一种具有同层双量子阱结构的电吸收激光器的制作方法

本实用新型属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种具有同层双量子阱结构的电吸收激光器，在同一结构层上具有相同厚度的两种量子阱结构的电吸收调制激光器。

背景技术：

光子集成和光电子混合集成是当前通讯技术中的重要方向，如何在同一块基片或衬底上实现多功能、多器件集成(即在同一块基片或衬底上实现多种量子阱的生长)一直是技术研究的重点。

当前为了实现制造电吸收激光器，在量子阱区域的结构有两种：同一结构层上单一种类量子阱结构设计(简称单量子阱结构)；双层结构层上分别两种量子阱结构设计(简称双量子阱结构)，两种设计分别存在各自的缺陷。

如图7所示，目前，其中a量子阱13为空穴型高掺杂半导体材料，b量子阱15为本征型无掺杂半导体材料，并且b量子阱需要在高温环境下生长在a量子阱上方。为了防止在高温环境中a量子阱的掺杂离子热扩散进b量子阱中，其结构的设计就必须要在a量子阱13和b量子阱15之间加入一个精确控制厚度本征型半导体材料缓冲层14，厚度需要严格控制，需要有足够多的厚度来抵抗来自a量子阱的离子热扩散，又不能过厚引入过大的电阻，而缓冲层14借助金属气相外延相关设备进行生长，并且需要经过多次室温至600℃的升温降温过程，存在制造工艺较为复杂导致良品率低的问题，因此目前双量子阱结构设计不合理。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种在同一结构层上具有相同厚度的两种量子阱结构的电吸收激光器，提出了一种合理的设计方案，具有制造工艺简单的优点，解决了现有结构中存在的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种具有同层双量子阱结构的电吸收激光器，包括衬底和设置在衬底底面的N面电极层，衬底上从下至上依次设置有量子阱膜层、蚀刻阻挡层、载体终止层和接触层；其中，蚀刻阻挡层、载体终止层和接触层通过中段位置刻蚀的隔离区分为左右不连的两部分，蚀刻阻挡层、载体终止层和接触层的断面处、接触层的顶面处以及隔离区的底面处均覆盖有绝缘层；量子阱膜层包括处于同层的第一量子阱和第二量子阱；绝缘层上设置有通过隔离区分开的两P面电极层。

第一量子阱和第二量子阱的厚度相同。

第一量子阱和第二量子阱的厚度为10～100nm。

第一量子阱为本征型InGaAsP材料量子阱，第二量子阱为空穴掺杂型InGaAsP材料量子阱。

第一量子阱和第二量子阱为一体结构成型，第一量子阱部分区域热扩散进入P⁺形成第二量子阱。

第一量子阱为1550nm或1310nm禁带宽度的本征型InGaAsP材料量子阱，第二量子阱为1580nm或1350nm禁带宽度的空穴掺杂型InGaAsP材料量子阱。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果，在同一结构层上具有相同厚度的两种量子阱结构(简称同层双量子阱结构)，此结构的设计合理，能有效保证制造工艺的方便，前端工序仅需要生长一个单量子阱结构，在后端工序利用一系列常规工艺即可实现在同一结构层上由单量子阱结构变为双量子井结构；由于本实用新型的光吸收区为另外一种量子阱结构，因此发光区的光栅设计可以保持在最佳发光增益波长位置，达到最大出光强度，具有较低的阈值电流；另外由于发光区量子阱和光吸收区量子阱位于同一结构层，在界面出的光耦合损失非常低，光耦合效率近似100％，光开关状态间的明灭比较高，约为10dB左右；而且，本实用新型的激光器具有低发光阈值电流，高光耦合度，高光开关明灭比。

进一步的，第一量子阱为特定禁带宽度(1550nm或1310nm)的本征型InGaAsP材料量子阱，用于发射特定波长(1550nm或1310nm)的激光，第二量子阱为特定禁带宽度(1580nm或1350nm)空穴掺杂型InGaAsP材料量子阱，其作用在于作为光开关使用。无外加电场激发下，特定波长(1550nm或1310nm)的激光可以直接几乎无损(即＞90％)穿过该层量子阱，视为光开关打开；在加入外加偏置电场后，由于电场导致的材料带隙偏斜，使材料的禁带宽度接近1550nm或1310nm，特定波长(1550nm或1310nm)的激光在通过该量子阱时，会被材料大量吸收，激光器仅有很少量的光(约5％-10％)的光发出，视为光开关关闭。

附图说明

图1是第一工序，SiO₂掩膜选择性覆盖工序，其中，图1a是材料衬底，图1b是区域覆盖SiO₂掩膜。

图2是第二工序，离子注入工序，其中，图2a是被区域覆盖的衬底，图2b是无掩膜覆盖区域注入P⁺后的衬底。

图3是第三工序，热扩散工序，其中，图3a是无掩膜覆盖区域注入P⁺后的衬底，图3b是经过热扩散，注入离子扩散至量子阱2无掩膜覆盖区域，图3c是图3b的等效图，由于量子阱2部分区域热扩散进入了P⁺，该部分区域的材料组分比发生了变化，形成了不同于量子阱2材料的新的量子阱3。

