叠层选区生长制作多波长光子集成发射芯片的方法与流程

本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种叠层选区生长制作多波长光子集成发射芯片的方法。

背景技术：

光纤通信系统的容量随着人类对信息容量需求的快速增加呈指数形态迅猛增长，从而将高可靠、低成本以及低损耗光子集成(photonics integrated circuits)技术提上了日程。单片集成多波长光子集成发射芯片是实现光子集成的重要手段，它包含多种功能器件：光电探测器(PD)、分布式反馈激光器(DFB)、电吸收调制器(EAM)、半导体光放大器(SOA)、无源波导及无源合波器件如多模干涉耦合器(MMI)、阵列波导光栅(AWG)等，器件制备过程复杂，对生产设备以及工艺条件要求很高。目前主要的光子集成技术有：选择区域生长技术(SAG)(C.Zhang，H.Zhu，S.Liang，Opt.Laser Technol，2014)、量子阱混杂(QWI)(L.Hou，M.Haji，R.Dylewicz，Photonica Technol.Lett，2011)、对接耦合生长(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.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技术可以一次外延出不同带隙波长的量子阱材料且界面过度均匀，但是，选择区域与非选择区域的材料是同时生长的，不能分别优化，各器件材料的生长参数是折中产物，比较苛刻。QWI技术为一种后工艺，避免了其他技术所需的多次刻蚀再生长的繁琐，但是容易损伤量子阱材料质量且增加额外的损耗。BJG技术可以对个部分器件结构分别设计和优化，但是需要增加外延次数，而且容易在对接界面引入缺陷和额外的光损耗。OQW技术是通过一次外延获得两种材料的方法，一次外延包含无源芯层波导和多量子阱有源区两部分，之后刻蚀掉无源器件部分的量子阱。该方案适合有源/无源器件的集成，但是需要特殊的脊波导结构设计以减少过渡耦合损耗。上述技术均不尽如意，多年前，本发明申报者之一提出了选择区域外延双有源区叠层(SAG-DSAL)技术(HongLiang Zhu and Wei Wang，美国专利US7，476，558B2)，该方案在调制器段作选择外延生长区，一次外延同时生长出调制器和激光器叠层量子阱有源区结构，然后腐蚀掉调制器区域的上层LD_MQW层。利用此种方案可以获得工艺简单，低阈值耦合效率高的电吸收调制激光器芯片。本发明申请以此专利为基础，提出了一种叠层选区生长制作多波长光子集成发射芯片的方法，与已经报道的多波长光子集成发射芯片技术相比，此种方法工艺简单，激光器和各通道电吸收调制器的参数在同一次外延的不同时间段得到分别优化，从而提高光子集成发射芯片的成品率和特性指标。

如上所述，目前为制备性能良好的多波长光子集成发射芯片，大部分需要复杂的工艺，从而导致器件成品率低，制作成本高。此外，目前集成的电吸收调制激光器(EML)芯片中，各个信道的EAM材料特性均一致，对应于不同信道的DFB激射波长不同，各个信道EAM的PL峰值波长与DFB的激射波长差均不同，从而导致不同信道的EAM消光比不同，进而影响其动态特性。

技术实现要素：

本发明公开的制作方法相对于常规的材料集成技术，可以简化芯片制作工艺的同时分别优化DFB和EAM，从而分别提升其性能。此外，由于叠层选区生长方法的特殊性，可以分别调制各个信道的EAM的材料特性，从而可以保证所有信道的消光比一致，大大优化了芯片的性能。

为达到上述技术目的，本发明提供一种叠层选区生长制作多波长光子集成发射芯片的方法，该多波长光子集成发射芯片包括探测器、激光器、调制器和放大器形成的有源器件和无源波导，包括如下步骤：

步骤1：在InP衬底上的探测器区域制作选区介质掩膜条对；

步骤2：在制作有选区介质掩膜条对的InP衬底上、各选区介质掩膜条对的周围依次生长InP缓冲层、下分别限制层、下层多量子阱层、刻蚀终止层、上层多量子阱层以及上分别限制层；

