專利名稱：偏振可控光電子器件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種偏振可控光電子器件的制備方法。
偏振可控的半導(dǎo)體光電子器件涉及如下內(nèi)容按材料來分包括銦磷、銦鎵砷以及銦鎵砷磷為代表的銦磷系材料；按波長來分包括1.3μm-1.63μm；按應(yīng)變來分包括張應(yīng)變、壓應(yīng)變以及晶格匹配；按器件功能來分包括發(fā)光管、激光器、放大器、探測器和調(diào)制器；按生長方式來分包括有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、氣相分子束外延(GSMBE)或化學(xué)束外延(CBE)。
隨著大容量信息的傳輸、交換和接收的迫切需求，以光電子為信息載體的光網(wǎng)絡(luò)正在逐步興起和發(fā)展，對發(fā)射、接收、放大和調(diào)制光的光電子器件的要求也逐步加強。偏振性是光電子的重要本征特性之一，但是由于光電子器件中材料增益與電流相關(guān)，而非對稱的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與電流無關(guān)的特性，使得實現(xiàn)偏振可控的光電子器件成為一大難題。特別是對于被動的光電子器件，如半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)、探測器和調(diào)制器，偏振不靈敏是主要性能指標(biāo)之一，尤其當(dāng)這些器件用于DWDM(密集波分復(fù)用)、OADM(光學(xué)上下路復(fù)用)等系統(tǒng)時，更加要求其能夠在大的波長范圍內(nèi)可以獲得偏振不靈敏。迄今為止，設(shè)計SOA偏振不靈敏的方法包括1)厚有源區(qū)結(jié)構(gòu)該種結(jié)構(gòu)采用厚體材料有源區(qū)、短腔長可以非常有效地實現(xiàn)偏振不靈敏，但是由于其有源區(qū)體積大，因而操作電流大，熱耗散太大，器件的工作可靠性差，且能耗也大。不能成為全光網(wǎng)中的理想部件。
2)幾個器件的串并聯(lián)該種方式采用部件組裝實現(xiàn)偏振不靈敏，但幾個器件串并聯(lián)過程中，他們之間的自對準(zhǔn)比較困難，并且對器件本身結(jié)構(gòu)并無任何改進(jìn)。
3)應(yīng)變量子阱有源層由于應(yīng)變量子阱具有小的階梯形態(tài)密度，因而可獲得低的透明載流子密度，高的微分量子效率以及低的噪聲因子和高的飽和輸出。特別是壓應(yīng)變材料的導(dǎo)入可改善半導(dǎo)體激光器的性能。但壓應(yīng)變導(dǎo)致TE模增益增大(TE模指電矢量平行于結(jié)平面的偏振光)。為了增大TM模增益(TM模指磁矢量平行于結(jié)平面的偏振光)，就要盡量實現(xiàn)電子與輕空穴之間的復(fù)合躍遷，為此，張應(yīng)變量子阱是一種有效的方法。但是，使用張應(yīng)變很難實現(xiàn)1.5μm附近的增益材料。為此，要獲得偏振不靈敏光學(xué)放大器通常采用以下材料及結(jié)構(gòu)的量子阱有源層(1)壓應(yīng)變和張應(yīng)變的交叉混合型量子阱材料；(2)低張應(yīng)變量量子阱材料；(3)與銦磷(InP)晶格匹配的量子阱材料伴有張應(yīng)變的勢壘的結(jié)構(gòu)；(4)無耦合阱、壘之間的應(yīng)變補償；(5)耦合量子阱和互擴(kuò)散量子阱。盡管這些方法通過優(yōu)化設(shè)計可以在某一點獲得極佳的偏振不靈敏，但是由于輕重空穴在平行和垂直于生長方向的有效質(zhì)量區(qū)別較大，使得它們對注入電流的響應(yīng)程度不同，而且，量子阱的偏振性質(zhì)隨外加注入電流不斷改變，但是，其波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)的偏振性卻與注入電流無關(guān)，這種材料增益和光場限制因子變化的不一致性使得模式增益很難在大范圍內(nèi)獲得偏振不靈敏。因而很難通過量子阱結(jié)構(gòu)獲得大工作電流范圍內(nèi)的偏振不靈敏。此外，對于第五種采用量子阱的方法，無論理論設(shè)計和材料生長都比較困難。
