本發(fā)明涉及光電子器件領(lǐng)域，特別涉及一種疊層選區(qū)生長制作多波長光子集成發(fā)射芯片的方法。

背景技術(shù)：

光纖通信系統(tǒng)的容量隨著人類對信息容量需求的快速增加呈指數(shù)形態(tài)迅猛增長，從而將高可靠、低成本以及低損耗光子集成(photonics integrated circuits)技術(shù)提上了日程。單片集成多波長光子集成發(fā)射芯片是實現(xiàn)光子集成的重要手段，它包含多種功能器件：光電探測器(PD)、分布式反饋激光器(DFB)、電吸收調(diào)制器(EAM)、半導(dǎo)體光放大器(SOA)、無源波導(dǎo)及無源合波器件如多模干涉耦合器(MMI)、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)等，器件制備過程復(fù)雜，對生產(chǎn)設(shè)備以及工藝條件要求很高。目前主要的光子集成技術(shù)有：選擇區(qū)域生長技術(shù)(SAG)(C.Zhang，H.Zhu，S.Liang，Opt.Laser Technol，2014)、量子阱混雜(QWI)(L.Hou，M.Haji，R.Dylewicz，Photonica Technol.Lett，2011)、對接耦合生長(BJG)(L.Han，S.Liang，H.Wang，Opt.Express，vol.22，no.24，p.30368，Dec.2014)、偏移量子阱(OQW)(Q.Kan，F(xiàn).Zhou，L.Wang，B.Wang.Chinese Opt.Lett.，2005；C.Watson，V.Tolstikhin，K.Pimenov，in IEEE Photonic Society 24th Annual Meeting，2011)等。其中SAG技術(shù)可以一次外延出不同帶隙波長的量子阱材料且界面過度均勻，但是，選擇區(qū)域與非選擇區(qū)域的材料是同時生長的，不能分別優(yōu)化，各器件材料的生長參數(shù)是折中產(chǎn)物，比較苛刻。QWI技術(shù)為一種后工藝，避免了其他技術(shù)所需的多次刻蝕再生長的繁瑣，但是容易損傷量子阱材料質(zhì)量且增加額外的損耗。BJG技術(shù)可以對個部分器件結(jié)構(gòu)分別設(shè)計和優(yōu)化，但是需要增加外延次數(shù)，而且容易在對接界面引入缺陷和額外的光損耗。OQW技術(shù)是通過一次外延獲得兩種材料的方法，一次外延包含無源芯層波導(dǎo)和多量子阱有源區(qū)兩部分，之后刻蝕掉無源器件部分的量子阱。該方案適合有源/無源器件的集成，但是需要特殊的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計以減少過渡耦合損耗。上述技術(shù)均不盡如意，多年前，本發(fā)明申報者之一提出了選擇區(qū)域外延雙有源區(qū)疊層(SAG-DSAL)技術(shù)(HongLiang Zhu and Wei Wang，美國專利US7，476，558B2)，該方案在調(diào)制器段作選擇外延生長區(qū)，一次外延同時生長出調(diào)制器和激光器疊層量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)，然后腐蝕掉調(diào)制器區(qū)域的上層LD_MQW層。利用此種方案可以獲得工藝簡單，低閾值耦合效率高的電吸收調(diào)制激光器芯片。本發(fā)明申請以此專利為基礎(chǔ)，提出了一種疊層選區(qū)生長制作多波長光子集成發(fā)射芯片的方法，與已經(jīng)報道的多波長光子集成發(fā)射芯片技術(shù)相比，此種方法工藝簡單，激光器和各通道電吸收調(diào)制器的參數(shù)在同一次外延的不同時間段得到分別優(yōu)化，從而提高光子集成發(fā)射芯片的成品率和特性指標。