步骤3：腐蚀除去调制器区域和无源波导区域的上分别限制层和上层多量子阱层；

步骤4：腐蚀除去无源波导区域的刻蚀终止层和下层多量子阱层；

步骤5：对接生长无源波导芯层；

步骤6：在激光器区域的上分别限制层上制作分布反馈光栅，形成样片；

步骤7：在样片上依次外延生长光栅覆盖层、掺杂盖层以及重掺杂接触层，并刻蚀掉无源器件区域的重掺杂接触层；

步骤8：在有源器件区域刻蚀有源波导，在无源器件区域刻蚀无源波导；

步骤9：在有源器件的电吸收调制器区域刻蚀深波导结构；

步骤10：在刻蚀有深波导结构样片的表面生长绝缘介质层；

步骤11：将各有源器件开出电极接触窗口；

步骤12：在各有源器件上制备金属P电极；

步骤13：将有源器件之间的重掺杂接触层刻蚀掉，形成隔离沟；

步骤14：减薄InP衬底，在减薄的InP衬底的背面制作另一金属N电极，完成芯片制备。

本发明提出的上述方法采用叠层选区生长的方法来制作多波长光子集成发射芯片，只需要两次外延即可实现DFB与EAM两种不同带隙波长的光电子器件集成，且可以分别优化DFB与EAM区域的材料。在此基础上，调节EAM区域的选区介质掩膜条对的条宽和间距，可以实现各信道激光器激射波长与EAM的PL峰值波长差值保持为一恒定值，从而实现各信道消光比一致，而且可以使得电吸收调制器区域的下层电吸收调制器的短波长多量子阱层与激光器区域的上层激光器的长波长多量子阱层高度上保持一致，从而减小耦合损耗。此种叠层选区生长的方法，可以在简化光子集成芯片的制作工艺的同时，提高芯片的性能。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，其中：

图1是本发明提供的利用叠层选区生长的方法制作多波长光子集成发射芯片的方法流程图；

图2至图11为照本发明实施例制作多波长光子集成芯片结构的工艺流程图；

图12依照本发明实施例制作的多波长光子集成发射芯片的结构示意图；

图13是实施例2的制作多波长光子集成发射芯片的选区介质掩膜条对的结构示意图。

具体实施方案

实施例1

请参照图1和图2至图11，本发明提供一种叠层选区生长制作多波长光子集成发射芯片的方法，该多波长光子集成发射芯片包括探测器(PD)、激光器(DFB)、调制器(EAM)和放大器(SOA)形成的有源器件和无源波导，包括如下步骤：

步骤1：在InP衬底1上的探测器区域制作选区介质掩膜条对2，所述选区介质掩膜条对2中的介质为氧化硅或氮化硅，介质厚度为50-200纳米，所述选区介质掩膜条对2以阵列单元间距为周期成对出现，阵列单元间距周期为100微米至300微米，对应于不同阵列单元的选区介质掩膜条对2之间的间距为5微米至50微米渐变，其中选区介质掩膜条对的示意图如图2所示。

步骤2：在制作有选区介质掩膜条对2的InP衬底1上、各选区介质掩膜条对2的周围依次生长InP缓冲层3、下分别限制层4、下层多量子阱层5、刻蚀终止层6、上层多量子阱层7以及上分别限制层8；其中所述下分别限制层4和上分别限制层8为与InP衬底1晶格匹配的InGaAsP或InAlGaAs体材料，其光致发光峰值波长为1.0微米-1.3微米，厚度为50纳米-200纳米；其中所述下层多量子阱层5和上层多量子阱层7的材料为InGaAsP/InP体系或InAlGaAs/InP体系应变补偿多量子阱结构；下层多量子阱层5阱的个数、厚度和成分参数按照在选择区域内电吸收调制器材料结构的要求生长；上层多量子阱层7阱的个数、厚度和成分参数按照非选择区域内激光器材料结构的要求生长，所述在选择区域内下层多量子阱层5电吸收调制器材料结构波长比在非选择区域内的上层多量子阱层7激光器材料结构波长短30-60纳米；在非选择区域内的下层多量子阱层5的材料结构波长比在选择区域内下层多量子阱层5电吸收调制器材料结构波长短60-90纳米；在非选择区域内的下层多量子阱层5材料结构波长比非选择区域内上层多量子阱层7激光器材料结构波长短90-50纳米，所述在非选择区域内的上层多量子阱层7激光器材料与在选择区域内下层多量子阱层5电吸收调制器材料处于同一水平面上，其结构示意图如图3所示。

