CN206820249U - 一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片 - Google Patents
一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片，包括基板，基板上端并排设置有DFB‑MQW和EAM‑MQW，DFB‑MQW的末端和EAM‑MQW的首端相接，DFB‑MQW上端设置有DFB‑LD区局部光栅层，DFB‑LD区局部光栅层的长度Lg与DFB‑LD区总长度之比为0.5～0.8，通过设置DFB‑LD区的部分区域光栅层，大幅度提升DFB‑LD的抗反射特性，有了这种结构后，EML芯片就不用做倾斜的波导或者倾斜的出光面，也能够达到抗反射特性，从而降低了制造工艺复杂性，降低了客户封装过程中的成本。解决了现有技术中相应问题。
Description
技术领域
本实用新型属于一种高速率(10G，25G)半导体电吸收调制激光器芯片,具体涉及一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片。
背景技术
电吸收调制半导体激光器芯片(EML)是由电吸收调制器(EAM)与分布式布拉格反馈激光器芯片(DFB-LD)两部分构成的集成器件。EML芯片是目前10G，100G速率光纤到户、企业以太网、云计算中心以及第五代移动通讯网络里的核心器件，它在DFB-LD的基础上集成了利用量子限制斯塔克效应(QCSE)工作的电吸收调制器，实现了体积小、波长啁啾低的高性能光通信用光源，是当前国内外高速(10G，25G，100G速率)光纤传输网中信息传输载体的通用理想光源。EML芯片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DFB激光器芯片，EML的传输特性和传输效果更加优异，尤其在高频调制或长距离传输时更是如此。EML激光器芯片通过晶体外延和二次晶体外延以及半导体晶片工艺得到，其结构主要由两部分组成：分别为DFB-LD区100和EAM吸收调制区200，如图1所示。该芯片的尺寸为700x300x100微米(长×宽×高)。在芯片工作时，DFB-LD区金属电极15通直流电流，发出特定波长激光，然后该光进入EAM区量子阱。EAM吸收调制区量子阱在EAM区金属电极17不同电压下，基于QCSE效应，对该激光器光源产生调制，从而产生高频调制光信号。图2为该EML芯片的顶视图。
EML芯片使用中的一个重大问题是在空气和半导体交界面的光反射问题，如图1所示，从DFB-LD区100传播过来的光即使只有0.1％从EAM-空气界面反射回来(即反射光21)，也会对EML芯片中DFB-LD区域的激光器光源的谐振产生扰动，引起EML信号的啁啾，该啁啾会导致信号噪音增大，将大幅降低高速光信号传输距离，或使信号传输中出现误码。
为了解决该问题，美国专利US65422533,B1,Triquint Technology Holding Co.,“Process for obtaining ultra-low reflectivity facets for electro-absorptionmodulated lasers”提出了引入倾斜的EAM波导的方案，其方案如图3所示，US20100290489A1,AVAGO Technologies,“Electro-absorption modulated laser(EML)assembly having a 1/4 wavelength phase shift located in the forward portionof the distributed feedback(DFB)of the EML assembly and a method提出了倾斜的EAM出光端面，其方案如图4所示。以上方案虽然解决了界面光反射问题，但是大大增加了制造工艺的复杂性，造成芯片的制造成本增加。此外，倾斜的波导或者倾斜的出光端面都会引起EAM出光19的方向偏斜，最大可达30度以上，出光示意图如图3，图4所示，这样就给客户的封装测试带来极大不便，导致客户成本增加。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种新型EML芯片结构，此结构能够大幅度提升DFB-LD的抗反射特性，即使有少量的从EAM区过来的光，也不会对于DFB-LD的光信号产生影响，或者影响很小。采用本结构，EML芯片就不用做倾斜的波导或者倾斜的出光面，也能够具有抗反射特性，从而降低了制造工艺复杂性，降低了客户封装过程中的成本。
