可调谐激光器及其制备方法与流程

本发明属于半导体光电子集成器件领域，更具体地涉及一种可调谐激光器及其制备方法。

背景技术：

波分复用(wdm)光通信系统通过同时传输多波长能有效利用光纤的容量。在wdm系统中，可调谐激光器能够很大程度地降低制造和运行中的器件存货量。当使用单波长光源像分布式反馈(dfb)激光器时，需要准备很多不同发射波长的激光器，大大增加了成本。采用可调谐激光器则需要几个器件就可以覆盖所有波长，替换失效的器件也很方便。

分布布拉格反射(dbr)可调谐激光器由于具有紧凑的尺寸、高的机械可靠性和易于与别的光器件集成等优点被应用在wdm系统中。与取样光栅dbr激光器或者数字超模激光器相比，dbr激光器由于控制波长的电流数量少，所以更容易校准。另外，因为具有比较少的控制参数，dbr激光器的波长锁定算法更加简单。这些特征使得可调谐dbr激光器成为wdm无源光网络用光源的优先选择。

现有的两段/三段dbr激光器采用ingaasp/inp材料进行设计和制备，但其可调谐范围较小，且电子限制能力弱，且在较高温度下，调制带宽会明显减小，因此器件可工作的温度范围小。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种可调谐激光器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出一种可调谐激光器，包括位于同一衬底上、等高且依次贴合的增益区、相位区和光栅区，其中：增益区，自下而上依次包括：下波导层、有源层及上波导层，有源层为多量子阱结构，该多量子阱结构包括交替叠置的阱层和垒层，阱层和垒层的主体材料均为ingaalas四元化合物；下波导层、有源区及上波导层的靠近相位区的侧面腐蚀形成为斜面；相位区和光栅区，均包括无源层，光栅区的无源层形成有光栅结构；相位区靠近斜面的侧面与斜面相吻合，以使增益区和相位区相贴合。

在本发明的一些实施例中，上述增益区、相位区和光栅区均还包括包层及通过隔离槽间隔的电接触层和p面电极；衬底的下表面具有n面电极；其中，增益区的包层、电接触层及p面电极依次置于上波导层的上表面；相位区和光栅区的包层、电接触层及p面电极依次置于无源层的上表面。

在本发明的一些实施例中，上述增益区、相位区和光栅区的包层和电接触层为倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形。

在本发明的一些实施例中，上述使增益区、相位区和光栅区的电接触层及p面电极间隔的隔离槽中注入有氦离子。

在本发明的一些实施例中，上述无源层的主体材料为ingaasp四元化合物或ingaalas四元化合物，优选为ingaasp四元化合物。

在本发明的一些实施例中，上述有源层包括交替叠置的5个阱层和6个垒层；每个阱层的厚度为5nm，每个垒层的厚度为9nm。

在本发明的一些实施例中，上述无源层的带隙波长比有源层的带隙波长小90～200nm。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，提出一种可调谐激光器的制备方法，包括如下步骤：步骤1、在衬底上依次生长下波导层、多量子阱结构的有源层及上波导层，其中，有源层的主体材料为ingaalas四元化合物；步骤2、去掉部分区域的下波导层、多量子阱结构的有源区及上波导层，露出衬底，以使步骤1中结构分为增益区和无源区两部分；步骤3、将增益区靠近无源区的侧壁腐蚀形成斜面；步骤4、利用对接生长技术在无源区生长ingaasp/ingaalas四元化合物材料，以与增益区的上波导层平齐；并在远离增益区的部分无源区制备光栅结构，以使无源区分为相位区和光栅区两部分。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤4之后，还包括以下步骤：步骤5、在步骤4的结构上表面生长包层和电接触层，并在电接触层上刻蚀形成隔离槽，以使增益区、相位区和光栅区的电接触层间隔设置；步骤6、在增益区、相位区和光栅区的电接触层上制备p面电极，衬底减薄后在其整个下表面制备n面电极，完成可调谐激光器的制备。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤5中刻蚀形成隔离槽之前，还包括以下步骤：腐蚀包层和电接触层，以形成倒台浅脊波导结构，该结构的侧截面呈倒梯形。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤5中刻蚀形成隔离槽之后，还包括以下步骤：向隔离槽中注入氦离子。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤3中，在将增益区靠近无源区的侧壁腐蚀形成斜面前，还包括以下步骤：分别用三氯乙烯、丙酮、乙醇清洗所述露出的衬底。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤3中，腐蚀形成斜面时，采用h2sio4和h2o2的混合腐蚀液进行腐蚀。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤3中，在将增益区靠近无源区的侧壁腐蚀形成斜面后，还包括以下步骤：用浓h2sio4对斜面进行表面钝化；并用(nh4)2s去除界面态。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤2中，去掉部分区域的下波导层、多量子阱结构的有源区及上波导层的具体方法包括：在上波导层的上表面形成sio2层；并采用光刻和湿法腐蚀形成有源区掩膜图形；其中，该sio2层的厚度为100～200nm；采用ch4和h2的混合气体刻蚀去掉部分区域的下波导层、多量子阱结构的有源区及上波导层。