步骤3：腐蚀除去调制器区域和无源波导区域的上分别限制层8和上层多量子阱层7，如图4所示。

步骤4：腐蚀除去无源波导区域的刻蚀终止层6和下层多量子阱层5，如图5所示。

步骤5：对接生长无源波导芯层9，如图6所示，其中所述无源波导芯层9为不掺杂的InP/InGaAsP/InP或InP/InAlGaAs/InP三明治层结构，其中InGaAsP或InAlGaAs为与InP衬底晶格匹配、厚度200纳米-400纳米、光致发光峰值波长为1.2微米-1.4微米的体材料，上下不对称的InP厚度范围为20-300nm。

步骤6：在激光器区域的上分别限制层8上制作分布反馈光栅10，如图7所示，其中所述分布反馈光栅10为深度10-60纳米、周期190-300纳米的起伏结构，激光器阵列的各通道光栅10的周期由其对应的激射波长确定；各通道激光器的激射波长与其对应通道的电吸收调制器的PL峰值波长保持为一恒定值。

步骤7：在样片上依次外延生长光栅覆盖层11、掺杂盖层12以及重掺杂接触层13，如图8所示，并刻蚀掉无源波导区域的重掺杂接触层13，其中所述光栅覆盖层为厚度50-300纳米、不掺杂或轻掺杂类型与InP衬底相反的InP层，轻掺杂浓度1-3×10¹⁷/cm³；掺杂盖层为掺杂类型与InP衬底相反的InP层，厚度1.0-2.0微米，掺杂浓度0.5-2×10¹⁸/cm³渐变；重掺杂接触层为掺杂类型与InP衬底相反的InGaAs层，厚度50-200纳米，掺杂浓度1.0-5×10¹⁹/cm³。

步骤8：在有源器件区域刻蚀有源波导14，在无源器件区域刻蚀无源波导15，其中有源波导14是在有源器件区域制作的深1.0-2.0微米、宽2-4微米的脊型波导；无源器件是S波导、多模干涉耦合器或阵列波导光栅耦合器；无源波导是在无源器件区域制作的深1.0-4.0微米、宽2-4微米或特定宽度的脊型波导，如图12所示，图12为制作了有源和无源波导结构的示意图。

步骤9：在有源器件的电吸收调制器区域刻蚀深波导结构，其中所述深波导结构是深2.5-4.0微米、宽2-4微米和6-10微米双脊型波导结构。

步骤10：在刻蚀有深波导结构样片的表面生长绝缘介质层16，如图9所示。

步骤11：将各有源器件开出电极接触窗口(图未示)。

步骤12：在各有源器件上制备金属P电极17，如图10所示。

步骤13：将有源器件之间的重掺杂接触层13刻蚀掉，形成隔离沟，其中所述隔离沟为有源波导上深50-200纳米、长20-100微米的沟槽。

步骤14：减薄InP衬底1，在减薄的InP衬底1的背面制作另一金属N电极18，完成芯片制备，如图11所示。

实施例2

该实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：第一，激光器区域光栅为均匀光栅，各通道激光器的不同激射波长由激光器区域不同的脊宽确定；第二，选区介质掩膜条对的间距保持在15微米不变，掩膜条宽为5微米到50微米依次渐变，其结构示意图如图13所示。

综上所述，通过叠层选区生长的方法制作多波长光子集成发射芯片，可分别设计优化激光器量子阱材料和电吸收调制器量子阱材料，通过调节介质掩膜条对的间距和条宽，选区生长电吸收调制器区域的叠层量子阱，可获得相同消光比的EML阵列。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。