电吸收调制激光器及其制备方法

1.本公开涉及半导体光电子集成器件的技术领域，尤其涉及电吸收调制激光器及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g网络和数据中心对网络宽带需求的快速增加，网络系统对于光发射芯片的性能提出了更高的要求，为解决光发射芯片的带宽问题，不仅需要拓展光发射波长的利用范围，还需要增加光反射芯片的集成度。但是，通过将多种材料集成来提高光反射芯片的带宽，不仅需要进行多次有源层的生长，还容易暴露在空气中被氧化，形成缺陷，影响光发射芯片的可靠性。


技术实现要素：

3.本公开提供了一种电吸收调制激光器及其制备方法，以改善集成材料暴露在空气中会被氧化，影响光发射芯片可靠性的问题。
4.本公开的一个方面提供了一种电吸收调制激光器，包括：有源层，形成在衬底上，有源层的表面分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；其中，第一区域的有源层构成第一调制器，第二区域的有源层构成第二调制器，第三区域的有源层构成第一激光器，第四区域的有源层构成第二激光器；无源层，形成在衬底上，无源层的表面分为第五区域、第六区域以及第七区域；光栅，设置于无源层上；其中，第五区域的无源层和光栅构成第一前光栅，第六区域的无源层和光栅构成第二前光栅，第七区域的无源层和光栅构成后光栅；其中，第一调制器、第一激光器以及第一前光栅与第二调制器、第二激光器以及第二前光栅通过共用后光栅实现双端发射激光。
5.根据本公开的实施例，第一激光器、第二激光器、第一前光栅、第二前光栅以及后光栅的衬底上生长有第一sio2层，以供第一调制器以及第二调制器的光的波长比上述其他区域的光的波长短。
6.根据本公开的实施例，有源层包括第一限制层、多量子阱层和第二限制层。
7.根据本公开的实施例，第二限制层上生长有第二sio2层，用于保护有源层不被刻蚀。
8.根据本公开的实施例，多量子阱层的材料采用ingaasp或ingaalas。
9.根据本公开的实施例，电隔离沟，用于实现第一调制器、第二调制器、第一激光器、第二激光器、第一前光栅、第二前光栅以及后光栅之间的电隔离。
10.根据本公开的实施例，有源层以及无源层上分别生长有包层、电接触层以及p型电极；衬底远离有源层的一面设置有n型电极。
11.本公开的另一个方面提供了一种电吸收调制激光器的制备方法，包括：在衬底的部分区域上生长第一sio2层；在衬底以及第一sio2层上生长有源层；其中，未被第一sio2层覆盖的区域为第一调制器和第二调制器；在有源层的部分区域上生长第二sio2层；其中，被
第二sio2层覆盖的区域包括第一调制器、第二调制器、第一激光器以及第二激光器，未被第二sio2层覆盖的区域为第一前光栅、第二前光栅以及后光栅；分别刻蚀第一前光栅、第二前光栅、以及后光栅的有源层；在对应第一前光栅、第二前光栅以及后光栅的衬底上分别生长无源层；在无源层上制备光栅；在第一调制器、第一前光栅、第一激光器、后光栅、第二激光器、第二前光栅和第二调制器上生长包层、电接触层和p型电极；在电接触层上刻蚀电隔离沟，用于实现第一调制器、第二调制器、第一激光器、第二激光器、第一前光栅、第二前光栅以及后光栅之间的电隔离；在衬底远离有源层的一面制备n型电极。
12.根据本公开的实施例，第一sio2层以及第二sio2层均被刻蚀形成两个以上选区掩模图形，选区掩模图形的厚度为100nm～300nm，宽度为5μm～30μm，各选区掩模图形之间的间隔为10μm～50μm。
13.根据本公开的实施例，刻蚀包层以及电接触层以形成倒台浅脊波导结构。
14.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案至少包括以下有益效果：(1)本公开实施例通过生长一次有源层，可以同时完成调制器与激光器的有源层的生长，相比传统的材料对接技术节省了一次生长，解决了有源层暴露在空气中被氧化的问题；(2)将两个调制激光器集成在一起，共用后光栅区，实现从两个端面发射激光，实现激光器速率和波长调谐性能翻倍的效果，同时提高了激光器的可靠性，节约了成本。
附图说明
15.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
16.图1示意性示出了本公开实施例提供的电吸收调制激光器的整体结构示意图；
17.图2示意性示出了本公开实施例提供的电吸收调制激光器的侧视图；
18.图3示意性示出了本公开实施例提供的电吸收调制激光器的制备方法的流程图；
19.图4示意性示出了本公开实施例提供的在衬底的部分区域上生长第一sio2层对应结构的正视图；
20.图5示意性示出了本公开实施例提供的在衬底的部分区域上生长第一sio2层对应结构的俯视图；
21.图6示意性示出了本公开实施例提供的在所述有源层的部分区域上生长第二sio2层对应结构的俯视图；
22.图7示意性示出了本公开实施例提供的在对应所述第一前光栅、第二前光栅以及后光栅的衬底上分别生长无源层对应结构的正视图。
