專利名稱：光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過選擇區(qū)域生長(SAG)，量子阱混雜(QWI)及非對(duì)稱雙波導(dǎo)(ATG)技術(shù)，采用常用的濕法腐蝕和光刻工藝制作一種半導(dǎo)體光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器單片集成器件的方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的發(fā)展，超大容量和長距離信息的高速傳輸、處理和存儲(chǔ)是十分關(guān)鍵的技術(shù)。無論是長途通信的干線網(wǎng)、廣域網(wǎng)、還是短途通信的局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、短途數(shù)據(jù)聯(lián)接光交換等都需要大量的高性能、低成本的光電子器件來支撐網(wǎng)絡(luò)的功能。WDM技術(shù)和OTDM技術(shù)是解決不斷增長的傳輸信息的關(guān)鍵技術(shù)。高速DWDM和OTDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須具備多種光邏輯功能，如放大、調(diào)制、路由、波長轉(zhuǎn)換、上傳和下載的功能。開發(fā)單片集成的多功能光子器件是降低系統(tǒng)成本，推動(dòng)光電子器件技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵所在。
半導(dǎo)體光放大器是全光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和未來光纖互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。相對(duì)目前占統(tǒng)治地位的光纖放大器而言，SOA具有體積小、功耗低、易于與其它光電子器件集成等優(yōu)點(diǎn)，如果在有源區(qū)引入張應(yīng)變材料，還可以達(dá)到偏振不靈敏。在未來的光網(wǎng)絡(luò)中，它將廣泛用于中繼放大、波長轉(zhuǎn)換、光開關(guān)、上下線路由等方面。
電吸收調(diào)制器具有高速、高的消光比和低的啁啾噪聲，體積小，驅(qū)動(dòng)電壓低以及易于集成的優(yōu)點(diǎn)，可用于DWDM系統(tǒng)和時(shí)分復(fù)用(OTDM)的外調(diào)制器和信號(hào)發(fā)生器，也可以做成光開關(guān)。
模斑轉(zhuǎn)換器可以將半導(dǎo)體芯片(如激光器、光放大器、電吸收調(diào)制器)輸出的橢圓光斑變成和單模光纖(SMF)的本征光斑相匹配的圓光斑，從而提高器件與SiO2波導(dǎo)(光纖)的耦合效率，增加耦合容差，降低耦合成本。對(duì)于大功率半導(dǎo)體光放大器來說，集成了模斑轉(zhuǎn)換器，除了提高耦合效率和偏調(diào)容差外，還可以提高工作壽命和最大飽和輸出功率。
半導(dǎo)體光放大器(SOA)，電吸收調(diào)制器(EA)及模斑轉(zhuǎn)換器(SSC)的單片集成功能器件，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)特別是密集波分復(fù)用(DWDW)系統(tǒng)的發(fā)展意義重大，一方面它可以通過單片集成的方法在一個(gè)芯片上面同時(shí)擁有WDM系統(tǒng)所需要的多種光邏輯功能，另一方面，通過單片集成的方法可以大大地減小芯片的尺寸和制作封裝成本。SOA可以對(duì)外來的光進(jìn)行放大，補(bǔ)充光在傳輸過程中不可避免的傳輸損耗，EA可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，如果在輸入和輸出端各加一個(gè)模斑轉(zhuǎn)換器，則可提高器件和光纖的耦合效率和偏調(diào)容差，降低器件耦合封裝的難度和成本。
從材料學(xué)的角度來看，單片集成光子器件需要在同一個(gè)InP襯底片上生長多種不同的能隙波長的材料以完成不同的功能。例如，對(duì)于工作在1.55μm波長附近的單片集成光子器件而言，通常需要三種能隙波長的材料1.55μm波長的材料作為增益區(qū)，用于形成激光器或者半導(dǎo)體光放大器；1.50μm能隙波長的材料作為激子吸收區(qū)，用于形成電吸收調(diào)制器；小于或者等于1.45能隙波長的材料作為無源區(qū)，用于形成的損耗光波導(dǎo)。為了制作復(fù)雜的單片集成光子器件，需要構(gòu)建一個(gè)成熟的集成工藝技術(shù)平臺(tái)。研究人員提出并實(shí)現(xiàn)了多種多樣的集成技術(shù)選擇區(qū)域生長(SAG)，對(duì)接生長(butt-joint growth)，量子阱混雜(QWI)，非對(duì)稱雙波導(dǎo)(ATG)。
