CN116488001A - 双端面可调谐激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双端面可调谐激光器及其制备方法。本发明提出的双端面可调谐激光器，包括：位于InP衬底上的一个光栅区、两个相位区及两个增益区，光栅区位于InP衬底中段，两个相位区位于光栅区两侧，两个增益区分别位于两个相位区外侧，其中，增益区自下而上依次包括下波导层、多量子阱层、上波导层，多量子阱层包括相互交叠的阱层和垒层，阱层为压应变阱层，垒层为张应变垒层；光栅区及相位区由InGaAsP或InGaAlAs构成，光栅区包括光栅结构；光栅区、相位区、增益区高度相同。本发明通过背靠背的形式，把两个波长可调谐的激光器集成在一起，共用光栅区，双端面出光。本发明减少了一个光栅区，大大降低了集成芯片的功耗，提高了芯片的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子集成器件领域，尤其涉及一种双端面可调谐激光器及其制备方法。
背景技术
随着5G网络的快速发展，光纤通信系统对于光发射芯片带宽提出了更高的要求。提高带宽主要从两个方面入手，其一是提高单个光发射芯片的带宽；其二是通过集成多个光发射芯片实现。单个光发射芯片的带宽受其物理机制的影响，越来越难提高；多个光发射芯片的集成则会大大增加光发射芯片的体积、功耗和成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种双端面可调谐激光器的制备方法、双端面可调谐激光器。通过背靠背的形式，把两个波长可调谐的激光器集成在一起，共用光栅区，双端面出光。本发明减少了一个光栅区，大大降低了集成芯片的功耗，提高了芯片的集成度，为光通信光发射芯片提出了一种新的解决方案。
本发明的一方面提出一种双端面可调谐激光器，包括：位于InP衬底上的一个光栅区、两个相位区及两个增益区，光栅区位于InP衬底中段，两个相位区位于光栅区两侧，两个增益区分别位于两个相位区外侧，其中，增益区自下而上依次包括下波导层、多量子阱层、上波导层，多量子阱层包括相互交叠的阱层和垒层，阱层为压应变阱层，垒层为张应变垒层；光栅区及相位区由InGaAsP或InGaAlAs构成，光栅区包括光栅结构；光栅区、相位区、增益区高度相同。
进一步地，本发明的双端面可调谐激光器，光栅区、相位区、增益区上包括包层、电接触层及P面电极，电接触层及P面电极包括隔离槽，用于使光栅区、相位区、增益区的电接触层相互间隔；衬底下表面包括N面电极。
进一步地，本发明的双端面可调谐激光器，包层及电接触层构成倒台浅脊波导结构，其中，倒台浅脊波导结构侧截面为倒梯形。
进一步地，本发明的双端面可调谐激光器，阱层为5层，每层厚度为5nm；垒层为6层，每层厚度为9nm。
进一步地，本发明的双端面可调谐激光器，多量子阱层由InGaAsP或InGaAlAs构成。
进一步地，本发明的双端面可调谐激光器，光栅区和相位区的带隙波长比所述增益区的带隙波长小90-200nm。
本发明的另一方面提出一种双端面可调谐激光器的制备方法，包括：在InP衬底上依次生长下波导层、多量子阱层、上波导层、SiO2层，得到第一多层结构，其中，第一多层结构中段为光栅区，光栅区两侧为相位区，相位区外侧为增益区；在增益区进行部分掩膜，去除非掩膜部分的SiO2层；去除非掩膜部分的下波导层、多量子阱层、上波导层，得到暴露的InP衬底；去除掩膜部分的SiO2层，得到暴露的上波导层，在暴露的InP衬底上对接生长InGaAsP，直至与暴露的上波导层处于同一高度。
进一步地，本发明的双端面可调谐激光器的制备方法，还包括：在光栅区上制作光栅，得到第二多层结构；在第二多层结构上生长包层和电接触层；在电接触层上刻蚀形成隔离槽，以使光栅区、相位区、增益区的电接触层相互间隔；在光栅区、相位区、增益区的电接触层上制备P面电极；减薄InP衬底，在减薄后的InP衬底下表面制备N面电极。