23.【附图标记说明】
24.1、第一调制器；2、第一前光栅；3、第一激光器；4、第二调制器；5、第二前光栅；6、第二激光器；7、后光栅；10、衬底；11、第一sio2层；12、有源层；13、第二sio2层；14、无源层；15、光栅；16、包层；17、电接触层；18、电隔离沟；19、p型电极；20、n型电极。
具体实施方式
25.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
26.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
27.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
28.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
29.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
30.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
31.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
32.随着5g网络和数据中心对网络宽带需求的快速增加，网络系统对于光发射芯片的性能提出了更高的要求，为解决光发射芯片的带宽问题，不仅需要拓展光发射波长的利用范围，还需要增加光反射芯片的集成度。但是，通过将多种材料集成来提高光反射芯片的带宽，不仅需要进行多次有源层的生长，还容易暴露在空气中被氧化，形成缺陷，影响光发射芯片的可靠性。
33.本公开提供了一种电吸收调制激光器及其制备方法，以改善集成材料暴露在空气中会被氧化，影响光发射芯片可靠性的问题。图1示意性示出了本公开实施例提供的电吸收调制激光器的整体结构示意图。
34.如图1所示，本公开实施例提供的电吸收调制激光器，包括：有源层12，形成在衬底10上，有源层12的表面分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；其中，第一区域的有源层12构成第一调制器1，第二区域的有源层12构成第二调制器4，第三区域的有源层12构
成第一激光器3，第四区域的有源层12构成第二激光器6；无源层14，形成在衬底10上，无源层14的表面分为第五区域、第六区域以及第七区域；光栅15，设置于无源层14上；其中，第五区域的无源层14和光栅15构成第一前光栅2，第六区域的无源层14和光栅15构成第二前光栅5，第七区域的无源层14和光栅15构成后光栅7；其中，第一调制器1、第一激光器3以及第一前光栅2与第二调制器4、第二激光器6以及第二前光栅5通过共用后光栅7实现双端发射激光。
35.具体地，衬底10可采用n型磷化铟衬底10。无源层14的材料可以采用ingaasp，无源层14的带隙波长为1400nm。
36.在本公开实施例中，第一激光器3、第二激光器6、第一前光栅2、第二前光栅5以及后光栅7的衬底10上生长有第一sio2层11，以供第一调制器1以及第二调制器4的光的波长比上述其他区域的光的波长短。具体地，第一调制器1以及第二调制器4的波长比第一激光器3以及第二激光器6的波长短20μm～100μm，第一前光栅2、第二前光栅5以及后光栅7的带隙波长比第一激光器3以及第二激光器6的波长短90nm～200nm。
37.有源层12包括第一限制层、多量子阱层和第二限制层。在本公开实施例中，多量子阱层的材料采用ingaasp或ingaalas。第一限制层的带隙波长与第二限制层的带隙波长均比多量子阱层的带隙波长小10nm～100nm。在本公开的一个实施例中，第一限制层和第二限制层的带隙波长均为1200nm，多量子阱层的带隙波长为1550nm。在本公开的其他实施例中，可以根据实际需要设置带隙波长，只要满足第一限制层的带隙波长与第二限制层的带隙波长均比多量子阱层的带隙波长小即可，在此不做限定。
38.第二限制层上生长有第二sio2层13，用于保护有源层12不被刻蚀。具体地，第一sio2层11与第二sio2层13均被刻蚀形成两个以上选区掩模图形，选区掩模图形的厚度为100nm～300nm，宽度为5μm～30μm，各选区掩模图形之间的间隔为10μm～50μm。
39.本公开实施例提供的电吸收调制激光器还包括电隔离沟18，用于实现第一调制器1、第二调制器4、第一激光器3、第二激光器6、第一前光栅2、第二前光栅5以及后光栅7之间的电隔离。
40.在本公开实施例中，有源层12以及无源层14上分别生长有包层16、电接触层17以及p型电极19，衬底10远离有源层12的一面设置有n型电极20。图2示意性示出了本公开实施例提供的电吸收调制激光器的侧视图，如图2所示，利用有机金属化合物气相沉积(mocvd)生长包层16和电接触层17，包层16采用p型zn掺杂inp包层16，电接触层17的材料采用ingaas，包层16的厚度为1500nm，电接触层17的厚度为200nm。在本公开的一些其他实施例中，也可以采用其他生长方式、材料以及厚度，只要能够满足本公开实施例的目的即可，在此不做限定。
