CN1909309A - 电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法 - Google Patents

Abstract

一种电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，包括：在衬底上生长n型磷化铟缓冲层等；腐蚀晶片上最上面的1.1Q层，生长缓冲层；在整个晶片上面生长二氧化硅保护层，腐蚀去掉两端模斑转换器的二氧化硅保护层；使用热耙低能磷离子注入；重长二氧化硅保护层；对晶片加热、保温、退火；腐蚀二氧化硅保护层；利用相应的光刻板把激光器和调制器区域进行掩蔽，刻出端模斑转换器上脊形状和下脊形状；生长p型磷化铟，铟镓砷磷刻蚀停止层；光刻脊型波导结构；在激光器和调制器区两边淀积聚酰亚胺；开激光器和调制器区电极窗口；光刻激光器和调制器区电极图形后溅射P电极并带胶剥离出P电极；外延片衬底减薄、溅射n电极；样品经划片解理成管芯，完成整个器件的工艺制作。

Description

电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法

技术领域

本发明涉及通过选择区域生长(SAG)，量子阱混杂(QWI)及非对称双波导(ATG)技术，采用常用的湿法腐蚀和光刻工艺制作电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法。

背景技术

随着现代信息社会的发展，超大容量和长距离信息的高速传输、处理和存储是十分关键的技术。无论是长途通信的干线网、广域网、还是短途通信的局域网、接入网、短途数据联接光交换等都需要大量的高性能、低成本的光电子器件来支撑网络的功能。开发单片集成的多功能光子器件是降低系统成本，推动光电子器件技术进步的关键所在。

分布反馈(DFB)式半导体激光器是目前高速通信中最为理想的激光源，它有低的阈值电流和小的波长温度系数(0.08nm％，而一般的FP半导体激光器则为0.4nm％)，具有动态单纵模特性。

电吸收调制器具有高速、高的消光比和低的啁啾噪声，体积小，驱动电压低以及易于集成的优点，可用于DWDM系统和时分复用(OTDM)的外调制器和信号发生器，也可以做成光开关。

模斑转换器可以将半导体芯片(如激光器、光放大器、电吸收调制器)输出的椭圆光斑变成和单模光纤(SMF)的本征光斑相匹配的圆光斑，从而提高器件与SiO₂波导(光纤)的耦合效率，增加耦合容差，降低耦合成本。对于大功率半导体光放大器来说，集成了模斑转换器，除了提高耦合效率和偏调容差外，还可以提高工作寿命和最大饱和输出功率。

半导体DFB激光器，电吸收调制器(EA)及模斑转换器(SSC)的单片集成功能器件，是目前光纤通讯网络的核心部件。通过单片集成的方法易于实现激光器和调制器之间的有效光耦合，性能更稳定，可靠性高，可以大大地减小芯片的尺寸和制作封装成本。在输入和输出端各加一个模斑转换器，则可提高器件和光纤的耦合效率和偏调容差，降低器件耦合封装的难度和成本。

单片集成光子器件需要在同一个InP衬底片上生长多种不同的能隙波长的材料以完成不同的功能。例如，对于工作在1.55μm波长附近的单片集成光子器件而言，通常需要三种能隙波长的材料：1.55μm波长的材料作为增益区，用于形成激光器或者半导体光放大器；1.50μm能隙波长的材料作为激子吸收区，用于形成电吸收调制器；小于或者等于1.45能隙波长的材料作为无源区，用于形成的损耗光波导。为了制作复杂的单片集成光子器件，需要构建一个成熟的集成工艺技术平台。研究人员提出并实现了多种多样的集成技术：选择区域生长(SAG)，对接生长(butt-joint growth)，量子阱混杂(QWI)，非对称双波导(ATG)。

对于制作光电子集成器件而言，选择区域生长技术是一种非常诱人的技术，在金属有机化学汽相淀积(MOVPE)过程中，通过在平面衬底上制作的掩膜图形，生长材料的能隙可以被局域地控制，从而实现选择区域生长。由于SAG具有工艺相对简单，成品率高的优点，已经被广泛应用在光电子集成器件的制作上。

