CN115275768A - 高速电吸收调制激光器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高速电吸收调制激光器芯片及其制备方法，采用对接生长方案，分别设计DFB激光器LD和电吸收调制器EAM的结构，先在衬底上生长LD的结构，然后通过光刻制作保护LD区域的掩膜，经过干法刻蚀和湿法腐蚀，将掩膜以外的LD结构去掉，接着进行第二次外延生长，生长EAM结构，由于掩膜上不会生长材料，使得EAM只在掩膜以外的区域生长，得到分别独立生长的LD和EAM，以分别优化LD的出光效率和EAM的吸收性能。

Description

高速电吸收调制激光器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及光通信、电吸收调制激光器技术领域，尤其涉及一种对接生长的高速电吸收调制激光器芯片及其制备方法。
背景技术
如说明书附图11所示，电吸收调制激光器（EML）为电吸收调制器（EAM）与DFB激光器（LD）的集成器件，是由利用量子限制 Stark 效应（QCSE）工作的电吸收调制器和利用内光栅耦合确定波长的 DFB 激光器集成的体积小、波长啁啾低的高性能光通信用光源，为当前高速光纤传输网中信息传输载体的通用理想光源。在接入网方面有大量的应用，如在城域网和局域网中作光纤传输的信号光发射源，在相控阵雷达基站内作电-光信号转换兼远程传输的光源等。
相比直接调制的激光器(DML)，EML的传输特性和传输效果要更好，尤其在高频调制或长距离传输时更是如此。现用于LD和EAM集成的方案有：同源层方案（identicallayer）、选择性区域生长方案（selective area growth）等。
同源层方案（identical layer）EML激光器是通过一次外延生长，同时生长LD和EAM的结构，通过调整LD的波长失谐，使EAM的吸收满足应用要求，但是无法单独对LD和EAM的结构进行优化，无法兼顾LD的出光效率和EAM的消光比（ER）。另外应用选择性区域生长方案（selective area growth）是通过设计掩膜，使得在掩膜之间的区域外延沉积速率不同，得到不同生长厚度的结构，可以生长和LD结构不同的EAM，虽然可以单独优化EAM结构，但是SAG技术对外延生长设备和工艺要求更高。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种高速电吸收调制激光器芯片及其制备方法。采用对接生长（Butt-joint）方案，分别设计DFB激光器LD和电吸收调制器EAM的结构，先在衬底上生长LD的结构，然后通过光刻制作保护LD区域的掩膜，经过干法刻蚀和湿法腐蚀，将掩膜以外的LD结构去掉，接着进行第二次外延生长，生长EAM结构，由于掩膜上不会生长材料，使得EAM只在掩膜以外的区域生长，这样就得到分别独立生长的LD和EAM，以分别优化LD的出光效率和EAM的吸收性能，能得到更高速率的EML。
本发明具体采用以下技术方案：
一种高速电吸收调制激光器芯片，其特征在于：包括衬底、在衬底上的buffer层、DFB激光器LD和电吸收调制器EAM对接的有源区，其中，EAM有源区比LD有源区厚，且LD和EAM的有源区中心对准，LD区域存在光栅层，EAM区域没有光栅层并采用InP填充，所述光栅层上覆盖有上包层，之后是接触层、P面金属电极，在LD和EAM交界设置有隔离区，在衬底底部设置N面金属电极。
一种高速电吸收调制激光器芯片的制备方法，其特征在于：采用对接生长方案，分别设计DFB激光器LD和电吸收调制器EAM的结构，先在衬底上生长LD的结构，然后通过光刻制作保护LD区域的掩膜，经过干法刻蚀和湿法腐蚀，将掩膜以外的LD结构去掉，接着进行第二次外延生长，生长EAM结构，由于掩膜上不会生长材料，使得EAM只在掩膜以外的区域生长，得到分别独立生长的LD和EAM，以分别优化LD的出光效率和EAM的吸收性能。
一种高速电吸收调制激光器芯片的制备方法，其特征在于：
步骤一：在InP衬底上通过MOCVD设备依次生长buffer层、LD有源区和光栅层，生长完成后通过光栅光刻、显影工艺制作光栅掩膜，然后通过含Br2的腐蚀溶液腐蚀形成给定占空比的布拉格光栅，清洗后再通过MOCVD设备生长InP层进行保护；
步骤二：在完成步骤一的wafer上通过PECVD生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀，制作特定的掩膜图形，掩膜图形为梯形；
