CN100384038C - 选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上制作调制器段的选择生长图形；步骤2：一次外延同时生长出调制器多量子阱和激光器多量子阱两叠层有源区结构；步骤3：刻制光栅并选择腐蚀去调制器段上面的激光器多量子阱层；步骤4：二次外延完成整个电吸收调制激光器结构的生长。

Description

选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种选择区域(SAG)叠层EML结构的制作方法，该制作方法工艺简单并具有低阈值电流的单片集成电吸收调制分布反馈激光器(EML)。
背景技术
电吸收调制器(EAM)与分布反馈(DFB)激光器(LD)的单片集成器件EML是光纤通讯***尤其是长途高速干线中的重要发射光源。目前制作EML集成光源器件的主要方法之一是对接耦合(Butt-Joint)方法，例如国际上NEC、Hitachi、AT&T、Lucent、France Telecom等著名的公司都采用这种方法研制EML.在该方法中，EAM有源层和LD有源层是通过两次外延分别生长(如US 5.459.747专利)的，这样有利于两个有源层结构参数的选取，作出的EML器件特性好。但是Butt-Joint方法需要进行多次外延生长，制作工艺复杂，工艺精度要求十分高，另外，两次分别生长的有源区之间的对接界面，也就是EAM有源层与激光器(LD)有源层间的对接界面，常常导致孔洞或凸缘等晶体质量问题，使得EML的成品率低，制作成本高。
近十多年来，以降低成本、简化制作工艺为目的，研制EML器件的工作基点，就锁定在用一次外延能同时生长出LD有源层和EAM有源层的制作方法上。
基于这一思路开发出的EML制作方法有：
1).选择区域(SAG)生长方法.如NTT，Fujitsu，Nortel，Siemens等著名公司制作的EML器件，采用的就是SAG方法.该方法只用一次外延生长多量子阱(MQW)有源层(如专利：ZL 00 1 09780.6)，却可以同时在介质掩膜选择区域内、外生长出能级差达30meV的激光器多量子阱(LD-MQW)有源层和EAM-MQW有源层。SAG方法虽大大简化了生长工艺，降低了成本，但带来的问题是LD-MQW有源层与EAM-MQW有源层间的结构参数相互制约，难以在同一次外延生长过程中解决。例如从降低阈值和减弱非均匀注入影响方面考虑，要求LD有源层的QW阱数要少，阱的厚度要薄，而从消光比方面考虑则要求EAM有源层的QW阱数要多，阱的厚度要厚。在用SAG方法实际制作EML时，尽管对两种有源层的QW阱数取折中，用相同的阱数，但也改变不了LD区有源层阱厚而EAM区有源层阱薄的缺点。因此，与Butt-joint方法相比，用SAG方法研制出的EML器件，出光功率和消光比特性都要逊色一些，器件特性难以提高。
2).同一有源层(IAL)方法，例如US 5.548.607专利。这种方法制作工艺最简单，因为LD与EAM的有源层结构完全相同。两者间的波长差靠刻制在LD区段内的布喇格光栅所确定的振荡波长相对于量子阱有源层峰值波长的红移来实现。但毕竟EAM区对LD区的光吸收太强，器件阈值高。IAL方法很难提高EML的整体特性。
3).量子阱混合(QWI)方法，例如IEEE Photonics TechnologyLetters，Vol.7(9)，P.1016.1995.该方法是在IAL结构基础上，利用离子注入或介质诱导扩散加退火等技术对EAM段内的MQW作混合(Intermixing)，使该区MQW的吸收峰位蓝移，从而达到减少吸收损耗，改善器件特性的目的。但到目前为止，Intermixing技术的可重复性问题还没有得到有效解决。
4).叠层多量子阱结构，例如IEEE Photonics Technology Letters，Vol.14(12)，P.1647.2002.这种方法是用一次外延生长叠层MQW结构，一层为EAM-MQW，另一层为LD-MQW，两层MQW可按≤60nm的波长差值分别设计。但LD段中的EAM-MQW层不仅会吸收LD-MQW中的光，而且会消耗注入电流，无偏置时EAM段中的LD-MQW层对光也有较强的吸收，因此叠层MQW结构EML器件的阈值高，出光功率低。2003年，我们提出了一种改进型叠层MQW结构(中国专利，申请号：200310122343.7)，通过光刻和选择腐蚀的办法将EAM段中的LD-MQW层腐蚀掉，从而显著提高了器件的出光功率。但EML的高阈值电流问题仍然没有解决。
