光通信用硅基长波长半导体光放大芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种光通信用硅基长波长半导体光放大芯片及其制备方法。


背景技术：

2.信息技术的大容量和高速率发展要求通信网络具有快速、灵活开关、重新组合、高信噪比等特点。半导体光放大器由于其体积小、功耗低、易于集成、寿命长等优点，广泛应用于光通信链路中的信号发射放大、线性中继、接收放大等，能够显著改善信号质量和信噪比。同时，半导体光放大芯片结合特殊的封装工艺，也能够实现宽可调谐激光的特性，其激光光源可以用在无人驾驶激光雷达、高速相干通信等领域。而波长超过1600nm激光光源，可以用在大气传感、甲烷探测等领域。
3.以硅为衬底的半导体三五族集成是下一代光电集成的关键，是光电集成系统化、小体积化、低功耗化、低成本化发展的必然趋势。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种光通信用硅基长波长半导体光放大芯片及其制备方法，实现以硅为衬底的长波长半导体光放大芯片，可直接放大波长在1600nm以上的激光光源，可用在高速相干通信、激光雷达、气体传感等领域，另外在硅衬底上制备的光通信长波长半导体光放大芯片，在实际应用中无需额外热沉、降低使用成本，同时便于在实际光电集成中与激光器、调制器等进行进一步的集成。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种光通信用硅基长波长半导体光放大芯片，包括衬底及在衬底上从下而上依次生长的中间层、n-ingaasp光场扩展层、下波导层、应变组合多量子阱、上波导层、p-inp空间层、p-ingaasp过渡层、p-ingaas欧姆接触层；所述中间层从下往上依次为gaas层、inp层；其中经由p-ingaas欧姆接触层向下腐蚀至n-ingaasp光场扩展层，形成倒台面脊波导结构。
6.在本发明一实施例中，所述p-ingaas欧姆接触层上还生长有p-inp保护层，p-inp保护层也进行相应的腐蚀。
7.在本发明一实施例中，所述倒台面脊波导结构外围及n-ingaasp扩展层表面包覆有钝化层。
8.在本发明一实施例中，所述倒台面脊波导结构的脊型顶部以及n-ingaasp扩展层表面钝化层设有开孔，并通过电子束蒸发ti/pt/au金属，形成欧姆接触、合金。
9.在本发明一实施例中，所述衬底为硅衬底。
10.本发明还提供了一种基于上述所述的光通信用硅基长波长半导体光放大芯片的制备方法，在mocvd腔体中通过热处理si衬底表面，并生长n-gaas过渡层；接着mocvd热处理外延片表面，使得材料表面发生质量输运过程，接着生长n-inp过渡层，再通过mocvd热处理片子表面并生长n-inp缓冲层；接着生长n-ingaasp光场扩展层；接着生长不掺杂下sch层，即下波导层，再生长应变补偿ingaasp多量子阱，即应变组合多量子阱，采用厚度变化组合
量子阱来拓宽材料增益谱宽度；接着生长不掺杂上sch层、p-inp空间层、p-ingaasp过渡层、p-ingaas欧姆接触层；而后，pecvd沉积介质层，光刻形成弯曲型脊波导结构，采用溴溶液进行各向同性腐蚀，腐蚀深度至n-ingaasp光场扩展层，形成倒台面脊波导结构；采用pecvd沉积sino作为钝化层，并对倒台面脊波导结构的脊型顶部和n-ingaasp光场扩展层表面钝化层进行开孔，电子束蒸发ti/pt/au金属，形成欧姆接触、合金。
11.在本发明一实施例中，所述p-ingaas欧姆接触层还生长有p-inp保护层，生长介质层之前，p-inp保护层也采用盐酸进行腐蚀。
12.在本发明一实施例中，对制备好的芯片进行解离，将对解离的bar条在蒸镀光学膜之前采用ar离子进行轰击镀膜端面。
13.在本发明一实施例中，该方法具体实现过程为：将硅衬底片放在mocvd腔体中，在ash3氛围中500℃下热处理15min，生长500nm n-gaas掺杂3e18；接着在ph3氛围中500℃下在mocvd腔体中热处理外延片表面20min，使得材料表面发生质量输运过程，改善材料再生长界面，生长500nm n-inp掺杂3e18，接着500℃热处理材料表面20min，生长300nm