波导层材料的折射率需大于引导层中InGaAsP外延层材料的折射率。
进一步的，InP缓冲层的厚度为0.3μm～1μm；InP上转换层的厚度为0.3μm～1μm；InGaAsP波导层的厚度为0.3μm～1μm；InP帽层的厚度为0.3μm～1μm。
进一步的，模斑转换器的耦合端面的厚度为3μm～8μm，宽度为3μm～8μm，且耦合端面的截面宽度尺寸沿Z方向逐渐缩小，缩小到与深脊波导相同，模斑转换器的长度为200μm～1000μm。
在第二方面，基于第一方面提出了一种InP/InGaAsP模斑转换器的制作方法，包括：
S1.制作外延材料，即在InP衬底上依次外延生长InP缓冲层、多周期InGaAsP/InP外延层构成的引导层、InP上转换层、InGaAsP波导层以及InP帽层；
S2.制作斜面，即在S1制作的外延材料上涂覆光刻胶形成光刻胶膜，采用灰度光刻板或移动曝光技术将设计的斜面波导版图图形转移至光刻胶膜上，得到光刻胶膜的斜面图形，通过刻蚀技术将光刻胶膜的斜面图形转移到外延材料上形成斜面；
S3.制作波导，即在S2制作有斜面的外延材料上沉积介质膜或金属膜作为刻蚀掩膜，通过光刻技术将设计的模斑转换器和深脊波导图形转移到刻蚀掩膜上，采用刻蚀技术将刻蚀掩膜上的图形再次转移至制作的外延材料上，形成模斑转换器和深脊波导；
S4.波导钝化，即采用介质膜对步骤S3制作的模斑转换器和深脊波导进行钝化；
S5.耦合端面增透膜生长，即采用端面镀膜对解理后模斑转换器的耦合端面进行增透膜生长。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种InP/InGaAsP模斑转换器及其制作方法，利用模斑转换器增加深脊波导的耦合端面面积，提高与光纤耦合模式尺寸，提升深脊波导的光耦合效率。利用模斑转换器与深脊波导单片集成，相对混合集成模斑转换模块，能降低器件的总体尺寸，有利于提高光子集成的密度，减少所需耦合对准元器件数量，降低耦合工艺难度。此外，使得对准工艺的精度更高，耦合端面更少，降低耦合对准损耗和端面菲涅尔反射损耗，提高耦合效率。
本发明采用InGaAsP材料作为深脊波导的波导层及引导层的外延层材料，有利于实现与InP衬底的晶格匹配，实现单片集成，同时有利于通过变换材料组分，调节InGaAsP的光学折射率，满足不同工作波长的波导设计需求，本发明采用MOCVD或MBE等外延工艺生长设计InGaAsP材料，这样能够满足外延结构的掺杂、组分、厚度等设计精度要求，获得高质量外延结构。
附图说明
图1为本发明的InP基集成模斑转换器示意图；
图2为InGaAsP组分与折射率间的关系图；
图3为本发明一实施例的工艺流程图；
图4为本发明一实施例的外延结构图；
1-InP衬底，2-InP缓冲层，3-引导层的InGaAsP外延层，4-引导层的InP外延层，5-InP上转换层，6-InGaAsP波导层，7-InP帽层，8-耦合光纤光斑，9-耦合端面，10-模斑转换器，11-深脊波导。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出的一种InP/InGaAsP模斑转换器，如图1所示，包括：
在InP衬底上形成InP缓冲层，在InP缓冲层上形成由InGaAsP外延层与InP外延层构成的引导层，在引导层上形成InP上转换层，在InP上转换层上依次形成InGaAsP波导层和InP帽层，在上述外延材料的模斑转换器区域的InP上转换层、InGaAsP波导层和InP帽层上设置不同倾斜角的斜面，统称为斜面，斜面的总倾斜角度小于1.5°。
具体地，利用InP/InGaAsP模斑转换器，拓展深脊波导的宽度和厚度尺寸，与光纤入射光模场匹配。如图1所示，模斑转换器在厚度(图1示Y轴方向)上，由InGaAsP外延层3和InP外延层4多周期形成的引导层，在Y轴方向上增加模斑转换器的耦合端面8的尺寸，实现与光纤模场尺寸匹配；在耦合端面8的宽度(图1示X轴)方向上，模斑转换器的宽度沿波导方向(图1所示的Z轴方向)逐渐缩小，缩小到与深脊波导的宽度相同，实现与深脊波导单片集成。耦合至模斑转换器中的入射光在传输过程中，因模斑转换器的斜面设计，实现入射光场经InP上转换层5向深脊波导的InGaAsP波导层6耦合；因模斑转换器锥形渐变，实现入射光模式绝热、近无损耗的耦合至深脊波导，以实现入射光场的模斑转换。