发明内容
本发明的目的是提出一种选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，可以显著改善EML集成器件的特性，具有低阈值电流和高消光比以及高出光功率的特点，只用一次外延同时生长出LD有源层和EAM有源层叠层结构，制作工艺简单，适合规模化批量生产。
本发明一种选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制作调制器段的选择生长图形；
步骤2：一次外延同时生长出调制器多量子阱和激光器多量子阱两叠层有源区结构，；
步骤3：刻制光栅并选择腐蚀去调制器段上面的激光器多量子阱层；
步骤4：二次外延完成整个电吸收调制激光器结构的生长。
其中两叠层有源区结构的峰值波长差≥110nm，激光器与调制器之间的耦合峰值波长差≤60nm。
其中调制器段的选择生长图形为两条长100-300μm、宽10-50μm的介质膜，两介质膜之间的选择生长区的宽度为10-40μm。
其中所述介质膜为SiO2或Si3N4，厚度为100-300nm。
其中调制器段的长度为100-300μm、激光器段的长度为200-600μm、它们间的过渡区的长度为30-100μm，过渡区亦为调制器与激光器之间的电隔离区长度。
其中一次外延包括缓冲层、下分别限制层、调制器多量子阱、薄InP腐蚀终止层、激光器多量子阱有源层和上分别限制层；缓冲层的掺杂类型与衬底相同，其他层均为非故意掺杂层。
其中二次外延包括InP光栅覆盖层、InGaAsP刻蚀停止层、厚InP盖层和低阻InGaAs接触层；二次外延的掺杂类型与衬底的相反。
其中调制器多量子阱的量子阱数目为6-15个，激光器层的量子阱数目为3-6个。
其中调制器多量子阱的量子阱数目多于激光器层的量子阱数目，调制器多量子阱的厚度厚于激光器层的厚度，调制器段上的第一调制器量子阱层厚于激光器段上的调制器量子阱层，更厚于激光器量子阱层；水平方向上，激光器层位于调制器段第一调制器量子阱层之间；激光器量子阱层与调制器量子阱层之间的峰值波长差≥110nm，激光器量子阱层与调制器段上的第一调制器量子阱层之间的峰值波长差≤60nm。
其中用选择腐蚀液除去调制器段的上分别限制层和激光器量子阱层。
其中调制器段上的第一调制器量子阱层与激光器段上的激光器量子阱层是同一次外延生长而成。
本发明充分利用了SAG技术和改进型叠层结构技术的特点，不仅保留有这两种技术各自的优点，而且大大减弱了它们的缺点，可真正实现这两种技术的优势互补，达到单一技术难以达到的优异器件特性。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明SAG叠层EML结构的剖面图；
图2为本发明的SAG掩膜图形；
图3为本发明在n-InP衬底上的结构实例剖面图；
图4为本发明在p-InP衬底上的结构实例剖面图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上制作调制器段15的选择生长图形，其中调制器段15的选择生长图形为两条长100-300μm、宽10-50μm的介质膜13，两介质膜之间的选择生长区14的宽度为10-40μm；其中所述介质膜13为SiO2或Si3N4，厚度为100-300nm；其中调制器段15的长度为100-300μm、激光器段17的长度为200-600μm、它们间的过渡区16的长度为30-100μm，过渡区16亦为调制器与激光器之间的电隔离区长度；
步骤2：一次外延同时生长出调制器多量子阱和激光器多量子阱两叠层有源区结构，其中两叠层有源区结构的峰值波长差≥110nm，激光器与调制器之间的耦合峰值波长差≤60nm；其中一次外延包括缓冲层2、下分别限制层3、调制器多量子阱4、薄InP腐蚀终止层5、激光器多量子阱有源层6和上分别限制层7；缓冲层的掺杂类型与衬底1相同，其他层均为非故意掺杂层；其中调制器多量子阱4的量子阱数目为6-15个，激光器量子阱层(LD-MQW层)6的量子阱数目为3-6个；其中调制器多量子阱4的量子阱数目多于激光器量子阱层6的量子阱数目，调制器多量子阱4的厚度厚于激光器量子阱层6的厚度，调制器段15上的第一调制器量子阱层4EAM厚于激光器段17上的调制器量子阱层4，更厚于激光器量子阱层6；水平方向上，激光器量子阱层6位于调制器段第一调制器量子阱层4EAM之间；激光器量子阱层6与调制器量子阱层4之间的峰值波长差≥110nm，激光器量子阱层6与调制器段上的第一调制器量子阱层4EAM之间的峰值波长差≤60nm；