4)近四方體的材料有源區(qū)結(jié)構(gòu)這是近年來興起的制備光開關(guān)半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)的一種普遍采用的方法。其一，采用無應(yīng)變體材料。為了實現(xiàn)偏振不靈敏，分別利用刻蝕技術(shù)和選擇生長技術(shù)實現(xiàn)窄的條寬，其條寬＜0.5μm，盡管這樣可獲得較為優(yōu)良的SOA性能，但是對于窄條寬，利用刻蝕技術(shù)存在條寬容差小，技術(shù)要求苛刻；同時還存在與其它器件的集成或耦合的困難；而利用選擇外延技術(shù)，盡管可以通過生長可均勻地實現(xiàn)窄條寬，同時也可一步實現(xiàn)與相關(guān)器件的集成，但存在窄條寬選擇生長的困難。特別是為了減輕鍍膜的負(fù)擔(dān)，需要采用斜角窗口結(jié)構(gòu)，或為了提高器件的消光比，需要采用彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而達(dá)到這些要求，需要在(110)方向和非(110)方向同時生長，由于窄條寬選擇生長的各向異性，不易得到各個方向生長的平整界面。即該種方法對材料的生長技術(shù)要求苛刻。實現(xiàn)比較困難。其二，采用應(yīng)變體材料。盡管對SOA的條寬要求有所放寬(大約1μm)，但是對于應(yīng)變體材料，生長厚度受到其臨界厚度的限制，生長高質(zhì)量的張應(yīng)變厚體材料(＞0.1μm)，本身對生長技術(shù)的要求很苛刻。
5)利用結(jié)構(gòu)補償實現(xiàn)偏振不靈敏該種方法是利用無應(yīng)變體材料為有源區(qū)的SOA與無源光斑變換結(jié)構(gòu)(SSC)集成，通過SSC的本征偏振吸收來補償SOA中的偏振放大。用該方法所制器件偏振不靈敏度高，同時克服了為了實現(xiàn)偏振不靈敏需要窄條寬的弱點，使條寬容差增加，可采用傳統(tǒng)的光刻工藝，并且SSC可改善光斑的遠(yuǎn)場特性使耦合效率提高，且性能可靠。但制作中采用butt-joint(對接)實現(xiàn)SOA與SSC的集成，SOA與SSC波導(dǎo)芯層的完全對接很困難，而且對接部位的晶體質(zhì)量很難保證，同時工藝復(fù)雜，需五次外延。此外，即使器件制備質(zhì)量相當(dāng)高，由于SOA的偏振性是動態(tài)變化的，而SSC由于是無源器件，它只能靜態(tài)補償某一小范圍內(nèi)的偏振性，因此器件很難獲得大范圍內(nèi)的偏振不靈敏。從而限制了它在全光網(wǎng)中的應(yīng)用。
6)垂直腔面發(fā)射結(jié)構(gòu)由于面發(fā)射結(jié)構(gòu)的出光端面為圓形，不存在波導(dǎo)本身的偏振靈敏性，因而可以較輕松的利用應(yīng)變補償量子阱或體材料獲得大范圍內(nèi)的偏振不靈敏，同時由于其可獲得圓形的遠(yuǎn)場光斑，因而耦合效率高。但是由于垂直腔面發(fā)射是微腔結(jié)構(gòu)，對于制備行波放大器來說，其增益會很小，此外，制備垂直腔面發(fā)射結(jié)構(gòu)，需要底部分布布拉格反射鏡(DBR)對泵浦光增透，對輸入光高反，對于用于光纖通信中的光電子器件，其輸入光波長都在1.3-1.4，1.5-1.6μm，而用于制備該波段器件的材料基本是銦磷(InP)基系列，InP基系列的材料折射率差較小，結(jié)果用其制備DBR反射鏡其反射率很難達(dá)到要求，目前，有采用GaAs(鎵砷)襯底，以GaAs/AlGaAs(鋁鎵砷)作為器件的DBR反射鏡，然后將銦鎵砷磷/銦磷(InGaAsP/InP)有源區(qū)bonding(鍵合)到該DBR反射鏡上，從而實現(xiàn)對該范圍內(nèi)光的高反。但是對于將InP系列材料與GaAs基材料的bonding技術(shù)本身亦不成熟，因此，制備該種器件的技術(shù)難度較大。