n-inp缓冲层掺杂1e18；接着生长2μm厚n-ingaasp光场扩展层，pl=1050nm，掺杂5e17；而后生长40nm不掺杂ingaasp，pl=1100nm，生长40nm不掺杂ingaasp，pl=1200nm作为下波导层；接着按顺序生长厚度10nm、7nm、4nm的压应变量子阱，量子阱10nm厚度的pl为1650nm，相应的7nm和4nm量子阱由于基态电子能级不同，从而组合形成拓宽的材料增益谱，势垒厚度10nm，pl波长为1200nm；接着生长40nm不掺杂ingaasp，pl=1200nm，生长40nm不掺杂ingaasp，pl=1100nm作为上波导层；接着生长2200nm的p-inp，掺杂浓度从5e17梯度变化至2e18；生长50nm p-ingaasp过渡层，掺杂浓度5e18；生长300nm p-ingaas电接触层，掺杂浓度2e19；生长20nm p-inp保护层；盐酸腐蚀p-inp保护层，在外延片表面pecvd沉积250nm sio2介质层，光刻形成弯曲型脊波导结构图形，boe腐蚀波导之外介质层，接着在br2：hbr：h2o溶液中0℃静置各向同性腐蚀形成脊型波导，腐蚀深度3.0μm，腐蚀至n-ingaasp光场扩展层，boe去除脊型顶部介质层；片子表面pecvd沉积400nm sino作为钝化层，起到片子表面的抗水汽作用，在脊型波导顶部和n-ingaasp光场扩展层表面光刻开孔，接着电子束蒸发ti/pt/au分别形成芯片的p/n欧姆接触，p/n型电极均位于芯片表面。
14.在本发明一实施例中，对制备好的芯片进行解离，将解离的bar条在电子束蒸发设备中在蒸镀解离腔面的高反和高透膜之前，采用ar离子进行解离腔面的轰击，通过控制ar离子的清洗时间和ar离子的轰击能力，起到对解离腔面量子阱区域材料氧化层的清理作用，改善芯片的可靠性；同时离子轰击在解离腔面形成一定的粗糙度，降低腔面的光反馈增益，从而进一步抑制光谱的fp模式，改善光谱波纹，提高增益谱平坦度和宽度。
15.相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明实现以硅为衬底的长波长半导体光放大芯片，可直接放大波长在1600nm以上的激光光源，可用在高速相干通信、激光雷达、气体传感等领域，另外在硅衬底上制备的光通信长波长半导体光放大芯片，在实际应用中无需额外热沉、降低使用成本，同时便于在实际光电集成中与激光器、调制器等进行进一步的集成。
附图说明
16.图1为材料的外延结构图，其中1为硅衬底；2为改善材料生长质量的中间层，从下
往上分别为gaas和inp层；3为n-ingaasp光场扩展层；4为下波导层；5为应变组合多量子阱；6为上波导层；7为p-inp空间层；8为p-ingaasp过渡层；9为p-ingaas欧姆接触层。
17.图2为腐蚀后的脊型波导结构图，腐蚀深度至n-ingaasp光场扩展层。
18.图3为材料的导带能带和光近场分布。
具体实施方式
19.下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
20.本发明一种光通信用硅基长波长半导体光放大芯片，包括衬底及在衬底上从下而上依次生长的中间层、n-ingaasp光场扩展层、下波导层、应变组合多量子阱、上波导层、p-inp空间层、p-ingaasp过渡层、p-ingaas欧姆接触层；所述中间层从下往上依次为gaas层、inp层；其中经由p-ingaas欧姆接触层向下腐蚀至n-ingaasp光场扩展层，形成倒台面脊波导结构。所述p-ingaas欧姆接触层上还生长有p-inp保护层，p-inp保护层也进行相应的腐蚀。
21.本发明还提供了一种基于上述所述的光通信用硅基长波长半导体光放大芯片的制备方法，在mocvd腔体中通过热处理si衬底表面，并生长n-gaas过渡层；接着mocvd热处理外延片表面，使得材料表面发生质量输运过程，接着生长n-inp过渡层，再通过mocvd热处理片子表面并生长n-inp缓冲层；接着生长n-ingaasp光场扩展层；接着生长不掺杂下sch层，即下波导层，再生长应变补偿ingaasp多量子阱，即应变组合多量子阱，采用厚度变化组合量子阱来拓宽材料增益谱宽度；接着生长不掺杂上sch层、p-inp空间层、p-ingaasp过渡层、p-ingaas欧姆接触层；而后，pecvd沉积介质层，光刻形成弯曲型脊波导结构，采用溴溶液进行各向同性腐蚀，腐蚀深度至n-ingaasp光场扩展层，形成倒台面脊波导结构；采用pecvd沉积sino作为钝化层，并对倒台面脊波导结构的脊型顶部和n-ingaasp光场扩展层表面钝化层进行开孔，电子束蒸发ti/pt/au金属，形成欧姆接触、合金。所述p-ingaas欧姆接触层还生长有p-inp保护层，生长介质层之前，p-inp保护层也采用盐酸进行腐蚀。
22.以下为本发明的具体实现过程。
