專利名稱：光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料和集成光電子器件，特別是指一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法。
一個光纖通信系統(tǒng)的大部分功能塊都由III-V族半導(dǎo)體器件組成。由于這些器件至少和一根光纖連接，所以光電子器件和光纖之間的耦合效率就顯得特別重要。在傳統(tǒng)的弱引導(dǎo)單模光纖中，芯層和蓋層的折射率差通常小于0.005，其模斑通常是8-10μm。在半導(dǎo)體波導(dǎo)器件中，如此小的折射率差只能在極小的組分變化下才能獲得。在一個優(yōu)化好的半導(dǎo)體波導(dǎo)器件中，折射率差通常大于0.01，這樣導(dǎo)致模斑小于2μm。而且，和光纖的圓斑不同的是，半導(dǎo)體器件的模斑是高度不對稱的橢圓斑，這樣在光纖和半導(dǎo)體波導(dǎo)器件之間就多了一個附加的模式失配。很明顯，半導(dǎo)體光電子器件和光纖之間的耦合損耗是整個光通信網(wǎng)絡(luò)中的一個重要開銷。
有幾種方法可以改善芯片和光纖之間耦合效率，比如使用微透鏡和楔型端面或聚焦球面光纖。但是，由于模斑的大小改變，而模斑的形狀沒有改變，因此模式失配的問題依然存在。封裝的成本占到整個器件成本的90％。另一個方法是在半導(dǎo)體光電子芯片和光纖之間加入一個可以轉(zhuǎn)換模斑的硅基波導(dǎo)器件，硅基技術(shù)可以使芯層和蓋層的折射率差達到0.01以上，可以有和III-V族半導(dǎo)體器件相匹配的小模斑(文獻Appl.Phys.Lett.，Vol.55，no.23，pp2389-2391，1989和Electron.Lett.，vol.30，no.18，pp1515-1516對此有報道)，但是，這樣會導(dǎo)致III-V族半導(dǎo)體器件界面的偏調(diào)容差變小。
目前最有效的改變III-V族半導(dǎo)體器件的模斑的最有效的辦法是在半導(dǎo)體光電子器件上單片集成一個模斑轉(zhuǎn)換器。這樣既可以在芯片端面得到大的近場，提高耦合效率，又可以得到大的偏調(diào)容差，減少耦合封裝成本。因此市場前景極為廣闊。
現(xiàn)在主要有兩種III-V族材料模斑轉(zhuǎn)換器，一種是水平方向上的楔型波導(dǎo)，另一種是垂直方向上的楔型波導(dǎo)。由于水平方向上的楔型，要涉及復(fù)雜的光刻和腐蝕技術(shù)，所以較少采用這樣的方法。垂直方向上的楔型波導(dǎo)和半導(dǎo)體有源器件的單片集成也可以用兩種方法制備。一種是一次性的全選擇外延，通過控制掩模的形狀和大小，一次性同時選擇外延生長有源區(qū)和波導(dǎo)區(qū)，這種方法的好處是外延次數(shù)少，也可以減少有源區(qū)和波導(dǎo)區(qū)之間的耦合損耗(文獻Electronics Letters16thApri1 1998，Vol.34,No.8 pp767對此有報道)。但是這種方法的缺點是，由于有源區(qū)和波導(dǎo)區(qū)是同時選擇性外延，它們之間的帶隙波長的偏調(diào)不會太大，因此在波導(dǎo)區(qū)域有較大的吸收，有源區(qū)和波導(dǎo)區(qū)無法分別優(yōu)化；同時，由于有源區(qū)是選擇性生長，勢必引入額外的缺陷，雜質(zhì)等非輻射復(fù)合中心，因此也就降低了有源區(qū)的內(nèi)量子效率，降低成品率。另一種方法是對接的辦法，也就是先生長有源區(qū)，然后生長波導(dǎo)區(qū)和有源區(qū)對接。這種方法的優(yōu)點是可以分別優(yōu)化有源區(qū)和波導(dǎo)區(qū)的材料，使得波導(dǎo)區(qū)的帶隙波長遠離有源區(qū)的帶隙波長，這樣既可以保證有源區(qū)的外延質(zhì)量，保證有源區(qū)的內(nèi)量子效率，又可以使波導(dǎo)區(qū)沒有吸收(文獻Journal of Lightwave Technology.Vol.15，No.3，March 1997，pp198對此有報道)。但是這種方法的缺點是在選擇生長波導(dǎo)區(qū)的時候，有源區(qū)必須有介質(zhì)掩模保護，這樣波導(dǎo)和有源區(qū)對接部分的生長質(zhì)量就難以保證，因此就帶來了附加的損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其即可以分別優(yōu)化有源區(qū)和模斑轉(zhuǎn)換器的材料，減少信號光在模斑轉(zhuǎn)換器的吸收損耗，保證絕熱地改變信號光的模式；同時減少模斑轉(zhuǎn)換器和有源區(qū)之間對接的生長難度，減少兩者之間的耦合損耗。