步骤3：刻制光栅并选择腐蚀去调制器段上面的激光器多量子阱层；
步骤4：二次外延完成整个电吸收调制激光器结构的生长，其中二次外延包括InP光栅覆盖层9、InGaAsP刻蚀停止层10、厚InP盖层11和低阻InGaAs接触层12；二次外延的掺杂类型与衬底1的相反。
其中用选择腐蚀液除去调制器段15的上分别限制层和激光器量子阱层；
其中调制器段15上的第一调制器量子阱层4EAM与激光器段17上的激光器量子阱层6是同一次外延生长而成。
也就是，请参阅图1，首先在InP衬底1的上表面生长一层介质膜；在这层介质膜上用常规光刻方法刻出SAG掩膜图形(见图2)，即在EAM段15刻出介质掩膜区13；用MOCVD外延技术，在刻有SAG掩膜图形的衬底1上作一次外延，即连续外延缓冲层2、下分别限制(SCH)层3、EAM-MQW有源层4、薄InP腐蚀终止层5、LD-MQW有源层6和上SCH层7；用全息干涉或电子束暴光的方法在上SCH层制作出DFB光栅8；用常规光刻腐蚀技术将EAM段15的上SCH层和LD-MQW层腐蚀掉，去掉介质膜后作二次外延，即外延InP光栅覆盖层9、InGaAsP刻蚀停止层10、厚InP盖层11和高掺杂的低阻InGaAs接触层12就完成了这种新型SAG叠层EML结构的生长制作(见图1)。此后，利用常规的简单脊形波导(RW)技术即可制作出高性能的EML器件。
本发明的显著特点在于：
1.整个EML生长结构只需两次外延步骤就可全部完成，适宜于采用RW的简单结构制作高速条形EML器件，有利于降低成本，作较大规模生产。
2.前面叙述的SAG方法是在LD区用选择区域生长，本发明的重要区别是在EAM区用选择区域生长；用前述的SAG方法制作EML集成器件，EAM有源层的QW阱数与LD有源层的QW阱数一样，并且EAM-MQW的厚度薄，而LD-MQW的厚度厚；本发明中EAM-MQW层4的QW阱数多(6-15个阱)，LD-MQW层6的QW阱数少(3-6个阱)，而且EAM-MQW层4的厚度厚，LD-MQW层6的厚度薄；可见本发明完全克服了SAG技术中的主要缺点。
3.在前面叙述的叠层MQW结构和改进型叠层MQW结构中，LD-MQW层与EAM-MQW层之间的波长差值一般设计在≤60nm，否则器件的消光比会受到很大的影响，但由此导致LD段中的EAM-MQW层不仅会吸收LD-MQW层中的光，而且在器件阈值附近就会消耗掉较多的注入电流。本发明中LD-MQW层6与EAM-MQW层4之间的波长差值可设计在≥110nm范围，这样EAM-MQW层的能带宽度远大于LD-MQW层的能带宽度(例如对1550nm波长ΔE＞56meV)，接近透明，从而大大减少了LD段17内EAM-MQW层4的光吸收；这样的透明设计也使得LD段的工作电流可以首先集中注入到处于低激发能级的LD-MQW层6内，从而有效降低器件的阈值电流；另外，由于EAM段15采用了SAG技术，该段内的第一调制器量子阱层4EAM与LD段17内的LD-MQW层6之间的波长差仍可设计在≤60nm的范围，使器件保留有高消光比特点；并且通过底部InP缓冲层2厚度的适当设计，LD段的LD-MQW层6可正对EAM段的第一调制器量子阱层4EAM，从而可以减少两者间的耦合损耗，进一步提高出光功率。
图3为在n型InP衬底上制作本发明的实例：先在n-InP衬底1a的上表面生长100-300nm厚的SiO2介质膜；刻出SAG掩膜图形后，连续外延300-500nm的n-InP缓冲层2a、非掺杂的下SCH层3a、EAM-MQW有源层4a、10-30nm的InP腐蚀终止层5a、LD-MQW有源层6a和非掺杂的上SCH层7a；然后用全息干涉方法在上SCH层制作DFB光栅8a；用选择腐蚀液H2SO4∶H2O2∶H2O腐蚀掉EAM段的上SCH层和LD-MQW层至InP刻蚀终止层，再用HF缓冲液去掉SiO2介质膜，外延100-200nm的p-InP光栅覆盖层9a、10-20nm的p-InGaAsP刻蚀停止层10a、1.5-2μm厚的p-InP盖层11a和100-300nm的高掺杂低阻p-InGaAs接触层12a，即完成了在n-InP衬底上SAG叠层EML结构的生长制作。