对接生长(butt-joint growth)是光子集成器件最直接的制作方法。butt-joint技术包含一系列的腐蚀、在生长过程：首先在衬底上生长材料1，然后用SiO₂作为掩膜，局部选择腐蚀去掉材料1，并在腐蚀区域重新生长材料2。通过反复的腐蚀、再生长过程，再同一衬底上制备不同带隙波长的材料。对接生长的两种不同带隙波长材料存在陡峭的界面，有利于光子集成器件的制作。由于不同带隙波长的材料在不同的生长过程中制备，对接生长可以实现材料的分别优化，得到高性能的器件。对接生长最大的缺点是生长次数多，工艺复杂，器件成本率偏低。

量子阱混杂技术(QWI)是一种生长后处理技术，通常包括三个步骤：

1、在量子阱材料的表层产生大量的缺陷；

2、在某种激励条件小，例如快速热退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)，促使点缺陷向量子阱区域移动；

3.点缺陷的扩散可以诱导量子阱/垒材料的组分原子在界面处发生互混杂，导致材料组分发生变化，从而改变带隙波长。

QWI技术的主要优点是采用传统的平面外延生长技术，无需再生长过程。由于点缺陷的产生和扩散具有一定的侧向运动过程，因此不同材料之间并不是陡峭过渡的，存在2～3um的变化区域，这对集成光子器件的性能来说通常没有太大的影响。

非对称双波导(ATG)技术的原理是基于光波导模式的渐变耦合。工艺的基本过程如下：首先在一次外延中依次逐层生长集成光子器件所需要的各种不同带隙波长材料，各层之间使用薄的InP层隔开，带隙波长较长的增益材料被生长在最上层；在随后的脊波导刻蚀过程中，使用宽度逐渐变窄的侧向楔形波导实现相邻层之间光场模式低损耗渐变耦合。在器件的增益区中，上波导具有较大的等效折射率，而下波导等效折射率较小，因此在增益区中光场被很好地限制在上波导中；随着楔形波导的逐渐变窄，上波导等效折射率减小，当上波导等效折射率低于下波导等效折射率时，光场逐渐耦合到下波导中，因此适当设计楔形波导形状，可以使光场低损耗的从上波导耦合到下波导中。ATG技术的优点是不同带隙波长的材料在一次平面生长中即可形成，而且不同材料的应变、厚度都是可以分别优化的。使用优化的耦合波导结构，侧向楔形波导的耦合损耗可小于1dB(参见Photonic.Technol.Lett.，Vol.11，1999，pp.1096)。ATG技术使用重复的光刻、腐蚀步骤定义集成光学器件的不同功能区域，这一点和传统的CMOS工艺相似，可以借鉴CMOS工艺的一些制作经验。ATG技术已经被广泛地应用于集成光学器件的制作，如有源器件(LD，LD，EA)和模斑转换器的单片集成等。

目前国际上还未曾有半导体DFB激光器、电吸收调制器和模斑转换器的单片集成器件的报道。

我们采用选择区域生长，量子阱混杂以及非对称双波导技术成功地制作了半导体DFB激光器，电吸收调制器和模斑转换器的单片集成器件。其中LD/EA区域采用脊型波导结构，模斑转换器采用掩埋双波导结构(简称BRS结构)。整个器件把脊型波导结构、掩埋波导结构、非对称双波导结构有机地结合在一起，制作方法和制作普通的脊型波导半导体激光器兼容。整个器件只需要三次低压有机金属气相外延(简称LP-MOVPE)。