为达到上述目的，本实用新型所述一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片包括基板，基板上端并排设置有DFB-MQW和EAM-MQW，DFB-MQW的末端和EAM-MQW的首端相接，DFB-MQW上端设置有DFB-LD区局部光栅层，DFB-LD区局部光栅层的长度Lg与DFB-LD区总长度之比为0.5～0.8，DFB-LD区局部光栅层的右端与DFB-LD区的右端对齐，光栅层上方沉积有InP包层，包层上面刻蚀有电隔离区，位于所述电隔离区左侧和右侧的包层上分别镀有DFB区与EAM区p-金属电极，InP基板下端面镀有一层n-金属电极层，芯片的左侧端面设置有DFB-LD区高反射镀膜层，EML芯片的右侧端面设置有EAM区抗反射镀膜层。
所述DFB-LD区局部光栅层的长度Lg与DFB-LD区总长度之比为0.7。
所述DFB-MQW和EAM-MQW的中轴线位于同一水平面。
所述基板下端面镀有一层n-金属电极层。
所述EAM区抗反射镀膜层包括沿着背离EML芯片方向依次设置的厚度为20nm的第一Ta2O5层、厚度为38nm的第一Si层和厚度为45nm的第二Ta2O5层。
所述DFB-LD区高反射镀膜层包括沿着背离EML芯片方向依次设置的厚度为130nm的第三Ta2O5层、厚度为100nm的第二Si层、厚度为130nm的第四Ta2O5层、厚度为100nm的第三Si层和厚度为60nm的第五Ta2O5层。
所述电隔离区的宽度为20um～100um，所述电隔离区采用刻蚀或离子注入的方式形成。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果，本实用新型提出了新的光栅层结构，大幅度提升芯片的抗反射特性，降低芯片制造工艺成本；同时，由于没有采用倾斜式波导，激光束不会偏斜，帮助减少客户封装成本。
进一步的，DFB-LD区局部光栅层的长度Lg与DFB-LD区总长度之比为0.7，这样的比率下，LD区域对端面反射干扰抵抗性最强，光功率稳定性最佳，如图9所示，其光功率-电流曲线与斜效率曲线都非常的平滑。
DFB-MQW和EAM-MQW的中轴线位于同一水平面，这样可以使得激光从DFB-MQW传输到EAM-MQW时不会因为两者的水平轴错位而导致大量的光损耗与光反射。
进一步的，基板下端面镀有一层n-金属电极层，n-金属电极主要目的是形成芯片的引出端电极，方便之后的封装贴片，另外，其可以增加芯片的散热面积，改善其高温特性。
进一步的，EAM区抗反射镀膜层包括沿着背离EML芯片方向依次设置的厚度为20nm的第一Ta2O5层、厚度为38nm的第一Si层和厚度为45nm的第二Ta2O5层，这样与的厚度组合可以将端面反射率降到<1％，采用Ta2O5/Si的组合其应力状况及抗老化性能都非常优异。
进一步的，DFB-LD区高反射镀膜层包括沿着背离EML芯片方向依次设置的厚度为130nm的第三Ta2O5层、厚度为100nm的第二Si层、厚度为130nm的第四Ta2O5层、厚度为100nm的第三Si层和厚度为60nm的第五Ta2O5层，这样的组合通过实验可以使得端面反射率>90％，且Ta2O5/Si在高温下膨胀系数小，抗水汽及热冲击能量强。
进一步的，电隔离区的宽度为20-100um，采用刻蚀或离子注入的方式形成，这样的宽度可以使得LD区与EAM区的实现可靠的电隔离，防止两个区域在高速调制时发生窜扰，影响传输特性。
附图说明
图1为EML芯片结构示意图；
图2为EML芯片的顶视图；
图3为引入倾斜的EAM波导的EML芯片结构示意图；
图4为倾斜的EAM出光端面的EML芯片结构示意图；
图5a为制造本实用新型的步骤1示意图；
图5b为制造本实用新型的步骤2示意图；
图5c为制造本实用新型的步骤3示意图；
图5d为制造本实用新型的步骤4示意图；
图6为现有的具有全光栅层的DFB-LD的EML芯片；
图7为本实用新型的具有部分光栅层DFB-LD的EML芯片；
图8为具有全光栅层结构的EML芯片的光功率-电流曲线，以及效率-电流曲线测量结果图；
