CN1430313A - 光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，该方法包括如下的生长步骤：(1)在衬底上平面生长缓冲层、下限制层和有源层；(2)在平面生长后，根据二氧化硅掩模形状，选择生长预定厚度的上限制层和垂直方向上的楔型波导；(3)根据不同器件对波导结构的要求，制作成脊型波导，或者掩埋波导；(4)整个器件的磷化铟层和欧姆接触层的外延；(5)器件的p/n极的电极的制作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料和集成光电子器件，特别是指一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法。
背景技术
光通信网络被寄希望在大数据量的传输和处理中发挥越来越重要的角色。由于玻璃光纤具有很宽的带宽，特别是多个波长信道可以同时共享同一根光纤(密集波分复用技术)，可以获得巨大的传输能力。由于光交叉互连比电子互连允许更大的带宽和集成度，所以不仅是在长距离的光纤传输系统中，同时在高级计算机网络和电子系统，光连接都是必须的。
一个光纤通信系统的大部分功能块都由III-V族半导体器件组成。由于这些器件至少和一根光纤连接，所以光电子器件和光纤之间的耦合效率就显得特别重要。在传统的弱引导单模光纤中，芯层和盖层的折射率差通常小于0.005，其模斑通常是8-10μm。在半导体波导器件中，如此小的折射率差只能在极小的组分变化下才能获得。在一个优化好的半导体波导器件中，折射率差通常大于0.01，这样导致模斑小于2μm。而且，和光纤的圆斑不同的是，半导体器件的模斑是高度不对称的椭圆斑，这样在光纤和半导体波导器件之间就多了一个附加的模式失配。很明显，半导体光电子器件和光纤之间的耦合损耗是整个光通信网络中的一个重要开销。
有几种方法可以改善芯片和光纤之间耦合效率，比如使用微透镜和楔型端面或聚焦球面光纤。但是，由于模斑的大小改变，而模斑的形状没有改变，因此模式失配的问题依然存在。封装的成本占到整个器件成本的90％。另一个方法是在半导体光电子芯片和光纤之间加入一个可以转换模斑的硅基波导器件，硅基技术可以使芯层和盖层的折射率差达到0.01以上，可以有和III-V族半导体器件相匹配的小模斑(文献Appl.Phys.Lett.，Vol.55，no.23，pp2389-2391，1989和Electron.Lett.，vol.30，no.18，pp1515-1516对此有报道)，但是，这样会导致III-V族半导体器件界面的偏调容差变小。
目前最有效的改变III-V族半导体器件的模斑的最有效的办法是在半导体光电子器件上单片集成一个模斑转换器。这样既可以在芯片端面得到大的近场，提高耦合效率，又可以得到大的偏调容差，减少耦合封装成本。因此市场前景极为广阔。
现在主要有两种III-V族材料模斑转换器，一种是水平方向上的楔型波导，另一种是垂直方向上的楔型波导。由于水平方向上的楔型，要涉及复杂的光刻和腐蚀技术，所以较少采用这样的方法。垂直方向上的楔型波导和半导体有源器件的单片集成也可以用两种方法制备。一种是一次性的全选择外延，通过控制掩模的形状和大小，一次性同时选择外延生长有源区和波导区，这种方法的好处是外延次数少，也可以减少有源区和波导区之间的耦合损耗(文献Electronics Letters16th Apri1 1998，Vol.34,No.8 pp767对此有报道)。但是这种方法的缺点是，由于有源区和波导区是同时选择性外延，它们之间的带隙波长的偏调不会太大，因此在波导区域有较大的吸收，有源区和波导区无法分别优化；同时，由于有源区是选择性生长，势必引入额外的缺陷，杂质等非辐射复合中心，因此也就降低了有源区的内量子效率，降低成品率。另一种方法是对接的办法，也就是先生长有源区，然后生长波导区和有源区对接。这种方法的优点是可以分别优化有源区和波导区的材料，使得波导区的带隙波长远离有源区的带隙波长，这样既可以保证有源区的外延质量，保证有源区的内量子效率，又可以使波导区没有吸收(文献Journal of Lightwave Technology.Vol.15，No.3，March 1997，pp198对此有报道)。但是这种方法的缺点是在选择生长波导区的时候，有源区必须有介质掩模保护，这样波导和有源区对接部分的生长质量就难以保证，因此就带来了附加的损耗。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其即可以分别优化有源区和模斑转换器的材料，减少信号光在模斑转换器的吸收损耗，保证绝热地改变信号光的模式；同时减少模斑转换器和有源区之间对接的生长难度，减少两者之间的耦合损耗。
