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CN103311807B - 多波长激光器阵列芯片的制作方法 - Google Patents

多波长激光器阵列芯片的制作方法 Download PDF

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CN103311807B CN201310230999.4A CN201310230999A CN103311807B CN 103311807 B CN103311807 B CN 103311807B CN 201310230999 A CN201310230999 A CN 201310230999A CN 103311807 B CN103311807 B CN 103311807B
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Abstract

一种多波长激光器阵列芯片的制作方法，包括：步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、下分别限制层及多量子阱层；步骤2：将一部分多量子阱层腐蚀掉，该腐蚀掉的部分为无源光合波器区，剩余的部分为有源区；步骤3：在保留的多量子阱层上制作介质掩膜对；步骤4：在无源光合波器区和有源区的上表面上外延生长上分别限制层；步骤5：去掉暴露的介质掩膜对，在有源区的上分别限制层上制作光栅；步骤6：在上分别限制层上外延包层及接触层；步骤7：在有源区的接触层上刻蚀有源波导，在无源光合波器区的接触层上刻蚀无源光合波器波导，刻蚀深度大于包层和接触层的厚度；步骤8：在有源波导波导上制作P电极；步骤9：将衬底减薄，在减薄后的衬底的背面并制作N电极，完成制备。

Description

多波长激光器阵列芯片的制作方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种多波长激光器阵列芯片的制作方法。
背景技术
单片集成无源光合波器的多波长激光器是现代波分复用(WDM)光通信系统的核心器件，其具有结构紧凑，光学和电学连接损耗小，稳定性和可靠性高等优点。这种单片集成器件包括激光器阵列及合波器两个部分，各个激光器发出的光经过合波器合波由单根波导输出。激光器阵列的制作要求实现各个激光器具有不同的发光波长，而合波器的制作要求光在其中能够低损耗的传输，为此合波器材料的发光波长一般远小于激光器的发光波长。由于该种器件包含多种结构以实现不同的功能，其制作也较困难和复杂。例如，Fujisawa等人利用电子束曝光技术制作具有不同周期的光栅来实现激光器阵列的多波长输出，利用对接耦合技术生长短波长的合波器材料实现合波器与激光器阵列的单片集成(IEEE J.Sel.Topics QuantumElectron.，17(2011)1191-1197)。然而，电子束曝光技术具有成本高效率低的缺点，对接耦合技术的缺点是生长条件需要详尽的优化。复杂的工艺导致器件制作成本高，难于批量化生产和应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多波长激光器阵列芯片的制作方法，以简化无源合波器与激光器阵列单片集成器件的制作工艺。
本发明提供一种多波长激光器阵列芯片的制作方法，包括如下制作步骤：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、下分别限制层及多量子阱层；
步骤2：将一部分多量子阱层腐蚀掉，该腐蚀掉的部分为无源光合波器区，剩余的部分为有源区；
步骤3：在保留的多量子阱层上制作介质掩膜对；
步骤4：在无源光合波器区和有源区的上表面上外延生长上分别限制层；
步骤5：去掉暴露的介质掩膜对，在有源区的上分别限制层上制作光栅；
步骤6：在上分别限制层上外延包层及接触层；
步骤7：在有源区的接触层上刻蚀有源波导，在无源光合波器区的接触层上刻蚀无源光合波器波导，刻蚀深度大于包层和接触层的厚度；
步骤8：在有源波导波导上制作P电极；
步骤9：将衬底减薄，在减薄后的衬底的背面并制作N电极，完成制备。
本发明还提供一种多波长激光器阵列芯片的制作方法，包括如下制作步骤：
步骤1：在衬底上生长缓冲层、下分别限制层及多量子阱层；