发明内容

本发明的目的是利用择外延生长技术、量子阱混杂技术以及非对称双波导技术制作电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，半导体DFB激光器、电吸收调制器(EA)和模斑转换器(SSC)单片集成器件(即SSC+DFB+EA+SSC串接器件，以下简称SDES)。SDES的结构见图1。由图1可以看出，该器件只需三次LP-MOVPE。其中一次为选择外延生长。利用选择外延生长技术，可以在LD和EA得到不同的生长速率，其中LD区是富In生长，生长速率高于EA区，带隙宽度小于EA区，即LD区的PL谱波长比EA区长。通过选择不同的mask宽度和不同的生长压力和温度，可以得到你所需要的波长偏调量。在我们的实验中，mask的宽度为22μm，间隔为15μm，生长压力22mbar，生长温度655℃。EA区的PL谱波长1500nm左右，而LD为1551nm左右，偏调51nm左右。对两端的SSC区在EA材料的基础上进行量子阱混杂技术，可以使两个区域的PL峰值波长从1500nm蓝移到1380nm左右，降低器件的吸收损耗。LD/FA区采用脊型双波导结构，而SSC采用掩埋双波导结构。脊形波导工艺简单，外延次数少，可靠性高，同时EA的电容可以做得很低，调制速率高；而掩埋结构可以大大改善光斑模式特性。整个器件兼容了脊型波导和掩埋波导的优点，同时克服了各自的缺点。LD长600μm，EA长200μm，其间的隔离沟长50μm，SSC长300μm，整个器件的长度为1450μm。有源上波导在SSC部分，条宽从3μm线性变化到0μm，呈楔形。无源下波导条宽8μm，厚度50nm左右，空间层的厚度0.2μm。在SSC区，采用非对称双波导技术(ATG)使上波导层的光通过空间层和下波导进行相位耦合：上波导层在侧向呈楔形状，传输一定的距离后，上波导达到截止条件使上波导的光绝热地耦合到下波导。一旦光传输到下波导，则光斑模式完全由下波导决定。由于下波导的厚度比较薄，带隙波长短(1.1μm)，与InP的折射率差小，属于弱限制波导，光斑的尺寸逐渐变大。到达SSC的输出端面时，其光斑尺寸可以和单模光纤的模式尺寸匹配(单模光纤本征光斑半径约5μm左右)。

该结构综合利用了脊型波导、掩埋波导、量子阱效应、应变效应和选择外延技术，量子阱混杂技术和非对称双波导技术的优点，制作方法非常简便，仅需要三次LP-MOVPE，利用常规的制作脊型波导激光器的光刻和湿法腐蚀工艺就可以完成，工艺兼容性非常好。

本发明利用选择区域生长、量子阱混杂和非对称双波导技术，同时采用常规的光刻和湿法腐蚀工艺，制作一种电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，包括以下制作步骤：

(1)在n型磷化铟衬底上外延生长n型磷化铟缓冲层、下波导层、磷化铟空间层、和一层1.1Q层；

(2)利用离子增强化学沉积技术在1.1Q层生长二氧化硅，利用光刻板在激光器区域定义出二氧化硅掩膜对；

(3)腐蚀液腐蚀晶片上最上面的1.1Q层，在刻有掩膜对的晶片上面生长下光限制层，多量子阱区及上光限制层和本征铟磷注入缓冲层；

(4)利用离子增强化学沉积的方法在整个晶片上面生长二氧化硅保护层，利用相应的光刻板，腐蚀去掉两端模斑转换器的二氧化硅保护层，同时保留激光器和调制器区的二氧化硅保护层；