對(duì)于制作光電子集成器件而言，選擇區(qū)域生長技術(shù)是一種非常誘人的技術(shù)，在金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)過程中，通過在平面襯底上制作的掩膜圖形，生長材料的能隙可以被局域地控制，從而實(shí)現(xiàn)選擇區(qū)域生長。由于SAG具有工藝相對(duì)簡單，成品率高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在光電子集成器件的制作上。
對(duì)接生長(butt-joint growth)是光子集成器件最直接的制作方法。butt-joint技術(shù)包含一系列的腐蝕、在生長過程首先在襯底上生長材料，然后用SiO2作為掩膜，局部選擇腐蝕去掉材料，并在腐蝕區(qū)域重新生長材料。通過反復(fù)的腐蝕、再生長過程，再同一襯底上制備不同帶隙波長的材料。對(duì)接生長的兩種不同帶隙波長材料存在陡峭的界面，有利于光子集成器件的制作。由于不同帶隙波長的材料在不同的生長過程中制備，對(duì)接生長可以實(shí)現(xiàn)材料的分別優(yōu)化，得到高性能的器件。對(duì)接生長最大的缺點(diǎn)是生長次數(shù)多，工藝復(fù)雜，器件成本率偏低。
量子阱混雜技術(shù)(QWI)是一種生長后處理技術(shù)，通常包括三個(gè)步驟1、在量子阱材料的表層產(chǎn)生大量的缺陷；2、在某種激勵(lì)條件小，例如快速熱退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)，促使點(diǎn)缺陷向量子阱區(qū)域移動(dòng)；3、點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散可以誘導(dǎo)量子阱/壘材料的組分原子在界面處發(fā)生互混雜，導(dǎo)致材料組分發(fā)生變化，從而改變帶隙波長。QWI技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是采用傳統(tǒng)的平面外延生長技術(shù)，無需再生長過程。由于點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)散具有一定的側(cè)向運(yùn)動(dòng)過程，因此不同材料之間并不是陡峭過渡的，存在2～3um的變化區(qū)域，這對(duì)集成光子器件的性能來說通常沒有太大的影響。
非對(duì)稱雙波導(dǎo)(ATG)技術(shù)的原理是基于光波導(dǎo)模式的漸變耦合。工藝的基本過程如下首先在一次外延中依次逐層生長集成光子器件所需要的各種不同帶隙波長材料，各層之間使用薄的InP層隔開，帶隙波長較長的增益材料被生長在最上層；在隨后的脊波導(dǎo)刻蝕過程中，使用寬度逐漸變窄的側(cè)向楔形波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)相鄰層之間光場(chǎng)模式低損耗漸變耦合。在器件的增益區(qū)中，上波導(dǎo)具有較大的等效折射率，而下波導(dǎo)等效折射率較小，因此在增益區(qū)中光場(chǎng)被很好地限制在上波導(dǎo)中；隨著楔形波導(dǎo)的逐漸變窄，上波導(dǎo)等效折射率減小，當(dāng)上波導(dǎo)等效折射率低于下波導(dǎo)等效折射率時(shí)，光場(chǎng)逐漸耦合到下波導(dǎo)中，因此適當(dāng)設(shè)計(jì)楔形波導(dǎo)形狀，可以使光場(chǎng)低損耗的從上波導(dǎo)耦合到下波導(dǎo)中。ATG技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不同帶隙波長的材料在一次平面生長中即可形成，而且不同材料的應(yīng)變、厚度都是可以分別優(yōu)化的。使用優(yōu)化的耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，側(cè)向楔形波導(dǎo)的耦合損耗可小于1dB(參見Photonic.Technol.Lett.，Vol.11，1999，pp.1096)。ATG技術(shù)使用重復(fù)的光刻、腐蝕步驟定義集成光學(xué)器件的不同功能區(qū)域，這一點(diǎn)和傳統(tǒng)的CMOS工藝相似，可以借鑒CMOS工藝的一些制作經(jīng)驗(yàn)。ATG技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于集成光學(xué)器件的制作，如有源器件(SOA，SOA，EA)和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成等。
國際上有名的公司，如AT&T，NTT，Lucent等均推出了各自的半導(dǎo)體放大器、電吸收調(diào)制器、模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成器件(參見Electron.Lett，1996，32111 and IEEE J.Select.Topics Quantum Electron，2000，619 and J.Lightwave Technol，2002，202052 and IEEE Photon.Technol.Lett，2002，1427 and IEEE Photon.Technol.Lett，2003，15679)。制作的方法有選擇區(qū)域生長(SAG)及對(duì)接(butt-joint)生長等工藝技術(shù)。結(jié)構(gòu)上分，有脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及掩埋結(jié)構(gòu)兩種。butt-joint可以對(duì)SOA、EA及SSC分別進(jìn)行優(yōu)化，可以得到性能較好的SOA、EA及SSC集成器件。但是制作工藝比較復(fù)雜，外延次數(shù)較多，成本高；放大器、調(diào)制器及模斑轉(zhuǎn)換器連接處的晶體質(zhì)量較差，不易獲得高耦合效率的對(duì)接波導(dǎo)。掩埋結(jié)構(gòu)相對(duì)脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，外延次數(shù)增多，制作工藝復(fù)雜。
我們采用選擇區(qū)域生長，量子阱混雜以及非對(duì)稱雙波導(dǎo)技術(shù)成功地制作了半導(dǎo)體光放大器，電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成器件。其中SOA/EA區(qū)域采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，模斑轉(zhuǎn)換器采用掩埋雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(簡稱BRS結(jié)構(gòu))。整個(gè)器件把脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、掩埋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、非對(duì)稱雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合在一起，制作方法和制作普通的脊型波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器兼容。整個(gè)器件只需要三次低壓有機(jī)金屬氣相外延(簡稱LP-MOVPE)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其具有工藝簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)本發(fā)明的相應(yīng)器件在波長1.55-1.60μm范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)制速率10Gbit/s以上，插入損耗為0dB，消光比大于10dB，偏振增益差小于1.2dB。
本發(fā)明一種光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，包括以下制作步驟(1)在n型磷化銦襯底上依次外延生長n型磷化銦緩沖層，下波導(dǎo)層，磷化銦空間層，和一層1.1Q層；(2)利用PECVD技術(shù)在1.1Q層生長SiO2；(3)利用光刻板在放大器區(qū)域定義出SiO2掩膜對(duì)；(4)用311腐蝕液腐蝕晶片上最上面的1.1Q層；(5)在刻有掩膜對(duì)的晶片上面生長多量子阱有源區(qū)及上下光限制層和本征InP注入緩沖層；(6)利用離子增強(qiáng)化學(xué)沉積的方法在整個(gè)晶片上面生長SiO2保護(hù)層；(7)利用光刻板，腐蝕去掉兩端模斑轉(zhuǎn)換器的SiO2保護(hù)層，同時(shí)保留放大器和調(diào)制器區(qū)的SiO2保護(hù)層；(8)使用熱耙低能磷離子注入，在兩端模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的i-InP注入緩沖層產(chǎn)生點(diǎn)缺陷；(9)利用HF溶液腐蝕掉放大器和調(diào)制器區(qū)的SiO2保護(hù)層，同時(shí)利用PECVD設(shè)備在晶片上面重長SiO2保護(hù)層以免隨后的快速熱退火過程對(duì)晶片表面產(chǎn)生損傷；
(10)快速退火；(11)利用HF酸腐蝕SiO2保護(hù)層，同時(shí)利用4∶1的鹽酸溶液腐蝕掉注入緩沖層；(12)利用相應(yīng)的光刻板把放大器和調(diào)制器區(qū)域進(jìn)行掩蔽，采用濕法腐蝕工藝刻出兩端模斑轉(zhuǎn)換器上脊形狀；(13)然后利用自對(duì)準(zhǔn)工藝刻出下波導(dǎo)；(14)再生長p型磷化銦包層和高摻雜p型銦鎵砷歐姆電極接觸層；(15)把兩端模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)域掩蔽，重新刻出放大器和調(diào)制器區(qū)的上脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；(16)刻出放大器和調(diào)制器區(qū)之間的電隔離溝，用311溶液腐蝕掉隔離溝的InGaAs接觸層；(17)在放大器和調(diào)制器區(qū)的隔離溝及放大器和調(diào)制器區(qū)的臺(tái)面兩側(cè)均進(jìn)行He+的注入；(18)刻出放大器和調(diào)制器區(qū)的下脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；(19)用311腐蝕液腐蝕掉兩端模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的p型銦鎵砷歐姆電極接觸層；(20)利用熱氧化技術(shù)生長SiO2絕緣層；(21)在放大器和調(diào)制器區(qū)兩邊淀積聚酰亞胺，并進(jìn)行固化；(22)開電極窗口；(23)光刻電極圖形；(24)濺射P電極；
(25)帶膠剝離出P電極；(26)外延片襯底減薄至100μm、濺射n電極；(27)在晶片上沿
方向解理管芯；(28)在管芯的兩端鍍TiO2/SiO2具有極低反射率的增透膜；(29)垂直腔面切割管芯。
其中磷化銦空間層的厚度為0.2μm。
其中1.1Q層的厚度為30nm。
其中SiO2的厚度為150nm。
其中掩膜對(duì)的寬度30μm，間隔15μm。
其中熱耙是將晶片加熱到200℃。
其中低能磷離子注入，其能量為50kev，注入劑量為5×1013/cm3；其中退火是指在爐中對(duì)晶片加熱到700℃，保溫120s。
其中所述的下波導(dǎo)層的厚度在45～50nm之間，帶隙波長為1.1μm，和InP襯底的晶格常數(shù)匹配，n型摻雜濃度在1018/cm3量級(jí)；空間層的厚度在0.15～0.3μm，n型摻雜濃度在1017/cm3量級(jí)；有源區(qū)包括10個(gè)周期的量子阱；每個(gè)壓應(yīng)變銦鎵砷磷量子阱的厚度在EA及SSC區(qū)為6～7nm，應(yīng)變量在0.3％～0.4％之間；此外，多量子阱中的壘為四元銦鎵砷磷，在電吸收調(diào)制器及模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的壘厚為6～7nm之間，應(yīng)變量在-0.3％～-0.4％之間，帶隙波長為1.2μm。
其中在步驟(12)中采用過腐蝕技術(shù)使SSC有源區(qū)輸出末端的寬度小于0.5μm，以保證放大器和調(diào)制器區(qū)的光逐漸耦合到下面的下波導(dǎo)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
(1)兼容了脊型波導(dǎo)和掩埋波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各自的缺點(diǎn)；(2)下波導(dǎo)不需要進(jìn)行多次InP和InGaAsP的多次生長來調(diào)整下波導(dǎo)的帶隙波長，減少了LP-MOVPE的生長次數(shù)；(3)無需特意增加刻蝕停止層，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中各層以及InP空間層在濕法腐蝕時(shí)，自然起到了刻蝕停止層的作用；(4)利用常規(guī)的濕法腐蝕和光刻工藝便可完成器件的制作，無需采用電子束圖形曝光等昂貴的光刻和腐蝕工藝，器件成本大大降低。
(5)利用選擇外延MOCVD技術(shù)，一次外延就可以把SOA和EA的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)生長出來，同時(shí)可以精確控制兩者之間的波長偏調(diào)量。
(6)采用非對(duì)稱雙波導(dǎo)技術(shù)制作模斑轉(zhuǎn)換器，模斑轉(zhuǎn)換器的材料和SOA/EA區(qū)的材料在一次平面生長中即可完成，上下波導(dǎo)層的帶隙波長，厚度，以及應(yīng)變等都是可以分別優(yōu)化的，同時(shí)中間的InP空間層的厚度也可以優(yōu)化；(7)對(duì)SSC區(qū)我們?cè)陔娢照{(diào)制區(qū)材料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用量子阱混雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶隙波長藍(lán)移，降低器件的吸收損耗；(8)采用在EA兩邊淀積聚酰亞胺可以使EA總電容降低，同時(shí)提高EA的調(diào)制速率。
(9)充分利用了量子尺寸效應(yīng)，即能級(jí)是分立的，態(tài)密度為階梯狀分布，因此其內(nèi)量子效率較高，微分增益較大。
(10)充分利用了應(yīng)變能帶工程，采用應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，即有源區(qū)由壓應(yīng)變的阱和張應(yīng)變的壘構(gòu)成，通過引進(jìn)張應(yīng)變來提高TM模增益實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏，而且能在大的工作電流和寬的波長范圍內(nèi)獲得較低的偏振不靈敏度。
(11)SOA的光限制因子較大，因此具有適當(dāng)長度的器件和在適度的電流下便可獲得高增益。因此該結(jié)構(gòu)的無損操作電流小、芯片增益大；(12)該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)自由度較大，對(duì)有源波導(dǎo)和無源波導(dǎo)的帶隙和尺寸分別進(jìn)行優(yōu)化，SSC輸出端面幾乎可以得到近似圓形的且和單模光纖本征光斑模式幾乎匹配的光斑。遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角在水平和垂直方向分別可以達(dá)到8.0°和18.0°，和單模光纖耦合效率可達(dá)3dB，1-dB偏調(diào)容差在水平和垂直方向達(dá)±2.9和±2.56μm。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的器件的制作方法以及研制所取得的結(jié)果做較為詳細(xì)的描述，其中圖1為器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為測(cè)得的光放大器、調(diào)制器、及模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的光熒光譜圖；圖3為在100mA放大器注入電流，調(diào)制器零偏壓下，器件放大的自發(fā)發(fā)射譜圖；圖4為調(diào)制器輸出端面(a)及模斑轉(zhuǎn)換器輸出端面(b)的遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖；圖5為光纖到光纖的增益與輸入波長的關(guān)系圖；圖6為調(diào)制器在不同的偏置電壓下的電—光響應(yīng)曲線圖；圖7為100mA光放大器注入電流下，調(diào)制器的直流消光比曲線圖；圖8為選擇外延生長所用的光刻板圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，包括如下制作步驟(1)2英寸的n-InP襯底經(jīng)嚴(yán)格的去污(依次使用乙醇、三氯乙烯、丙酮、乙醇加熱煮沸)→酸洗(濃硫酸浸泡1～2分鐘)→水洗(去離子水沖洗50遍以上)→甩干處理后，放入生長室，生長溫度655℃，生長壓力22mbar，石墨舟轉(zhuǎn)速75～80轉(zhuǎn)/分。生長速度0.4～0.7nm/s；(2)在n型磷化銦襯底(100)面上外延生長n型磷化銦緩沖層(0.5μm厚)、下波導(dǎo)層(厚度50nm，帶隙波長為1.1μm)、0.2μm磷化銦空間層、薄的1.1Q層(30nm)；(3)利用PECVD技術(shù)在1.1Q層生長150nm厚的SiO2，同時(shí)利用圖8所示的光刻板在SOA區(qū)刻出SAG生長的mask對(duì)，mask寬度30μm，間隔為15μm；(4)用311溶液腐蝕掉最上面的1.1Q層，對(duì)晶片重新進(jìn)行清洗；(5)利用LP-MOCVD第二次生長下光限制層(厚度100nm，帶隙波長為1.2μm)、張應(yīng)變量子阱有源區(qū)、上光限制層(厚度100nm，帶隙波長為1.2μm)和150nm厚的i-InP注入緩沖層；
(6)利用PECVD在整個(gè)wafer上面生長400nm左右的SiO2保護(hù)層；(7)利用相應(yīng)的光刻板，腐蝕去掉兩端SSC區(qū)的SiO2保護(hù)層，保留SOA/EA區(qū)的SiO2保護(hù)層；(8)使用熱耙(把襯底加熱到200℃)低能磷離子注入，在兩端SSC區(qū)的i-InP注入緩沖層產(chǎn)生點(diǎn)缺陷；注入能量均為50kev，注入劑量為5×1013/cm3；(9)利用HF溶液腐蝕掉SOA/EA區(qū)的SiO2保護(hù)層，同時(shí)利用PECVD在晶片上面重長150nm厚的SiO2保護(hù)層；(10)在退火爐中對(duì)晶片加熱到700℃，保溫120s，然后快速熱退火；(11)用用HF酸溶液去掉晶片上面的150nm厚的SiO2保護(hù)層，用4HCl∶1H2O的鹽酸溶液去掉最上面的150nm厚的i-InP注入緩沖層，利用相應(yīng)的光刻板刻板用311溶液(3H2SO4∶1H2O∶1H2O2)去InGaAsP，刻蝕出SSC上波導(dǎo)形狀；(12)用丙酮去膠后，重新涂甩厚膠，利用圖相應(yīng)的光刻板(周期為300μm)曝光、顯影后，采用1Br∶25HBr∶80H2O的溶液去InGaAsP及InP，腐蝕出SSC的下脊形狀。由于上述溶液為非選擇性腐蝕液，因此可以通過多次腐蝕實(shí)驗(yàn)和臺(tái)階儀測(cè)量來精確估算腐蝕速度，確保腐蝕到InP-buffer為止。當(dāng)然，我們也可以利用器件結(jié)構(gòu)的自然刻蝕停止層，分別用311溶液腐蝕InGaAsP層，4HCl∶1H2O的溶液腐蝕InP。不過這樣分層腐蝕效率低，特別是311溶液腐蝕下無源波導(dǎo)1.1Q時(shí)，腐蝕時(shí)間比較長；(13)把樣品嚴(yán)格清洗干凈后，放在MOCVD室生長p型磷化銦(100nm)，1.1Q刻蝕停止層(20nm)，P型磷化銦包層(1.8μm)和高摻雜p型銦鎵砷歐姆電極接觸層(0.2μm)；(14)采用相應(yīng)的光刻板，把SSC部分掩蔽，刻出SOA/EA部分的上脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中InGaAs接觸層采用311溶液腐蝕，p型InP用4HCl∶1H2O溶液腐蝕，一直腐蝕到1.1Q的刻蝕停止層；(15)刻出放大器和電吸收調(diào)制器之間的電隔離溝，用311溶液腐蝕掉隔離溝的InGaAs接觸層；(16)在晶片上面涂甩5μm的厚膠，利用相應(yīng)的光刻板刻出He+的注入的圖形在放大器和電吸收調(diào)制器的隔離溝及其臺(tái)面兩側(cè)均進(jìn)行He+的注入，注入條件為50kev/4×1013，100kev/4×1013，180kev/4×1013，注入方向和晶片的
方向傾斜7°。
(17)利用等離子打膠機(jī)打膠20分鐘，取出片子，放進(jìn)煮沸的丙酮溶液中去除光刻膠，同時(shí)把片子清洗干凈；(18)刻出SOA/EA區(qū)下脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；(19)移用相應(yīng)的光刻板，把兩端SSC區(qū)頂層的InGaAs接觸層用311溶液腐蝕掉，同時(shí)把片子清洗干凈；(20)用熱氧化CVD設(shè)備在樣品表面生長厚350nm的絕緣SiO2，生長溫度350℃；(21)在晶片上面涂甩聚酰亞胺，厚度約4μm，利用相應(yīng)的光刻板刻出聚酰亞胺的圖形，隨后在保溫爐中進(jìn)行固化，固化條件為從室溫升到200℃，保溫30分鐘，再從200℃升到300℃，保溫30分鐘。隨后讓它自然從300℃降到室溫。固化期間一直通N2保護(hù)；(22)利用相應(yīng)的光刻板開出放大器和調(diào)制器的SiO2電極窗口；(23)在片子上甩膠，光刻電極圖形，并且反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)過程是把光刻后的片子放在氨氣的保溫爐中，加熱到110℃，取出片子重新在光刻機(jī)下曝光；(24)濺射P電極(Ti/Pt/Au)；(25)帶膠剝離出P電極；(26)外延片襯底減薄至100μm、濺射n電極；(27)沿
方向解理管芯；(28)在管芯的兩端鍍TiO2/SiO2具有極低反射率的增透膜(AR膜)；(29)垂直腔面切割成300μm×14500μm的管芯。
由圖1可以看出該器件采用的是雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，整個(gè)器件是利用三次LP-MOVPE生長而成的。器件的具體結(jié)構(gòu)及尺寸在在發(fā)明內(nèi)容中已有詳細(xì)的描述。
由圖2知，放大器區(qū)的PL譜波長1.75μm，調(diào)制器區(qū)1.50μm，SSC區(qū)1.40μm，三者的強(qiáng)度及半寬均相差不大，說明在SAG區(qū)生長的晶體質(zhì)量和大面積區(qū)一樣好，對(duì)SSC區(qū)進(jìn)行QWI，并沒有使材料的質(zhì)量變壞；由圖3知，當(dāng)SOA的注入電流為100mA，調(diào)制器偏壓為0V時(shí)，在1450～1650nm范圍，器件的偏振相關(guān)增益小于1.2dB。
由圖4可知，EA輸出端面的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角在水平和垂直方向分別為微30.0°和49.0°。SSC端為7.3°和18.0°。由此可知，在EA輸出端面的光斑很小，呈橢圓狀；而在SSC端面的光斑已經(jīng)變大，并且?guī)缀醭蕡A形。
由圖5可知，當(dāng)輸入光功率為-13.0dBm，器件在1550～1600nm的波長范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)無損工作。
由圖6可知，當(dāng)EA的偏置電流在0V的時(shí)候，器件的3dB帶寬大于10GHz。EA在實(shí)際工作中是負(fù)偏壓的，其p-i-n結(jié)電容會(huì)更小，3dB調(diào)制帶寬會(huì)更大。
由圖7可知，當(dāng)輸入光波長1.580um，SOA注入電流100mA，EA偏壓-3.5V時(shí)，器件的直流消光比為23dB，偏壓為-2.5V，直流消光比亦可達(dá)到16dB.隨著輸入波長的增加，器件的消光比減小，但是器件的插損亦減小。這是因?yàn)檩斎氩ㄩL愈接近EA的吸收帶邊，EA的激子吸收效應(yīng)愈明顯。
由圖8可知，選擇外延所用的掩膜對(duì)寬度30μm，間隔15μm，長度600μm。
由此可知，該器件制作方法簡便，性能良好。其相應(yīng)器件在波長1.55-1.60nm范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)制速率10Gbit/s以上，插入損耗為0dB，消光比大于10dB，偏振增益差小于1.2dB。這類器件可以作為編碼器，光開關(guān)，光波長轉(zhuǎn)換器，是未來光網(wǎng)絡(luò)的核心部件。