优选地，采用与InP衬底晶格匹配、折射率随组分渐变可调的材料是模斑转换器设计的核心之一。为满足深脊波导、模斑转换器对不同折射率的需求，本实施例选用原子配比组分渐变的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)四元合金材料(文中简称为InGaAsP)，图2为InGaAsP材料折射率与材料的原子组分间的理论关系曲线。InGaAsP材料的禁带宽度也随材料的原子组分改变而改变，但需要控制InGaAsP材料中原子配比组分，使模斑转换器的工作光子能量大于InGaAsP材料的禁带宽度，以满足波导低吸收损耗的要求。综合上述，选用Ga原子配比范围为x＝0.15～0.45和As原子配比范围为y＝0.2～1的InGaAsP材料作为引导层的InGaAsP外延层材料；选用Ga原子配比范围为x＝0.2～0.45和As原子配比范围为y＝0.4～1的InGaAsP材料作为InGaAsP波导层材料，同时，始终保持InGaAsP波导层材料的折射率大于引导层中InGaAsP外延层材料的折射率。
优选地，模斑转换器的结构主要是约束Y轴方向上的光场，以及实现入射光由引导层向深脊波导转换。如图1所示，在InP衬底上通过刻蚀去除X方向多余的外延材料，形成模斑转换器，实现入射光在X方向上的约束。结合耦合光纤的模场尺寸，将模斑转换器的耦合端面的宽度设计为3μm～8μm，长度设计为200μm～500μm，刻蚀的斜面总倾斜角度小于1.5°。
在一实施例中，若采用单模光纤(SMF)，其芯径为8.6μm，且形成的高斯模分布模场直径约为10μm，则需要采用周期性InGaAsP/InP材料，形成厚度约为10μm的引导层以实现Y方向上的模场匹配。
具体地，考虑到外延生长工艺的技术难点及工艺成本，采用市面上常规的拉锥光纤、透镜光纤，可减小光纤端的模场直径，从而减少模斑转换器中InGaAsP/InP的周期数。在模斑转换器的斜面位置，入射到模斑转换器中的光，由InP上转换层向深脊波导转换，完成光场转换。
具体地，模斑转换器外延结构中，InP缓冲层的厚度通常为0.3μm～1μm，非掺杂；依据选用的耦合光纤，模斑转换器外延结构中引导层的InGaAsP/InP周期数通常选用3～10个周期，周期中InGaAsP的厚度为50nm～300nm、InP的厚度为300nm～800nm；InP上转换层为非掺结构，厚度为0.3μm～1μm；InGaAsP波导层为非掺结构，厚度为0.3μm～1μm；InP帽层为非掺结构，厚度为0.3μm～1μm。
本发明提供的一种InP/InGaAsP模斑转换器的制备方法，包括：
S1.制作外延材料，即在InP衬底上外延生长InP缓冲层、多周期结构InGaAsP和InP构成的引导层、InP上转换层、InGaAsP波导层以及InP帽层；
S2.制作斜面，即在外延材料上涂覆光刻胶形成光刻胶膜，采用灰度掩膜光刻技术或移动曝光技术将设计的斜面图形转移至光刻胶膜上，得到斜面图形，通过刻蚀技术将斜面图形转移到外延材料上形成斜面；
具体地，采用灰度掩膜光刻技术或移动曝光技术，不仅能形成平面图形，还可以在平面图形上的不同位置上形成不同深度曝光，实现三维曝光，有利于在模斑转换器上形成设计的斜面，提高光由引导层向深脊波导层的转换效率。
S3.制作波导，即在形成斜面的外延材料上沉积介质膜或金属膜作为刻蚀掩膜，通过光刻技术将所需的波导设计的模斑转换器和深脊波导图形转移到刻蚀掩膜上，采用刻蚀技术将刻蚀掩膜上的图形再次转移至制作的外延材料上，形成波导图形模斑转换器和深脊波导；
具体地，采用介质膜或金属膜作为刻蚀掩膜，刻蚀等离子体对掩膜与材料的刻蚀选择比较高，有利于提高波导的刻蚀精度。
S4.波导钝化，即采用介质膜对步骤S3制作的模斑转换器和深脊波导进行钝化；
S5.耦合端面增透膜生长，即采用端面镀膜对解理后模斑转换器的耦合端面进行增透膜生长。
具体地，采用二氧化硅、氮化硅等复合介质膜作为钝化层，阻挡外界离子、水、颗粒等杂质对波导的损伤，提高器件的可靠性。
在一实施例中，以InP基集成模斑转换器作为实施例对本发明作进一步说明，利用图4所示的InP基结构外延片：半绝缘型InP衬底；非掺型InP缓冲层，其生长厚度为0.3um，掺杂浓度不大于5×1014cm-3；三个InGaAsP/InP周期的引导层，InP外延层的厚度为0.5μm，InGaAsP外延层的截止波长为1.06μm(x＝0.458；y＝0.263)，厚度为0.2μm，掺杂浓度不大于5×1014cm-3；InP上转换层的厚度为0.4μm，掺杂浓度不大于5×1014cm-3；InGaAsP波导层的截止波长为1.15μm(x＝0.460；y＝0.406)，厚度为0.2μm，掺杂浓度不大于5×1014cm-3；InP帽层的厚度为1.5μm。
具体地，如图3所示，制备InP基集成模斑转换器过程如下：
S11.在上述外延材料上涂覆光刻胶，形成光刻胶膜；
S12.采用灰度光刻技术，将设计的斜面波导版图图形，转移至S11中形成的光刻胶膜上形成三维光刻胶图形；；