进一步地，本发明的双端面可调谐激光器的制备方法，在电接触层上刻蚀形成隔离槽之前，还包括：腐蚀包层和电接触层，形成倒台浅脊波导结构，其中，倒台浅脊波导结构侧截面为倒梯形。
进一步地，本发明的双端面可调谐激光器的制备方法，在暴露的InP衬底上对接生长InGaAsP之前，还包括：分别用三氯乙烯、丙酮、乙醇清洗暴露的InP衬底；使用硫酸和双氧水去除暴露的InP衬底上的残余材料；将暴露的InP衬底浸泡在浓硫酸中进行表面钝化。
本发明具有如下有益效果：
(1)将两个波长可调谐的激光器通过共用光栅区集成到一起，提高了芯片集成度，降低了集成芯片的功耗。
(2)在暴露的InP衬底上对接生长InGaAsP之前，分别采用三氯乙烯、丙酮、乙醇清洗暴露的InP衬底，使用硫酸和双氧水去除暴露的InP衬底上的残余材料。经过清洗和去除，可以使得对接生长顺利进行，避免刻蚀残余物对器件性能的影响。
(3)本发明的倒台浅脊波导结构能够提高光栅区注入载流子的浓度，同时降低串联电阻，有利于增大波长调谐范围和调谐效率。
附图说明
图1是本发明提出的一种双端面可调谐激光器一些实施例的制备方法流程图；
图2是本发明提出的一种双端面可调谐激光器另一些实施例的制备方法流程图；
图3是本发明一个实施例衬底上生长完下波导层、多量子阱层和上波导层之后的结构正面剖面图；
图4是本发明一个实施例在上波导层上生长SiO2层并掩膜腐蚀得到SiO2条形结构的俯视图；
图5是本发明一个实施例已对接生长InGaAsP材料并去除掩膜部分的SiO2层后的结构俯视图；
图6是本发明一个实施例制作完光栅、生长完包层及电接触层后的结构正面剖面图；
图7是本发明一个实施例制备得到倒台浅脊波导结构后的侧面剖面图；
图8是本发明一个实施例制备得到隔离槽后的结构正面剖面图；
图9是本发明一个实施例制作完成的器件结构。
图中：
1-光栅区；2-相位区；3-增益区；10-InP衬底；11-下波导层；12-多量子阱层；13-上波导层；14-SiO2条形结构；15-InGaAsP材料；16-光栅；17-包层；18-电接触层；19-P面电极；20-N面电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。
本发明提出一种双端面可调谐激光器的制备方法，在同一InP衬底上同时制备一个光栅区、两个相位区及两个增益区，使得两个波长可调谐的激光器共用同一个光栅区，双端面出光。
图1为本发明提出的一种双端面可调谐激光器一些实施例的制备方法流程图。参照图1下面对方法内容进行具体说明：
S101，在InP衬底上依次生长下波导层、多量子阱层、上波导层、SiO2层，得到第一多层结构，其中，第一多层结构中段为光栅区，光栅区两侧为相位区，相位区外侧为增益区。
本发明的一些实施例中，下波导层、多量子阱层、上波导层采用的材料为InGaAsP，下波导层的带隙波长为1200nm，多量子阱层的带隙波长为1550nm，上波导层的带隙波长为1200nm。
本发明的一些实施例中，采用有机金属化合物气相沉积(MOCVD)的方法在衬底上依次生长各层得到第一多层结构。
其中，下波导层、多量子阱层、上波导层的生长温度为680℃，生长压力为100mbar，生长得到的下波导层与上波导层的厚度均为90nm。生长得到的多量子阱层由相互交叠的阱层和垒层构成，5层阱层为压应变阱层，每层厚度为5nm；6层垒层为张应变垒层，每层厚度为9nm。
SiO2层的生长温度为300℃，生长压力为100Pa，生长厚度为150nm。
对第一多层结构进行分区，使得第一多层结构的中段为光栅区，光栅区两侧为相位区，相位区外侧为增益区。本发明在同一光栅区两端设置相位区及增益区，使得光栅区与两端的相位区及增益区构成两个激光器，两个波长可调谐的激光器集成在一起可以提高芯片的集成度，降低芯片的功耗。
S102，在增益区进行部分掩膜，去除非掩膜部分的SiO2层。
增益区包含波导区域，正常工作时波导区域宽度要求大于3μm，本发明的一些实施例中，控制波导区域宽度为30μm。为了防止在接下来的操作中对波导区域造成破坏，对增益区欲保留部分进行掩膜。
