CN116505368A - 高速电吸收调制激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电吸收调制激光器技术领域，提供了一种电吸收调制激光器制造方法。在对接生长制作过程中，通过溅射金属铜实现分布式反馈激光器和电吸收调制器对接处多量子阱层内部As和Ga元素混合，融入Cu元素，平衡对接界面各元素浓度，从而均衡了化学溶液的腐蚀速度，让对接生长界面态更平整；本发明在光栅制作步骤中，采用纳米压印刻蚀光栅，制成的光栅精度高，且纳米压印模板可以重复利用。本发明实施例通过诱导Cu、As和Ga元素混合，改善湿法腐蚀对接界面态；通过采用纳米压印技术制作光栅层，改善光栅精度与制作效率。
Description
技术领域
本发明涉及电吸收调制激光器技术领域，更具体地说，涉及一种对接生长的高速电吸收调制激光器及其制备方法。
技术背景
半导体激光器由于制作简单、体积小、寿命长、效率高等，成为在光通信系统中最为重要的光源。电吸收调制激光器(EML)为电吸收调制器(EAM)与DFB分布式反馈激光器(LD)的集成器件，具有集成的体积小、波长啁啾低的优点，成为高速光纤通信系统的首选光源。
相比直接调制的激光器(DML)，电吸收调制激光器的传输特性和传输效果更好，尤其在高频调制或长距离传输时。现用于制作高速电吸收调制激光器激光器部分光栅结构方案有：全息曝光和电子束曝光。
全息曝光制作简单，效率高，设备成本低，但只能制作均匀光栅；电子束曝光能够制作相移光栅及可变周期的光栅，但耗时时间长，效率低，设备成本高。并且两种方案中光栅最终形成还需要通过干法刻蚀和湿法腐蚀完成。
对接生长技术，在去除电吸收调制器区域时采用干刻蚀和湿法腐蚀相结合方式，湿法腐蚀存在横向腐蚀问题，且横向腐蚀深度与As、Ga元素浓度相关，导致分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分对接生长界面凹凸不平，致使界面对接生长不匹配，最终影响电吸收调制激光器整体性能。
纳米压印工艺要求压印胶厚度不能过厚，过厚的纳米压印胶不仅会遗留较多底部残留胶，而且在压印过程中压印模板容易断裂。在非均匀压印胶厚度的情况下，无法有效制作光栅结构。
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的制备方法，采用对接生长技术，分别生长设计分布式反馈激光器和电吸收调制器的结构，通过多次外延生长得到分别独立生长的分布式反馈激光器和电吸收调制器，达到分别优化分布式反馈激光器的发光效率和电吸收调制器的吸收性能。
为实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：
一种对接生长的电吸收调制激光器，包括分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分，其中：所述分布式反馈激光器部分包括衬底，以及衬底上层依次设置的下波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、上波导层、掩埋层、覆盖层、欧姆接触层，下波导层与衬底层贴合；
所述调制器部分包括衬底、缓冲层、电吸收调制器多量子阱层、上包层、覆盖层、欧姆接触层以及P面金属电极；分布式反馈激光器部分的多量子阱层和电吸收调制器的多量子阱层相互对接,其中，电吸收调制器多量子阱层比分布式反馈激光器多量子阱层厚,电吸收调制器和分布式反馈激光器的多量子阱层中心对准，分布式反馈激光器区域设有光栅层，光栅层位于上波导层中，光栅层上有包层覆盖，材质与上波导层材质一致，之后是掩埋层、覆盖层、欧姆接触层以及P面金属电极，在分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分的电极交接处有隔离区，在衬底设有金属电极；
电吸收调制器区域没有光栅层，电吸收调制器区域包括衬底，以及衬底上层依次设置的缓冲层、电吸收调制器多量子阱层、上包层、覆盖层、欧姆接触层以及P面金属电极，在衬底设有金属电极，缓冲层与衬底层贴合。