本发明提出的可调谐激光器及其制备方法，具有以下有益效果：

1、采用导带偏移量大的ingaalas材料作为增益区的量子阱材料，使得可调谐激光器的增益区具有较好的电子限制能力，从而提高可调谐激光器的温度特性和高频特性，使得器件能够工作在较大的温度范围和较高的调制频率下；

2、增益区的侧壁腐蚀形成有斜面，能够有效防止相位区和光栅区在对接生长ingaasp/ingaalas材料时在对接界面形成的材料堆积，从而减小光的损耗和界面处的光反射；

3、采用浓h2sio4进行表面钝化，用(nh4)2s去除界面态，可有效去除ingaalas材料在反应离子刻蚀(rie)和湿法腐蚀过程产生的氧化物和界面态，减小对接界面处的光损耗，并增强可调谐激光器长期使用的可靠性；

4、通过与长波长ingaasp材料对接制备的可调谐激光器，可实现器件性能的分别优化，通过优化ingaalas有源材料，能够实现器件出光功率和调制带宽的优化；通过优化相区和光栅区的ingaasp无源材料，能够实现器件波长调谐范围的优化。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的可调谐激光器的正面剖面图；

图2是本发明一实施例提出的可调谐激光器的制备方法中，在衬底上生长完成下波导层、多量子阱层和上波导层之后结构的正面剖面图；

图3是本发明一实施例中通过光刻和腐蚀制备出增益区的sio2掩膜图形后结构的俯视图；

图4是本发明一实施例中采用反应离子刻蚀去掉相位区和光栅区的ingaalas材料后结构的正面剖面图；

图5是本发明一实施例中湿法腐蚀出对接界面的斜面后结构的正面剖面图；

图6是本发明一实施例中光栅区和相位区对接生长无源材料后结构的正面剖面图；

图7是本发明一实施例中制备得到倒台浅脊波导后结构的侧面剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的主要目的在于提供一种基于ingaalas量子阱材料的可调谐激光器，采用ingaalas作为量子阱材料与ingaasp体材料进行对接，由于ingaalas材料在干法刻蚀、湿法腐蚀以及清洗过程中容易出现氧化或碳元素污染，影响材料的对接界面进而影响器件的特性和可靠性。因此，本发明的主要目的在于解决此问题。

因为ingaalas材料的导带偏移量为δec/δeg＝0.72，比ingaasp材料的导带偏移量δec/δeg＝0.4大，所以采用ingaalas作为有源区的量子阱材料，具有较好的电子限制能力，制备的可调谐激光器温度特性和高频特性良好，器件能够工作在较大的温度范围和较高的调制频率下。

因此，本发明提出一种可调谐激光器，包括位于同一衬底上、等高且依次贴合的增益区、相位区和光栅区，其中：增益区，自下而上依次包括：下波导层、有源层及上波导层，有源层为多量子阱结构，该多量子阱结构包括交替叠置的阱层和垒层，阱层和垒层的主体材料均为ingaalas四元化合物；下波导层、有源区及上波导层的靠近相位区的侧面腐蚀形成为斜面；相位区和光栅区，均包括无源层，光栅区的无源层形成有光栅结构；相位区靠近斜面的侧面与斜面相吻合，以使增益区和相位区相贴合。

由于采用导带偏移量大的ingaalas材料作为增益区的量子阱材料，使得可调谐激光器的增益区具有较好的电子限制能力，从而提高可调谐激光器的温度特性和高频特性，使得器件能够工作在较大的温度范围和较高的调制频率下；又由于增益区的侧壁腐蚀形成有斜面，能够有效防止相位区和光栅区在对接生长ingaasp/ingaalas材料时在对接界面形成的材料堆积，从而减小光的损耗和界面处的光反射。