41.基于同一发明构思，本公开的另一个方面提供了一种电吸收调制激光器的制备方法，图3示意性示出了本公开实施例提供的电吸收调制激光器的制备方法的流程图。如图3所示，具体包括：
42.在操作s101中，在衬底10的部分区域上生长第一sio2层11。
43.具体地，图4示意性示出了本公开实施例提供的在衬底10的部分区域上生长第一sio2层11对应结构的正视图。图5示意性示出了本公开实施例提供的在衬底10的部分区域上生长第一sio2层11对应结构的俯视图。由图4和图5可知，剩余未被第一sio2层11覆盖的区
域为第一调制器1和第二调制器4。
44.在操作s102中，在衬底10以及第一sio2层11上生长有源层12；其中，未被第一sio2层11覆盖的区域为第一调制器1和第二调制器4。
45.具体地，可以采用光刻或湿法腐蚀的方式对第一sio2层11进行刻蚀形成选区掩模图形，对衬底10以及选区掩模图形进行清洗后再利用利用金属有机化学气相沉积设备(mocvd)生长有源层12。
46.在操作s103中，在有源层12的部分区域上生长第二sio2层13；其中，被第二sio2层13覆盖的区域包括第一调制器1、第二调制器4、第一激光器3以及第二激光器6，未被第二sio2层13覆盖的区域为第一前光栅2、第二前光栅5以及后光栅7。
47.具体地，图6示意性示出了本公开实施例提供的在所述有源层12的部分区域上生长第二sio2层13对应结构的俯视图，腐蚀选区掩模图形后，再进行第二sio2层13的生长。
48.在操作s104中，分别刻蚀第一前光栅2、第二前光栅5、以及后光栅7的有源层12。
49.具体地，采用感应耦合等离子刻蚀机(icp)进行刻蚀。在本公开的一些其他实施例中，
50.在操作s105中，在对应第一前光栅2、第二前光栅5以及后光栅7的衬底10上分别生长无源层14。
51.具体地，图7示意性示出了本公开实施例提供的在对应所述第一前光栅2、第二前光栅5以及后光栅7的衬底10上分别生长无源层14对应结构的正视图，其中，无源层14的材料可以采用ingaasp，无源层14的带隙波长为1400nm。
52.在操作s106中，在无源层14上制备光栅15。
53.在操作s107中，在第一调制器1、第一前光栅2、第一激光器3、后光栅7、第二激光器6、第二前光栅5和第二调制器4上生长包层16、电接触层17和p型电极19。
54.具体地，刻蚀包层16以及电接触层17以形成倒台浅脊波导结构。通过制备倒台浅脊波导结构，提高了注入电流的汇聚作用。
55.在操作s108中，在电接触层17上刻蚀电隔离沟18，用于实现第一调制器1、第二调制器4、第一激光器3、第二激光器6、第一前光栅2、第二前光栅5以及后光栅7之间的电隔离。
56.具体地，在电接触层17上采用3μm厚光刻胶光刻出隔离沟图形，电隔离沟18的宽度为50μm，将he离子注入电隔离沟18，实现各区域之间的电隔离。
57.在操作s109中，在衬底10远离有源层12的一面制备n型电极20。
58.需要说明的是，电吸收调制激光器的制备方法的实施例部分与电吸收调制激光器的实施例部分对应，其具体实施细节及带来的技术效果与电吸收调制激光器的实施例部分相似或相同，此处不再赘述。
59.本公开实施例提供的电吸收调制激光器及其制备方法通过生长一次有源层，可以同时完成调制器与激光器的有源层的生长，相比传统的材料对接技术节省了一次生长，同时解决了有源层暴露在空气中被氧化的问题。本公开实施例提供的电吸收调制激光器及其制备方法还将两个调制激光器集成在一起，共用后光栅区，实现从两个端面发射激光，实现激光器速率和波长调谐性能翻倍的效果，同时提高了激光器的可靠性，节约了成本。
60.以上所述的具体实施例，对本公开的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和
原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电吸收调制激光器，其特征在于，包括：衬底(10)；有源层(12)，形成在所述衬底(10)上，所述有源层(12)的表面分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；其中，所述第一区域的有源层(12)构成第一调制器(1)，所述第二区域的有源层(12)构成第二调制器(4)，所述第三区域的有源层(12)构成第一激光器(3)，所述第四区域的有源层(12)构成第二激光器(6)；无源层(14)，形成在所述衬底(10)上，所述无源层(14)的表面分为第五区域、第六区域以及第七区域；光栅(15)，设置于所述无源层(14)上；其中，所述第五区域的无源层(14)和所述光栅(15)构成第一前光栅(2)，所述第六区域的无源层(14)和所述光栅(15)构成第二前光栅(5)，所述第七区域的无源层(14)和所述光栅(15)构成后光栅(7)；其中，所述第一调制器(1)、第一激光器(3)以及第一前光栅(2)与所述第二调制器(4)、第二激光器(6)以及第二前光栅(5)通过共用所述后光栅(7)实现双端发射激光。