本發(fā)明的目的在于，提供一種偏振可控光電子器件的制備方法，其是要解決光電子器件對入射光的偏振態(tài)的靈敏性，即得到寬帶的偏振不靈敏的被動型光電子器件，如放大器、調(diào)制器和探測器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用一種偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟1)在n型銦磷襯底上一次性外延生長n型銦磷緩沖層、寬能帶的銦鎵砷(磷)光限制層、應(yīng)變漸變的有源層、寬能帶的銦鎵砷(磷)光限制層以及銦鎵砷層；2)長二氧化硅層；3)光刻腐蝕出條形有源區(qū)，以獲得良好的基橫模、增加光場對稱性，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性；4)二次外延電流阻擋層，用以形成掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)減少電流泄漏；5)光刻腐蝕出窗口區(qū)，用以生長銦磷窗口區(qū)以減少有源區(qū)光反饋；6)利用化學(xué)腐蝕去掉頂層銦鎵砷層；7)三次外延p型銦磷層和摻鋅的銦鎵砷電流接觸層；8)利用等離子體化學(xué)氣相沉積生長二氧化硅；9)開二氧化硅窗口；10)作電極；11)解理，在器件的兩個端面上鍍介質(zhì)膜。
其步驟1中應(yīng)變漸變有源層是指波長為1.3μm-1.63μm的銦鎵砷(磷)/銦磷材料，依次采用多種應(yīng)變層，比如在同一有源區(qū)中，包括應(yīng)變量為0.005％厚度為20nm、應(yīng)變量為-0.005％的厚度為15nm和應(yīng)變量為-0.01％的厚度為10nm的材料。
其步驟1中在這種波長為1.3μm-1.63μm的銦鎵砷(磷)/銦磷材料漸變應(yīng)變有源區(qū)中，可將不同應(yīng)力的材料層進(jìn)行不同順序排列，使其對應(yīng)光場分布在不同位置；比如可以先長10nm厚、應(yīng)變?yōu)?0.005％的銦鎵砷(磷)，然后再長晶格匹配銦鎵砷(磷)20nm，最后再長應(yīng)變?yōu)?0.005％的銦鎵砷(磷)15nm。
其步驟1中該應(yīng)變漸變有源層材料可以是體材料，也可以是量子阱材料。
其步驟3中光刻腐蝕出條形有源區(qū)可以是沿(110)方向的直條、與(110)方向成某一角度的斜條，也可以是彎曲波導(dǎo)。
其步驟4中二次外延電流阻擋層可以是p-InP/n-InP/p-InP晶閘管結(jié)構(gòu)，也可以是p-InP結(jié)構(gòu)，還可以在這些電流阻擋層進(jìn)行離子注入。
其步驟5中光刻腐蝕出窗口區(qū)可以是直條窗口區(qū)，也可以是斜角窗口區(qū)，還可以是椎形或喇叭口形窗口區(qū)。
其步驟1中對于這種漸變應(yīng)變1.3-1.63μm的漸變應(yīng)變有源區(qū)材料，可以調(diào)節(jié)應(yīng)變量、應(yīng)變層的厚度以及應(yīng)變層的位置，從而靈活調(diào)節(jié)有源區(qū)的偏振態(tài)，制備出TE模偏振、TM模偏振或TE、TM模偏振不靈敏的激光器、放大器、發(fā)光管、調(diào)制器和探測器。
其步驟11中鍍介質(zhì)膜可根據(jù)實際需要鍍反射膜或透射膜或一面高反，一面增透。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中

圖1為本發(fā)明的制備方法流程圖；圖2為有源層結(jié)構(gòu)及其能帶結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖二變形后的有源層結(jié)構(gòu)及其能帶結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4另一種變形漸變應(yīng)變有源區(qū)能帶示意圖；圖5是掩埋腔面放大器剖面示意圖；圖6是操作電流為100mA時TE模、TM模的放大自發(fā)發(fā)射譜；圖7中(a)是信號波長為1.53μm時，信號增益隨操作電流的變化，(b)是信號波長為1.57μm時，信號增益隨操作電流的變化。