本发明的一些实施例中，采用1μm厚的光刻胶掩膜，掩膜位置为增益区中间部分。
掩膜完成后去除非掩膜部分的SiO2层。本发明的一些实施例采用缓冲氧化物腐蚀液(BOE)腐蚀非掩膜部分的SiO2层，使得光栅区及相位区的SiO2层被完全腐蚀掉，增益区的中部留下30μm宽的SiO2条形结构，用来保护下方的有源区。
S103，去除非掩膜部分的下波导层、多量子阱层、上波导层，得到暴露的InP衬底。
腐蚀掉非掩膜部分的SiO2层后，就可以去除非掩膜部分的下波导层、多量子阱层、上波导层。本发明的一些实施例采用反应离子刻蚀(RIE)方法刻蚀非掩膜部分的下波导层、多量子阱层、上波导层，反应刻蚀压力为0.067mbar，功率为150W，反应气体为CH4∶H2＝18∶45，刻蚀时间为5分钟。
S104，去除掩膜部分的SiO2层，得到暴露的上波导层，在暴露的InP衬底上对接生长InGaAsP，直至与暴露的上波导层处于同一高度。
本发明的一些实施例中，在暴露的InP衬底上对接生长InGaAsP之前，还分别采用三氯乙烯、丙酮、乙醇清洗暴露的InP衬底，使用硫酸和双氧水去除暴露的InP衬底上的残余材料。经过清洗和去除，可以使得对接生长顺利进行，避免刻蚀残余物对器件性能的影响。
接着把衬底干燥后置于浓硫酸中浸泡20秒进行表面钝化。经过表面钝化可以有效去除产生的氧化物，减小对接界面处的光损耗，增强可调谐激光器长期使用的可靠性。
紧接着用去离子水将浓硫酸去除干净并干燥，在光栅区、相位区及增益区的暴露的InP衬底上利用有机金属化合物气相沉积(MOCVD)对接生长InGaAsP材料，直至与暴露的上波导层处于同一高度。在本发明的一些实施例中，生长温度为630℃，生长压力为100mbar，生长的InGaAsP材料带隙波长小于可调谐激光器发光的波长，例如其带隙波长为1400nm。
参照图2，本发明的另一些实施例中，制备方法在上述步骤之后还包括以下步骤：
S105，在光栅区上制作光栅，得到第二多层结构。
在前述已对接生长InGaAsP材料的光栅区刻蚀得到光栅结构，则由第一多层结构转变为第二结构，即管芯结构。
S106，在第二多层结构上生长包层和电接触层。
本发明的一些实施例中，在第二多层结构即管芯结构上生长包层和电接触层时，常采用有机金属化合物气相沉积(MOCVD)方法生长P型Zn掺杂InP包层和InGaAs电接触层。其中，生长温度为630℃，生长压力为100mbar。生长的P型Zn掺杂InP包层厚度为1500nm，InGaAs电接触层厚度为200nm。
S107，在电接触层上刻蚀形成隔离槽，以使光栅区、相位区、增益区的电接触层相互间隔。
本发明的一些实施例，在电接触层上用3μn厚的光刻胶光刻出隔离沟图形，用腐蚀液H2SiO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1腐蚀10秒，腐蚀出各区之间的隔离槽，在各区之间实现电隔离。腐蚀隔离槽的宽度为50μm。
本发明的一些实施例，在电接触层上刻蚀形成隔离槽之前，腐蚀包层和电接触层，形成倒台浅脊波导结构。
更具体地，在包层和电接触层上利用1μm厚的光刻胶，光刻出3μm的条形掩膜，先后采用腐蚀液Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶80和HCl∶H2O＝9∶1制作出倒台浅脊波导结构，其侧截面为倒梯形。
倒台浅脊波导结构能够提高光栅区注入载流子的浓度，同时降低串联电阻，有利于增大波长调谐范围和调谐效率。
S108，在光栅区、相位区、增益区的电接触层上制备P面电极；减薄InP衬底，在减薄后的InP衬底下表面制备N面电极。
完成P面电极及N面电极的制备后，整个管芯器件制备完成。