如上所述，目前為制備性能良好的多波長光子集成發(fā)射芯片，大部分需要復(fù)雜的工藝，從而導(dǎo)致器件成品率低，制作成本高。此外，目前集成的電吸收調(diào)制激光器(EML)芯片中，各個信道的EAM材料特性均一致，對應(yīng)于不同信道的DFB激射波長不同，各個信道EAM的PL峰值波長與DFB的激射波長差均不同，從而導(dǎo)致不同信道的EAM消光比不同，進而影響其動態(tài)特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開的制作方法相對于常規(guī)的材料集成技術(shù)，可以簡化芯片制作工藝的同時分別優(yōu)化DFB和EAM，從而分別提升其性能。此外，由于疊層選區(qū)生長方法的特殊性，可以分別調(diào)制各個信道的EAM的材料特性，從而可以保證所有信道的消光比一致，大大優(yōu)化了芯片的性能。

為達到上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供一種疊層選區(qū)生長制作多波長光子集成發(fā)射芯片的方法，該多波長光子集成發(fā)射芯片包括探測器、激光器、調(diào)制器和放大器形成的有源器件和無源波導(dǎo)，包括如下步驟：

步驟1：在InP襯底上的探測器區(qū)域制作選區(qū)介質(zhì)掩膜條對；

步驟2：在制作有選區(qū)介質(zhì)掩膜條對的InP襯底上、各選區(qū)介質(zhì)掩膜條對的周圍依次生長InP緩沖層、下分別限制層、下層多量子阱層、刻蝕終止層、上層多量子阱層以及上分別限制層；

步驟3：腐蝕除去調(diào)制器區(qū)域和無源波導(dǎo)區(qū)域的上分別限制層和上層多量子阱層；

步驟4：腐蝕除去無源波導(dǎo)區(qū)域的刻蝕終止層和下層多量子阱層；

步驟5：對接生長無源波導(dǎo)芯層；

步驟6：在激光器區(qū)域的上分別限制層上制作分布反饋光柵，形成樣片；

步驟7：在樣片上依次外延生長光柵覆蓋層、摻雜蓋層以及重摻雜接觸層，并刻蝕掉無源器件區(qū)域的重摻雜接觸層；

步驟8：在有源器件區(qū)域刻蝕有源波導(dǎo)，在無源器件區(qū)域刻蝕無源波導(dǎo)；

步驟9：在有源器件的電吸收調(diào)制器區(qū)域刻蝕深波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

步驟10：在刻蝕有深波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣片的表面生長絕緣介質(zhì)層；

步驟11：將各有源器件開出電極接觸窗口；

步驟12：在各有源器件上制備金屬P電極；

步驟13：將有源器件之間的重摻雜接觸層刻蝕掉，形成隔離溝；

步驟14：減薄InP襯底，在減薄的InP襯底的背面制作另一金屬N電極，完成芯片制備。

本發(fā)明提出的上述方法采用疊層選區(qū)生長的方法來制作多波長光子集成發(fā)射芯片，只需要兩次外延即可實現(xiàn)DFB與EAM兩種不同帶隙波長的光電子器件集成，且可以分別優(yōu)化DFB與EAM區(qū)域的材料。在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)EAM區(qū)域的選區(qū)介質(zhì)掩膜條對的條寬和間距，可以實現(xiàn)各信道激光器激射波長與EAM的PL峰值波長差值保持為一恒定值，從而實現(xiàn)各信道消光比一致，而且可以使得電吸收調(diào)制器區(qū)域的下層電吸收調(diào)制器的短波長多量子阱層與激光器區(qū)域的上層激光器的長波長多量子阱層高度上保持一致，從而減小耦合損耗。此種疊層選區(qū)生長的方法，可以在簡化光子集成芯片的制作工藝的同時，提高芯片的性能。