在本发明的一些实施例中，上述增益区、相位区和光栅区均还包括包层及通过隔离槽间隔的电接触层和p面电极；衬底的下表面具有n面电极；其中，增益区的包层、电接触层及p面电极依次置于上波导层的上表面；相位区和光栅区的包层、电接触层及p面电极依次置于无源层的上表面。

在本发明的一些实施例中，上述增益区、相位区和光栅区的包层和电接触层为倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形。能够提高光栅区注入载流子的浓度，同时降低串联电阻，有利于增大波长调谐范围和调谐效率。

在本发明的一些实施例中，上述使增益区、相位区和光栅区的电接触层及p面电极间隔的隔离槽中注入有氦离子，以提高电隔离效果。

在本发明的一些实施例中，上述无源层的主体材料为ingaasp四元化合物或ingaalas四元化合物，优选为ingaasp四元化合物；采用ingaasp材料，可实现器件性能的分别优化，例如通过优化ingaalas有源材料，能够实现器件出光功率和调制带宽的优化；通过优化相区和光栅区的ingaasp无源材料，能够实现器件波长调谐范围的优化。

在本发明的一些实施例中，上述有源层包括交替叠置的5个阱层和6个垒层；每个阱层的厚度为5nm，每个垒层的厚度为9nm。

在本发明的一些实施例中，上述无源层的带隙波长比有源层的带隙波长小90～200nm。

本发明还提出一种可调谐激光器的制备方法，包括如下步骤：步骤1、在衬底上依次生长下波导层、多量子阱结构的有源层及上波导层，其中，有源层的主体材料为ingaalas四元化合物；步骤2、去掉部分区域的下波导层、多量子阱结构的有源区及上波导层，露出衬底，以使步骤1中结构分为增益区和无源区两部分；步骤3、将增益区靠近无源区的侧壁腐蚀形成斜面；步骤4、利用对接生长技术在无源区生长ingaasp/ingaalas四元化合物材料，以与增益区的上波导层平齐；并在远离增益区的部分无源区制备光栅结构，以使无源区分为相位区和光栅区两部分。

在制备过程中，增益区的侧壁腐蚀形成斜面后进行无源层的对接生长，能够有效防止相位区和光栅区在对接生长ingaasp/ingaalas材料时在对接界面形成的材料堆积，从而减小光的损耗和界面处的光反射。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤4之后，还包括以下步骤：步骤5、在步骤4的结构上表面生长包层和电接触层，并在电接触层上刻蚀形成隔离槽，以使增益区、相位区和光栅区的电接触层间隔设置；步骤6、在增益区、相位区和光栅区的电接触层上制备p面电极，衬底减薄后在其整个下表面制备n面电极，完成可调谐激光器的制备。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤5中刻蚀形成隔离槽之前，还包括以下步骤：腐蚀包层和电接触层，以形成倒台浅脊波导结构，该结构的侧截面呈倒梯形。从而提高光栅区注入载流子的浓度，同时降低串联电阻，有利于增大波长调谐范围和调谐效率。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤5中刻蚀形成隔离槽之后，还包括以下步骤：向隔离槽中注入氦离子，以提高电隔离效果。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤3中，在将增益区靠近无源区的侧壁腐蚀形成斜面前，还包括以下步骤：分别用三氯乙烯、丙酮、乙醇清洗所述露出的衬底，以利于对接生长的顺利进行，避免刻蚀残余物对可调谐激光器性能的影响。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤3中，腐蚀形成斜面时，采用h2sio4和h2o2的混合腐蚀液进行腐蚀。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤3中，在将增益区靠近无源区的侧壁腐蚀形成斜面后，还包括以下步骤：用浓h2sio4溶液对斜面进行表面钝化；并用(nh4)2s溶液去除界面态；优选地，该去除界面态的溶液浓度为2-20％。从而可有效去除ingaalas材料在反应离子刻蚀(rie)和湿法腐蚀过程产生的氧化物和界面态，减小对接界面处的光损耗，并增强可调谐激光器长期使用的可靠性。