进一步，多量子阱层中包含至少一层InGaAsP量子阱势阱层和一层势垒层。
进一步，多量子阱层中的量子阱势阱层和势垒层的数量相同。
进一步，分布式反馈激光器的衬底和电吸收调制器的衬底是同一个衬底。
一种对接生长的电吸收调制激光器的制备方法，通过对接生长技术，分别优化分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分，在衬底上生长分布式反馈激光器的结构，通过溅射金属铜、离子注入或高温退火方法对对接生长界面处进行As元素和Ga元素混合，采用纳米压印技术制作光栅，然后通过金属有机化合物化学气相沉淀生长制作保护分布式反馈激光器区域的掩膜，经过干法和湿法腐蚀，腐蚀直至衬底层，将掩膜以外的分布式反馈激光器结构去除，接着进行第二次外延生长，制作电吸收调制器部分，具体步骤如下：
步骤一:在衬底上通过金属有机化合物化学气相沉淀设备依次生长下波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、上波导层；
步骤二:在步骤一的芯片上通过等离子体增强化学气相沉积均匀生长一层SiO2介质层，厚度为100nm，再在介质层表面上覆盖一层光刻胶，通过光刻工艺将待混合的区域图案定义到光刻胶上，然后通过电感耦合等离子体刻蚀工艺将待混合的区域图案转移到SiO2介质层上，通过磁控溅射机对芯片进行金属铜的溅射，时间为60s，溅射完毕后，取出芯片放入丙酮有机溶剂中，去掉光刻胶掩膜以及附着金属铜，将芯片放置在快速退火炉中进行退火，退火温度为750摄氏度，退火时间10s；待芯片自然冷却至室温后，取出芯片，用HF溶液去掉SiO2层；
步骤三：在步骤二制好的芯片上，均匀涂抹纳米压印胶，使用带有光栅图案的纳米模板进行压印，通过刻蚀将光栅结构转移到上波导层中，去除残余纳米压印胶；通过金属有机化合物化学气相沉淀设备进行生长，在芯片表面生长湿法腐蚀抗蚀层、掩埋层，对制作好的光栅进行保护；
步骤四：在完成步骤三的芯片上通过等离子体增强化学气相沉积生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀，制作保护分布式反馈激光器区域的掩膜；
步骤五：制作好掩膜图形的芯片，通过电感耦合等离子体干法刻蚀工艺，将掩膜以外区域上的上波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、下波导层去掉，通过H2SO4:H2O2:H2O溶液进行的横向腐蚀；之后通过金属有机化合物化学气相沉淀生长电吸收调制器区域的缓冲层、多量子阱层和上包层；
步骤六：完成步骤五后，使用HF溶液去掉激光器部分表面的SiO2掩膜，再通过金属有机化合物化学气相沉淀生长履盖层以及欧姆接触层，在欧姆接触层面制作P面电极层，衬底面制作N面电极层。
进一步，步骤六中，制作P面电极层时，在分布式反馈激光器和电吸收调制器电极交接处有隔离区。
综上所述，发明具有以下有益效果：
本发明采用对接生长技术，分别生长设计分布式反馈激光器和电吸收调制器的结构，达到分别优化分布式反馈激光器的发光效率和电吸收调制器的吸收性能。先在衬底上生长分布式反馈激光器的结构，然后通过溅射金属铜或离子注入等方法实现分布式反馈激光器和电吸收调制器对接处量子阱As和Ga元素混合，本发明采用溅射金属铜的方式，平衡分布式反馈激光器和电吸收调制器对接处各元素浓度，从而均衡了化学溶液的腐蚀速度，让对接生长界面态更平整,在外延生长电吸收调制器部分时，减少了分布式反馈激光器和电吸收调制器对接处材料堆积，优化分布式反馈激光器和电吸收调制器多量子阱层的对接效果，提高了电吸收调制激光器的效率。通过纳米压印技术在上波导层制作光栅结构，避免过渡刻蚀对光栅层下层造成损伤，不存在侧向腐蚀问题，所制光栅深度、结构一致。纳米压印模板可以重复利用，降低生产成本，且有利于实现批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例高速电吸收调制激光器示意图；