步骤2：将一部分多量子阱层腐蚀掉，该腐蚀掉的部分为无源光合波器区，剩余的部分为有源区；
步骤3：在保留的多量子阱层上制作介质掩膜对；
步骤4：在无源光合波器区和有源区的上表面上外延生长上分别限制层；
步骤5：去掉暴露的介质掩膜对，在有源区的上分别限制层上制作光栅；
步骤6：在无源光合波器区的上分别限制层上刻蚀无源光合波器波导，刻蚀深度小于下分别限制层和上分别限制层的总厚度或大于下分别限制层和上分别限制层的总厚度，形成基片；
步骤7：在基片上外延包层和接触层；
步骤8：在有源区的接触层上刻蚀有源波导；
步骤9：在有源波导上制作P电极；
步骤10：将衬底减薄，在减薄后的衬底的背面并制作N电极，完成制备。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
通过选择性腐蚀掉无源区量子阱材料并在激光器区制作介质掩膜对，利用单次材料生长(上限制层生长)即获得了低损耗无源波导材料并同时实现了激光器阵列的多波长发射。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合实施例及附图对本发明进行进一步描述，其中：
图1是本发明第一实施例的制作流程图；
图2是本发明第二实施例的制作流程图；
图3是本发明第一实施例的材料结构；
图4是图3的俯视图；
图5是本发明第二实施例的材料结构；
图6是图5的俯视图；
图7是图3的掩膜图形Ma；
图8是图5的掩膜图形Mb。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1及图3至图8所示，本发明提供一种多波长激光器阵列芯片的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上生长缓冲层2、下分别限制层3及多量子阱层4。衬底1的材料为GaAs、InP、GaN、SiC或Si。
步骤2：将一部分多量子阱层4腐蚀掉，该腐蚀掉的部分为无源光合波器区D，剩余的部分为有源区A；
步骤3：在保留的多量子阱层4上制作介质掩膜对Ma(图7)或Mb(图8)。介质掩膜对图形以阵列单元间距s为周期成对出现，对掩膜图形Ma(图7)中掩膜对的间距不变，掩膜宽度逐渐增加，即掩膜M1、M2、M3至MN的宽度满足W1＜W2＜W3＜…＜WN。掩膜图形Mb(图8)中掩膜宽度不变而掩膜对间距逐渐减小，即掩膜M1、M2、M3至MN的间距满足01＞02＞03＞…＞ON；各个激光器单元的波导位于对应的掩膜对之间的区域。
生长上限制层时，在激光器区域有介质掩膜对，反应物在介质掩模对之间的部分容易形核，而在介质掩模上面不能形核。除了在半导体表面上存在控制材料生长的反应物垂直浓度梯度外，还存在着从掩模对上方排斥过来的侧向浓度梯度。这样就使得掩模对之间的选择生长区域的上分别限制层材料厚度增加，同时材料厚度增加的量随着掩模对宽度的增加而增加，随着掩膜间距的减小也增加；上分别限制层厚度的变化使激光器波导结构的有效折射率neff也发生变化，由：
λ＝2neff*A，
其中，λ为分布反馈激光器的发光波长，Λ为光栅的周期，可知，制作相同周期的光栅即可实现激光器不同的发射波长。即利用掩膜M1，M2，M3，…MN的作用使激光器的上分别限制层具有不同的厚度，从而得到多波长激光器阵列。在无源光合波器区D，由于量子阱材料层4已经被腐蚀掉，上分别限制层5级下分别限制层3共同作为无源光合波器w的波导材料，由于限制层材料的发光波长远小于激光器的工作波长，光可在其中低损耗的传输；
步骤4：在无源光合波器区D和有源区A的上表面上外延生长上分别限制层5；
步骤5：去掉暴露的介质掩膜对Ma或Mb，在有源区A的上分别限制层5上制作光栅6。光栅6制作于有源区A的全部区域，如图3、4所示，或有源区A的一部分区域B，如图5、图6所示。激光器的发光波长λ＝2neffA，其中neff为有效折射率。通过采用适当的光栅周期Λ使图4中B区激光器的发光波长大于量子阱层4的发光波长，M区成为调制器区，利用量子限制斯塔克效应可实现对B区激光器发光的调制；可见，在这种制作方法中，激光器与电吸收调制器使用完全相同的量子阱材料层4，利用光栅6的参数来得到激光器发光波长与调制器材料波长间的偏调。介质掩膜对Ma或Mb在器件的长度方向全部覆盖有源区A或部分覆盖有源区A，并且其在器件的长度方向覆盖的区域与制作光栅的区域重合。
步骤6：在上分别限制层5上外延包层7及接触层8