在本发明的一些实施例中，上述步骤2中，去掉部分区域的下波导层、多量子阱结构的有源区及上波导层的具体方法包括：在上波导层的上表面形成sio2层；并采用光刻和湿法腐蚀形成有源区掩膜图形；其中，该sio2层的厚度为100～200nm；采用ch4和h2的混合气体刻蚀去掉部分区域的下波导层、多量子阱结构的有源区及上波导层。

在本发明的一些实施例中，提出一种基于ingaalas量子阱材料的可调谐激光器的制作方法，该方法包括如下步骤：

(1)选择一n型磷化铟衬底，在衬底上依次生长ingaalas下波导层、多量子阱有源区、上波导层；

(2)在上波导层上面生长sio2层，并采用光刻和湿法腐蚀形成有源区掩膜图形；

(3)采用反应离子刻蚀方法刻蚀去掉光栅区和相区的ingaalas材料；

(4)分别用三氯乙烯、丙酮、乙醇进行衬底清洗，用h2sio4和h2o2腐蚀出侧蚀斜面，用浓h2sio4溶液进行表面钝化；用(nh4)2s去除界面态；

(5)利用对接生长技术获得光栅区和相位区的ingaasp材料，其带隙波长小于激光器发光波长90～200nm；

(6)在光栅区制作光栅，在整个管芯表面生长包层和电接触层；

(7)在光栅区、相位区及增益区的包层及电接触层上制作倒台浅脊波导结构；

(8)在电接触层上刻蚀形成电隔离槽，同时对隔离槽进行氦离子注入，在增益区和相区，相区和光栅区之间实现电隔离；

(9)在增益区、相区和光栅区的电极接触层上制作p面电极，衬底减薄后在整个管芯的底部制作n面电极，完成管芯制作。

上述方案中，采用浓h2sio4进行表面钝化，用(nh4)2s去除界面态，可有效去除ingaalas材料在rie刻蚀和湿法腐蚀过程产生的氧化物和界面态。

采用ingaalas作为有源区的量子阱材料，因为较宽的导带偏移量。通过与长波长ingaasp材料对接制备的可调谐激光器，具有比较好的高温特性。在20℃～60℃温度下，器件能够稳定工作，光栅区电流注入引起的波长调谐范围大于12nm，加上温度引起的波长偏移量，可实现17nm的波长调谐，整个调谐范围内光谱的边摸抑制比大于30db。在20℃～40℃温度下，器件整个调谐范围内的小信号带宽均大于10ghz。展示出了良好的高温特性。

以下通过具体实施例，对本发明提出的可调谐激光器及其制备方法进行详细描述。

实施例

如图1所示，本实施例提出一种可调谐激光器，包括位于同一衬底4上、等高且依次贴合的增益区1、相位区2和光栅区3，其中：增益区1，自下而上依次包括：下波导层5、有源层6及上波导层7，有源层6为多量子阱结构，该多量子阱结构包括交替叠置的5个阱层和6个垒层，阱层和垒层的主体材料均为ingaalas四元化合物；下波导层5、有源区6及上波导层7的靠近相位区的侧面腐蚀形成为斜面9；相位区2和光栅区3，均包括无源层10，光栅区3的无源层10形成有光栅结构11；相位区2靠近斜面9的侧面与斜面相吻合，以使增益区1和相位区2相贴合。

增益区1、相位区2和光栅区3均还包括包层12及通过隔离槽14间隔的电接触层13和p面电极16；衬底的下表面具有n面电极17；其中，增益区1的包层、电接触层及p面电极依次置于上波导层7的上表面；相位区2和光栅区3的包层、电接触层及p面电极依次置于无源层的上表面。上述增益区1、相位区2和光栅区3的包层12和电接触层13为倒台浅脊波导结构，其侧截面呈倒梯形；隔离槽14中注入有氦离子15。

请参阅图1～图7所示，本实施例还提出一种上述可调谐激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、在衬底上依次生长下波导层、多量子阱结构的有源层及上波导层；

具体为：选择一n型磷化铟衬底4，利用有机金属化合物气相沉积(mocvd)在衬底上依次生长ingaalas下波导层5(带隙波长为1200nm)、多量子阱有源区6(带隙波长为1550nm)、上波导层7(带隙波长为1200nm)。生长温度为680℃，生长压力为100mbar，上下波导层的厚度均为90nm，多量子阱有源区6包括5个压应变阱层和6个张应变垒层，5个压应变阱层的每层厚度为5nm，6个张应变垒层的每层厚度为9nm，多量子阱有源区6被下波导层5和上波导层7夹在中间形成三明治结构，如图2所示，其中1区为增益区，2区为相位区，3区为光栅区，各区之间用虚线区分。