S13.采用刻蚀技术，将S12制作的三维光刻胶图形等比例转移到外延材料上，完成斜面的制作；
S14.采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长SiNx/SiO2/SiNx复合介质膜作为刻蚀掩膜，刻蚀掩膜厚度为2.5μm；
S15.重复S11中的步骤，在制作有斜面的外延材料上涂覆光刻胶，形成光刻胶膜；
S16.采用投影式光刻技术，将设计的模斑转换器版图图形转移至光刻胶膜上，为了满足图形设计精度要求，控制光刻胶膜的厚度控制在0.2至0.5μm之间；
S17.采用介质膜刻蚀技术，将S16光刻胶膜上的模斑转换器图形，高精度的转移至S14制备的刻蚀掩膜上；
S18.采用InP材料刻蚀技术，将S17刻蚀掩膜上的模斑转换器图形转移至外延材料，为控制模斑转换器图形的制作精度，需要实时监控刻蚀深度，以保证侧向图形的精度；
S19.采用PECVD工艺在S18完成的模斑转换器上生长介质膜，保护模斑转换器波导材料；
S20.采用解理工艺，，将外延材料上制作的模斑转换器解理为单列，裸露模斑转换器耦合端面；
S21.采用端面镀膜工艺，在裸露的模斑转换器耦合端面上沉积增透膜；
S22.采用解理工艺，将模斑转换器单列解理为单片集成模板转换器。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种InP/InGaAsP模斑转换器，其特征在于，包括：InP衬底、组分相同的模斑转换器和深脊波导，模斑转换器和深脊波导的组分包括InP缓冲层，在InP缓冲层上形成由InGaAsP外延层与InP外延层构成的引导层，在引导层上形成InP上转换层，在上转换层上依次形成InGaAsP波导层和InP帽层，在模斑转换器的InP上转换层、InGaAsP波导层和InP帽层上设置不同倾斜角的斜面，所有斜面的总倾斜角度小于1.5°。
2.根据权利要求1所述的一种InP/InGaAsP模斑转换器，其特征在于，一个InGaAsP外延层和一个InP外延层组成一个周期的InGaAsP/InP外延层，采用3-10个周期的InGaAsP/InP外延层构成模斑转换器的引导层，其中，InGaAsP外延层的厚度为50nm～300nm，InP外延层的厚度为300nm～800nm。
3.根据权利要求1所述的一种InP/InGaAsP模斑转换器，其特征在于，InGaAsP波导层和引导层的InGaAsP外延层均采用组分渐变的In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)四元合金材料。
4.根据权利要求3所述的一种InP/InGaAsP模斑转换器，其特征在于，在引导层的InGaAsP外延层材料中，Ga原子配比的范围是x＝0.15～0.45，As原子配比的范围是y＝0.2～1；在InGaAsP波导层材料中，Ga原子配比的范围是x＝0.2～0.45，As原子配比的范围是y＝0.4～1。
5.根据权利要求4所述的一种InP/InGaAsP模斑转换器，其特征在于，InGaAsP波导层材料的折射率大于引导层中InGaAsP外延层材料的折射率。
6.根据权利要求1所述的一种InP/InGaAsP模斑转换器，其特征在于，InP缓冲层的厚度为0.3μm～1μm；InP上转换层的厚度为0.3μm～1μm；InGaAsP波导层的厚度为0.3μm～1μm；InP帽层的厚度为0.3μm～1μm。
7.根据权利要求1所述的一种InP/InGaAsP模斑转换器，其特征在于，模斑转换器的耦合端面的厚度为3μm～8μm，宽度为3μm～8μm，模斑转换器的长度为200μm～1000μm。
8.一种InP/InGaAsP模斑转换器的制作方法，其特征在于，包括：
S1.制作外延材料，在InP衬底上依次外延生长InP缓冲层、引导层、InP上转换层、InGaAsP波导层和InP帽层；
S2.制作斜面，在S1制作的外延材料上形成光刻胶膜，将设计的斜面图形转移至光刻胶膜上得到斜面图形，通过刻蚀技术将斜面图形转移至外延材料形成斜面；
S3.制作波导，在S2制作有斜面的外延材料上沉积介质膜或金属膜作为刻蚀掩膜，通过光刻技术将设计的模斑转换器和深脊波导图形转移到刻蚀掩膜上，采用刻蚀技术将刻蚀掩膜上的图形再次转移至制作的外延材料上，形成模斑转换器和深脊波导；
S4.波导钝化，采用介质膜对步骤S3制作的模斑转换器和深脊波导进行钝化；
S5.耦合端面增透膜生长，采用端面镀膜对解理后模斑转换器的耦合端面进行增透膜生长。
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