步骤7：在有源区A的接触层8上刻蚀有源波导a1、a2、a3，…an，在无源光合波器区D的接触层8上刻蚀无源光合波器波导w，刻蚀深度大于包层7和接触层8的总厚度。无源光合波器区D的合波器W为多模干涉合波器或阵列波导光栅合波器；有源区A包括的有源波导个数n大于等于2。
步骤8：在有源波导波导a1、a2、a3，…an上制作P电极9。对于制作有调制器的器件，需要先去掉激光器区B与调制器区D之间隔离区C上部接触层材料8并离子注入进行电隔离，如图6；
步骤9：将衬底1减薄，在减薄后的衬底1的背面并制作N电极10，完成制备。
实施例二
请再参阅图2至图8所示，本发明提供一种多波长激光器阵列芯片的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上生长缓冲层2、下分别限制层3及多量子阱层4。衬底1的材料为GaAs、InP、GaN、SiC或Si；
步骤2：将一部分多量子阱层4腐蚀掉，该腐蚀掉的部分为无源光合波器区D，剩余的部分为有源区A；
步骤3：在保留的多量子阱层4上制作介质掩膜对Ma(图7)或Mb(图8)。介质掩膜对图形以阵列单元间距s为周期成对出现，对掩膜图形Ma(图7)中掩膜对的间距不变，掩膜宽度逐渐增加，即掩膜M1、M2、M3至MN的宽度满足W1＜W2＜W3＜…＜WN。掩膜图形Mb(图8)中掩膜宽度不变而掩膜对间距逐渐减小，即掩膜M1、M2、M3至MN的间距满足01＞02＞03＞…＞ON；各个激光器单元的波导位于对应的掩膜对之间的区域。
生长上限制层时，在激光器区域有介质掩膜对，反应物在介质掩模对之间的部分容易形核，而在介质掩模上面不能形核。除了在半导体表面上存在控制材料生长的反应物垂直浓度梯度外，还存在着从掩模对上方排斥过来的侧向浓度梯度。这样就使得掩模对之间的选择生长区域的上分别限制层材料厚度增加，同时材料厚度增加的量随着掩模对宽度的增加而增加，随着掩膜间距的减小也增加；上分别限制层厚度的变化使激光器波导结构的有效折射率neff也发生变化，由：
λ＝2neff*A，
其中，λ为分布反馈激光器的发光波长，Λ为光栅的周期，可知，制作相同周期的光栅即可实现激光器不同的发射波长。即利用掩膜M1，M2，M3，…MN的作用使激光器的上分别限制层具有不同的厚度，从而得到多波长激光器阵列。在无源光合波器区D，由于量子阱材料层4已经被腐蚀掉，上分别限制层5级下分别限制层3共同作为无源光合波器w的波导材料，由于限制层材料的发光波长远小于激光器的工作波长，光可在其中低损耗的传输；
步骤4：在无源光合波器区D和有源区A的上表面上外延生长上分别限制层5；
步骤5：去掉暴露的介质掩膜对Ma或Mb，在有源区A的上分别限制层5上制作光栅6。光栅6制作于有源区A的全部区域如图3、4所示，或有源区A的一部分区域B，如图5、6所示。激光器的发光波长λ＝2neffΛ，其中neff为有效折射率。通过采用适当的光栅周期Λ使图4中B区激光器的发光波长大于多量子阱层4的发光波长，M区成为调制器区，利用量子限制斯塔克效应可实现对B区激光器发光的调制；可见，在这种制作方法中，激光器与电吸收调制器使用完全相同的量子阱材料层4，利用光栅6的参数来得到激光器发光波长与调制器材料波长间的偏调。介质掩膜对Ma或Mb在器件的长度方向全部覆盖有源区A或部分覆盖有源区A，并且其在器件的长度方向覆盖的区域与制作光栅的区域重合。
步骤6：在无源光合波器区D的上分别限制层5上刻蚀无源光合波器波导w，刻蚀深度小于下分别限制层3和上分别限制层5的总厚度或大于下分别限制层3和上分别限制层5的总厚度，形成基片。无源光合波器区D的合波器w为多模干涉合波器或阵列波导光栅合波器。
步骤7：在基片上外延包层7和接触层8；
步骤8：在有源区A的接触层8上刻蚀有源波导a1、a2、a3，…an。有源区A包括的有源波导个数n大于等于2。
步骤9：在有源波导a1、a2、a3，…an上制作P电极9。对于制作有调制器的器件，需要先去掉激光器区B与调制器区D之间隔离区C上部接触层材料8并离子注入进行电隔离，如图6；
步骤10：将衬底1减薄，在减薄后的衬底1的背面并制作N电极10，完成制备。
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，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。