步骤2、去掉部分区域的下波导层、多量子阱结构的有源区及上波导层，露出衬底，以使步骤1中结构分为增益区和无源区两部分；具体包括以下步骤：

步骤2.1、在上波导层7上表面生长150nm厚的sio2层，生长温度为300℃，生长压力为100pa；并采用1μm厚的光刻胶掩膜，利用缓冲氧化物腐蚀液(boe)腐蚀出20μm宽的sio2条形结构8，该步骤完成后，器件的俯视图如图3所示；

步骤2.2、采用rie方法刻蚀去掉光栅区3和相位区2的ingaalas材料，反应刻蚀压力为0.067mbar，功率为150w，反应气体为ch4∶h2＝18∶45的混合气体，刻蚀时间为5分钟，刻蚀完成后的正面剖面图如图4所示。

步骤3、将增益区靠近无源区的侧壁腐蚀形成斜面；具体包括以下步骤：

步骤3.1、分别用三氯乙烯、丙酮、乙醇进行衬底清洗，用冰点的h2sio4∶h2o2∶h2o＝3∶1∶1溶液浸泡30秒，腐蚀出斜面9，得到如图5所示的结构；

步骤3.2、把衬底甩干后在浓h2sio4溶液中浸泡20秒进行表面钝化；最后在(nh4)2s溶液中浸泡2分钟去除界面态，然后用去离子水冲干净。

步骤4、利用对接生长技术在无源区生长ingaasp/ingaalas四元化合物材料，以与增益区的上波导层平齐；并在远离增益区的部分无源区制备光栅结构，以使无源区分为相位区和光栅区两部分；具体包括以下步骤：

步骤4.1、利用mocvd对接生长光栅区和相位区的ingaasp材料10，生长温度为630℃，生长压力为100mbar，其带隙波长(1400nm)小于激光器发光波长，然后通过boe腐蚀液腐蚀去掉20μm宽的sio2条8，得到如图6所示的结构；

步骤4.2、在光栅区3制作光栅11。

步骤5、在步骤4的结构上表面生长包层和电接触层，并在电接触层上刻蚀隔离槽，以使增益区、相位区和光栅区的电接触层间隔设置；具体包括以下步骤：

步骤5.1、在整个管芯表面mocvd生长p型zn掺杂的inp包层12(1500nm厚)和ingaas材料的电接触层13(200nm厚)，生长温度为630℃，生长压力为100mbar。

步骤5.2、在光栅区3、相位区2及增益区1的包层12及电接触层13上，利用1μm厚的光刻胶，光刻出3μm宽的光刻胶条形掩膜，先后采用br2∶hbr∶h2o＝1∶25∶80的腐蚀液(腐蚀时间为40秒)和hcl∶h2o＝9∶1的腐蚀液(腐蚀时间为3分钟)制作出倒台浅脊波导结构，得到器件的侧面截面图如图7所示；

步骤5.3、在电接触层13上用3μm厚光刻胶光刻出隔离槽图形，用腐蚀液h2sio4∶h2o2∶h2o＝3∶1∶1腐蚀10秒，腐蚀出各区之间的电隔离槽14(宽度为30μm)，同时对隔离槽14进行he离子15的注入，注入能量为200kev，注入剂量为10¹⁴cm^-2，在增益区1和相位区2，相位区2和光栅区3之间实现电隔离。

步骤6、在增益区、相位区和光栅区的电接触层上制备p面电极，衬底减薄后在其整个下表面制备n面电极，完成可调谐激光器的制备；

具体为：在增益区1、相位区2和光栅区3的电接触层13上制作p面电极16，衬底减薄后在整个管芯的底部制作n电极17，完成管芯制作，得到如图1所示的可调谐激光器。

本实施例提供的主要是一种基于ingaalas量子阱材料的可调谐激光器及其制备方法。器件包含增益区1、相位区2和光栅区3，增益区1长度约占总长度的50％，相位区约占总长度的15％，相位区约占总长度的25％；增益区1的电流决定着出光功率，光栅区3的电流起到调节波长的作用，相位区2的电流调节光的相位匹配。各区之间的电隔离槽防止电流的串扰。

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了进一步详细说明，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之内，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。