偏振可控光电子器件的制备方法技术

本发明专利技术一种新型偏振可控光电子器件的制备方法，是利用波长为１．３μｍ－１．６３μｍ的铟镓砷（磷）／铟磷材料，同时引进不同厚度的张应变、压应变或晶格匹配层，随意改变各应变层的位置，从而获得对ＴＥ模和ＴＭ模具有相同放大增益效果的偏振不灵敏光学放大，实现对ＴＥ、ＴＭ模式增益的控制。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别是涉及一种。偏振可控的半导体光电子器件涉及如下内容按材料来分包括铟磷、铟镓砷以及铟镓砷磷为代表的铟磷系材料；按波长来分包括1.3μm-1.63μm；按应变来分包括张应变、压应变以及晶格匹配；按器件功能来分包括发光管、激光器、放大器、探测器和调制器；按生长方式来分包括有机金属化学气相沉积(MOCVD)、气相分子束外延(GSMBE)或化学束外延(CBE)。随着大容量信息的传输、交换和接收的迫切需求，以光电子为信息载体的光网络正在逐步兴起和发展，对发射、接收、放大和调制光的光电子器件的要求也逐步加强。偏振性是光电子的重要本征特性之一，但是由于光电子器件中材料增益与电流相关，而非对称的波导结构与电流无关的特性，使得实现偏振可控的光电子器件成为一大难题。特别是对于被动的光电子器件，如半导体光学放大器(SOA)、探测器和调制器，偏振不灵敏是主要性能指标之一，尤其当这些器件用于DWDM(密集波分复用)、OADM(光学上下路复用)等系统时，更加要求其能够在大的波长范围内可以获得偏振不灵敏。迄今为止，设计SOA偏振不灵敏的方法包括1)厚有源区结构该种结构采用厚体材料有源区、短腔长可以非常有效地实现偏振不灵敏，但是由于其有源区体积大，因而操作电流大，热耗散太大，器件的工作可靠性差，且能耗也大。不能成为全光网中的理想部件。2)几个器件的串并联该种方式采用部件组装实现偏振不灵敏，但几个器件串并联过程中，他们之间的自对准比较困难，并且对器件本身结构并无任何改进。3)应变量子阱有源层由于应变量子阱具有小的阶梯形态密度，因而可获得低的透明载流子密度，高的微分量子效率以及低的噪声因子和高的饱和输出。特别是压应变材料的导入可改善半导体激光器的性能。但压应变导致TE模增益增大(TE模指电矢量平行于结平面的偏振光)。为了增大TM模增益(TM模指磁矢量平行于结平面的偏振光)，就要尽量实现电子与轻空穴之间的复合跃迁，为此，张应变量子阱是一种有效的方法。但是，使用张应变很难实现1.5μm附近的增益材料。为此，要获得偏振不灵敏光学放大器通常采用以下材料及结构的量子阱有源层(1)压应变和张应变的交叉混合型量子阱材料；(2)低张应变量量子阱材料；(3)与铟磷(InP)晶格匹配的量子阱材料伴有张应变的势垒的结构；(4)无耦合阱、垒之间的应变补偿；(5)耦合量子阱和互扩散量子阱。尽管这些方法通过优化设计可以在某一点获得极佳的偏振不灵敏，但是由于轻重空穴在平行和垂直于生长方向的有效质量区别较大，使得它们对注入电流的响应程度不同，而且，量子阱的偏振性质随外加注入电流不断改变，但是，其波导几何结构的偏振性却与注入电流无关，这种材料增益和光场限制因子变化的不一致性使得模式增益很难在大范围内获得偏振不灵敏。因而很难通过量子阱结构获得大工作电流范围内的偏振不灵敏。此外，对于第五种采用量子阱的方法，无论理论设计和材料生长都比较困难。4)近四方体的材料有源区结构这是近年来兴起的制备光开关半导体光学放大器(SOA)的一种普遍采用的方法。其一，采用无应变体材料。为了实现偏振不灵敏，分别利用刻蚀技术和选择生长技术实现窄的条宽，其条宽＜0.5μm，尽管这样可获得较为优良的SOA性能，但是对于窄条宽，利用刻蚀技术存在条宽容差小，技术要求苛刻；同时还存在与其它器件的集成或耦合的困难；而利用选择外延技术，尽管可以通过生长可均匀地实现窄条宽，同时也可一步实现与相关器件的集成，但存在窄条宽选择生长的困难。特别是为了减轻镀膜的负担，需要采用斜角窗口结构，或为了提高器件的消光比，需要采用弯曲波导结构，而达到这些要求，需要在(110)方向和非(110)方向同时生长，由于窄条宽选择生长的各向异性，不易得到各个方向生长的平整界面。即该种方法对材料的生长技术要求苛刻。实现比较困难。其二，采用应变体材料。尽管对SOA的条宽要求有所放宽(大约1μm)，但是对于应变体材料，生长厚度受到其临界厚度的限制，生长高质量的张应变厚体材料(＞0.1μm)，本身对生长技术的要求很苛刻。