首先請參閱圖1所示?？赏ㄟ^下述方法和步驟實現(xiàn)1)在n型銦磷襯底上一次性外延生長n型銦磷緩沖層、寬能帶的銦鎵砷(磷)光限制層、應(yīng)變漸變的有源層、寬能帶的銦鎵砷(磷)光限制層以及銦鎵砷層；2)長二氧化硅層；3)光刻腐蝕出條形有源區(qū)，使光場對稱性增加，有利于降低器件的閾值電流和工作電流，改善器件的可靠性和穩(wěn)定性；4)二次外延電流阻擋層，用以形成掩埋異質(zhì)結(jié)，減少電流泄漏；5)光刻腐蝕出窗口區(qū)，用以生長銦磷窗口區(qū)，以減少有源區(qū)光反饋；6)利用化學(xué)腐蝕去掉頂層銦鎵砷層；7)三次外延p型銦磷層和摻鋅的銦鎵砷電流接觸層；8)利用等離子體化學(xué)氣相沉積生長二氧化硅；9)開二氧化硅窗口；
10)作電極；11)解理，在器件的兩個端面上鍍介質(zhì)膜。
其步驟1中應(yīng)變漸變有源層是指波長為1.3μm-1.63μm的銦鎵砷(磷)/銦磷材料，依次采用多種應(yīng)變層，比如在同一有源區(qū)中，包括應(yīng)變量為0.005％厚度為20nm、應(yīng)變量為-0.005％的厚度為15nm和應(yīng)變量為-0.01％的厚度為10nm的材料。
其步驟1中在這種波長為1.3μm-1.63μm的銦鎵砷(磷)/銦磷材料漸變應(yīng)變有源區(qū)中，可將不同應(yīng)力的材料層進(jìn)行不同順序排列，使其對應(yīng)光場分布在不同位置；比如可以先長10nm厚、應(yīng)變?yōu)?0.005％的銦鎵砷(磷)，然后再長晶格匹配銦鎵砷(磷)20nm，最后再長應(yīng)變?yōu)?0.005％的銦鎵砷(磷)15nm。
其步驟1中該應(yīng)變漸變有源層材料可以是體材料，也可以是量子阱材料。
其步驟3中光刻腐蝕出條形有源區(qū)可以是沿(110)方向的直條、與(110)方向成某一角度的斜條，也可以是彎曲波導(dǎo)。
其步驟4中二次外延電流阻擋層可以是p型銦磷/n型銦磷/p型銦磷晶閘管結(jié)構(gòu)，也可以是p型銦磷結(jié)構(gòu)，還可以在這些電流阻擋層進(jìn)行離子注入。
其步驟5中光刻腐蝕出窗口區(qū)可以是直條窗口區(qū)，也可以是斜角窗口區(qū)，還可以是椎形或喇叭口形窗口區(qū)。
其步驟1中對于這種漸變應(yīng)變1.3-1.63μm的漸變應(yīng)變有源區(qū)材料，可以調(diào)節(jié)應(yīng)變量、應(yīng)變層的厚度以及應(yīng)變層的位置，從而靈活調(diào)節(jié)有源區(qū)的偏振態(tài)，制備出TE模偏振、TM模偏振或TE、TM模偏振不靈敏的激光器、放大器、發(fā)光管、調(diào)制器和探測器。
其步驟11中鍍介質(zhì)膜可根據(jù)實際需要鍍反射膜或透射膜或一面高反，一面增透。
本發(fā)明采用特殊的有源層結(jié)構(gòu)，圖2為有源層結(jié)構(gòu)及其能帶結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，此結(jié)構(gòu)為應(yīng)變漸變有源層結(jié)構(gòu)。有源層中心為壓應(yīng)變(正失配，即晶格常數(shù)大于InP襯底的晶格常數(shù))或與InP襯底晶格匹配的InGaAs(P)層，此層主要用來獲得TE模(電矢量平行于結(jié)平面的偏振光)增益。隨著向有源層兩邊靠近，逐漸改變InGaAs(P)的組份使之過渡到張應(yīng)變(負(fù)失配，即晶格常數(shù)小于InP襯底的晶格常數(shù))。其能帶結(jié)構(gòu)為導(dǎo)帶和輕空穴能帶均呈現(xiàn)中間低兩邊高的凹型結(jié)構(gòu)，并且導(dǎo)帶的谷型和輕空穴谷型呈平行狀分布，而價帶重空穴呈中間高兩邊低的凸型結(jié)構(gòu)。為了提高光限制，在有源層兩側(cè)有光限制層。
圖3為圖2所示有源層結(jié)構(gòu)的一種變形結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)為在大張應(yīng)變層之間嵌入無應(yīng)變或壓應(yīng)變材料層。
另外，如圖4所示，在考慮到TE模和TM模的模式增益相同的前提條件下，可將張應(yīng)變層、無應(yīng)變層及壓應(yīng)變層進(jìn)行無規(guī)則排列。
