CN103545715B - 激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，包括：在n型InP衬底上依次生长n型InP缓冲层，n型AlGaInAs包层，AlGaInAs多量子阱层，p型AlGaInAs包层，InP间隔层，InGaAsP光栅层和InP牺牲层，形成基片，该基片的一侧为有源区，另一侧为合波器区；在合波器区的InP牺牲层中注入P离子并快速热退火；去掉InP牺牲层，在有源区的InGaAsP光栅层中制作光栅；在有源区和合波器区的InGaAsP光栅层上生长p型InP包层及p型InGaAs接触层；采用干法刻蚀去除p型InGaAs接触层，p型InP包层，InGaAsP光栅层，InP间隔层，在有源区形成各激光器单元的脊型波导及合波器区形成合波器脊型波导；在有源区的脊型波导上制作p电极；减薄n型InP衬底，并在其背面制作n电极，完成制备。

Description

激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法。

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***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，其制作也较复杂。其中，激光器和光合波器对波导结构的要求是不同的。激光器波导一般要求具有浅脊波导结构，以避免由暴露的量子阱引起的非辐射复合所导致的器件性能严重下降。而为了减少光在合波器波导中的衍射损耗及减小合波器尺寸，合波器波导的刻蚀通常至少要深入一定厚度的波导核心材料，以提供足够的光限制因子。这使得激光器及合波器两个部分波导的刻蚀需要分步进行，增加了器件制作的复杂度，降低了器件制作成品率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，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。

本发明提供一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型InP衬底上依次生长n型InP缓冲层，n型AlGaInAs包层，AlGaInAs多量子阱层，p型AlGaInAs包层，InP间隔层，InGaAsP光栅层和InP牺牲层，形成基片，该基片的一侧为有源区，另一侧为合波器区；

步骤2：在合波器区的InP牺牲层中注入P离子并快速热退火；

步骤3：去掉InP牺牲层，在有源区的InGaAsP光栅层中制作光栅；

步骤4：在有源区和合波器区的InGaAsP光栅层上生长p型InP包层及p型InGaAs接触层；

步骤5：采用干法刻蚀去除p型InGaAs接触层，p型InP包层，InGaAsP光栅层，InP间隔层，在有源区形成各激光器单元的脊型波导及合波器区形成合波器脊型波导；

步骤6：在有源区的脊型波导上制作p电极；

步骤7：减薄n型InP衬底，并在其背面制作n电极，完成制备。

本发明还提供一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型InP衬底上依次生长n型InP缓冲层，n型AlGaInAs包层，AlGaInAs多量子阱层，p型AlGaInAs包层，InP间隔层，InGaAsP光栅层，形成基片，该基片的一侧为有源区，另一侧为合波器区；

步骤2：在有源区的InGaAsP光栅层中制作光栅；

步骤3：在有源区和合波器区的InGaAsP光栅层上生长p型InP包层及p型InGaAs接触层；

步骤4：在合波器区溅射SiO₂并快速热退火；

步骤5：采用干法刻蚀去除p型InGaAs接触层，p型InP包层，InGaAsP光栅层，InP间隔层，在有源区形成各激光器单元的脊型波导及合波器区形成合波器脊型波导；

步骤6：在有源区的脊型波导上制作p电极；

步骤7：减薄n型InP衬底，并在其背面制作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：

脊波导刻蚀过程中脊型波导之外的光栅层材料被去除，使得光在合波器波导中具有足够的限制因子，有利于减少光衍射损耗及减小合波器尺寸。对于激光器，由于光栅层在量子阱层之上，对其刻蚀不影响激光器性能。利用p型AlGaInAs包层作为刻蚀停止层，干法刻蚀脊型波导时刻蚀自动停止与该层，同时形成激光器及合波器脊型波导，简化了器件制作工艺。