图4是第四工序，牺牲层去除工序，其中，图4a是热扩散后的衬底，图4b去除量子阱上方牺牲层的衬底。

图5是第五工序，生长结构层，其中，图5a是去除牺牲层后的衬底，图5b是重新生长载体终止层和接触层的衬底。

图6是第六工序，绝缘层和电极层形成工序；其中，图6a是设置电隔离区的衬底，图6b是覆盖绝缘层后的衬底，图6c是覆盖P面和N面金属后，完成制作的本结构电吸收调制激光器。

图7是传统双量子阱结构激光器结构示意图。

附图中：1-衬底，2-量子阱膜层，21-第一量子阱，22-第二量子阱，4-蚀刻阻挡层，5-牺牲层，6-掩膜层，7-载体终止层，8-接触层，9-绝缘层，10-P面电极层，11-N面电极层。

13-a量子阱，14-缓冲层，15-b量子阱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图6c所示，本实用新型包括衬底1和设置在衬底1底面的N面电极层11，衬底1上从下至上依次设置有量子阱层、蚀刻阻挡层4、载体终止层7和接触层8；其中，蚀刻阻挡层4、载体终止层7和接触层8通过中段位置刻蚀的隔离区分为左右不连的两部分，蚀刻阻挡层4、载体终止层7和接触层8的断面处、接触层8的顶面处以及隔离区的底面处均覆盖有绝缘层9；量子阱层包括端面对接的第一量子阱2和第二量子阱3；绝缘层9上设置有通过隔离区分开的两P面电极层10，第一量子阱2和第二量子阱3的厚度相同，第一量子阱2和第二量子阱3的厚度为10～100nm；第一量子阱2为1550nm或1310nm禁带宽度的本征型InGaAsP材料量子阱，第二量子阱3为1580nm或1350nm禁带宽度的空穴掺杂型InGaAsP材料量子阱。

本实用新型的制造工序如下：

如图1所示，图1a是材料衬底，图1b是区域覆盖SiO2掩膜。第一工序是在牺牲层5上选择性覆盖SiO₂掩膜层6的工序，该工序在牺牲层5的化合物InP上整体利用化学气相沉积工艺在200℃～250℃温度下，覆盖一层1500A～3000A厚度的SiO₂膜层，再利用光刻工艺和干/湿法刻蚀工艺，形成保留下来的掩膜层6。

如图2所示，图2a是被区域覆盖的衬底，图2b是无掩膜覆盖区域注入P⁺后的衬底。第二工序是离子注入工序，使用离子注入机，将浓度为3E14～5E14的P⁺离子，在200℃～250℃的环境温度下，以180keV～200keV的能量、5°～7°入射角注入牺牲层5化合物InP的表面，其中由掩膜层6覆盖的区域，由于掩膜层6的存在，无法使离子注入该区域的牺牲层5。

如图3所示，图3a是无掩膜覆盖区域注入P⁺后的衬底，图3b是经过热扩散，注入离子扩散至量子阱2无掩膜覆盖区域，图3c是图3b的等效图，由于量子阱2部分区域热扩散进入了P⁺，该部分区域的材料组分比发生了变化，形成了不同于量子阱2材料的新的量子阱3。第三工序是热扩散工序，利用高温炉管或快速退火炉，将整个衬底1在650℃～670℃的环境下，进行热退火1～5min，使牺牲层5被在第二工序中被离子注入的区域中的离子，完全热扩散至下方对应的蚀刻阻挡层4和部分量子阱2膜层区域，由于热扩散的离子进入，组分和掺杂发生了变化，材料InGaAsP的P元素占比更高，并且禁带宽度会增加20～50nm，该部分量子阱层实际形成了第二量子阱层3。

如图4所示，图4a是热扩散后的衬底，图4b去除量子阱上方牺牲层的衬底。第四工序是牺牲层去除工序，利用体积配比1：4至1：6的氢氟酸氟化铵配比溶液去除掩膜层6，再利用体积配比1:3至2:3盐酸磷酸配比溶液去除牺牲层5，由于蚀刻阻挡层4的成分为InGaAsP，能有效阻挡盐酸硫酸配比溶液。

如图5所示，图5a是去除牺牲层后的衬底，图5b是重新生长载体终止层和接触层的衬底。第五工序是生长结构层工序，利用金属有机物气相外延技术，在蚀刻阻挡层4的表面上生长载体终止层7，并再次利用金属有机物气相外延技术，在载体终止层7的表面上生长接触层膜层8。

如图6所示，图6a是设置电隔离区的衬底，图6b是覆盖绝缘后的衬底，图6c是覆盖P面和N面金属后，完成制作的本结构电吸收调制激光器。第六工序是绝缘层9和金属层形成工序，利用光刻工艺、干/湿法刻蚀工艺，在蚀刻阻挡层4、载体终止层7和接触层8的中段位置刻蚀出电隔离区；利用化学气相沉积工艺在顶部和刻蚀形貌上覆盖绝缘层9，利用等离子体溅射工艺在绝缘层9上覆盖P面电极层10，在衬底1下方覆盖N面电极层11，至此，得到本实用新型的同层双量子阱结构的电吸收激光器。