步骤三：制作好掩膜图形的wafer，通过ICP干法刻蚀工艺，将掩膜以外区域上的InP层、光栅层和有源区去掉，之后先通过各向异性的H2SO4:H2O2:H2O溶液控制掩膜底部的横向腐蚀量，控制溶液温度在23±2℃，再通过各向同性的HBr:H2O2:H2O溶液将表面腐蚀平滑，最后通过H2SO4:H2O2:H2O溶液将表面氧化的有源区清洗掉，在60min之内放入MOCVD设备内，保护对接端面不被氧化；之后通过MOCVD生长EA区域的buffer层、有源区和上包层；
步骤四：完成步骤三后，使用BOE去掉表面的SiO2掩膜，再放入MOCVD设备内，生长高掺杂的InP层和InGaAs接触层；
步骤五：完成以上步骤后就开始芯片流片，使用PECVD生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀制作SIO2掩膜图形，然后再通过含Br2溶液、HCL:H3PO4溶液腐蚀完成脊型波导；然后在LD和EA的对接区域做隔离，防止LD和EA区域电流导通互相影响；之后制作和InGaAs接触层形成欧姆接触的P面电极层，将衬底背面进行研磨减薄；在背面镀上N面电极层，之后将wafer进行切割成bar条，对bar条两端进行光学镀膜，最后将bar条解离成单颗chip，完成全部工序。
进一步地，在步骤二中，所述梯形的上底L1长为446.49um，下底L2长为453.51um，高H为50um，斜边与垂直方向呈8°夹角，面积为22500um2。
进一步地，在步骤五中，将衬底背面进行研磨减薄，最终厚度保留110±10um。
根据测试结果，相比于现有技术，本发明及其优选方案获得了更好的LD的出光效率和EAM的吸收性能，以及更高的速率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例高速电吸收调制激光器示意图；
图2 为本发明实施例完成步骤一后的示意图；
图3为本发明实施例步骤二掩膜图案示意图；
图4为本发明实施例步骤三MOCVD生长前的示意图；
图5为本发明实施例完成步骤三后的示意图；
图6为本发明实施例完成步骤四后的示意图；
图7为本发明实施例步骤五完成隔离区后的示意图；
图8 为本发明实施例高速电吸收调制激光器激光器PIV测试曲线图；
图9 为本发明实施例高速电吸收调制激光器激光器ER测试曲线图；
图10 为本发明实施例高速电吸收调制激光器激光器小信号调制带宽曲线图；
图11为EML激光器工作原理示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
为了得到更高功率、更高速率的电吸收调制激光器，需要分别对LD和EAM的结构进行优化，本实施例提供了一种对接生长的高速电吸收调制激光器及其制备方法，详细技术方案如下：
如图1所示，本发明首先提供一种对接生长的高速电吸收调制激光器的结构设计，包括衬底、在衬底上的buffer层、LD和EAM对接的有源区，EAM有源区比LD有源区厚，且LD和EAM的有源区中心对准，LD区域存在光栅层，EAM区域没有光栅层并采用InP填充，所述光栅层上覆盖有上包层，之后是接触层、P面金属电极，在LD和EAM交界设置有隔离区，在衬底底部设置N面金属电极。
如图2-图7所示，其制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：在InP衬底上通过MOCVD设备依次生长buffer层、LD有源区和光栅层，生长完成后通过光栅光刻、显影工艺制作光栅掩膜，然后通过含Br2的腐蚀溶液腐蚀形成给定占空比的布拉格光栅，清洗后再通过MOCVD设备生长InP层进行保护；
步骤二：在完成步骤一的wafer上通过PECVD生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀，制作特定的掩膜图形，掩膜图形为梯形，上底L1长为446.49um，下底L2长为453.51um，高H为50um，斜边与垂直方向呈8°夹角，面积为22500um2；
步骤三：制作好掩膜图形的wafer，通过ICP干法刻蚀工艺，将掩膜以外区域上的InP层、光栅层和有源区去掉，之后先通过各向异性的H2SO4:H2O2:H2O溶液控制掩膜底部的横向腐蚀量，需要控制溶液温度在23±2℃，再通过各向同性的HBr:H2O2:H2O溶液将表面腐蚀平滑，最后通过H2SO4:H2O2:H2O溶液将表面氧化的有源区清洗掉，在60min之内放入MOCVD设备内，保护对接端面不被氧化；之后通过MOCVD生长EA区域的buffer层、有源区和上包层；