(5)使用热耙低能磷离子注入，在两端模斑转换器区的本征铟磷注入缓冲层产生点缺陷，而在激光器和调制器区由于有二氧化硅保护层，该处不会产生点缺陷；

(6)利用HF溶液腐蚀掉激光器和调制器区的二氧化硅保护层，同时利用离子增强化学沉积设备在晶片上面重长二氧化硅保护层以免随后的快速热退火过程对晶片表面产生损伤；

(7)对晶片加热、保温、然后快速退火；

(8)利用HF酸腐蚀二氧化硅保护层，同时利用4∶1的盐酸溶液腐蚀掉激光器区的本征铟磷注入缓冲层，随后在整个晶片上面制作布拉格光栅；

(9)腐蚀掉调制器区和模斑转换器区的本征铟磷注入缓冲层，使光栅只保留在激光器区；

(10)利用相应的光刻板把激光器和调制器区域进行掩蔽，采用湿法腐蚀工艺刻出端模斑转换器上脊形状和下脊形状；

(11)再生长p型磷化铟，铟镓砷磷刻蚀停止层，p型磷化铟包层和高掺杂p型铟镓砷欧姆电极接触层；

(12)采用相应的光刻板，把两端模斑转换器区域掩蔽，重新刻出激光器和调制器区的脊型波导结构；

(13)刻出激光器和调制器区之间的电隔离沟，腐蚀掉隔离沟的铟镓砷接触层；

(14)在激光器和调制器区的隔离沟及激光器和调制器区的台面两侧均进行氦离子的注入；

(15)腐蚀掉两端模斑转换器区的p型铟镓砷欧姆电极接触层；

(16)利用热氧化技术生长二氧化硅绝缘层；

(17)在激光器和调制器区两边淀积聚酰亚胺，并进行固化；

(18)开激光器和调制器区电极窗口；

(19)光刻激光器和调制器区电极图形后溅射P电极并带胶剥离出P电极；

(20)外延片衬底减薄、溅射n电极；

(21)样品经划片解理成管芯，出光端面为[011]方向，完成整个器件的工艺制作。

其中步骤(1)所生长的下波导层的厚度要在45～50nm之间，带隙波长为1.1μm；和InP衬底的晶格常数匹配；空间层40的厚度在0.15～0.3μm，保证模斑转换器的下无源波导的光斑模式与单模光纤的本征模式相匹配，有源区包括个周期的量子阱，量子阱的带隙波长在激光器为1550nm，而在调制器区为1500nm，垒的带隙波长在调制器区和模斑转换器为1.2μm。

其中1.1Q层的厚度为30nm。

其中掩膜对宽度为22μm，间隔为15μm。

其中上下光限制层厚度为100nm，带隙波长为1.2μm。

其中热耙是将晶片加热到200℃。

其中晶片加热是将晶片加热到700℃，保温120s。

其中在步骤(5)中磷离子注入能量为50kev，注入剂量为5×10¹³/cm³。

其中在步骤(10)中斑转换器有源区输出末端的宽度要小于0.4μm。

其中在步骤(14)中，在激光器和调制器之间采用开隔离沟及离子注入的方法满足两者之间的电隔离的要求，注入条件为50kev/4×10¹³，100kev/4×10¹³，180kev/4×10¹³，注入方向和晶片的[0，0，1]方向倾斜7°。

其中在步骤(15)中，去掉模斑转换器区的铟镓砷接触层。

该结构的优点是：

(1)兼容了脊型波导和掩埋波导的优点，同时克服了各自的缺点；

(2)下波导不需要进行多次InP和InGaAsP的多次生长来调整下波导的带隙波长，减少了LP-MOVPE的生长次数；

(3)无需特意增加刻蚀停止层，波导结构中各层以及InP空间层在湿法腐蚀时，自然起到了刻蚀停止层的作用；

(4)利用常规的湿法腐蚀和光刻工艺便可完成器件的制作，无需采用电子束图形曝光等昂贵的光刻和腐蚀工艺，器件成本大大降低。

(5)利用选择外延MOVPE技术，一次外延就可以把LD和EA的波导结构生长出来，同时可以精确控制两者之间的波长偏调量。

(6)采用非对称双波导技术制作模斑转换器，模斑转换器的材料和LD/EA区的材料在一次平面生长中即可完成，上下波导层的带隙波长，厚度，以及应变等都是可以分别优化的，同时中间的InP空间层的厚度也可以优化；

(7)对SSC区我们在电吸收调制区材料的基础上进一步采用量子阱混杂技术实现带隙波长蓝移，降低器件的吸收损耗；

(8)采用在EA两边淀积聚酰亚胺可以使EA总电容降低，同时提高EA的调制速率。

(9)充分利用了量子尺寸效应，即能级是分立的，态密度为阶梯状分布，因此其内量子效率较高，微分增益较大。

(10)充分利用了应变能带工程，量子阱中引入压应变，进一步分离价带中的重空穴带和轻空穴带，大大减少了价带之间的相互吸收和俄歇复合；此外，压应变的引入，使重空穴有效质量变小，从而减小态密度，导致粒子数易于反转，从而降低器件的阈值；

(11)LD的光限制因子较大，因此具有适当长度的器件和在适度的电流下便可获得高增益。因此该结构的无损操作电流小、芯片增益大；

(12)该结构的优化设计自由度较大，对有源波导和无源波导的带隙和尺寸分别进行优化，SSC输出端面几乎可以得到近似圆形的且和单模光纤本征光斑模式几乎匹配的光斑。远场发散角在水平和垂直方向分别可以达到8.0°和12.6°，和单模光纤耦合效率可达3dB，1-dB偏调容差在水平和垂直方向达±2.9和±2.56μm。