经过上述步骤，本发明制得的双端面可调谐激光器包括：位于InP衬底上的一个光栅区、两个相位区及两个增益区，光栅区位于InP衬底中段，两个相位区位于光栅区两侧，两个增益区分别位于两个相位区外侧，其中，增益区自下而上依次包括下波导层、多量子阱层、上波导层，多量子阱层包括相互交叠的阱层和垒层，阱层为压应变阱层，垒层为张应变垒层；光栅区及相位区由InGaAsP或InGaAlAs构成，光栅区包括光栅结构；光栅区、相位区、增益区高度相同。
根据本发明的一些实施例，本发明的光栅区、相位区、增益区上包括包层、电接触层及P面电极，电接触层及P面电极包括隔离槽，用于使光栅区、相位区、增益区的电接触层相互间隔；衬底下表面包括N面电极。
根据本发明的一些实施例，包层及电接触层构成倒台浅脊波导结构，其中，倒台浅脊波导结构侧截面为倒梯形。
根据本发明的一些实施例，本发明的双端面可调谐激光器，阱层为5层，每层厚度为5nm；垒层为6层，每层厚度为9nm。
根据本发明的一些实施例，多量子阱层由InGaAsP或InGaAlAs构成。
根据本发明的一些实施例，光栅区和相位区的带隙波长比所述增益区的带隙波长小90-200nm。
下面给出具体实施例，参照图2-8，对本发明的技术方案进一步说明。
本发明的一个实施例的双端面可调谐激光器的制备方法包括：
步骤1：选择一N型InP衬底10，利用有机金属化合物气相沉积(MOCVD)在InP衬底10上依次生长InGaAsP下波导层11、多量子阱层12、上波导层13。其中，上、下波导层带隙波长为1200nm，多量子阱层带隙波长为1550nm。生长温度为680℃，生长压力为100mbar，上、下波导层的厚度均为90nm。多量子阱层包括相互交叠的阱层和垒层，5层阱层为压应变阱层，每层厚度为5nm；6层垒层为张应变垒层，每层厚度为9nm。多量子阱层被下波导层和上波导层夹在中间形成三明治结构。
按照该步骤得到衬底上生长完下波导层、多量子阱层和上波导层之后的结构正面剖面图如图3所示，其中1为光栅区，2为相位区，3为增益区。
步骤2：在上波导层13上生长150nm厚的SiO2层，生长温度为300℃，生长压力为100Pa。采用1μm厚光刻胶掩膜，利用缓冲氧化物腐蚀液(BOE)腐蚀出30μm宽的SiO2条形结构14。
按该步骤在上波导层上生长SiO2层并掩膜腐蚀得到SiO2条形结构的俯视图如图4所示。
步骤3：采用RIE方法刻蚀去掉除SiO2条形结构14覆盖部分以外的InGaAsP材料，反应刻蚀压力为0.067mbar，功率为150W，反应气体为CH4∶H2＝18∶45，刻蚀时间为5分钟。
步骤4：依次用三氯乙烯、丙酮、乙醇进行衬底清洗，用H2SiO4和H2O2腐蚀掉RIE刻蚀残余的InGaAsP材料，把衬底甩干后在浓H2SiO4中浸泡20秒进行表面钝化，然后用去离子水冲洗干净并甩干。
步骤5：利用MOCVD对接生长方法在光栅区1、相位区2及增益区3的已腐蚀部分对接生长InGaAsP材料15，生长温度为630℃，生长压力为100mbar，其带隙波长为1400nm，小于激光器发光波长。对接生长InGaAsP材料15直至与上波导层处于同一高度，此时去除掩膜部分的SiO2层。
已对接生长InGaAsP材料并去除掩膜部分的SiO2层后的结构俯视图如图5所示。
步骤6：在光栅区1制作光栅16，然后在整个光栅区1、相位区2、增益区3上用MOCVD生长1500nm厚的P型Zn掺杂InP包层17和200nm厚的InGaAs电接触层18，生长温度为630℃，生长压力为100mbar。
制作完光栅、生长完包层及电接触层后的结构正面剖面图如图6所示。
步骤7：在包层17及电接触层18上，利用1μm光刻胶，光刻出3μm条形掩膜，采用腐蚀液Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶80腐蚀40秒，然后HCl∶H2O＝9∶1腐蚀3分钟，制作出倒台浅脊波导结构。
制备得到倒台浅脊波导结构后的侧面剖面图如图7所示。