Claims (8)

1.一种多波长激光器阵列芯片的制作方法，包括如下制作步骤：
步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、下分别限制层及多量子阱层；
步骤2：将一部分多量子阱层腐蚀掉，该腐蚀掉的部分为无源光合波器区，剩余的部分为有源区；
步骤3：在保留的多量子阱层上制作介质掩膜对；
步骤4：在无源光合波器区和有源区的上表面上外延生长上分别限制层；
步骤5：去掉暴露的介质掩膜对，在有源区的上分别限制层上制作光栅；
步骤6：在上分别限制层上外延包层及接触层；
步骤7：在有源区的接触层上刻蚀有源波导，在无源光合波器区的接触层上刻蚀无源光合波器波导，刻蚀深度大于包层和接触层的厚度；
步骤8：在有源波导上制作P电极；
步骤9：将衬底减薄，在减薄后的衬底的背面制作N电极，完成制备。
2.一种多波长激光器阵列芯片的制作方法，包括如下制作步骤：
步骤1：在衬底上生长缓冲层、下分别限制层及多量子阱层；
步骤2：将一部分多量子阱层腐蚀掉，该腐蚀掉的部分为无源光合波器区，剩余的部分为有源区；
步骤3：在保留的多量子阱层上制作介质掩膜对；
步骤4：在无源光合波器区和有源区的上表面上外延生长上分别限制层；
步骤5：去掉暴露的介质掩膜对，在有源区的上分别限制层上制作光栅；
步骤6：在无源光合波器区的上分别限制层上刻蚀无源光合波器波导，刻蚀深度小于下分别限制层和上分别限制层的总厚度或大于下分别限制层和上分别限制层的总厚度，形成基片；
步骤7：在基片上外延包层和接触层；
步骤8：在有源区的接触层上刻蚀有源波导；
步骤9：在有源波导上制作P电极；
步骤10：将衬底减薄，在减薄后的衬底的背面制作N电极，完成制备。
3.根据权利要求1或2所述的多波长激光器阵列芯片的制作方法，其中所述介质掩膜对图形以阵列单元间距为周期成对出现，对应于不同阵列单元的介质掩膜对的间距或掩膜宽度渐变。
4.根据权利要求1或2所述的多波长激光器阵列芯片的制作方法，其中所述无源光合波器区的合波器为多模干涉合波器或阵列波导光栅合波器。
5.根据权利要求1或2所述的多波长激光器阵列芯片的制作方法，其中所述有源区包括的激光器个数大于等于2。
6.根据权利要求1或2所述的多波长激光器阵列芯片的制作方法，其中所述衬底的材料为GaAs、InP、GaN、SiC或Si。
7.根据权利要求1或2所述的多波长激光器阵列芯片的制作方法，其中所述的掩膜对在器件的长度方向全部覆盖有源区或部分覆盖有源区；
8.根据权利要求1或2所述的多波长激光器阵列芯片的制作方法，其中所述的光栅制作于有源区全部区域或部分有源区区域。
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