使用如上所述材料可獲得波長為1.3μm-1.63μm的偏振可控的半導(dǎo)體光電子器件。
采用圖2至圖4所示有源層結(jié)構(gòu)制作光電子器件，可具有以下特點和優(yōu)越性使用漸變應(yīng)變有源材料，由于壓應(yīng)變材料主要對TE模增益有貢獻(xiàn)，無應(yīng)變材料對TE模和TM模產(chǎn)生相同增益，而張應(yīng)變材料主要對TM模增益有貢獻(xiàn)，故可以通過調(diào)整壓應(yīng)變層、無應(yīng)變層及張應(yīng)變層的各層的厚度和應(yīng)變量而獲得不同的TE模和TM模的材料增益(giTE，giTM，i代表各層序號)。
通過改變各層的厚度達(dá)到調(diào)節(jié)各層光限制因子(ΓiTE，ΓiTM，i代表各層序號)的目的，從而達(dá)到分別調(diào)節(jié)TE模和TM模的模式增益(ΓiTE×giTE，ΓiTM×giTM，i代表各層序號)的目的，使其對TE模和TM模具有相同放大增益效果，即∑ΓiTE×giTE＝∑ΓiTM×giTM。
由于可將不同應(yīng)力的材料層進(jìn)行不同的順序排列，使其對應(yīng)光場分布的不同位置，從而達(dá)到調(diào)節(jié)各層TE模和TM模的光限制因子大小，進(jìn)一步達(dá)到調(diào)節(jié)TE模和TM模模式增益的目的。
通過將不同應(yīng)力的材料進(jìn)行不同順序排列，并可通過改變應(yīng)力大小改變各層之間的價帶、輕空穴帶和重空穴帶的相對位置，而改變電子、輕空穴和重空穴在能帶中的分布，從而局部調(diào)整TE模和TM模增益。
雖然輕、重空穴能帶分離，但是可通過調(diào)節(jié)各層應(yīng)變大小，控制同一層中TE模和TM模的增益。
由于采用應(yīng)變漸變結(jié)構(gòu)，從能帶上講，可形成倒梯形態(tài)密度，該種形式的態(tài)密度小，因而可獲得小的透明載流子密度和高的電光轉(zhuǎn)換效率。
采用該種有源區(qū)，使主躍遷波長(如電子與輕空穴之間的躍遷，電子與重空穴之間的躍遷)固定在一個值(如1.55μm)，隨著張應(yīng)變量的增加，電子與重空穴之間的禁帶寬度在逐漸增加，對于只提供TE模的重空穴而言，其峰值波長在逐漸蘭移，綜合效果使TE模的帶寬增加，而對于TM模，由于提供大部分TM模的輕空穴在平行于結(jié)的方向上的態(tài)密度比重空穴的大，因而增益譜較平坦，即可獲得較寬的TM模帶寬。因此采用該種有源區(qū)可在大帶寬范圍內(nèi)獲得偏振不靈敏。另外，通過調(diào)節(jié)各層應(yīng)變大小，使輕、重空穴能帶分離程度改變，從而增加偏振不靈敏的波長范圍。
采用該種有源區(qū)，可使線寬增強因子減小，微分量子效率增加，同時由于態(tài)密度呈倒梯形分布，在k(為波矢)空間集中在k矢量很小的區(qū)域，因而可有效地降低價帶間吸收和俄歇復(fù)合，從而有助于器件噪聲指數(shù)的減小。
在制備這種偏振可控的半導(dǎo)體光電子器件時，使用有機金屬化學(xué)氣相(MOCVD)生長法，在寬能帶InGaAs(P)光限制層上連續(xù)生長應(yīng)力漸變InGaAs(P)有源材料，之后用寬能帶InGaAs(P)光限制層進(jìn)行掩埋。
由于同時引進(jìn)張應(yīng)變、無應(yīng)變和壓應(yīng)變層，從而使失配得以相互補償，降低失配材料生長的困難，可獲得較厚有源層。
幾乎完全與BH結(jié)構(gòu)FP腔激光器的制作工藝兼容，對制備技術(shù)無任何苛刻要求，便于實現(xiàn)。
由于有源區(qū)引入張應(yīng)變材料層，可實現(xiàn)TM模材料增益大于TE模的材料增益，從而使獲得偏振不靈敏所需要的有源區(qū)條寬大大增加(1.5-3.0μm)，使制備容差增加，制備難度下降，同時也容易實現(xiàn)該種器件與其它器件的集成，特別是實現(xiàn)放大器與橫向模斑轉(zhuǎn)換器的集成，這對于提高放大器與光纖的耦合效率、減小插損、改善輸出光斑的遠(yuǎn)場特性均有明顯好處。
采用此種有源區(qū)，不僅可獲得偏振不靈敏的光學(xué)放大器，而且可獲得偏振可控的發(fā)光管、激光器、探測器以及調(diào)制器。