2.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，所述第一激光器(3)、所述第二激光器(6)、所述第一前光栅(2)、所述第二前光栅(5)以及所述后光栅(7)的衬底(10)上生长有第一sio2层(11)，以供所述第一调制器(1)以及第二调制器(4)的光的波长比所述第一激光器(3)、所述第二激光器(6)、所述第一前光栅(2)、所述第二前光栅(5)以及所述后光栅(7)的光的波长短。3.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，所述有源层(12)包括第一限制层、多量子阱层和第二限制层。4.根据权利要求3所述的电吸收调制激光器，其特征在于，所述第二限制层上生长有第sio2层(13)，用于保护所述有源层(12)不被刻蚀。5.根据权利要求3所述的电吸收调制激光器，其特征在于，所述多量子阱层的材料采用ingaasp或ingaalas。6.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，还包括：电隔离沟(18)，用于实现所述第一调制器(1)、所述第二调制器(4)、所述第一激光器(3)、所述第二激光器(6)、所述第一前光栅(2)、所述第二前光栅(5)以及所述后光栅(7)之间的电隔离。7.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其特征在于，所述有源层(12)以及所述无源层(14)上分别生长有包层(16)、电接触层(17)以及p型电极(19)；所述衬底(10)远离所述有源层(12)的一面设置有n型电极(20)。8.一种电吸收调制激光器的制备方法，用于制备权利要求1-7中任一项所述的电吸收调制激光器，其特征在于，包括：在衬底(10)的部分区域上生长第一sio2层(11)；在所述衬底(10)以及第一sio2层(11)上生长有源层(12)；其中，未被所述第一sio2层(11)覆盖的区域为第一调制器(1)和第二调制器(4)；在所述有源层(12)的部分区域上生长第二sio2层(13)；其中，被所述第二sio2层(13)覆盖的区域包括所述第一调制器(1)、所述第二调制器(4)、第一激光器(3)以及第二激光器(6)，未被所述第二sio2层(13)覆盖的区域为第一前光栅(2)、第二前光栅(5)以及后光栅
(7)；分别刻蚀所述第一前光栅(2)、所述第二前光栅(5)、以及所述后光栅(7)的有源层(12)；在对应所述第一前光栅(2)、第二前光栅(5)以及后光栅(7)的衬底(10)上分别生长无源层(14)；在所述无源层(14)上制备光栅；在所述第一调制器(1)、第一前光栅(2)、第一激光器(3)、后光栅(7)、第二激光器(6)、第二前光栅(5)和第二调制器(4)上生长包层(16)、电接触层(17)和p型电极(19)；在所述电接触层(17)上刻蚀电隔离沟(17)，用于实现所述第一调制器(1)、所述第二调制器(4)、所述第一激光器(3)、所述第二激光器(6)、所述第一前光栅(2)、所述第二前光栅(5)以及所述后光栅(7)之间的电隔离；在所述衬底(10)远离所述有源层(12)的一面制备n型电极(20)。9.根据权利要求8所述的电吸收调制激光器的制备方法，其特征在于，所述第一sio2层(11)以及所述第二sio2层(13)被刻蚀形成两个以上的选区掩模图形，所述选区掩模图形的厚度为100nm～300nm，宽度为5μm～30μm，各所述选区掩模图形之间的间隔为10μm～50μm。10.根据权利要求8所述的电吸收调制激光器的制备方法，其特征在于，刻蚀所述包层(16)以及所述电接触层(17)以形成倒台浅脊波导结构。

技术总结
本公开提供一种电吸收调制激光器及其制备方法，包括：衬底；有源层，形成在衬底上，有源层的表面分为第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；其中，第一区域的有源层构成第一调制器，第二区域的有源层构成第二调制器，第三区域的有源层构成第一激光器，第四区域的有源层构成第二激光器；无源层，形成在衬底上，无源层的表面分为第五区域、第六区域以及第七区域；光栅，设置于无源层上；其中，第五区域的无源层和光栅构成第一前光栅，第六区域的无源层和光栅构成第二前光栅，第七区域的无源层和光栅构成后光栅；其中，第一调制器、第一激光器以及第一前光栅与第二调制器、第二激光器以及第二前光栅通过共用后光栅实现双端发射激光。二前光栅通过共用后光栅实现双端发射激光。二前光栅通过共用后光栅实现双端发射激光。


技术研发人员：周代兵 贺卫利 安欣 梁松 赵玲娟
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/2