图4为在P型InP衬底上制作本发明的实例：先在P-InP衬底1b的上表面生长100-300nm厚的SiO2介质膜；刻出SAG掩膜图形后，连续外延300-500nm的P-InP缓冲层2b、非掺杂的下SCH层3b、EAM-MQW有源层4b、10-30nm的InP腐蚀终止层5b、LD-MQW有源层6b和非掺杂的上SCH层7b；然后用全息干涉方法在上SCH层制作DFB光栅8b；用选择腐蚀液H2SO4∶H2O2∶H2O腐蚀掉EAM段的上SCH层和LD-MQW层至InP刻蚀终止层，再用HF缓冲液去掉SiO2介质膜，外延100-200nm的n-InP光栅覆盖层9b、10-20nm的n-InGaAsP刻蚀停止层10b、1.5-2μm厚的n-InP盖层11b和100-300nm的高掺杂低阻n-InGaAs接触层12b，即完成了在P-InP衬底上SAG叠层EML结构的生长制作。

Claims (10)

1.一种选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制作调制器段的选择生长图形；
步骤2：一次外延同时生长出调制器多量子阱和激光器多量子阱两叠层有源区结构，该两叠层有源区结构的峰值波长差≥110nm，激光器与调制器之间的耦合峰值波长差≤60nm；
步骤3：刻制光栅并选择腐蚀去调制器段上面的激光器多量子阱层；
步骤4：二次外延完成整个电吸收调制激光器结构的生长。
2.按权利要求1所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，其中调制器段的选择生长图形为两条长100-300μm、宽10-50μm的介质膜，两介质膜之间的选择生长区的宽度为10-40μm。
3.按权利要求2所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，其中所述介质膜为SiO2或Si3N4，厚度为100-300nm。
4.按权利要求1所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，其中调制器段的长度为100-300μm、激光器段的长度为200-600μm、它们间的过渡区的长度为30-100μm，过渡区亦为调制器与激光器之间的电隔离区长度。
5.按权利要求1所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，其中一次外延包括缓冲层、下分别限制层、调制器多量子阱、薄InP腐蚀终止层、激光器多量子阱有源层和上分别限制层；缓冲层的掺杂类型与衬底相同，其他层均为非故意掺杂层。
6.按权利要求1所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，其中二次外延包括InP光栅覆盖层、InGaAsP刻蚀停止层、厚InP盖层和低阻InGaAs接触层；二次外延的掺杂类型与衬底的相反。
7.按权利要求1所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，其中调制器多量子阱的量子阱数目为6-15个，激光器层的量子阱数目为3-6个。
8.按权利要求1所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，其中调制器多量子阱的量子阱数目多于激光器层的量子阱数目，调制器多量子阱的厚度厚于激光器层的厚度，调制器段上的第一调制器量子阱层厚于激光器段上的调制器量子阱层，更厚于激光器量子阱层；水平方向上，激光器层位于调制器段第一调制器量子阱层之间。
9.按权利要求1所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于：其中用选择腐蚀液除去调制器段的上分别限制层和激光器量子阱层。
10.按权利要求1所述的选择区域外延生长叠层电吸收调制激光器结构的制作方法，其特征在于，其中调制器段上的第一调制器量子阱层与激光器段上的激光器量子阱层是同一次外延生长而成。
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