實施例，請參閱圖5所示為該類器件的結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^下述方法和步驟實現(xiàn)1)采用普通的LP-MOCVD(低壓金屬有機化學(xué)氣相沉積)生長技術(shù)在n型Inp緩沖層(約2μm)、InGaAsP下波導(dǎo)層、應(yīng)變漸變有源區(qū)、上波導(dǎo)層(同下波導(dǎo)層)、InGaAs保護(hù)層；2)用等離子化學(xué)氣相沉積或熱氧化化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積300nm厚的SiO2；3)用傳統(tǒng)的光刻腐蝕技術(shù)腐蝕出臺條(寬約1.5-3.0μm)；4)采用LP-MOCVD生長技術(shù)進(jìn)行電流限制區(qū)的二次外延(如p型Inp、n型Inp、p型Inp)形成掩埋異質(zhì)結(jié)(BH)結(jié)構(gòu)；5)采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)光刻出Inp窗口區(qū)；6)采用LP-MOCVD生長技術(shù)進(jìn)行p型Inp層，高p型摻雜的InGaAs和InAs層及InP窗口的三次外延；7)用等離子化學(xué)氣相沉積或熱氧化化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積300nm厚的SiO2；8)采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，開出SiO2窗口；9完成電極制作；10)待解離之后，對前后兩端面度膜，對于半導(dǎo)體光學(xué)放大器，需要鍍增透膜，使其剩余反射率為10-4以下。
在此給出圖2所示結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例。其結(jié)構(gòu)為InGaAsP上、下波導(dǎo)層的波長為1.20μm，主躍遷波長(電子與輕空穴之間的躍遷和電子與重空穴之間的躍遷)為1.55μm，有源區(qū)中心為厚度為30nm的晶格匹配的InGaAsP四元層(電子與重空穴之間的躍遷為主躍遷，即TE模增益層)，向兩邊延伸分別為晶格失配度及厚度為-0.3％，25nm、-0.5％，20nm、-0.7％，15nm的張應(yīng)變InGaAsP四元層(電子與輕空穴之間的躍遷為主躍遷，即TM模增益和TE模增益共有層)。隨著張應(yīng)變程度的增加，相應(yīng)地層的厚度在減小，依此保證我們所生長的有源層的晶體質(zhì)量。
有源區(qū)條寬為3μm，盡管嚴(yán)重的不對稱(橫向與垂直方向)，但由于采用了張應(yīng)變結(jié)構(gòu)，仍能達(dá)到偏振不靈敏。InP窗口區(qū)的長度為30μm，放大器的總長為660μm。由于兩端鍍增透膜，是單程放大。
圖6為TE、TM模的放大自發(fā)輻射譜(ASE)。從這里可看出，TE模和TM模的強度基本相同，并且均有大的帶寬(1.51μm-1.59μm)，而且，在偏振不靈敏帶寬范圍內(nèi)，增益波動小。
圖7為光纖到光纖的增益和工作電流關(guān)系。由圖可見，它的無損工作電流極低，盡管有源區(qū)體積不小，但由于倒梯形態(tài)密度，使得透明載流子密度減小，因此無損工作電流也不大。TE模和TM模的增益差僅為0.3dB。圖中分別給出了不同波長情況下的增益曲線。由此可見，可在1.53μm-1.57μm內(nèi)獲得相近的偏振不靈敏增益特性。
通過此項發(fā)明，可以達(dá)到以下幾方面的效果1、提出一種新型的有源區(qū)結(jié)構(gòu)(如圖2、圖3、圖4)，通過該種類型的有源區(qū)結(jié)構(gòu)，使體材料有源區(qū)偏振性調(diào)整的自由度增加，包括體材料應(yīng)變、厚度、不同應(yīng)變層的順序以及有源區(qū)寬度，此外，注入電流對該有源區(qū)結(jié)構(gòu)的偏振性更加敏感。如圖2，當(dāng)注入電流低時，應(yīng)該是TE偏振，當(dāng)注入電流大時，應(yīng)是TM模偏振，適當(dāng)調(diào)整其工作電流，可獲得偏振不靈敏。因此，采用該種有源區(qū)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，應(yīng)可制得各種不同偏振的光電子器件，如發(fā)光管、激光器、放大器和探測器以及調(diào)制器。