图9为具Lg/(Ln+Lg)＝0.8有局部光栅结构的EML芯片测量结果图；
图10为具Lg/(Ln+Lg)＝0.5有局部光栅结构的EML芯片测量结果图；
图11为具有Lg/(Ln+Lg)＝0.7局部光栅结构的EML芯片测量结果图；
附图中：10、基板，11、DFB-MQW，12、EAM-MQW，13、DFB-LD区光栅层，14、DFB-LD区局部光栅层，15、DFB-LD区金属电极，17、EAM区金属电极，19、EMA出光，20、包层，21、反射光，30、电隔离区，40、DFB-LD区p-金属电极，41、EAM区p-金属电极，42、n-金属电极层，43、DFB-LD区高反射镀膜层，44、EAM区抗反射镀膜层，100、DFB-LD区，200、EAM吸收调制区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，本实用新型中，以芯片的DFB-LD区高反射镀膜层相对于芯片的方向为左，以EAM区抗反射镀膜层相对于芯片的方向为右，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
现有的具有全光栅层的DFB-LD的电吸收调制半导体激光器芯片(以下简称EML芯片)如图6所示。参照图7，本实用新型抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片包括基板10，基板10上端左侧设置有DFB-MQW(分布反馈多量子阱)11，基板10上端右侧设置有EAM-MQW(分布反馈多量子阱)12，DFB-MQW11和EAM-MQW12同轴，DFB-MQW11的高度小于EAM-MQW12的高度，DFB-MQW11的末端和EAM-MQW12的首端相接，DFB-MQW11上端设置有DFB-LD区局部光栅层14，DFB-LD区局部光栅层14的长度小于DFB-LD区100的长度，DFB-LD区局部光栅层14的右端与DFB-LD区100的右端对齐，其中Ln是DFB-LD区100总长度减去DFB-LD区局部光栅层14的长度，Lg是DFB-LD区局部光栅层14的长度。DFB-LD区100总长度为(Ln+Lg)，Lg/(Ln+Lg)＝0.5～0.8，其中0.7为稳定性最佳值，DFB-LD区局部光栅层14上方沉积有InP包层20，包层20上面刻蚀凹槽，该凹槽为电隔离区30，电隔离区30的宽度为20um～100um，所述电隔离区30采用刻蚀或离子注入的方式形成，位于电隔离区30左侧的包层20上镀有DFB-LD区p-金属电极40，位于电隔离区30右侧的包层20上镀有EAM区p-金属电极41，InP基板下端面镀有一层n-金属电极层42，EML芯片的左侧端面设置有DFB-LD区高反射镀膜层43，EML芯片的右侧端面设置有EAM区抗反射镀膜层44。
EAM区抗反射镀膜层44包括沿着背离EML芯片方向依次设置的厚度为15nm～25nm的第一Ta2O5层、厚度为33nm～43nm的第一Si层和厚度为40nm～50nm的第二Ta2O5层,其中厚度为20nm的第一Ta2O5层、厚度为38nm的第一Si层和厚度为45nm的第二Ta2O5层为最优组合，此时可以将端面反射率降到<1％，采用Ta2O5/Si的组合其应力状况及抗老化性能都非常优异。
DFB-LD区高反射镀膜层43包括沿着背离EML芯片方向依次设置的厚度为125nm～135nm的第三Ta2O5层、厚度为95nm～105nm的第二Si层、厚度为125nm～135nm的第四Ta2O5层、厚度为95nm～105nm的第三Si层和厚度为55nm～65nm的第五Ta2O5层，其中厚度为130nm的第三Ta2O5层、厚度为100nm的第二Si层、厚度为130nm的第四Ta2O5层、厚度为100nm的第三Si层和厚度为60nm的第五Ta2O5层为最优组合，此种组合通过实验可以使得端面反射率>90％，且Ta2O5/Si在高温下膨胀系数小，抗水汽及热冲击能量强。
实施例1
抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片包括基板10，基板10为InP基板，基板10上端左侧设置有DFB-MQW(分布反馈多量子阱)11，基板10上端右侧设置有EAM-MQW(电吸收调制多量子阱)12，DFB-MQW11的末端和EAM-MQW12的首端相接，DFB-MQW11和EAM-MQW12上端设置有DFB-LD区局部光栅层14，其中DFB-LD区局部光栅层14如图7所示，其中Ln是DFB-LD区100总长度减去DFB-LD区局部光栅层的长度，Lg是DFB-LD区局部光栅层的长度。DFB-LD区100总长度为(Ln+Lg)，Lg/(Ln+Lg)＝0.8，DFB-LD区局部光栅层14上方沉积有InP包层20，包层20上面刻蚀凹槽，该凹槽为电隔离区30，位于电隔离区30左侧的包层20上镀有DFB-LD区p-金属电极40，位于电隔离区30右侧的包层20上镀有EAM区p-金属电极41，基板10下端面镀有一层n-金属电极层42，EML芯片的左侧端面设置有DFB-LD区高反射镀膜层43，EML芯片的右侧端面设置有EAM区抗反射镀膜层44。
如图9所示，相比于全光栅的图8，其功率-电流曲线与斜效率-电流曲线的平滑程度都有极大的改善。只是斜效率-电流曲线在电流60mA-80mA的区间内有轻微的曲折，但其功率-电流曲线笔直，可以满足高速调制的需求。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于本实施例中Lg/(Ln+Lg)＝0.5，如图10所示,相比于全光栅的图8，其功率-电流曲线与斜效率-电流曲线的平滑程度同样改善。只是斜效率-电流曲线在电流0mA-40mA与90mA-120mA的区间内有些微的抖折，但这种微小的扭折，不影响高速调制的需求。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于本实施例中Lg/(Ln+Lg)＝0.7，如图11所示,相比于全光栅的图8，其功率-电流曲线与斜效率-电流曲线的都非常平滑。这样的器件在高速调制时的稳定性与可靠性最佳。
图8至图11中，Po为光功率；If为电流；SE为斜效率；Light-Current为光电特性图。
现有技术一般采用减少EAM与空气交界面反射回DFB-LD区的方式提高抗反射EML芯片的抗反射能力。而本实用新型采用局部光栅层的方式，增强DFB-LD区本身的抗反射光干扰能力，从而达到增强EML芯片抗反射的能力。理论计算说明该局部光栅能够让光场密度在DFB-LD高反射层不同相位下保持不变。根据理论计算，完整光栅DFB-LD区在不同相位下光密度在分布非常离散，即光强的分布对相位十分的敏感；而局部光栅的DFB-LD区的光密度分布则十分集中，光强分布十分稳定。这种相位低敏感的设计能够极大的改善DFB-LD对于反射的敏感性。本实用新型将有局部光栅层的DFB-LD设计应用到EML芯片中，从而得到抗反射EML芯片，极大降低了芯片制造工艺复杂度和成本，同时也为客户带来了成本降低。
图8为具有全光栅层结构的EML芯片的光功率-电流曲线，以及效率-电流曲线测量结果图。能够看到，由于光反射，两组曲线有大量扭折，出光功率在不同电流下极其不线性，EML芯片无法正常使用。图9为具有局部光栅结构的EML芯片的光功率-电流曲线，以及效率-电流曲线测量结果图，此时Lg/(Ln+Lg)＝0.7，其中的芯片光功率和斜效率均光滑，说明本实用新型能够极大的改善DFB-LD对于反射的敏感性，达到应用指标。
具有DFB-LD区局部光栅层的电吸收调制激光器芯片(EML)的制造流程示意图，包括以下四个步骤。
步骤一、参照图5a，部分区域性光栅制造步骤，目的是形成本实用新型中区域局部衍射光栅，首先通过通用光刻技术及选择性刻蚀技术使得DFB-LD区光栅层13上形成均匀衍射光栅形状，然后再次采用通用光刻技术与选择性刻蚀技术刻蚀掉指定区域的InGaAsP衍射光栅层(即DFB-LD+EAM区光栅层)13，形成DFB-LD区局部光栅层14。
步骤二、参照图5b，波导(波导包括DFB-LD区局部光栅层14和包层20)形成工艺，使用气相化学沉积的方法在DFB-LD区局部光栅层14上方沉积InP包层20，然后使用通用的光刻技术与刻蚀技术，在晶圆表面制造出激光器波导。
步骤三、参照图5c，电隔离区制造流程，使用通用的硬掩模技术与干法刻蚀技术，在包层20上面刻蚀凹槽，形成电隔离区30。
步骤四、参照图5d，通过气相化学沉积的方法在波导表面沉积绝缘层，然后使用通用光刻及镀金技术在波导上方形成DFB-LD区p-金属电极40和EAM区p-金属电极41。最后将基板10背面减薄抛光后镀上n-金属电极层42。之后再经过切割和镀膜工艺在芯片的两面形成DFB-LD区高反射镀膜层43与EAM区抗反射镀膜层44。