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，該方法包括如下的生長步驟(1)在襯底上平面生長緩沖層、下限制層和有源層；(2)在平面生長后，根據(jù)二氧化硅掩模形狀，選擇生長預(yù)定厚度的上限制層和垂直方向上的楔型波導(dǎo)；(3)根據(jù)不同器件對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的要求，制作成脊型波導(dǎo)，或者掩埋波導(dǎo)；(4)整個器件的磷化銦層和歐姆接觸層的外延；(5)器件的p/n極的電極的制作。
其中步驟(1)所述的半導(dǎo)體光電子器件是各類半導(dǎo)體激光器，調(diào)制器，放大器和探測器。
其中步驟(1)所述的有源層是體材料，或者是單量子阱，多量子阱，和應(yīng)變多量子阱。
其中步驟(2)所述的楔型波導(dǎo)是以線性變化的，或者是指數(shù)形式變化和雙曲函數(shù)變化的。
其中步驟(2)所述的選擇外延是選擇性金屬有機物化學(xué)汽相沉積，或者是選擇性分子束外延和選擇性金屬有機物分子束外延。
其中步驟(3)所述的器件波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是脊型波導(dǎo)，或者是掩埋波導(dǎo)。
其中步驟(4)所述的磷化銦層和歐姆接觸層外延包括1.5微米的p型磷化銦和0.2微米的p型銦鎵砷。
其中步驟(5)所述的p型電極可以是鈦/鉑/金電極，或者是金/鋅/金電極。
其中所述的脊型波導(dǎo)包括深脊型和淺脊型。
其中所述的掩埋波導(dǎo)包括掩埋異質(zhì)結(jié)和半絕緣掩埋。
實施例2.自對準(zhǔn)波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換器和電吸收調(diào)制器的單片集成調(diào)制器單片集成上模斑轉(zhuǎn)換器，可以減少整個器件的插入損耗，提高器件和光纖耦合的偏調(diào)容差，具體的制作步驟如下1)在n型InP襯底上平面生長上n型InP緩沖層、InGaAsP下限制層5和InGaAsP/InGaAsP量子阱層6，(圖4)；2)沿正臺方向光刻出調(diào)制器部分2，同時腐蝕去模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)域1的量子阱層和下限制層，約280nm，腐蝕到InP緩沖層，形成調(diào)制器臺面，如

圖1所示；3)平面生長上150nm SiO2介質(zhì)掩模，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)光刻出選擇外延圖形，如圖1所示；4)同時平面生長InGaAsP上限制層7和選擇外延模斑轉(zhuǎn)換器3，形成自對準(zhǔn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得模斑轉(zhuǎn)換器3和量子阱層6、下限制層5較好地對接，減少二者之間的耦合損耗，(圖4)；
5)去掉SiO2介質(zhì)掩模后，平面生長上1.5μmp型InP蓋層和0.2μm InGaAs接觸層；6)根據(jù)器件的調(diào)制速率的要求，做成淺脊型或者是雙溝深脊型波導(dǎo)；7)平面生長350nm SiO2保護層；8)在SiO2表面上涂覆聚酰氧胺以減少電容；9)在上限制層部分7開出電極窗口；10)在p面做Au/Zn/Au電極，n面減薄到100μm后蒸上Au/Ge/Nin型電極；11)解理，壓焊，測試。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的意義在以往的楔型波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換器和半導(dǎo)體有源器件的單片集成中，主要有兩種方法，一種是整個集成器件的全選擇外延，這種方法雖然減少了外延次數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，但是有源區(qū)和波導(dǎo)區(qū)的帶隙波長差不可能太大，因此模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)域會帶來額外的吸收損耗。