2、克服利用體材料有源區(qū)制備半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)需要窄條寬的瓶頸，制備工藝簡單，與傳統(tǒng)的FP腔掩埋異質(zhì)結(jié)激光器制備工藝兼容。由于采用該種有源區(qū)結(jié)構(gòu)，可以保證在相應(yīng)層的臨界厚度以內(nèi)生長各種應(yīng)變的體材料，并且可在應(yīng)變層之間嵌入適當(dāng)?shù)臒o應(yīng)變層以緩沖應(yīng)變，這樣，盡管TE、TM模光學(xué)限制因子減小，但可適當(dāng)生長大失配的張應(yīng)變，從而使TM模材料增益》TE模材料增益，半導(dǎo)體光學(xué)放大器的條寬大大增加，可達(dá)3μm。
3、對于此種有源區(qū)結(jié)構(gòu)制備的半導(dǎo)體光學(xué)放大器，可在大的電流和波長范圍內(nèi)獲得偏振不靈敏。根據(jù)圖2、圖3的有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，對于僅提供TE模偏振的e-hh復(fù)合，隨著注入電流的變化，其帶邊復(fù)合波長范圍從1.496-1.55μm，而對于主要提供TM偏振的e-1h復(fù)合而言，盡管其帶邊復(fù)合波長控制在1.55μm，但是由于輕空穴的平面內(nèi)有效質(zhì)量大，因而同樣可在較大的電流范圍內(nèi)獲得偏振不靈敏。
4、制備容差大，便于與其它器件集成。由于此種有源區(qū)制備的SOA，其有源區(qū)條寬可達(dá)3μm，對接部分容差相對較大，便于與InP窗口區(qū)和工藝簡單的橫向SSC模斑轉(zhuǎn)換器以及其它器件集成，從而可以減小光反饋，改善SOA遠(yuǎn)場，提高SOA與光纖的耦合效率。
5、能夠采用多種結(jié)構(gòu)改善器件性能。由于采用該種有源區(qū)結(jié)構(gòu)，SOA均采用大面積的MOCVD生長技術(shù)即可完成，不存在生長的方向性，這樣，我們可采用光刻技術(shù)將SOA的有源區(qū)刻蝕成S形波導(dǎo)以增加器件的消光比，也可將InP窗口區(qū)刻蝕成斜角結(jié)構(gòu)以減少光反饋。
6、對于此種有源區(qū)結(jié)構(gòu)制備的SOA，可獲得低的透明電流以及無損操作電流。從該有源區(qū)結(jié)構(gòu)的能帶圖可看出，無論電子還是空穴，均形成梯形態(tài)密度，該種形式的態(tài)密度對于電子和空穴的限制加強，在小的載流子密度下即可獲得增益，因而可獲得低的透明電流，同時InP窗口結(jié)構(gòu)減小光反饋，適當(dāng)鍍以增透膜，使腔面反射率可達(dá)10-4以下，這樣鏡面損耗大大減小，而且SSC使耦合效率提高，綜合以上效果，可使無損操作電流減小。
7、噪聲因子小。由于采用該有源區(qū)結(jié)構(gòu)，其晶體的生長質(zhì)量可保證，使晶體界面的缺陷減少，非輻射復(fù)合減少；采用張應(yīng)變結(jié)構(gòu)，其線寬因子減小，微分量子效率增加，同時由于態(tài)密度是梯形的，在k空間集中在k矢量很小的區(qū)域，因而可有效地降低價帶間吸收和俄歇復(fù)合，因而可獲得小的噪聲。
權(quán)利要求