步骤四：完成步骤三后，使用BOE去掉表面的SiO2掩膜，再放入MOCVD设备内，生长高掺杂的InP层和InGaAs接触层；
步骤五：完成以上步骤后就开始芯片流片，使用PECVD生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀制作SIO2掩膜图形，然后再通过含Br2溶液、HCL:H3PO4溶液腐蚀完成脊型波导；然后在LD和EA的对接区域做隔离，防止LD和EA区域电流导通互相影响；之后制作和InGaAs接触层形成欧姆接触的P面电极层，将衬底背面进行研磨减薄，最终厚度保留110±10um；在背面镀上N面电极层，之后将wafer进行切割成bar条，对bar条两端进行光学镀膜，最后将bar条解离成单颗chip，完成全部工序。
如图8-图10所示，体现了经以上方案制备的对接生长的高速电吸收调制激光器的性能测试结果，获得了更好的LD的出光效率和EAM的吸收性能，以及更高的速率。
本专利不局限于最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的高速电吸收调制激光器芯片及其制备方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种高速电吸收调制激光器芯片，其特征在于：包括衬底、在衬底上的buffer层、DFB激光器LD和电吸收调制器EAM对接的有源区，其中，EAM有源区比LD有源区厚，且LD和EAM的有源区中心对准，LD区域存在光栅层，EAM区域没有光栅层并采用InP填充，所述光栅层上覆盖有上包层，之后是接触层、P面金属电极，在LD和EAM交界设置有隔离区，在衬底底部设置N面金属电极。
2.一种高速电吸收调制激光器芯片的制备方法，其特征在于：采用对接生长方案，分别设计DFB激光器LD和电吸收调制器EAM的结构，先在衬底上生长LD的结构，然后通过光刻制作保护LD区域的掩膜，经过干法刻蚀和湿法腐蚀，将掩膜以外的LD结构去掉，接着进行第二次外延生长，生长EAM结构，由于掩膜上不会生长材料，使得EAM只在掩膜以外的区域生长，得到分别独立生长的LD和EAM，以分别优化LD的出光效率和EAM的吸收性能。
3.一种高速电吸收调制激光器芯片的制备方法，其特征在于：
步骤一：在InP衬底上通过MOCVD设备依次生长buffer层、LD有源区和光栅层，生长完成后通过光栅光刻、显影工艺制作光栅掩膜，然后通过含Br2的腐蚀溶液腐蚀形成给定占空比的布拉格光栅，清洗后再通过MOCVD设备生长InP层进行保护；
步骤二：在完成步骤一的wafer上通过PECVD生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀，制作特定的掩膜图形，掩膜图形为梯形；
步骤三：制作好掩膜图形的wafer，通过ICP干法刻蚀工艺，将掩膜以外区域上的InP层、光栅层和有源区去掉，之后先通过各向异性的H2SO4:H2O2:H2O溶液控制掩膜底部的横向腐蚀量，控制溶液温度在23±2℃，再通过各向同性的HBr:H2O2:H2O溶液将表面腐蚀平滑，最后通过H2SO4:H2O2:H2O溶液将表面氧化的有源区清洗掉，在60min之内放入MOCVD设备内，保护对接端面不被氧化；之后通过MOCVD生长EA区域的buffer层、有源区和上包层；
步骤四：完成步骤三后，使用BOE去掉表面的SiO2掩膜，再放入MOCVD设备内，生长高掺杂的InP层和InGaAs接触层；
步骤五：完成以上步骤后就开始芯片流片，使用PECVD生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀制作SIO2掩膜图形，然后再通过含Br2溶液、HCL:H3PO4溶液腐蚀完成脊型波导；然后在LD和EA的对接区域做隔离，防止LD和EA区域电流导通互相影响；之后制作和InGaAs接触层形成欧姆接触的P面电极层，将衬底背面进行研磨减薄；在背面镀上N面电极层，之后将wafer进行切割成bar条，对bar条两端进行光学镀膜，最后将bar条解离成单颗chip，完成全部工序。
4.根据权利要求3所述的高速电吸收调制激光器芯片的制备方法，其特征在于：在步骤二中，所述梯形的上底L1长为446.49um，下底L2长为453.51um，高H为50um，斜边与垂直方向呈8°夹角，面积为22500um2。
5.根据权利要求3所述的高速电吸收调制激光器芯片的制备方法，其特征在于：在步骤五中，将衬底背面进行研磨减薄，最终厚度保留110±10um。
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