附圖說明

為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述，其中：

圖1是本發(fā)明提供的利用疊層選區(qū)生長的方法制作多波長光子集成發(fā)射芯片的方法流程圖；

圖2至圖11為照本發(fā)明實施例制作多波長光子集成芯片結(jié)構(gòu)的工藝流程圖；

圖12依照本發(fā)明實施例制作的多波長光子集成發(fā)射芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是實施例2的制作多波長光子集成發(fā)射芯片的選區(qū)介質(zhì)掩膜條對的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方案

實施例1

請參照圖1和圖2至圖11，本發(fā)明提供一種疊層選區(qū)生長制作多波長光子集成發(fā)射芯片的方法，該多波長光子集成發(fā)射芯片包括探測器(PD)、激光器(DFB)、調(diào)制器(EAM)和放大器(SOA)形成的有源器件和無源波導(dǎo)，包括如下步驟：

步驟1：在InP襯底1上的探測器區(qū)域制作選區(qū)介質(zhì)掩膜條對2，所述選區(qū)介質(zhì)掩膜條對2中的介質(zhì)為氧化硅或氮化硅，介質(zhì)厚度為50-200納米，所述選區(qū)介質(zhì)掩膜條對2以陣列單元間距為周期成對出現(xiàn)，陣列單元間距周期為100微米至300微米，對應(yīng)于不同陣列單元的選區(qū)介質(zhì)掩膜條對2之間的間距為5微米至50微米漸變，其中選區(qū)介質(zhì)掩膜條對的示意圖如圖2所示。

步驟2：在制作有選區(qū)介質(zhì)掩膜條對2的InP襯底1上、各選區(qū)介質(zhì)掩膜條對2的周圍依次生長InP緩沖層3、下分別限制層4、下層多量子阱層5、刻蝕終止層6、上層多量子阱層7以及上分別限制層8；其中所述下分別限制層4和上分別限制層8為與InP襯底1晶格匹配的InGaAsP或InAlGaAs體材料，其光致發(fā)光峰值波長為1.0微米-1.3微米，厚度為50納米-200納米；其中所述下層多量子阱層5和上層多量子阱層7的材料為InGaAsP/InP體系或InAlGaAs/InP體系應(yīng)變補償多量子阱結(jié)構(gòu)；下層多量子阱層5阱的個數(shù)、厚度和成分參數(shù)按照在選擇區(qū)域內(nèi)電吸收調(diào)制器材料結(jié)構(gòu)的要求生長；上層多量子阱層7阱的個數(shù)、厚度和成分參數(shù)按照非選擇區(qū)域內(nèi)激光器材料結(jié)構(gòu)的要求生長，所述在選擇區(qū)域內(nèi)下層多量子阱層5電吸收調(diào)制器材料結(jié)構(gòu)波長比在非選擇區(qū)域內(nèi)的上層多量子阱層7激光器材料結(jié)構(gòu)波長短30-60納米；在非選擇區(qū)域內(nèi)的下層多量子阱層5的材料結(jié)構(gòu)波長比在選擇區(qū)域內(nèi)下層多量子阱層5電吸收調(diào)制器材料結(jié)構(gòu)波長短60-90納米；在非選擇區(qū)域內(nèi)的下層多量子阱層5材料結(jié)構(gòu)波長比非選擇區(qū)域內(nèi)上層多量子阱層7激光器材料結(jié)構(gòu)波長短90-50納米，所述在非選擇區(qū)域內(nèi)的上層多量子阱層7激光器材料與在選擇區(qū)域內(nèi)下層多量子阱層5電吸收調(diào)制器材料處于同一水平面上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

步驟3：腐蝕除去調(diào)制器區(qū)域和無源波導(dǎo)區(qū)域的上分別限制層8和上層多量子阱層7，如圖4所示。

步驟4：腐蝕除去無源波導(dǎo)區(qū)域的刻蝕終止層6和下層多量子阱層5，如圖5所示。

步驟5：對接生長無源波導(dǎo)芯層9，如圖6所示，其中所述無源波導(dǎo)芯層9為不摻雜的InP/InGaAsP/InP或InP/InAlGaAs/InP三明治層結(jié)構(gòu)，其中InGaAsP或InAlGaAs為與InP襯底晶格匹配、厚度200納米-400納米、光致發(fā)光峰值波長為1.2微米-1.4微米的體材料，上下不對稱的InP厚度范圍為20-300nm。