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为本发明的第一实施例的激光器阵列芯片制作流程图；

图2为本发明的第二实施例的激光器阵列芯片制作流程图；

图3-图8为本发明各制作步骤的结构示意图，其中图5、图7分别对应图4、6，为俯视图，图8为制作完成后的脊型波导结构图。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的第一实施例，结合参阅图3至图8所示，本发明提供一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型InP衬底1上依次生长n型InP缓冲层2，n型AlGaInAs包层3，AlGaInAs多量子阱层4，p型AlGaInAs包层5，InP间隔层6，InGaAsP光栅层7，InP牺牲层8，形成基片，如图3，该基片的一侧为有源区A，另一侧为合波器区D，如图4。AlGaInAs多量子阱层4包括2个以上AlGaInAs量子阱及上下两个AlGaInAs折射率渐变层。器件中也可以没有InP间隔层6；

步骤2：在合波器区D的InP牺牲层8中注入P离子并快速热退火；通过P离子注入在InP牺牲层8中引入大量点缺陷，快速热退火使点缺陷向量子阱层4移动，促进量子阱及垒中元素互扩散，使其发光波长变短，从而光可以在合波器w波导中低损耗的传输。而激光器区A中由于没有离子注入，量子阱发光波长不变。

步骤3：去掉InP牺牲层8后在有源区A的光栅层7中制作光栅9；光栅9制作于有源区A的全部区域如图4、5所示，或有源区A的一部分区域B，如图6、7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使图6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。对于各激光器，光栅9的周期可为不同或相同。光栅周期相同时通过改变各个激光器脊型波导的宽度来实现不同的发光波长。

步骤4：在有源区A和合波器区D的InGaAsP光栅层7上生长p型InP包层10及p型InGaAs接触层11；

步骤5：采用干法刻蚀去除部分p型InGaAs接触层11，p型InP包层10，InGaAsP光栅层7及InP间隔层6，在有源区A形成各激光器单元的脊型波导a1，a2，a3，…，an及合波器区D形成合波器脊型波导W(图8)；脊波导(图8)刻蚀过程中脊型波导之外的光栅层材料7被去除，使得光在合波器波导W中具有足够的限制因子，有利于减少光衍射损耗及减小合波器尺寸。对于激光器，由于光栅层7在量子阱层4之上，对其刻蚀不影响激光器性能。利用p型AlGaInAs包层5作为刻蚀停止层，干法刻蚀脊型波导时刻蚀自动停止与该层，同时形成激光器及合波器脊型波导，简化了器件制作工艺。有源区A的脊型波导a1，a2，a3，…，an与合波器波导W具有如图8所示的相同的波导结构。A区激光器阵列激光器单元数目为n，n>=2。光合波器区D的合波器为多模干涉合波器或阵列波导光栅合波器。

步骤6：在有源区A的脊型波导a1，a2，a3，…，an上制作p电极12。对于制作有调制器M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11并离子注入进行电隔离，如图6；

步骤7：减薄衬底1并制作N电极13。

请再参阅图2，为本发明的第二实施例，结合参阅图3-图8所示，本发明一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，其特征在于，包括如下制作步骤：

步骤1：在n型InP衬底1上依次生长n型InP缓冲层2，n型AlGaInAs包层3，AlGaInAs多量子阱层4，p型AlGaInAs包层5，InP间隔层6，InGaAsP光栅层7，形成基片，如图3，该基片的一侧为有源区A，另一侧为合波器区D，如图4。AlGaInAs多量子阱层4包括2个以上AlGaInAs量子阱及上下两个AlGaInAs折射率渐变层。器件中也可以没有InP间隔层6；

步骤2：在有源区A的光栅层7中制作光栅9；光栅9制作于有源区A的全部区域如图4、5所示，或有源区A的一部分区域B，如图6、7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使图6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。对于各激光器，光栅9的周期可为不同或相同。光栅周期相同时通过改变各个激光器脊型波导的宽度来实现不同的发光波长。