5)利用结构补偿实现偏振不灵敏该种方法是利用无应变体材料为有源区的SOA与无源光斑变换结构(SSC)集成，通过SSC的本征偏振吸收来补偿SOA中的偏振放大。用该方法所制器件偏振不灵敏度高，同时克服了为了实现偏振不灵敏需要窄条宽的弱点，使条宽容差增加，可采用传统的光刻工艺，并且SSC可改善光斑的远场特性使耦合效率提高，且性能可靠。但制作中采用butt-joint(对接)实现SOA与SSC的集成，SOA与SSC波导芯层的完全对接很困难，而且对接部位的晶体质量很难保证，同时工艺复杂，需五次外延。此外，即使器件制备质量相当高，由于SOA的偏振性是动态变化的，而SSC由于是无源器件，它只能静态补偿某一小范围内的偏振性，因此器件很难获得大范围内的偏振不灵敏。从而限制了它在全光网中的应用。6)垂直腔面发射结构由于面发射结构的出光端面为圆形，不存在波导本身的偏振灵敏性，因而可以较轻松的利用应变补偿量子阱或体材料获得大范围内的偏振不灵敏，同时由于其可获得圆形的远场光斑，因而耦合效率高。但是由于垂直腔面发射是微腔结构，对于制备行波放大器来说，其增益会很小，此外，制备垂直腔面发射结构，需要底部分布布拉格反射镜(DBR)对泵浦光增透，对输入光高反，对于用于光纤通信中的光电子器件，其输入光波长都在1.3-1.4，1.5-1.6μm，而用于制备该波段器件的材料基本是铟磷(InP)基系列，InP基系列的材料折射率差较小，结果用其制备DBR反射镜其反射率很难达到要求，目前，有采用GaAs(镓砷)衬底，以GaAs/AlGaAs(铝镓砷)作为器件的DBR反射镜，然后将铟镓砷磷/铟磷(InGaAsP/InP)有源区bonding(键合)到该DBR反射镜上，从而实现对该范围内光的高反。但是对于将InP系列材料与GaAs基材料的bonding技术本身亦不成熟，因此，制备该种器件的技术难度较大。本专利技术的目的在于，提供一种，其是要解决光电子器件对入射光的偏振态的灵敏性，即得到宽带的偏振不灵敏的被动型光电子器件，如放大器、调制器和探测器。为了达到上述目的，本专利技术采用一种，其特征在于，包括如下步骤1)在n型铟磷衬底上一次性外延生长n型铟磷缓冲层、宽能带的铟镓砷(磷)光限制层、应变渐变的有源层、宽能带的铟镓砷(磷)光限制层以及铟镓砷层；2)长二氧化硅层；3)光刻腐蚀出条形有源区，以获得良好的基横模、增加光场对称性，提高器件的稳定性和可靠性；4)二次外延电流阻挡层，用以形成掩埋异质结构减少电流泄漏；5)光刻腐蚀出窗口区，用以生长铟磷窗口区以减少有源区光反馈；6)利用化学腐蚀去掉顶层铟镓砷层；7)三次外延p型铟磷层和掺锌的铟镓砷电流接触层；8)利用等离子体化学气相沉积生长二氧化硅；9)开二氧化硅窗口；10)作电极；11)解理，在器件的两个端面上镀介质膜。其步骤1中应变渐变有源层是指波长为1.3μm-1.63μm的铟镓砷(磷)/铟磷材料，依次采用多种应变层，比如在同一有源区中，包括应变量为0.005％厚度为20nm、应变量为-0.005％的厚度为15nm和应变量为-0.01％的厚度为10nm的材料。其步骤1中在这种波长为1.3μm-1.63本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏振可控光电子器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：１）在ｎ型铟磷衬底上一次性外延生长ｎ型铟磷缓冲层、宽能带的铟镓砷（磷）光限制层、应变渐变的有源层、宽能带的铟镓砷（磷）光限制层以及铟镓砷层；２）长二氧化硅层；３）光刻腐 蚀出条形有源区，使光场对称性增加，有利于降低器件的阈值电流和工作电流，改善器件的可靠性和稳定性；４）二次外延电流阻挡层，用以形成掩埋异质结构减少电流泄漏；５）光刻腐蚀出窗口区，用以生长铟磷窗口区以减少有源区光反馈；６）利用化学腐 蚀去掉顶层铟镓砷层；７）三次外延ｐ型铟磷层和掺锌的铟镓砷电流接触层；８）利用等离子体化学气相沉积生长二氧化硅；９）开二氧化硅窗口；１０）作电极；１１）解理，在器件的两个端面上镀介质膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董杰，张瑞英，王圩，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]