步驟6：在激光器區(qū)域的上分別限制層8上制作分布反饋光柵10，如圖7所示，其中所述分布反饋光柵10為深度10-60納米、周期190-300納米的起伏結(jié)構(gòu)，激光器陣列的各通道光柵10的周期由其對應(yīng)的激射波長確定；各通道激光器的激射波長與其對應(yīng)通道的電吸收調(diào)制器的PL峰值波長保持為一恒定值。

步驟7：在樣片上依次外延生長光柵覆蓋層11、摻雜蓋層12以及重摻雜接觸層13，如圖8所示，并刻蝕掉無源波導(dǎo)區(qū)域的重摻雜接觸層13，其中所述光柵覆蓋層為厚度50-300納米、不摻雜或輕摻雜類型與InP襯底相反的InP層，輕摻雜濃度1-3×10¹⁷/cm³；摻雜蓋層為摻雜類型與InP襯底相反的InP層，厚度1.0-2.0微米，摻雜濃度0.5-2×10¹⁸/cm³漸變；重摻雜接觸層為摻雜類型與InP襯底相反的InGaAs層，厚度50-200納米，摻雜濃度1.0-5×10¹⁹/cm³。

步驟8：在有源器件區(qū)域刻蝕有源波導(dǎo)14，在無源器件區(qū)域刻蝕無源波導(dǎo)15，其中有源波導(dǎo)14是在有源器件區(qū)域制作的深1.0-2.0微米、寬2-4微米的脊型波導(dǎo)；無源器件是S波導(dǎo)、多模干涉耦合器或陣列波導(dǎo)光柵耦合器；無源波導(dǎo)是在無源器件區(qū)域制作的深1.0-4.0微米、寬2-4微米或特定寬度的脊型波導(dǎo)，如圖12所示，圖12為制作了有源和無源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意圖。

步驟9：在有源器件的電吸收調(diào)制器區(qū)域刻蝕深波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中所述深波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是深2.5-4.0微米、寬2-4微米和6-10微米雙脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

步驟10：在刻蝕有深波導(dǎo)結(jié)構(gòu)樣片的表面生長絕緣介質(zhì)層16，如圖9所示。

步驟11：將各有源器件開出電極接觸窗口(圖未示)。

步驟12：在各有源器件上制備金屬P電極17，如圖10所示。

步驟13：將有源器件之間的重摻雜接觸層13刻蝕掉，形成隔離溝，其中所述隔離溝為有源波導(dǎo)上深50-200納米、長20-100微米的溝槽。

步驟14：減薄InP襯底1，在減薄的InP襯底1的背面制作另一金屬N電極18，完成芯片制備，如圖11所示。

實施例2

該實施例與實施例1基本相同，不同之處在于：第一，激光器區(qū)域光柵為均勻光柵，各通道激光器的不同激射波長由激光器區(qū)域不同的脊寬確定；第二，選區(qū)介質(zhì)掩膜條對的間距保持在15微米不變，掩膜條寬為5微米到50微米依次漸變，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖13所示。

綜上所述，通過疊層選區(qū)生長的方法制作多波長光子集成發(fā)射芯片，可分別設(shè)計優(yōu)化激光器量子阱材料和電吸收調(diào)制器量子阱材料，通過調(diào)節(jié)介質(zhì)掩膜條對的間距和條寬，選區(qū)生長電吸收調(diào)制器區(qū)域的疊層量子阱，可獲得相同消光比的EML陣列。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行進一步詳細說明，所應(yīng)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)明的精神和原則內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。