步骤3：在有源区A和合波器区D的InGaAsP光栅层7上生长p型InP包层10及p型InGaAs接触层11；

步骤4：在器件合波器区D溅射SiO₂并快速热退火；利用溅射的SiO₂产生的点缺陷的扩散促进量子阱及垒中元素的互扩散，使D区中多量子阱层4的发光波长蓝移，实现光在合波器波导W中低损耗的传输；

步骤5：采用干法刻蚀去除部分p型InGaAs接触层11，p型InP包层10，InGaAsP光栅层7及InP间隔层6，在有源区A形成各激光器单元的脊型波导a1，a2，a3，…，an及合波器区D形成合波器脊型波导W(图8)；脊波导(图8)刻蚀过程中脊型波导之外的光栅层材料7被去除，使得光在合波器波导W中具有足够的限制因子，有利于减少光衍射损耗及减小合波器尺寸。对于激光器，由于光栅层7在量子阱层4之上，对其刻蚀不影响激光器性能。利用p型AlGaInAs包层5作为刻蚀停止层，干法刻蚀脊型波导时刻蚀自动停止与该层，同时形成激光器及合波器脊型波导，简化了器件制作工艺。有源区A的脊型波导a1，a2，a3，…，an与合波器波导W具有如图8所示的相同的波导结构。A区激光器阵列激光器单元数目为n，n>=2。光合波器区D的合波器为多模干涉合波器或阵列波导光栅合波器。

步骤6：在有源区A的脊型波导a1，a2，a3，…，an上制作p电极12。对于制作有调制器M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11并离子注入进行电隔离，如图6；

步骤7：减薄衬底1并制作N电极13。

以上所述的***框图和实施电路图，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)

1.一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型InP衬底上依次生长n型InP缓冲层，n型AlGaInAs包层，AlGaInAs多量子阱层，p型AlGaInAs包层，InP间隔层，InGaAsP光栅层和InP牺牲层，形成基片，该基片的一侧为有源区，另一侧为合波器区；

步骤2：在合波器区的InP牺牲层中注入P离子并快速热退火；

步骤3：去掉InP牺牲层，在有源区的InGaAsP光栅层中制作光栅；

步骤4：在有源区和合波器区的InGaAsP光栅层上生长p型InP包层及p型InGaAs接触层；

步骤5：采用干法刻蚀去除p型InGaAs接触层，p型InP包层，InGaAsP光栅层，InP间隔层，在有源区形成各激光器单元的脊型波导及合波器区形成合波器脊型波导；

步骤6：在有源区的脊型波导上制作p电极；

步骤7：减薄n型InP衬底，并在其背面制作n电极，完成制备。

2.一种激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型InP衬底上依次生长n型InP缓冲层，n型AlGaInAs包层，AlGaInAs多量子阱层，p型AlGaInAs包层，InP间隔层，InGaAsP光栅层，形成基片，该基片的一侧为有源区，另一侧为合波器区；

步骤2：在有源区的InGaAsP光栅层中制作光栅；

步骤3：在有源区和合波器区的InGaAsP光栅层上生长p型InP包层及p型InGaAs接触层；

步骤4：在合波器区溅射SiO₂并快速热退火；

步骤5：采用干法刻蚀去除p型InGaAs接触层，p型InP包层，InGaAsP光栅层，InP间隔层，在有源区形成各激光器单元的脊型波导及合波器区形成合波器脊型波导；

步骤6：在有源区的脊型波导上制作p电极；

步骤7：减薄n型InP衬底，并在其背面制作n电极，完成制备。

3.根据权利要求1或2所述的激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，其中p型AlGaInAs包层是干法刻蚀的刻蚀停止层。

4.根据权利要求1或2所述的激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，其中所述光栅的周期为相同或不同。

5.根据权利要求1或2所述的激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，其中所述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。

6.根据权利要求1或2所述的激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，其中所述的光栅制作于有源区的全部区域或部分区域。

7.根据权利要求1或2所述的激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，其中所述激光器单元的数目为n，n>=2。

8.根据权利要求1或2所述的激光器阵列与合波器单片集成芯片的制作方法，其中激光器单元的脊型波导的宽度为不同或相同。