图2为本发明的制备方法完成步骤一后的示意图；
图3为本发明的制备方法步骤二中为溅射金属铜所做双掩膜示意图；
图4为本发明的制备方法步骤二中通过磁控溅射机进行金属铜的溅射示意图；
图5为本发明的制备方法步骤二中溅射金属铜影响多量子阱层元素混合示意图；
图6为本发明的制备方法完成步骤二后的示意图；
图7为本发明的制备方法步骤三中旋涂纳米压印胶的示意图；
图8为本发明的制备方法步骤三中纳米压印制作光栅的示意图；
图9为本发明的制备方法步骤三中去除残留纳米压印胶的示意图；
图10为本发明的制备方法步骤三中通过MOCVD金属有机化合物化学气相沉淀生长抗湿法腐蚀层和掩埋层的示意图；
图11为本发明的制备方法完成步骤四后的示意图；
图12为本发明的制备方法步骤五中干法刻蚀和湿法腐蚀后的示意图；
图13为本发明的制备方法完成步骤五后的示意图；
图14为本发明的制备方法完成步骤六后的示意图。
图中的附图标记为：100-衬底，110-下波导层，120-分布式反馈激光器多量子阱层，130-上波导层，200-SiO2介质层，210-光刻胶，220-溅射金属铜，300-纳米压印胶，400-抗湿法腐蚀层，410-掩埋层，420-SiO2掩膜,500-电吸收调制器缓冲层，510-电吸收调制器多量子阱层，520-电吸收调制器上包层，530-覆盖层，600-衬底电极，610-分布式反馈激光器电极，620-电吸收调制器电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
需要说明的是，为表述方便，下文中关于方向的表述与附图本身的方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。
为了得到更高功率、更高速率的电吸收调制激光器，需要分别对分布式反馈激光器和电吸收调制器结构及对接界面进行优化，本实施例提供了一种对接生长的电吸收调制激光器制备方法，详细技术方案如下：
如图1所示，本发明公开了一种对接生长的电吸收调制激光器，包括分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分，其中分布式反馈激光器部分包括衬底，以及衬底上层依次设置的下波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、上波导层、掩埋层、覆盖层、欧姆接触层，下波导层与衬底层贴合；调制器部分包括衬底、缓冲层、电吸收调制器多量子阱层、上包层、覆盖层、欧姆接触层以及P面金属电极，分布式反馈激光器部分的多量子阱层和电吸收调制器的多量子阱层相互对接，电吸收调制器多量子阱层比分布式反馈激光器多量子阱层厚，且分布式反馈激光器和电吸收调制器的多量子阱层中心对准，分布式反馈激光器上波导层区域设有光栅层，光栅层位于上波导层中，光栅层上有包层覆盖，包层的材质与上波导层材质一致，在分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分的电极交接处有隔离区，在衬底设有金属电极。电吸收调制器区域没有光栅层。
光栅层上覆盖有掩埋层、覆盖层，之后是欧姆接触层以及P面金属电极，在分布式反馈激光器和电吸收调制器交界处设置有隔离区，在衬底底部设置N面金属电极。
如图2-7所示，本发明还公开了一种对接生长的电吸收调制激光器的制备方法，通过对接生长技术，分别优化分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分，在衬底上生长分布式反馈激光器的结构，通过溅射金属铜、离子注入或高温退火方法对对接生长界面处进行As元素和Ga元素混合，采用纳米压印技术制作光栅，然后通过金属有机化合物化学气相沉淀生长制作保护分布式反馈激光器区域的掩膜，经过干法和湿法腐蚀，腐蚀直至衬底层，将掩膜以外的分布式反馈激光器结构去除，接着进行第二次外延生长，制作电吸收调制器部分，具体步骤如下：