附图说明：

为进一步说明本发明的内容，以下结合附图对本发明的器件的制作方法以及研制所取得的结果做较为详细的描述，其中：

图1为本发明器件结构示意图；

图2为本发明测得的激光器、调制器、及模斑转换器区及无源波导的的光荧光谱；

图3为本发明器件的激射光谱图；

图4为本发明器件的典型功率-电流曲线，其中P_EA-SSC表示从调制器端的SSC输出的功率-电流曲线；P_DFB-SSC表示从DFB激光器端的SSC输出功率-电流曲线。；

图5为本发明器件的远场分布图：(a)激光器后端面；(b)模斑转换器输出端面；

图6为本发明调制器电-光响应曲线；

图7为本发明调制器的直流消光比曲线；

图8为本发明选择外延生长所用的光刻板。

由图1可以看出该器件采用的是双波导结构，整个器件是利用三次LP-MOVPE生长而成的。器件的具体结构及尺寸在在发明内容中已有详细的描述。

具体实施方式：

请参阅图1所示，本发明一种电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，包括以下制作步骤：

(1)在n型磷化铟衬底10上外延生长n型磷化铟缓冲层20、下波导层30、磷化铟空间层40、和一层1.1Q层(图未示)；该步骤(1)所生长的下波导层30的厚度要在45～50nm之间，带隙波长为1.1μm；和InP衬底10的晶格常数匹配；空间层40的厚度在0.15～0.3μm，保证模斑转换器的下无源波导的光斑模式与单模光纤的本征模式相匹配，有源区60包括10个周期的量子阱(图未示)，量子阱的带隙波长在激光器140为1550nm，而在调制器区为1500nm，垒的带隙波长在调制器区160和模斑转换器170为1.2μm。

(2)利用离子增强化学沉积技术在1.1Q层生长二氧化硅，利用光刻板在激光器140区域定义出二氧化硅掩膜对(图未示)，该1.1Q层的厚度为30nm，该掩膜对宽度为22μm，间隔为15μm；

(3)腐蚀液腐蚀晶片上最上面的1.1Q层，在刻有掩膜对的晶片上面生长下光限制层50，多量子阱区60及上光限制层70和本征铟磷注入缓冲层(图未示)，该上下光限制层厚度为100nm，带隙波长为1.2μm；

(4)利用离子增强化学沉积的方法在整个晶片上面生长二氧化硅保护层，利用相应的光刻板，腐蚀去掉两端模斑转换器170的二氧化硅保护层，同时保留激光器140和调制器160区的二氧化硅保护层(图未示)；

(5)使用热耙低能磷离子注入，在两端模斑转换器170区的本征铟磷注入缓冲层产生点缺陷，而在激光器140和调制器160区由于有二氧化硅保护层，该处不会产生点缺陷，其中热耙是将晶片加热到200℃，该磷离子注入能量为50kev，注入剂量为5×10¹³/cm³；

(6)利用HF溶液腐蚀掉激光器140和调制器120区的二氧化硅保护层，同时利用离子增强化学沉积设备在晶片上面重长二氧化硅保护层以免随后的快速热退火过程对晶片表面产生损伤；

(7)对晶片加热，保温，然后快速退火，其中晶片加热是将晶片加热到700℃，保温120s；

(8)利用HF酸腐蚀二氧化硅保护层，同时利用4∶1的盐酸溶液腐蚀掉激光器140区的本征铟磷注入缓冲层，随后在整个晶片上面制作布拉格光栅80；

(9)腐蚀掉调制器160区和模斑转换器170区的本征铟磷注入缓冲层，使光栅80只保留在激光器140区；

(10)利用相应的光刻板把激光器140和调制器160区域进行掩蔽，采用湿法腐蚀工艺刻出端模斑转换器170上脊形状190和下脊形状200，该模斑转换器170有源区输出末端的宽度要小于0.4μm；