至此DFB-LD区100进行光栅层改进的电吸收调制激光器芯片制造完成。
Claims (7)
1.一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片，其特征在于，包括基板(10)，基板(10)上端并排设置有DFB-MQW(11)和EAM-MQW(12)，DFB-MQW(11)的末端和EAM-MQW(12)的首端相接，DFB-MQW(11)上端设置有DFB-LD区局部光栅层(14)，DFB-LD区局部光栅层(14)的长度Lg与DFB-LD区(100)总长度之比为0.5～0.8，DFB-LD区局部光栅层(14)的右端与DFB-LD区(100)的右端对齐，光栅层(14)上方沉积有InP包层(20)，包层(20)上面刻蚀有电隔离区(30)，位于所述电隔离区(30)右侧的包层(20)上镀有EAM区p-金属电极(41)，基板(10)下端面镀有一层n-金属电极层(42)，芯片的左侧端面设置有DFB-LD区高反射镀膜层(43)，芯片的右侧端面设置有EAM区抗反射镀膜层(44)。
2.根据权利要求1所述的一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片，其特征在于，所述DFB-LD区局部光栅层(14)的长度Lg与DFB-LD区(100)总长度之比为0.7。
3.根据权利要求1所述的一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片，其特征在于，所述DFB-MQW(11)和EAM-MQW(12)的中轴线位于同一水平面。
4.根据权利要求1所述的一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片，其特征在于，所述基板(10)下端面镀有一层n-金属电极层(42)。
5.根据权利要求1所述的一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片，其特征在于，所述EAM区抗反射镀膜层(44)包括沿着背离EML芯片方向依次设置的厚度为20nm的第一Ta2O5层、厚度为38nm的第一Si层和厚度为45nm的第二Ta2O5层。
6.根据权利要求1所述的一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片，其特征在于，所述DFB-LD区高反射镀膜层(43)包括沿着背离EML芯片方向依次设置的厚度为130nm的第三Ta2O5层、厚度为100nm的第二Si层、厚度为130nm的第四Ta2O5层、厚度为100nm的第三Si层和厚度为60nm的第五Ta2O5层。
7.根据权利要求1所述的一种抗反射的电吸收调制半导体激光器芯片，其特征在于，所述电隔离区(30)的宽度为20um～100um，所述电隔离区(30)采用刻蚀或离子注入的方式形成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 712000 area C, No.20 accelerator plant, North District, Tsinghua Science Park, 55 Century Avenue, Fengxi new town, Xixian New District, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee after: Shaanxi Yuanjie Semiconductor Technology Co.,Ltd. Address before: 712000 area C, No.20 accelerator plant, North District, Tsinghua Science Park, 55 Century Avenue, Fengxi new town, Xixian New District, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee before: SHAANXI YUANJIE SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |