專利名稱：一種制備高速電吸收調(diào)制器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光電子技術領域，尤其涉及一種制備高速電吸收調(diào)制器的方 法，通過量子阱混雜(QWI)技術，結(jié)合常用的濕法腐蝕，干法刻蝕和光刻工藝，在不縮短器
件長度的同時有效減小有源區(qū)長度，從而提高器件的調(diào)制速率，制作出性能優(yōu)異的高速率 電吸收調(diào)制器。
背景技術：
隨著人們對聲音、數(shù)據(jù)、圖像以及交互式等寬帶業(yè)務的需求，為了能使移動通信多
媒體化，通信系統(tǒng)必須能高速地傳送數(shù)據(jù)和圖像。但目前所用的無線頻帶帶寬比較窄，還不 能進行大容量傳送。在城市中通信，微波以下的頻段均被占用，為了提高通信容量.避免信 道擁擠和相互干擾，就要求無線通信能突破擁擠的低頻波段，從微波向更高頻率的毫米波 段擴展，從而提供更為廣闊的傳輸帶寬。但是.無線通信易受大氣環(huán)境的影響，不能實現(xiàn)長 距離的傳輸。 如果用光纖代替大氣作為傳輸媒質(zhì)來傳輸信號，將使目前的移動通信系統(tǒng)達到更 高的傳輸容量，同時實現(xiàn)超長距離的傳輸。因此，將光纖通信技術融合到無線通信網(wǎng)中就構 成了光纖毫米波系統(tǒng)，即R0F(Radio overFiber)系統(tǒng)。R0F系統(tǒng)對于電吸收調(diào)制器(EAM) 的要求有調(diào)制速率高，飽和光功率大，以及和光纖的耦合插損小等。 概括目前國際上報道的EAM器件，從電極結(jié)構上可以分為兩種集總(lumped) 式電極結(jié)構電吸收調(diào)制器(L-EAM)和行波(traveling-wave)電極結(jié)構電吸收調(diào)制器 (TW-EAM)。 在集總式電極結(jié)構中，信號只能加載到L-EAM光波導的中央。在信號頻率提高到 微波量級后，會在光波導的兩端產(chǎn)生很強的微波反射。 一旦信號頻率超過L-EAM的截止 頻率，其信號輸出強度將迅速下降，它的截止頻率主要受電阻電容時間常數(shù)限制(f = 1/ ^ RC， R —般為標準的50歐姆)。為了提高L-EAM的調(diào)制速率，必須降低其寄生電容，主要措 施是減少吸收區(qū)的長度L和電極焊點直徑①。當L減到100 ii m、①降低到35 ii m以下時， 管芯的制作和封裝極為困難。在行波電極結(jié)構的TW-EAM中，信號由光波導的一端加載，由 于TW-EAM中的電阻、電容和電感是均勻分布在整個電極當中，只要波導的特征阻抗與輸出 端的負載阻抗匹配，高頻微波信號就能與光波信號實現(xiàn)匹配，使微波信號的反射達到極小， 從而減小RC時間常數(shù)對調(diào)制速率的限制，提高TW-EAM的高頻調(diào)制響應帶寬。但是，電容在 頻率響應中仍起重要作用，減小電容有利于提高調(diào)制速率。 量子阱混雜技術(QWI)是一種外延生長后處理技術。它是利用量子阱和壘的材料 原子相互擴散改變量子阱的形狀和深度，從而改變量子阱的量子化狀態(tài)。這種量子化狀態(tài) 的改變通常表現(xiàn)為量子阱材料帶隙波長的藍移。量子阱混雜技術通常包括三個步驟
1、在量子阱材料的表層產(chǎn)生大量的點缺陷； 2、在某種激勵條件下，例如快速熱退火促使點缺陷向量子阱區(qū)域移動； 3、點缺陷的移動誘導量子阱/壘材料的組份原子在界面處發(fā)生互混雜，導致材料
4組份發(fā)生變化，從而使帶隙波長藍移。QWI技術的主要優(yōu)點為外延生長后的能帶處理技術。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術問題 有鑒于此，本發(fā)明的注意目的在于提供一種制備高速電吸收調(diào)制器的方法，以制
備出性能優(yōu)異的高調(diào)制速率電吸收調(diào)制器。該調(diào)制器不僅具有高調(diào)制速率，還具有偏振不 靈敏、高飽和光功率和低耦合損耗等特點。 (二)技術方案 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種制備高速電吸收調(diào)制器的方法，包括如下步 驟 步驟1 :采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法在襯底上依次外延生長銦磷 (InP)緩沖層、銦鎵砷磷(InGaAsP)下光限制層、多量子阱層(MQW) 、InGaAsP上光限制層和 InP注入緩沖層，得到制備高速電吸收調(diào)制器的外延片； 步驟2 :對該外延片的無源波導區(qū)進行磷離子注入誘導量子阱混雜處理 步驟3 :采用金屬有機化學氣相沉積法在外延片上二次外延生長p型InP蓋層和p
型銦鎵砷(InGaAs)歐姆電極接觸層； 步驟4 :掩蔽有源波導區(qū)域，腐蝕掉無源波導區(qū)上的p型InGaAs歐姆電極接觸層， 并對無源波導區(qū)的P型InP蓋層進行氦離子注入；
步驟5 :刻出脊型波導結(jié)構； 步驟6 :利用熱氧化技術生長Si02絕緣層，腐蝕掉有源波導區(qū)上面的Si(^，蒸發(fā)金 /鋅(Au/Zn)作為p型歐姆接觸金屬； 步驟7 :蝕掉脊波導兩側(cè)下光限制層上的Si(^絕緣層，蒸發(fā)金/鍺/鎳(Au/Ge/Ni) 作為n型歐姆接觸金屬； 步驟8 :用光刻膠保護脊波導和兩側(cè)的n型歐姆接觸金屬，化學腐蝕其余區(qū)域未至 半絕緣襯底； 步驟9 :涂覆聚酰亞胺保護脊波導，光刻露出脊波導中間有源波導區(qū)上的p型歐姆 接觸金屬和脊波導兩側(cè)的n型歐姆接觸金屬，然后進行固化； 步驟10 :在器件的整個上表面濺射鈦/鉬/金(Ti/Pt/Au)，光刻并腐蝕出電極圖 形；背面減薄，完成器件的制作。 上述方案中，步驟1中所述襯底為半絕緣銦磷InP襯底。所述InGaAsP下光限制層 的厚度是1000nm， InGaAsP上光限制層的厚度是lOOnm，形成非對稱大光腔結(jié)構。所述MQW 層為8 12個含有內(nèi)臺階的量子阱結(jié)構，帶隙波長為1500nm，補償綜合應變?yōu)槿鯊垜儭?
上述方案中，所述步驟2包括利用熱氧化技術在整個外延片上面生長二氧化硅 Si02保護層，腐蝕掉無源波導區(qū)上的Si02保護層，保留有源波導區(qū)上的SiOj呆護層；使用 熱耙低能磷離子注入，在無源波導區(qū)的InP注入緩沖層內(nèi)產(chǎn)生點缺陷；利用快速退火技術 使InP注入緩沖層內(nèi)的點缺陷向下層多量子阱區(qū)轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)注入?yún)^(qū)量子阱層帶隙波長的 藍移；然后腐蝕去掉Si02保護層和InP注入緩沖層。所述磷離子注入誘導量子阱混雜處 理的區(qū)域為器件的無源區(qū)域，它位于有源區(qū)域的兩端；作為吸收區(qū)的有源區(qū)域的能隙波長 是1.50iim，無源區(qū)經(jīng)量子阱混雜處理后材料能隙波長會向短波方向移動，小于或者等于
51.40iim，用于形成低吸收損耗光波導。 上述方案中，步驟4中所述氦離子注入的區(qū)域為器件無源波導上的InP蓋層區(qū)。
上述方案中，步驟10中所述金屬電極采用行波電極結(jié)構。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 1、通常為了提高器件的調(diào)制速率，需盡量減小器件長度。但是當器件長度減小到
一定程度后，器件的制作工藝和封裝都將極其困難。本發(fā)明將無源波導集成在有源波導兩
端，兩端無源波導部分通過量子阱混雜技術實現(xiàn)帶隙波長藍移，可有效地減少無源部分的
光吸收。器件的長度為兩端無源波導和中間有源波導的長度之和，在不改變器件長度的同
時可以縮短有源波導區(qū)長度，用簡單的技術可制作出高調(diào)制速率的電吸收調(diào)制器。 2、本發(fā)明將量子阱混雜技術有機地應用于電吸收調(diào)制器的制備，結(jié)合行波電極結(jié)
構，制作出兩端集成有無源波導部分的高調(diào)制速率電吸收調(diào)制器。


圖1是本發(fā)明制備高速電吸收調(diào)制器的方法流程圖；圖2是在襯底上一次外延生長后的結(jié)構示意圖；圖3是一次外延生長后作磷離子注入時的結(jié)構示意4是二次外延后的結(jié)構示意圖；圖5是氦離子注入時的結(jié)構示意圖；圖6是光刻出脊型波導后的結(jié)構示意圖；圖7是做出p型電極歐姆接觸金屬后的結(jié)構示意圖；圖8是做出n型電極歐姆接觸金屬后的結(jié)構示意圖；圖9是刻蝕出絕緣臺后的結(jié)構示意圖；圖10是聚酰亞胺包臺后的結(jié)構示意圖；圖11是做出行波電極后的結(jié)構示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。 本發(fā)明提供了一種制備高速電吸收調(diào)制器的方法，采用量子阱混雜(QWI)方法，
一次外延生長實現(xiàn)有源波導與無源波導集成，同時采用行波電極以進一步提高調(diào)制速率，
具有高調(diào)制速率、低插入損耗、高光飽和吸收功率和偏振不靈敏等特性。 如圖1所示，圖1是本發(fā)明制備高速電吸收調(diào)制器的方法流程圖，該方法包括如下
步驟 步驟1 :采用MOCVD方法在襯底上依次外延生長InP緩沖層、InGaAsP下光限制層、 MQW層、InGaAsP上光限制層和InP注入緩沖層，得到制備高速電吸收調(diào)制器的外延片；
步驟2 :對該外延片的無源波導區(qū)進行磷離子注入誘導量子阱混雜處理
步驟3 :采用金屬有機化學氣相沉積法在外延片上二次外延生長p型InP蓋層和p 型InGaAs歐姆電極接觸層；
6
步驟4 :掩蔽有源波導區(qū)域，腐蝕掉無源波導區(qū)上的p型InGaAs歐姆電極接觸層， 并對無源波導區(qū)的P型InP蓋層進行氦離子注入；
步驟5 :刻出脊型波導結(jié)構； 步驟6 :利用熱氧化技術生長Si02絕緣層，腐蝕掉有源波導區(qū)上面的Si02，蒸發(fā) Au/Zn作為p型歐姆接觸金屬； 步驟7 :蝕掉脊波導兩側(cè)下光限制層上的Si02絕緣層，蒸發(fā)Au/Ge/Ni作為n型歐 姆接觸金屬； 步驟8 :用光刻膠保護脊波導和兩側(cè)的n型歐姆接觸金屬，化學腐蝕其余區(qū)域未至 半絕緣襯底； 步驟9 :涂覆聚酰亞胺保護脊波導，光刻露出脊波導中間有源波導區(qū)上的p型歐姆 接觸金屬和脊波導兩側(cè)的n型歐姆接觸金屬，然后進行固化； 步驟10 :在器件的整個上表面濺射Ti/Pt/Au，光刻并腐蝕出電極圖形；背面減薄， 完成器件的制作。 請參閱圖2至圖11，是依照本發(fā)明具體實施例制備高調(diào)制速率的InGaAsP/ InGaAsP量子阱電吸收調(diào)制器的方法示意圖。 1)、在半絕緣InP襯底1上采用MOCVD方法生長依次生長300nm厚的InP緩沖層 2、1000nm厚的InGaAsP下光限制層3、含內(nèi)臺階量子阱結(jié)構的多量子阱(MQW)層4、100nm 厚的InGaAsP上光限制層5和250nm厚的InP注入緩沖層6，見圖2。其中較厚的下光限 制層3亦可構成器件的大光腔結(jié)構以改善器件與光纖的耦合效率，該層材料是帶隙波長為 1. liim的InGaAsP，初始200nm厚度內(nèi)不摻雜，后面800nm厚度內(nèi)用Si摻雜，摻雜濃度為 1 5X 1018/cm3。 MQW層4為8 12個含有內(nèi)臺階的多量子阱，內(nèi)臺階量子阱結(jié)構可以提 高器件的飽和光功率，其中阱材料為帶隙波長1. 6 ii m、厚度6nm的張應變InGaAsP材料，內(nèi) 臺階為帶隙波長1. 4 ii m、厚度6nm的張應變InGaAsP材料，壘材料為帶隙波長1. 2 y m、厚度 7nm的壓應變InGaAsP材料。MQW層4補償后的綜合應變?yōu)槿鯊垜?，這種設計有利于實現(xiàn) 調(diào)制器的偏振不靈敏特性。上光限制層5為帶隙波長1. 1 y m、厚度100nm的InGaAsP匹配 材料。MQW層4、上光限制層5與注入緩沖層6都不摻雜。 2)、在晶片表面熱氧化一層Si02，光刻，去掉無源區(qū)部分的Si02，僅留下有源區(qū)部 分的Si02掩蔽層7，見圖3。使用熱耙低能磷離子注入，在兩端無源波導區(qū)的本征InP注入 緩沖層內(nèi)產(chǎn)生點缺陷，利用快速熱退火技術使注入緩沖層內(nèi)的點缺陷向下層MQW4區(qū)轉(zhuǎn)移， 實現(xiàn)注入?yún)^(qū)量子阱層帶隙波長的藍移；然后腐蝕去Si02保護層7和InP注入緩沖層6。
3) 、二次外延生長InP蓋層8和InGaAs歐姆接觸層9，見圖4。 InP蓋層8的厚度 為1. 6 2. 0 ii m，摻鋅濃度為1 2X 1018/cm3 ;歐姆接觸層9為摻鋅的InGaAs材料，厚度 為0. 1 0. 3iim，摻雜濃度為1 5X1019/cm3。 4)、在晶片上面涂甩光刻膠，將兩端無源區(qū)上的光刻膠刻掉，僅留下有源區(qū)部分的
光刻膠層io，見圖5。用硫酸雙氧水水(h2so4 : h2o2 : h2o)腐蝕液腐蝕掉兩端無光刻
膠保護區(qū)域的InGaAs歐姆接觸層，然后作氦離子注入。注入完成后，利用丙酮去掉表面的 光刻膠10。 5)、在晶片上熱氧化淀積厚度為0. 1 0.3ym的Si02層，用氫氟酸(hf)溶液腐蝕 出Si02掩蔽脊條圖形ll，脊條寬3ym。以Si02脊條11為掩蔽，利用反應離子刻蝕(RIE)
7刻出深度達到2. 3 2. 5 m的脊型波導，直達下光限制層3，見圖6。刻出脊波導后用HF 溶液去掉Si(^層11。 6)、在晶片上利用熱氧化淀積方法生長0. 3 0. 5 m的Si02層12，在脊條有源調(diào) 制器段光刻開出Si02窗口 ，在窗口內(nèi)的IGaAs接觸層9上蒸發(fā)上0. 2 y m厚的Au/Zn金屬 層13，見圖7。形成p接觸電極。 7)、腐蝕掉脊條兩側(cè)的n型下光限制層3上的Si02，蒸發(fā)0. 35 y m厚的Au/Ge/Ni 金屬層14，見圖8。形成n接觸電極。 8)、用光刻膠將脊波導與n接觸電極保護起來，用H^04 : H202 : H20溶液腐蝕下 光限制層3，鹽酸(HC1)溶液腐蝕InP緩沖層直至半絕緣襯底，見圖9。利用丙酮去掉表面 的光刻膠。 9)、在晶片上面涂甩厚度約4iim的聚酰亞胺，光刻出環(huán)抱脊型條的聚酰亞胺15， 露出P接觸電極和n接觸電極，見圖10。隨后在保溫爐中進行固化。 10)、濺射厚度達0.4iim厚的Ti/Pt/Au金屬層16，光刻并腐蝕出行波電極圖形，見 圖11。最后芯片背面減薄到lOOym以利于解理。 本發(fā)明為利用量子阱混雜技術實現(xiàn)有源波導與無源波導集成結(jié)構的電吸收調(diào)制 器，可以解決單個電吸收調(diào)制器腔長短，工藝上不易實現(xiàn)的難題，同時為制作行波電極預留 有足夠空間，這為制備性能優(yōu)異的超高速調(diào)制電吸收調(diào)制器提供了一種很好的方案。本發(fā) 明器件同時具有低插入損耗、高光飽和吸收功率和偏振不靈敏等特性?？捎米鞲咚俟馔ㄐ?系統(tǒng)中的光調(diào)制器，特別適宜于與分布反饋半導體激光器的單片集成，同時還可用作高速 光開光器件和波長轉(zhuǎn)換器件等。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
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權利要求
一種制備高速電吸收調(diào)制器的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1采用金屬有機化學氣相沉積方法在襯底上依次外延生長銦磷InP緩沖層、銦鎵砷磷InGaAsP下光限制層、多量子阱層MQW、InGaAsP上光限制層和InP注入緩沖層，得到制備高速電吸收調(diào)制器的外延片；步驟2對該外延片的無源波導區(qū)進行磷離子注入誘導量子阱混雜處理步驟3采用金屬有機化學氣相沉積法在外延片上二次外延生長p型InP蓋層和p型銦鎵砷InGaAs歐姆電極接觸層；步驟4掩蔽有源波導區(qū)域，腐蝕掉無源波導區(qū)上的p型InGaAs歐姆電極接觸層，并對無源波導區(qū)的p型InP蓋層進行氦離子注入；步驟5刻出脊型波導結(jié)構；步驟6利用熱氧化技術生長SiO2絕緣層，腐蝕掉有源波導區(qū)上面的SiO2，蒸發(fā)金Au/鋅Zn作為p型歐姆接觸金屬；步驟7蝕掉脊波導兩側(cè)下光限制層上的SiO2絕緣層，蒸發(fā)金Au/鍺Ge/鎳Ni作為n型歐姆接觸金屬；步驟8用光刻膠保護脊波導和兩側(cè)的n型歐姆接觸金屬，化學腐蝕其余區(qū)域未至半絕緣襯底；步驟9涂覆聚酰亞胺保護脊波導，光刻露出脊波導中間有源波導區(qū)上的p型歐姆接觸金屬和脊波導兩側(cè)的n型歐姆接觸金屬，然后進行固化；步驟10在器件的整個上表面濺射鈦Ti/鉑Pt/金Au，光刻并腐蝕出電極圖形；背面減薄，完成器件的制作。
2. 根據(jù)權利要求1所述的制備高速電吸收調(diào)制器的方法，其特征在于，步驟1中所述襯 底為半絕緣銦磷InP襯底。
3. 根據(jù)權利要求1所述的制備高速電吸收調(diào)制器的方法，其特征在于，步驟1中所述 InGaAsP下光限制層的厚度是lOOOnm， InGaAsP上光限制層的厚度是lOOnm，形成非對稱大光腔結(jié)構。
4. 根據(jù)權利要求1所述的制備高速電吸收調(diào)制器的方法，其特征在于，步驟1中所述 MQW層為8 12個含有內(nèi)臺階的量子阱結(jié)構，帶隙波長為1500nm，補償綜合應變?yōu)槿鯊垜儭?br> 5. 根據(jù)權利要求1所述的制備高速電吸收調(diào)制器的方法，其特征在于，所述步驟2包括利用熱氧化技術在整個外延片上面生長二氧化硅Si02保護層，腐蝕掉無源波導區(qū)上的SiOd呆護層，保留有源波導區(qū)上的SiOj呆護層；使用熱耙低能磷離子注入，在無源波導區(qū)的InP注入緩沖層內(nèi)產(chǎn)生點缺陷；利用快速退火技術使InP注入緩沖層內(nèi)的點缺陷向下層多 量子阱區(qū)轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)注入?yún)^(qū)量子阱層帶隙波長的藍移；然后腐蝕去掉Si02保護層和InP注 入緩沖層。
6. 根據(jù)權利要求1所述的制備高速電吸收調(diào)制器的方法，其特征在于，步驟2中所述磷 離子注入誘導量子阱混雜處理的區(qū)域為器件的無源區(qū)域，它位于有源區(qū)域的兩端；作為吸 收區(qū)的有源區(qū)域的能隙波長是1. 50iim，無源區(qū)經(jīng)量子阱混雜處理后材料能隙波長會向短 波方向移動，小于或者等于1.40iim，用于形成低吸收損耗光波導。
7. 根據(jù)權利要求1所述的制備高速電吸收調(diào)制器的方法，其特征在于，步驟4中所述氦 離子注入的區(qū)域為器件無源波導上的InP蓋層區(qū)。
8. 根據(jù)權利要求1所述的制備高速電吸收調(diào)制器的方法，其特征在于，步驟10中所述 金屬電極采用行波電極結(jié)構。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備高速電吸收調(diào)制器的方法，采用量子阱混雜方法，一次外延生長實現(xiàn)有源波導與無源波導集成，同時采用行波電極以進一步提高調(diào)制速率，具有高調(diào)制速率、低插入損耗、高光飽和吸收功率和偏振不靈敏等特性。
文檔編號G02F1/017GK101738748SQ20081022578
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權日2008年11月12日
發(fā)明者張偉, 朱洪亮, 汪洋, 潘教青 申請人:中國科學院半導體研究所