(11)再生长p型磷化铟90，铟镓砷磷刻蚀停止层100，p型磷化铟包层110和高掺杂p型铟镓砷欧姆电极接触层120；

(12)采用相应的光刻板，把两端模斑转换器170区域掩蔽，重新刻出激光器140和调制器160区的脊型波导结构；

(13)刻出激光器140和调制器160区之间的电隔离沟150，腐蚀掉隔离沟150的铟镓砷接触层120；

(14)在激光器140和调制器160区的隔离沟150及激光器140和调制器160区的台面两侧均进行氦离子的注入，该激光器140和调制器160之间采用开隔离沟及离子注入的方法满足两者之间的电隔离的要求，注入条件为50kev/4×10¹³，100kev/4×10¹³，180kev/4×10¹³，注入方向和晶片的[0，0，1]方向倾斜7°；

(15)腐蚀掉两端模斑转换器170区的p型铟镓砷欧姆电极接触层120，还包括去掉模斑转换器170区的铟镓砷接触层120；

(16)利用热氧化技术生长二氧化硅绝缘层130；

(17)在激光器140和调制器160区两边淀积聚酰亚胺180，并进行固化；

(18)开激光器140和调制器160区电极窗口；

(19)光刻激光器140和调制器160区电极图形后溅射P电极210并带胶剥离出P电极210；

(20)外延片衬底10减薄、溅射n电极220；

(21)样品经划片解理成管芯，出光端面为[011]方向，完成整个器件的工艺制作。

实施例

请再参阅图1所示，本发明涉及电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，包括如下制作步骤：

(1)2英寸的n-InP衬底经严格的去污(依次使用乙醇、三氯乙烯、丙酮、乙醇加热煮沸)→酸洗(浓硫酸浸泡1～2分钟)→水洗(去离子水冲洗50遍以上)→甩干处理后，放入生长室，生长温度655℃，生长压力22mbar，石墨舟转速75～80转/分。生长速度0.4～0.7nm/s；

(2)在n型磷化铟衬底(100)面上外延生长n型磷化铟缓冲层(0.5μm厚)、下波导层(厚度50nm，带隙波长为1.1μm)、0.2μm磷化铟空间层、薄的1.1Q层(30nm)；

(3)利用PECVD技术在1.1Q层生长150nm厚的SiO₂，同时刻出LD区SAG生长的mask对，mask宽度22μm，间隔为15μm；

(4)用311溶液腐蚀掉最上面的1.1Q层，对晶片重新进行清洗；

(5)利用LP-MOVPE第二次生长下光限制层(厚度100nm，带隙波长为1.2μm)、张应变量子阱有源区、上光限制层(厚度100nm，带隙波长为1.2μm)和150nm厚的本征InP注入缓冲层；

(6)利用PECVD在整个wafer上面生长400nm左右的SiO₂保护层，腐蚀去掉两端SSC区的SiO₂保护层，保留LD/EA区的SiO₂保护层；

(7)使用热耙(把衬底加热到200℃)低能磷离子注入，在两端SSC区的本征InP注入缓冲层产生点缺陷；注入能量均为50kev，注入剂量为5×10¹³/cm³；

(8)利用HF溶液腐蚀掉LD/EA区的SiO₂保护层，同时利用PECVD在晶片上面重长150nm厚的SiO₂保护层；

(9)在退火炉中对晶片加热到700℃，保温120s，然后快速热退火；

(10)用HF酸溶液去掉晶片上面的150nm厚的SiO₂保护层，用4HCl∶1H₂O的盐酸溶液去掉LD区最上面的的150nm厚的本征InP注入缓冲层，随后在整个晶片上面制作布拉格光栅；

(11)腐蚀掉EA及SSC区的本征InP注入缓冲层，这样光栅只保留在DFB-LD区；

(12)利用相应的光刻板把LD和EA部分进行掩蔽，采用湿法腐蚀工艺刻出SSC上下波导结构；

(13)用丙酮去胶后，重新涂甩厚胶，利用图相应的光刻板(周期为300μm)曝光、显影后，采用1Br∶25HBr∶80H₂O的溶液去InGaAsP及InP，腐蚀出SSC的下脊形状。由于上述溶液为非选择性腐蚀液，因此可以通过多次腐蚀实验和台阶仪测量来精确估算腐蚀速度，确保腐蚀到InP-buffer为止。当然，我们也可以利用器件结构的自然刻蚀停止层，分别用311溶液腐蚀InGaAsP层，4HCl∶1H₂O的溶液腐蚀InP。不过这样分层腐蚀效率低，特别是311溶液腐蚀下无源波导1.1Q时，腐蚀时间比较长；