步骤一:在衬底上通过金属有机化合物化学气相沉淀设备依次生长下波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、上波导层。
步骤二:在步骤一的芯片上通过等离子体增强化学气相沉积均匀生长一层SiO2介质层，厚度为100nm，再在介质层表面上覆盖一层光刻胶，通过光刻工艺将待混合的区域图案定义到光刻胶上，然后通过电感耦合等离子体刻蚀工艺将待混合的区域图案转移到SiO2介质层上，通过磁控溅射机对芯片进行金属铜的溅射，时间为60s，溅射完毕后，取出芯片放入丙酮有机溶剂中，去掉光刻胶掩膜以及附着金属铜，将芯片放置在快速退火炉中进行退火，退火温度为750摄氏度，退火时间10s；待芯片自然冷却至室温后，取出芯片，用HF溶液去掉SiO2层。
步骤三：在步骤二制好的芯片上，均匀涂抹纳米压印胶，使用带有光栅图案的纳米模板进行压印，通过刻蚀将光栅结构转移到上波导层中，去除残余纳米压印胶；通过金属有机化合物化学气相沉淀设备进行生长，在芯片表面生长湿法腐蚀抗蚀层、掩埋层，对制作好的光栅进行保护。
步骤四：在完成步骤三的芯片上通过等离子体增强化学气相沉积生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀，制作保护分布式反馈激光器区域的掩膜；
步骤五：制作好掩膜图形的芯片，通过电感耦合等离子体干法刻蚀工艺，将掩膜以外区域上的上波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、下波导层去掉，通过H2SO4:H2O2:H2O溶液进行的横向腐蚀；之后通过金属有机化合物化学气相沉淀生长电吸收调制器区域的缓冲层、多量子阱层和上包层；
步骤六：完成步骤五后，使用HF溶液去掉激光器部分表面的SiO2掩膜，再通过金属有机化合物化学气相沉淀生长履盖层以及欧姆接触层，在欧姆接触层面制作P面电极层，衬底面制作N面电极层。
本发明在对接生长技术制作电吸收调制激光器步骤中，目前采用选择性化学溶液(H2SO4:H2O2:H2O)腐蚀无源区时，腐蚀剂对In(1-x)GaxAsyP(1-y)四元化合物有明显的侧向腐蚀作用，且对应不同组分腐蚀速度不同，其中Ga和As含量越高，选择腐蚀的速度越快。本发明的高速电吸收调制激光器在对接生长制作过程中，首先通过溅射金属铜或离子注入等方法实现LD和EAM对接处多量子阱层内部As和Ga元素混合，在本发明采用溅射金属铜方式，实现As和Ga元素混合，同时融入了Cu元素，平衡对接界面各元素浓度，从而均衡了化学溶液的腐蚀速度，让对接生长界面态更光滑；其次，目前制作电吸收调制激光器光栅的方式，大部分采用全息曝光和电子束曝光，结合干法刻蚀和湿法腐蚀完成，其中反应离子刻蚀因其过渡刻蚀会对光栅层下层造成损伤，而非选择性湿法腐蚀存在侧向腐蚀问题，所以腐蚀深度不一致。本发明在芯片制作步骤中，采用纳米压印刻蚀光栅可避免上述问题，制成的光栅精度高，而且纳米压印模板可以重复利用。按照先制作波导层光栅后生长调制器结构的顺序，首先采用纳米压印技术制作波导层的光栅结构，通过MOCVD生长掩膜对光栅保护，其次再进行调制器部分的生长，这样制作的顺序使得光栅压印一次成型，质量好精度高且不存在断裂问题。本发明实施例通过诱导Cu、As和Ga元素混合，改善湿法腐蚀对接界面态；通过采用纳米压印技术制作光栅层，改善光栅精度与制作效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种对接生长的电吸收调制激光器，其特征在于：包括分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分，其中：所述分布式反馈激光器部分包括衬底，以及衬底上层依次设置的下波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、上波导层、掩埋层、覆盖层、欧姆接触层，下波导层与衬底层贴合；