23.如图1、2所示，本发明一种光通信用硅基长波长半导体光放大芯片，包括衬底及在衬底上从下而上依次生长的中间层、n-ingaasp光场扩展层、下波导层、应变组合多量子阱、上波导层、p-inp空间层、p-ingaasp过渡层、p-ingaas欧姆接触层；所述中间层从下往上依次为gaas层、inp层；其中经由p-ingaas欧姆接触层向下腐蚀至n-ingaasp光场扩展层，形成倒台面脊波导结构。所述p-ingaas欧姆接触层上还生长有p-inp保护层，p-inp保护层也进行相应的腐蚀。
24.对于半导体光放大芯片而言，芯片的输出功率有如下关系，其中p
sat
为芯片饱和输出光功率，d为量子阱厚度，w为有源区宽度，г为光场限制因子，h为普朗克常数，v为光子频率，a为微分增益，τs为载流子寿命。
25.在优化材料结构实现高功率输出的同时，最直接的方式为降低量子阱的光限制因子，这里我们采用n型增加光场扩展层，将光场进行调节，首选光场扩展可以降低芯片出光
发散角提高耦合效率；其次由于光场在n型材料中的损耗低于p型，因此可以降低光在材料传播的内损耗；同时n扩展层降低了量子阱的光限制因子，进而改善芯片的饱和出光功率。
26.进一步的对激光器进行常规湿法腐蚀制备脊型工艺，形成倒台面结构来降低欧姆接触电阻，同时采用sino钝化层来实现芯片的非气密工作。
27.在光芯片腔面上，通过离子轰击去除腔面氧化层，改善长期工作的可靠性，并且由于腔面在轰击作用下的粗化，从而降低了了腔面反馈的增益，改善出光光谱宽度和平坦度。
28.本发明实现以硅为衬底的长波长半导体光放大芯片，可直接放大波长在1600nm以上的激光光源，可用在高速相干通信、激光雷达、气体传感等领域。
29.图3为材料的导带能带和光近场分布。
30.具体的本发明芯片的制备工艺如下：1.将硅衬底片放在mocvd腔体中，在ash3氛围中500℃下热处理15min，生长500nm n-gaas掺杂3e18；接着在ph3氛围中500℃下在mocvd腔体中热处理外延片表面20min，使得材料表面发生质量输运过程，改善材料再生长界面，生长500nm n-inp掺杂3e18，接着500℃热处理材料表面20min，生长300nm n-inp缓冲层掺杂1e18;接着生长2μm厚n-ingaasp光场扩展层，pl=1050nm，掺杂5e17；生长40nm不掺杂ingaasp，pl=1100nm，生长40nm不掺杂ingaasp，pl=1200nm作为下波导层；接着按顺序生长厚度10nm、7nm、4nm的压应变量子阱，量子阱10nm厚度的pl为1650nm，相应的7nm和4nm量子阱由于基态电子能级不同，从而组合形成拓宽的材料增益谱，势垒厚度10nm，pl波长为1200nm；接着生长40nm不掺杂ingaasp，pl=1200nm，生长40nm不掺杂ingaasp，pl=1100nm作为上波导层；接着生长2200nm的p-inp，掺杂浓度从5e17梯度变化至2e18；生长50nm p-ingaasp过渡层，掺杂浓度5e18；生长300nm p-ingaas电接触层，掺杂浓度2e19；生长20nm p-inp保护层。
31.2.盐酸腐蚀p-inp保护层，在外延片表面pecvd沉积250nm sio2介质层，光刻形成如上图所述的波导图形，boe腐蚀波导之外介质层，接着在br2：hbr：h2o溶液中0℃静置各向同性腐蚀形成脊型波导，腐蚀深度3.0μm，腐蚀至n-ingaasp光场扩展层，boe去除脊型顶部介质层；片子表面pecvd沉积400nm sino作为钝化层，起到片子表面的抗水汽作用，在脊型波导顶部和n-ingaasp光场扩展层表面光刻开孔，接着电子束蒸发ti/pt/au分别形成芯片的p/n欧姆接触，p/n型电极均位于芯片表面。
32.3.对制备好的芯片进行解离，将解离的bar条在电子束蒸发设备中在蒸镀解离腔面的高反和高透膜之前，采用ar离子进行解离腔面的轰击，通过控制ar离子的清洗时间和ar离子的轰击能力，起到对解离腔面量子阱区域材料氧化层的清理作用，改善芯片的可靠性；同时离子轰击在解离腔面形成一定的粗糙度，降低腔面的光反馈增益，从而进一步抑制光谱的fp模式，改善光谱波纹，提高增益谱平坦度和宽度。
33.蒸镀完光学膜完成芯片的制备，本发明在硅衬底上制备的光通信长波长半导体光放大芯片，在实际应用中无需额外热沉、降低使用成本，同时便于在实际光电集成中与激光器、调制器等进行进一步的集成。
34.以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。