(14)把样品严格清洗干净后，放人MOVPE室生长p型磷化铟(100nm)，1.2Q刻蚀停止层(20nm)，P型磷化铟包层(1.8μm)和高掺杂p型铟镓砷欧姆电极接触层(0.2μm)；

(15)采用相应的光刻板，把SSC部分掩蔽，刻出LD/EA部分的上脊型波导结构，其中InGaAs接触层采用311溶液腐蚀，p型InP用4HCl∶1H₂O溶液腐蚀，一直腐蚀到1.1Q的刻蚀停止层；

(16)刻出放大器和电吸收调制器之间的电隔离沟，用311溶液腐蚀掉隔离沟的InGaAs接触层；

(17)在晶片上面涂甩5μm的厚胶，利用相应的光刻板刻出He⁺的注入的图形：在放大器和电吸收调制器的隔离沟及其台面两侧均进行He⁺的注入，注入条件为50kev/4×10¹³，100kev/4×10¹³，180kev/4×10¹³，注入方向和晶片的[0，0，1]方向倾斜7°。

(18)利用等离子打胶机打胶20分钟，取出片子，放进煮沸的丙酮溶液中去除光刻胶，同时把片子清洗干净；

(19)移用相应的光刻板，把两端SSC区顶层的InGaAs接触层用311溶液腐蚀掉，同时把片子清洗干净；

(20)用热氧化CVD设备在样品表面生长厚350nm的绝缘SiO₂，生长温度350℃；

(21)在晶片上面涂甩聚酰亚胺，厚度约4μm，利用相应的光刻板刻出聚酰亚胺的图形，随后在保温炉中进行固化，固化条件为从室温升到200℃，保温30分钟，再从200℃升到300℃，保温30分钟。随后让它自然从300℃降到室温。固化期间一直通N₂保护；

(22)利用相应的光刻板开出激光器和调制器的SiO₂电极窗口；

(23)在片子上甩胶，光刻电极图形，并且反转，反转过程是把光刻后的片子放在氨气的保温炉中，加热到110℃，取出片子重新在光刻机下曝光；

(24)溅射P电极(Ti/Pt/Au)并带胶剥离出P电极；

(25)外延片衬底减薄至100μm、溅射n电极(Au/Ge/Ni)；

(26)样品经划片解理成300μm×1450μm的管芯，出光端面为[011]方向。至此，完成整个器件的工艺制作。

参阅图2，激光器区的PL谱波长1552nm，调制器区1502nm，SSC区13820nm，无源波导区1080nm。四者的强度及半宽均相差不大，说明在SAG区生长的晶体质量和大面积区一样好，对SSC区进行QWI，并没有使材料的质量变坏；

参阅图3知，器件的激射波长在1554nm，边模抑制比大于38dB，适合1550nm波段的光传输。

参阅图4可知，器件从EA端SSC输出的光功率小于从DFB端SSC输出的光功率，说明EA区存在一定的损耗。

参阅图5可知，激光器后端面的远场发散角在水平和垂直方向分别为微33.2°和42.6°。SSC端为8.0°和12.6°。由此可知，在激光器后端面的光斑很小，呈椭圆状；而在SSC端面的光斑已经变大，并且几乎呈圆形。

参阅图6可知，当EA的偏置电流在0V的时候，器件的3dB带宽大于12GHz。EA在实际工作中是负偏压的，其p-i-n结电容会更小，3dB调制带宽会更大。

参阅图7可知，EA偏压-3.5V时，器件的直流消光比为23dB，偏压为-2.5V，直流消光比亦可达到16dB。

再参阅图8可知，选择外延所用的掩膜对宽度22μm，间隔15μm，长度600μm。

由此可知，该器件制作方法简便，性能良好。其相应器件激射波长1554nm，边模抑制比大于38dB，调制速率10Gbit/s以上，消光比大于10dB。是光纤通讯网络的核心部件。

Claims (11)