步骤8：在电接触层18上用3μm厚光刻胶光刻出隔离槽图形，用腐蚀液H2SiO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1腐蚀10秒，腐蚀出各区之间的隔离槽，隔离槽宽度为50μm，在各功能区之间实现电隔离。
制备得到隔离槽后的结构正面剖面图如图8所示。
步骤9：在光栅区1、相位区2及增益区3的电极接触层18上制作P面电极19，InP衬底10减薄后在衬底下表面制作N面电极20，完成器件的制作。
制作完成的器件结构如图9所示。
至此按本发明一个实施例的制备方法制得了双端面可调谐激光器，共用光栅区，双端面出光。由于减少了一个光栅区，大大降低了集成芯片的功耗，提高了芯片的集成度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双端面可调谐激光器，其特征在于，包括：
位于InP衬底上的一个光栅区、两个相位区及两个增益区，所述一个光栅区位于所述InP衬底中段，所述两个相位区位于所述一个光栅区两侧，所述两个增益区分别位于所述两个相位区外侧，其中，
所述增益区自下而上依次包括下波导层、多量子阱层、上波导层，所述多量子阱层包括相互交叠的阱层和垒层，所述阱层为压应变阱层，所述垒层为张应变垒层；
所述光栅区及相位区由InGaAsP或InGaAlAs构成，所述光栅区包括光栅结构；
所述光栅区、相位区、增益区高度相同。
2.根据权利要求1所述的双端面可调谐激光器，其特征在于：
所述光栅区、相位区、增益区上包括包层、电接触层及P面电极，所述电接触层及P面电极包括隔离槽，用于使所述光栅区、相位区、增益区的电接触层相互间隔；
所述衬底下表面包括N面电极。
3.根据权利要求2所述的双端面可调谐激光器，其特征在于：
所述包层及电接触层构成倒台浅脊波导结构，其中，所述倒台浅脊波导结构侧截面为倒梯形。
4.根据权利要求1所述的双端面可调谐激光器，其特征在于，所述阱层为5层，每层厚度为5nm；所述垒层为6层，每层厚度为9nm。
5.根据权利要求1所述的双端面可调谐激光器，其特征在于，所述多量子阱层由InGaAsP或InGaAlAs构成。
6.根据权利要求1所述的双端面可调谐激光器，其特征在于，所述光栅区和相位区的带隙波长比所述增益区的带隙波长小90-200nm。
7.一种双端面可调谐激光器的制备方法，其特征在于，包括：
在InP衬底上依次生长下波导层、多量子阱层、上波导层、SiO2层，得到第一多层结构，其中，
所述第一多层结构中段为光栅区，所述光栅区两侧为相位区，所述相位区外侧为增益区；
在所述增益区进行部分掩膜，去除非掩膜部分的SiO2层；
去除非掩膜部分的下波导层、多量子阱层、上波导层，得到暴露的InP衬底；
去除掩膜部分的SiO2层，得到暴露的上波导层，在所述暴露的InP衬底上对接生长InGaAsP，直至与所述暴露的上波导层处于同一高度。
8.根据权利要求7所述的双端面可调谐激光器的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述光栅区上制作光栅，得到第二多层结构；
在所述第二多层结构上生长包层和电接触层；
在所述电接触层上刻蚀形成隔离槽，以使所述光栅区、相位区、增益区的电接触层相互间隔；
在所述光栅区、相位区、增益区的电接触层上制备P面电极；
减薄所述InP衬底，在减薄后的所述InP衬底下表面制备N面电极。
9.根据权利要求8所述的双端面可调谐激光器的制备方法，其特征在于，所述在所述电接触层上刻蚀形成隔离槽之前，还包括：
腐蚀所述包层和电接触层，形成倒台浅脊波导结构，其中，所述倒台浅脊波导结构侧截面为倒梯形。
10.根据权利要求7所述的双端面可调谐激光器的制备方法，其特征在于，所述在所述暴露的InP衬底上对接生长InGaAsP之前，还包括：
分别用三氯乙烯、丙酮、乙醇清洗所述暴露的InP衬底；
使用硫酸和双氧水去除所述暴露的InP衬底上的残余材料；
将所述暴露的InP衬底浸泡在浓硫酸中进行表面钝化。
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