本發(fā)明是利用擇外延生長技術(shù)，量子阱混雜技術(shù)以及非對(duì)稱雙波導(dǎo)技術(shù)開發(fā)出一種新的半導(dǎo)體光放大器(SOA)、電吸收調(diào)制器(EA)和模斑轉(zhuǎn)換器(SSC)單片集成器件(即SSC+SOA+EA+SSC串接器件，以下簡稱SSES)。SSES的結(jié)構(gòu)見圖1。由圖1可以看出，該器件只需三次LP-MOVPE。其中一次為選擇外延生長。利用選擇外延生長技術(shù)，可以在SOA和EA得到不同的生長速率，其中SOA是富In生長，生長速率高于EA區(qū)，帶隙寬度小于EA區(qū)，即SOA區(qū)的PL譜波長比EA區(qū)長。通過選擇不同的mask寬度和不同的生長壓力和溫度，可以得到你所需要的波長偏調(diào)量。在我們的實(shí)驗(yàn)中，mask的寬度為30μm，間隔為15μm，生長壓力22mbar，生長溫度655℃。EA區(qū)的PL譜波長1500nm左右，而SOA為1575nm左右，偏調(diào)75nm左右。對(duì)兩端的SSC區(qū)在EA材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行量子阱混雜技術(shù)，可以使兩個(gè)區(qū)域的PL峰值波長從1500nm藍(lán)移到1400nm左右，降低器件的吸收損耗。SOA/EA區(qū)采用脊型雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而SSC采用掩埋雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。脊形波導(dǎo)工藝簡單，外延次數(shù)少，可靠性高，同時(shí)EA的電容可以做得很低，調(diào)制速率高；而掩埋結(jié)構(gòu)可以大大改善光斑模式特性。整個(gè)器件兼容了脊型波導(dǎo)和掩埋波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各自的缺點(diǎn)。SOA長600μm，EA長200μm，其間的隔離溝長50μm，SSC的長300μm，整個(gè)器件的長度為1450μm。有源上波導(dǎo)在SSC部分，條寬從3μm線性變化到0μm，呈楔形。無源下波導(dǎo)條寬8μm，厚度50nm左右，空間層的厚度0.2μm。在SSC區(qū)，采用非對(duì)稱雙波導(dǎo)技術(shù)(ATG)使上波導(dǎo)層的光通過空間層和下波導(dǎo)進(jìn)行相位耦合上波導(dǎo)層在側(cè)向呈楔形狀，傳輸一定的距離后，上波導(dǎo)達(dá)到截止條件使上波導(dǎo)的光絕熱地耦合到下波導(dǎo)。一旦光傳輸?shù)较虏▽?dǎo)，則光斑模式完全由下波導(dǎo)決定。由于下波導(dǎo)的厚度比較薄，帶隙波長短(1.1μm)，與InP的折射率差小，屬于弱限制波導(dǎo)，光斑的尺寸逐漸變大。到達(dá)SSC的輸出端面時(shí)，其光斑尺寸可以和單模光纖的模式尺寸匹配(單模光纖本征光斑半徑約5μm左右)。
該結(jié)構(gòu)綜合利用了脊型波導(dǎo)、掩埋波導(dǎo)、量子阱效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)和選擇外延技術(shù)，量子阱混雜技術(shù)和非對(duì)稱雙波導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，制作方法非常簡便，僅需要三次LP-MOVPE，利用常規(guī)的制作脊型波導(dǎo)激光器的光刻和濕法腐蝕工藝就可以完成，工藝兼容性非常好。
權(quán)利要求
1.一種光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，包括以下制作步驟(1)在n型磷化銦襯底上依次外延生長n型磷化銦緩沖層，下波導(dǎo)層，磷化銦空間層，和一層1.1Q層；(2)利用PECVD技術(shù)在1.1Q層生長SiO2；(3)利用光刻板在放大器區(qū)域定義出SiO2掩膜對(duì)；(4)用311腐蝕液腐蝕晶片上最上面的1.1Q層；(5)在刻有掩膜對(duì)的晶片上面生長多量子阱有源區(qū)及上下光限制層和本征InP注入緩沖層；(6)利用離子增強(qiáng)化學(xué)沉積的方法在整個(gè)晶片上面生長SiO2保護(hù)層；(7)利用光刻板，腐蝕去掉兩端模斑轉(zhuǎn)換器的SiO2保護(hù)層，同時(shí)保留放大器和調(diào)制器區(qū)的SiO2保護(hù)層；(8)使用熱耙低能磷離子注入，在兩端模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的i-InP注入緩沖層產(chǎn)生點(diǎn)缺陷；(9)利用HF溶液腐蝕掉放大器和調(diào)制器區(qū)的SiO2保護(hù)層，同時(shí)利用PECVD設(shè)備在晶片上面重長SiO2保護(hù)層以免隨后的快速熱退火過程對(duì)晶片表面產(chǎn)生損傷；(10)快速退火；(11)利用HF酸腐蝕SiO2保護(hù)層，同時(shí)利用4∶1的鹽酸溶液腐蝕掉注入緩沖層；(12)利用相應(yīng)的光刻板把放大器和調(diào)制器區(qū)域進(jìn)行掩蔽，采用濕法腐蝕工藝刻出兩端模斑轉(zhuǎn)換器上脊形狀；(13)然后利用自對(duì)準(zhǔn)工藝刻出下波導(dǎo)；(14)再生長p型磷化銦包