本发明的技术方案为：
一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，该方法包括如下的生长步骤：
(1)在衬底上平面生长缓冲层、下限制层和有源层；
(2)在平面生长后，根据二氧化硅掩模形状，选择生长预定厚度的上限制层和垂直方向上的楔型波导；
(3)根据不同器件对波导结构的要求，制作成脊型波导，或者掩埋波导；
(4)整个器件的磷化铟层和欧姆接触层的外延；
(5)器件的p/n极的电极的制作。
其中步骤(1)所述的半导体光电子器件是各类半导体激光器，调制器，放大器和探测器。
其中步骤(1)所述的有源层是体材料，或者是单量子阱，多量子阱，和应变多量子阱。
其中步骤(2)所述的楔型波导是以线性变化的，或者是指数形式变化和双曲函数变化的。
其中步骤(2)所述的选择外延是选择性金属有机物化学汽相沉积，或者是选择性分子束外延和选择性金属有机物分子束外延。
其中步骤(3)所述的器件波导结构是脊型波导，或者是掩埋波导。
其中步骤(4)所述的磷化铟层和欧姆接触层外延包括1.5微米的p型磷化铟和0.2微米的p型铟镓砷。
其中步骤(5)所述的p型电极可以是钛/铂/金电极，或者是金/锌/金电极。
其中所述的脊型波导包括深脊型和浅脊型。
其中所述的掩埋波导包括掩埋异质结和半绝缘掩埋。
附图说明
为进一步说明本发明的步骤下面结合实施例及附图，对本发明作详细的描述，其中：
图1是选区外延所用的介质掩模示意图；
图2是自对准波导模斑转换器和1.55微米分布反馈激光器单片集成器件的立体示意图；
图3是自对准波导模斑转换器和1.55微米分布反馈激光器单片集成器件的侧视图；
图4是电吸收调制器与模斑转换器单片集成器件的侧视图。
具体实施方式
实施例1：自对准模斑转换器和1.55μm分布反馈激光器的单片集成
具体工艺步骤为：
1)在n型InP(磷化铟)衬底上平面生长上n型InP缓冲层、InGaAsP(铟镓砷磷)下限制层5和压应变InGaAsP(铟镓砷磷)/InGaAsP多量子阱层6(图3)；
2)沿正台方向光刻出器件的分布反馈激光器部分2，同时在模斑转换器区域用选择性腐蚀技术，刻蚀到InP缓冲层，深度约180nm，形成分布反馈激光器台面(图1)；
3)平面生长上150nm SiO2介质掩模，根据优化设计的结构光刻出选择外延SiO2介质掩模图形(图1)；
4)同时平面生长InGaAsP上限制层7和选择外延模斑转换器3，形成自对准波导结构，使得模斑转换器3和激光器4较好地对接，减少二者之间的耦合损耗(图2，3)；
5)去掉选择外延的SiO2介质掩模后，再平面生长上150nm SiO2介质掩模，开出上限制层7的光栅窗口，留SiO2介质掩模保护住模斑转换器部分3(图3)；
6)在激光器4沿正台方向制作光栅，周期为240nm，深度在70-110nm之间；
7)在光栅上生长150nm p型InP作为掩埋光栅；
8)去掉模斑转换器部分3的SiO2介质掩模后，再平面生长上150nmSiO2介质掩模，沿倒台方向光刻腐蚀出整个集成器件的掩埋波导条型，宽度为1.5-1.7μm，腐蚀到衬底，深度大于1μm；
9)在条型两侧生长上PNPN型InP作为器件的侧向电流阻挡层；
10)去掉Si02介质掩模后，平面生长上1.5p型InP盖层和0.2μm InGaAs欧姆接触层；
11)平面生长350nm SiO2保护层；
12)在激光器部分4开出电极窗口(图2)；
13)在p面做Au/Zn/Au电极，n面减薄到100μm后蒸上Au/Ge/Nin型电极；
14)解理，压焊，测试。
实施例2.自对准波导模斑转换器和电吸收调制器的单片集成
调制器单片集成上模斑转换器，可以减少整个器件的插入损耗，提高器件和光纤耦合的偏调容差，具体的制作步骤如下：
1)在n型InP衬底上平面生长上n型InP缓冲层、InGaAsP下限制层5和InGaAsP/InGaAsP量子阱层6，(图4)；
2)沿正台方向光刻出调制器部分2，同时腐蚀去模斑转换器区域1的量子阱层和下限制层，约280nm，腐蚀到InP缓冲层，形成调制器台面，如图1所示；
3)平面生长上150nm SiO2介质掩模，根据优化设计的结构光刻出选择外延图形，如图1所示；
4)同时平面生长InGaAsP上限制层7和选择外延模斑转换器3，形成自对准波导结构，使得模斑转换器3和量子阱层6、下限制层5较好地对接，减少二者之间的耦合损耗，(图4)；
5)去掉SiO2介质掩模后，平面生长上1.5μmp型InP盖层和0.2μm InGaAs接触层；
6)根据器件的调制速率的要求，做成浅脊型或者是双沟深脊型波导；
7)平面生长350nm SiO2保护层；
8)在SiO2表面上涂覆聚酰氧胺以减少电容；
9)在上限制层部分7开出电极窗口；
10)在p面做Au/Zn/Au电极，n面减薄到100μm后蒸上Au/Ge/Nin型电极；
11)解理，压焊，测试。
与现有的技术相比，本发明具有如下的意义：
在以往的楔型波导模斑转换器和半导体有源器件的单片集成中，主要有两种方法，一种是整个集成器件的全选择外延，这种方法虽然减少了外延次数，结构简单，但是有源区和波导区的带隙波长差不可能太大，因此模斑转换器区域会带来额外的吸收损耗。另一种方法是有源区和模斑转换器的对接生长，这种方法虽然可以分别优化有源区和模斑转换器的材料，但是选择外延加上对接的生长难度较大，在对接区域容易引入额外的缺陷、杂质等非辐射复合中心，增加了散射损耗。本发明提出了一个新的器件结构和新的生长方法，在这种方法里，首先生长有源区的下限制层，有源层；然后同时生长上限制层和楔型波导，上限制层是平面生长，而楔型波导是选择外延。这样既可以解决好对接问题，又可以同时分别优化有源区和模斑转换器的材料。这样既可以解决好对接问题，又可以同时分别优化有源区和模斑转换器的材料。使得这个器件有更好的的结果。
Claims (10)
1、一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，该方法包括如下的生长步骤：
(1)在衬底上平面生长缓冲层、下限制层和有源层；
(2)在平面生长后，根据二氧化硅掩模形状，选择生长预定厚度的上限制层和垂直方向上的楔型波导；
(3)根据不同器件对波导结构的要求，制作成脊型波导，或者掩埋波导；
(4)整个器件的磷化铟层和欧姆接触层的外延；
(5)器件的p/n极的电极的制作。
2、根据权利要求1所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中步骤(1)所述的半导体光电子器件是各类半导体激光器，调制器，放大器和探测器。
3、根据权利要求1所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中步骤(1)所述的有源层是体材料，或者是单量子阱，多量子阱，和应变多量子阱。
4、根据权利要求1所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中步骤(2)所述的楔型波导是以线性变化的，或者是指数形式变化和双曲函数变化的。
5、根据权利要求1所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中步骤(2)所述的选择外延是选择性金属有机物化学汽相沉积，或者是选择性分子束外延和选择性金属有机物分子束外延。
6、根据权利要求1所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中步骤(3)所述的器件波导结构是脊型波导，或者是掩埋波导。
7、根据权利要求1所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中步骤(4)所述的磷化铟层和欧姆接触层外延包括1.5微米的p型磷化铟和0.2微米的p型铟镓砷。
8、根据权利要求1所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中步骤(5)所述的p型电极可以是钛/铂/金电极，或者是金/锌/金电极。
9、根据权利要求6所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中所述的脊型波导包括深脊型和浅脊型。
10、根据权利要求6所述的一种光电子器件和自对准模斑转换器集成的选区外延方法，其特征在于，其中所述的掩埋波导包括掩埋异质结和半绝缘掩埋。
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