1、一种电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，包括以下制作步骤：

(1)在n型磷化铟衬底上外延生长n型磷化铟缓冲层、下波导层、磷化铟空间层、和一层1.1Q层；

(2)利用离子增强化学沉积技术在1.1Q层生长二氧化硅，利用光刻板在激光器区域定义出二氧化硅掩膜对；

(3)腐蚀液腐蚀晶片上最上面的1.1Q层，在刻有掩膜对的晶片上面生长下光限制层，多量子阱区及上光限制层和本征铟磷注入缓冲层；

(4)利用离子增强化学沉积的方法在整个晶片上面生长二氧化硅保护层，利用相应的光刻板，腐蚀去掉两端模斑转换器的二氧化硅保护层，同时保留激光器和调制器区的二氧化硅保护层；

(5)使用热耙低能磷离子注入，在两端模斑转换器区的本征铟磷注入缓冲层产生点缺陷，而在激光器和调制器区由于有二氧化硅保护层，该处不会产生点缺陷；

(6)利用HF溶液腐蚀掉激光器和调制器区的二氧化硅保护层，同时利用离子增强化学沉积设备在晶片上面重长二氧化硅保护层以免随后的快速热退火过程对晶片表面产生损伤；

(7)对晶片加热、保温、然后快速退火；

(8)利用HF酸腐蚀二氧化硅保护层，同时利用4∶1的盐酸溶液腐蚀掉激光器区的本征铟磷注入缓冲层，随后在整个晶片上面制作布拉格光栅；

(9)腐蚀掉调制器区和模斑转换器区的本征铟磷注入缓冲层，使光栅只保留在激光器区；

(10)利用相应的光刻板把激光器和调制器区域进行掩蔽，采用湿法腐蚀工艺刻出端模斑转换器上脊形状和下脊形状；

(11)再生长p型磷化铟，铟镓砷磷刻蚀停止层，p型磷化铟包层和高掺杂p型铟镓砷欧姆电极接触层；

(12)采用相应的光刻板，把两端模斑转换器区域掩蔽，重新刻出激光器和调制器区的脊型波导结构；

(13)刻出激光器和调制器区之间的电隔离沟，腐蚀掉隔离沟的铟镓砷接触层；

(14)在激光器和调制器区的隔离沟及激光器和调制器区的台面两侧均进行氦离子的注入；

(15)腐蚀掉两端模斑转换器区的p型铟镓砷欧姆电极接触层；

(16)利用热氧化技术生长二氧化硅绝缘层；

(17)在激光器和调制器区两边淀积聚酰亚胺，并进行固化；

(18)开激光器和调制器区电极窗口；

(19)光刻激光器和调制器区电极图形后溅射P电极并带胶剥离出P电极；

(20)外延片衬底减薄、溅射n电极；

(21)样品经划片解理成管芯，出光端面为[011]方向，完成整个器件的工艺制作。

2、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中步骤(1)所生长的下波导层的厚度要在45～50nm之间，带隙波长为1.1μm；和InP衬底的晶格常数匹配；空间层40的厚度在0.15～0.3μm，保证模斑转换器的下无源波导的光斑模式与单模光纤的本征模式相匹配，有源区包括个周期的量子阱，量子阱的带隙波长在激光器为1550nm，而在调制器区为1500nm，垒的带隙波长在调制器区和模斑转换器为1.2μm。

3、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中1.1Q层的厚度为30nm。

4、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中掩膜对宽度为22μm，间隔为15μm。

5、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中上下光限制层厚度为100nm，带隙波长为1.2μm。

6、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中热耙是将晶片加热到200℃。

7、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中晶片加热是将晶片加热到700℃，保温120s。

8、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中在步骤(5)中磷离子注入能量为50kev，注入剂量为5×10¹³/cm³。

9、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中在步骤(10)中斑转换器有源区输出末端的宽度要小于0.4μm。

10、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中在步骤(14)中，在激光器和调制器之间采用开隔离沟及离子注入的方法满足两者之间的电隔离的要求，注入条件为50kev/4×10¹³，100kev/4×10¹³，180kev/4×10¹³，注入方向和晶片的[0，0，1]方向倾斜7°。

11、根据权利要求1所述的电吸收调制激光器和模斑转换器的集成方法，其特征在于，其中在步骤(15)中，去掉模斑转换器区的铟镓砷接触层。

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