層和高摻雜p型銦鎵砷歐姆電極接觸層；(15)把兩端模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)域掩蔽，重新刻出放大器和調(diào)制器區(qū)的上脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；(16)刻出放大器和調(diào)制器區(qū)之間的電隔離溝，用311溶液腐蝕掉隔離溝的InGaAs接觸層；(17)在放大器和調(diào)制器區(qū)的隔離溝及放大器和調(diào)制器區(qū)的臺(tái)面兩側(cè)均進(jìn)行He+的注入；(18)刻出放大器和調(diào)制器區(qū)的下脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；(19)用311腐蝕液腐蝕掉兩端模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的p型銦鎵砷歐姆電極接觸層；(20)利用熱氧化技術(shù)生長SiO2絕緣層；(21)在放大器和調(diào)制器區(qū)兩邊淀積聚酰亞胺，并進(jìn)行固化；(22)開電極窗口；(23)光刻電極圖形；(24)濺射P電極；(25)帶膠剝離出P電極；(26)外延片襯底減薄至100μm、濺射n電極；(27)在晶片上沿
方向解理管芯；(28)在管芯的兩端鍍TiO2/SiO2具有極低反射率的增透膜；(29)垂直腔面切割管芯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中磷化銦空間層的厚度為0.2μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中1.1Q層的厚度為30nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中SiO2的厚度為150nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中掩膜對(duì)的寬度30μm，間隔15μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中熱耙是將晶片加熱到200℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中低能磷離子注入，其能量為50kev，注入劑量為5×1013/cm3；
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中退火是指在爐中對(duì)晶片加熱到700℃，保溫120s。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中所述的下波導(dǎo)層的厚度在45～50nm之間，帶隙波長為1.1μm，和InP襯底的晶格常數(shù)匹配，n型摻雜濃度在1018/cm3量級(jí)；空間層的厚度在0.15～0.3μm，n型摻雜濃度在1017/cm3量級(jí)；有源區(qū)包括10個(gè)周期的量子阱；每個(gè)壓應(yīng)變銦鎵砷磷量子阱的厚度在EA及SSC區(qū)為6～7nm，應(yīng)變量在0.3％～0.4％之間；此外，多量子阱中的壘為四元銦鎵砷磷，在電吸收調(diào)制器及模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的壘厚為6～7nm之間，應(yīng)變量在-0.3％～-0.4％之間，帶隙波長為1.2μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求所述的光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其特征在于，其中在步驟(12)中采用過腐蝕技術(shù)使SSC有源區(qū)輸出末端的寬度小于0.5μm，以保證放大器和調(diào)制器區(qū)的光逐漸耦合到下面的下波導(dǎo)。
全文摘要
一種光放大器電吸收調(diào)制器和模斑轉(zhuǎn)換器的單片集成的方法，其是利用擇外延生長技術(shù)，量子阱混雜技術(shù)以及非對(duì)稱雙波導(dǎo)技術(shù)開發(fā)出一種新的半導(dǎo)體光放大器(SOA)、電吸收調(diào)制器(EA)和模斑轉(zhuǎn)換器(SSC)單片集成器件(即SSC+SOA+EA+SSC串接器件，以下簡稱SSES)。該器件只需三次LP－MOVPE。其中一次為選擇外延生長。利用選擇外延生長技術(shù)，可以在SOA和EA得到不同的生長速率，其中SOA是富In生長，生長速率高于EA區(qū)，帶隙寬度小于EA區(qū)，即SOA區(qū)的PL譜波長比EA區(qū)長。通過選擇不同的mask寬度和不同的生長壓力和溫度，可以得到你所需要的波長偏調(diào)量。
文檔編號(hào)G02B6/13GK1854877SQ20051001164
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者侯廉平, 王圩, 朱洪亮, 周帆 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所