另一種方法是有源區(qū)和模斑轉(zhuǎn)換器的對接生長，這種方法雖然可以分別優(yōu)化有源區(qū)和模斑轉(zhuǎn)換器的材料，但是選擇外延加上對接的生長難度較大，在對接區(qū)域容易引入額外的缺陷、雜質(zhì)等非輻射復(fù)合中心，增加了散射損耗。本發(fā)明提出了一個新的器件結(jié)構(gòu)和新的生長方法，在這種方法里，首先生長有源區(qū)的下限制層，有源層；然后同時生長上限制層和楔型波導(dǎo)，上限制層是平面生長，而楔型波導(dǎo)是選擇外延。這樣既可以解決好對接問題，又可以同時分別優(yōu)化有源區(qū)和模斑轉(zhuǎn)換器的材料。這樣既可以解決好對接問題，又可以同時分別優(yōu)化有源區(qū)和模斑轉(zhuǎn)換器的材料。使得這個器件有更好的的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，該方法包括如下的生長步驟(1)在襯底上平面生長緩沖層、下限制層和有源層；(2)在平面生長后，根據(jù)二氧化硅掩模形狀，選擇生長預(yù)定厚度的上限制層和垂直方向上的楔型波導(dǎo)；(3)根據(jù)不同器件對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的要求，制作成脊型波導(dǎo)，或者掩埋波導(dǎo)；(4)整個器件的磷化銦層和歐姆接觸層的外延；(5)器件的p/n極的電極的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中步驟(1)所述的半導(dǎo)體光電子器件是各類半導(dǎo)體激光器，調(diào)制器，放大器和探測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中步驟(1)所述的有源層是體材料，或者是單量子阱，多量子阱，和應(yīng)變多量子阱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中步驟(2)所述的楔型波導(dǎo)是以線性變化的，或者是指數(shù)形式變化和雙曲函數(shù)變化的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中步驟(2)所述的選擇外延是選擇性金屬有機物化學(xué)汽相沉積，或者是選擇性分子束外延和選擇性金屬有機物分子束外延。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中步驟(3)所述的器件波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是脊型波導(dǎo)，或者是掩埋波導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中步驟(4)所述的磷化銦層和歐姆接觸層外延包括1.5微米的p型磷化銦和0.2微米的p型銦鎵砷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中步驟(5)所述的p型電極可以是鈦/鉑/金電極，或者是金/鋅/金電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中所述的脊型波導(dǎo)包括深脊型和淺脊型。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，其特征在于，其中所述的掩埋波導(dǎo)包括掩埋異質(zhì)結(jié)和半絕緣掩埋。
全文摘要
本發(fā)明一種光電子器件和自對準(zhǔn)模斑轉(zhuǎn)換器集成的選區(qū)外延方法，該方法包括如下的生長步驟(1)在襯底上平面生長緩沖層、下限制層和有源層；(2)在平面生長后，根據(jù)二氧化硅掩模形狀，選擇生長預(yù)定厚度的上限制層和垂直方向上的楔型波導(dǎo)；(3)根據(jù)不同器件對波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的要求，制作成脊型波導(dǎo)，或者掩埋波導(dǎo)；(4)整個器件的磷化銦層和歐姆接觸層的外延；(5)器件的p/n極的電極的制作。
文檔編號H01S5/00GK1430313SQ01145129
公開日2003年7月16日 申請日期2001年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月30日
發(fā)明者邱偉彬, 王圩, 董杰 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所