所述调制器部分包括衬底、缓冲层、电吸收调制器多量子阱层、上包层、覆盖层、欧姆接触层以及P面金属电极；分布式反馈激光器部分的多量子阱层和电吸收调制器的多量子阱层相互对接,其中，电吸收调制器多量子阱层比分布式反馈激光器多量子阱层厚,电吸收调制器和分布式反馈激光器的多量子阱层中心对准，
分布式反馈激光器区域设有光栅层，光栅层位于上波导层中，光栅层上有包层覆盖，材质与上波导层材质一致，之后是掩埋层、覆盖层、欧姆接触层以及P面金属电极，在分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分的电极交接处有隔离区，在衬底设有金属电极；
电吸收调制器区域没有光栅层，电吸收调制器区域包括衬底，以及衬底上层依次设置的缓冲层、电吸收调制器多量子阱层、上包层、覆盖层、欧姆接触层以及P面金属电极，在衬底设有金属电极，缓冲层与衬底层贴合。
2.根据权利要求1所述的对接生长的电吸收调制激光器，其特征在于，所述多量子阱层中包含至少一层InGaAsP量子阱势阱层和一层势垒层。
3.根据权利要求2所述的对接生长的电吸收调制激光器，其特征在于，所述多量子阱层中的量子阱势阱层和势垒层的数量相同。
4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的对接生长的电吸收调制激光器，其特征在于，所述分布式反馈激光器的衬底和电吸收调制器的衬底是同一个衬底。
5.一种对接生长的电吸收调制激光器的制备方法，其特征在于，通过对接生长技术，分别优化分布式反馈激光器部分和电吸收调制器部分，在衬底上生长分布式反馈激光器的结构，通过溅射金属铜、离子注入或高温退火方法对对接生长界面处进行As元素和Ga元素混合，采用纳米压印技术制作光栅，然后通过金属有机化合物化学气相沉淀生长制作保护分布式反馈激光器区域的掩膜，经过干法和湿法腐蚀，腐蚀直至衬底层，将掩膜以外的分布式反馈激光器结构去除，接着进行第二次外延生长，制作电吸收调制器部分，具体步骤如下：
步骤一:在衬底上通过金属有机化合物化学气相沉淀设备依次生长下波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、上波导层；
步骤二:在步骤一的芯片上通过等离子体增强化学气相沉积均匀生长一层SiO2介质层，厚度为100nm，再在介质层表面上覆盖一层光刻胶，通过光刻工艺将待混合的区域图案定义到光刻胶上，然后通过电感耦合等离子体刻蚀工艺将待混合的区域图案转移到SiO2介质层上，通过磁控溅射机对芯片进行金属铜的溅射，时间为60s，溅射完毕后，取出芯片放入丙酮有机溶剂中，去掉光刻胶掩膜以及附着金属铜，将芯片放置在快速退火炉中进行退火，退火温度为750摄氏度，退火时间10s；待芯片自然冷却至室温后，取出芯片，用HF溶液去掉SiO2层；
步骤三：在步骤二制好的芯片上，均匀涂抹纳米压印胶，使用带有光栅图案的纳米模板进行压印，通过刻蚀将光栅结构转移到上波导层中，去除残余纳米压印胶；通过金属有机化合物化学气相沉淀设备进行生长，在芯片表面生长湿法腐蚀抗蚀层、掩埋层，对制作好的光栅进行保护；
步骤四：在完成步骤三的芯片上通过等离子体增强化学气相沉积生长一层SiO2掩膜，通过匀胶、曝光、显影和刻蚀，制作保护分布式反馈激光器区域的掩膜；
步骤五：制作好掩膜图形的芯片，通过电感耦合等离子体干法刻蚀工艺，将掩膜以外区域上的上波导层、分布式反馈激光器多量子阱层、下波导层去掉，通过H2SO4:H2O2:H2O溶液进行的横向腐蚀；之后通过金属有机化合物化学气相沉淀生长电吸收调制器区域的缓冲层、多量子阱层和上包层；
步骤六：完成步骤五后，使用HF溶液去掉激光器部分表面的SiO2掩膜，再通过金属有机化合物化学气相沉淀生长履盖层以及欧姆接触层，在欧姆接触层面制作P面电极层，衬底面制作N面电极层。
6.根据权利要求5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：所述步骤六中，制作P面电极层时，在分布式反馈激光器和电吸收调制器电极交接处有隔离区。
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