1.一種偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟1)在n型銦磷襯底上一次性外延生長n型銦磷緩沖層、寬能帶的銦鎵砷(磷)光限制層、應(yīng)變漸變的有源層、寬能帶的銦鎵砷(磷)光限制層以及銦鎵砷層；2)長二氧化硅層；3)光刻腐蝕出條形有源區(qū)，使光場對稱性增加，有利于降低器件的閾值電流和工作電流，改善器件的可靠性和穩(wěn)定性；4)二次外延電流阻擋層，用以形成掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)減少電流泄漏；5)光刻腐蝕出窗口區(qū)，用以生長銦磷窗口區(qū)以減少有源區(qū)光反饋；6)利用化學(xué)腐蝕去掉頂層銦鎵砷層；7)三次外延p型銦磷層和摻鋅的銦鎵砷電流接觸層；8)利用等離子體化學(xué)氣相沉積生長二氧化硅；9)開二氧化硅窗口；10)作電極；11)解理，在器件的兩個端面上鍍介質(zhì)膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，其步驟1中應(yīng)變漸變有源層是指波長為1.3μm-1.63μm的銦鎵砷(磷)/銦磷材料，依次采用多種應(yīng)變層，比如在同一有源區(qū)中，包括應(yīng)變量為0.005％厚度為20nm、應(yīng)變量為-0.005％的厚度為15nm和應(yīng)變量為-0.01％的厚度為10nm的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，其步驟1中在這種波長為1.3μm-1.63μm的銦鎵砷(磷)/銦磷材料漸變應(yīng)變有源區(qū)中，可將不同應(yīng)力的材料層進(jìn)行不同順序排列，使其對應(yīng)光場分布在不同位置；比如可以先長10nm厚、應(yīng)變?yōu)?0.005％的銦鎵砷(磷)，然后再長晶格匹配銦鎵砷(磷)20nm，最后再長應(yīng)變?yōu)?0.005％的銦鎵砷(磷)15nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，其步驟1中該應(yīng)變漸變有源層材料可以是體材料，也可以是量子阱材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，其步驟3中光刻腐蝕出條形有源區(qū)可以是沿(110)方向的直條、與(110)方向成某一角度的斜條，也可以是彎曲波導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，其步驟4中二次外延電流阻擋層可以是p型銦磷/n型銦磷/p型銦磷晶閘管結(jié)構(gòu)，也可以是p型銦磷結(jié)構(gòu)，還可以在這些電流阻擋層進(jìn)行離子注入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，其步驟5中光刻腐蝕出窗口區(qū)可以是直條窗口區(qū)，也可以是斜角窗口區(qū)，還可以是椎形或喇叭口形窗口區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，其步驟1中對于這種漸變應(yīng)變1.3-1.63μm的漸變應(yīng)變有源區(qū)材料，可以調(diào)節(jié)應(yīng)變量、應(yīng)變層的厚度以及應(yīng)變層的位置，從而靈活調(diào)節(jié)有源區(qū)的偏振態(tài)，制備出TE模偏振、TM模偏振或TE、TM模偏振不靈敏的激光器、放大器、發(fā)光管、調(diào)制器和探測器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振可控光電子器件的制備方法，其特征在于，其步驟11中鍍介質(zhì)膜可根據(jù)實際需要鍍反射膜或透射膜或一面高反，一面增透。
全文摘要
本發(fā)明一種新型偏振可控光電子器件的制備方法,是利用波長為1.3μm－1.63μm的銦鎵砷(磷)/銦磷材料,同時引進(jìn)不同厚度的張應(yīng)變、壓應(yīng)變或晶格匹配層,隨意改變各應(yīng)變層的位置,從而獲得對TE模和TM模具有相同放大增益效果的偏振不靈敏光學(xué)放大,實現(xiàn)對TE、TM模式增益的控制。
文檔編號H01S5/30GK1383218SQ01115459
公開日2002年12月4日 申請日期2001年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月26日
發(fā)明者董杰, 張瑞英, 王圩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所