專(zhuān)利名稱：偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)用半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種壓應(yīng)變銦鎵砷量子阱和張應(yīng)變銦鎵砷體材料交替生長(zhǎng)做有源結(jié)構(gòu)的高增益寬帶偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法。
背景技術(shù)：
制作半導(dǎo)體光放大器，主要要求器件擁有高的信號(hào)增益、極低的偏振靈敏度、較大的3dB增益帶寬、高的飽和輸出功率和低的噪聲指數(shù)。目前，性能良好的1.55μm的半導(dǎo)體光放大器主要采取以下幾種結(jié)構(gòu)1)采用近方形無(wú)應(yīng)變體有源結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol 6，No.2；1994，pp170～172，and pp173～175)。該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光放大器功耗較低，但制作具有亞微米寬度的有源區(qū)的工藝難度較大，且該結(jié)構(gòu)的SOA往往擁有較大的發(fā)散角，導(dǎo)致光纖耦合效率低。
2)張應(yīng)變體材料有源結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol14，No.6，2002，pp765～767 and J，Lightwave Technol.，Vol，21，No.1，2003，pp176～181)。該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體放大器可以在大的工作電流范圍內(nèi)和寬的信號(hào)波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏。但該結(jié)構(gòu)的的半導(dǎo)體放大器需要在較大的電流下才能獲得高增益和大飽和輸出功率，而且噪聲指數(shù)過(guò)高。
3)匹配的量子阱和張應(yīng)變的壘結(jié)合的有源結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)IEEEPhotonics Technol Lett.，Vol 3，No.11，1991，pp998～1000)。該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光放大器擁有高的增益和大的飽和輸出功率，但需要引入較大的張應(yīng)變量，不易生長(zhǎng)。
4)直接在阱中引入張應(yīng)變的有源結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)Appl.Phys.Lett.Vol62，No.2，1993，pp121～122)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)提高TM模式增益來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是由于輕空穴帶和重空穴帶之間有較強(qiáng)的相互作用，增加了透明載流子密度，從而導(dǎo)致器件性能降低。
5)壓應(yīng)變量子阱和張應(yīng)變的量子阱交替構(gòu)成的有源結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)Appl.Phys.Lett.Vol 62，No.2，1993，pp826～828 and IEEE Photonics TechnolLett.，Vol 4，No.4，1993，pp406～408)。該結(jié)構(gòu)充分利用了量子阱和應(yīng)變的優(yōu)勢(shì)，擁有較高的飽和輸出功率和較低的噪聲指數(shù)。其缺點(diǎn)是不能在較大的工作電流范圍內(nèi)和波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏，而且張應(yīng)變阱中所引入的應(yīng)變較大，以及張應(yīng)變的效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)是相反的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了開(kāi)發(fā)出一種新的有源結(jié)構(gòu)來(lái)制作高性能的半導(dǎo)體光放大器，該結(jié)構(gòu)綜合利用了量子阱效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)和體材料的優(yōu)點(diǎn)。因此，利用該結(jié)構(gòu)制作的半導(dǎo)體光放大器具有大信號(hào)增益、高飽和輸出功率、寬3dB寬度和低噪聲指數(shù)，并且能夠在較大的工作電流范圍內(nèi)和寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏。此外，還可以利用該結(jié)構(gòu)制作寬帶偏振不靈敏的半導(dǎo)體光開(kāi)關(guān)，寬帶超輻射二極管和寬帶外腔可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器等。
本發(fā)明一種偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，其特征在于，包括以下制作步驟1)在n型磷化銦襯底上一次外延壓應(yīng)變量子阱和張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料相混合的有源結(jié)構(gòu)；2)光刻腐蝕出寬為1μm左右的與〔011〕晶向有7度偏移的有源區(qū)斜條；3)二次外延p型磷化銦和n型磷化銦作為條型有源區(qū)的限流的掩埋區(qū)；4)三次外延p型磷化銦包層和高摻雜p型銦鎵砷歐姆接觸層；5)制作p面和n面電極并在解理成管芯條后，在管芯條的受光和出光面鍍抗反膜，完成器件制備。
其中步驟1)所說(shuō)的壓應(yīng)變的量子阱為三元銦鎵砷，失配在+0.6％到+0.7％之間，且每個(gè)阱厚在8～9nm之間，張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料也為三元銦鎵砷，失配在-0.8％～-0.85％之間，且厚為35～40nm之間；壘為四元銦鎵砷磷，帶隙波長(zhǎng)1.2～1.3μm之間，厚為12～15nm之間；此處，壓應(yīng)變的量子阱和張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料交替生長(zhǎng)，共生長(zhǎng)三個(gè)量子阱和三層體材料。
其中在一次外延有源結(jié)構(gòu)上面生長(zhǎng)一層磷化銦本征層，其厚度在3～4nm左右。
其中通過(guò)光刻腐蝕寬2μm左右的斜條，與解理面的晶向〔011〕取向有7度教的偏差。
其中二次外延掩埋時(shí)，須生長(zhǎng)較厚約為0.8-0.9μm的p型磷化銦電流阻擋層和摻雜較高約在1018/cm3量級(jí)的n型磷化銦層。
其中三次外延所生長(zhǎng)的p型磷化銦包層，其厚度應(yīng)在2～3μm之間，且摻雜濃度是從1017/cm3逐漸增加到1018/cm3量級(jí)。
本發(fā)明利用低壓有機(jī)金屬氣相外延生長(zhǎng)方法，交替生長(zhǎng)壓應(yīng)變銦鎵砷量子阱和張應(yīng)變銦鎵砷準(zhǔn)體材料做有源結(jié)構(gòu)，制作一種能在大的工作電流范圍內(nèi)和寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏的半導(dǎo)體光放大器。
該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是1)充分利用了量子尺寸效應(yīng)，即能級(jí)是分立的，態(tài)密度為階梯狀分布，因此其內(nèi)量子效率較高，微分增益較大。
2)充分利用了應(yīng)變能帶工程，量子阱中引入壓應(yīng)變，進(jìn)一步分離價(jià)帶中的重空穴帶和輕空穴帶，大大減少了價(jià)帶之間的相互吸收和俄歇復(fù)合；此外，壓應(yīng)變的引入，使重空穴有效質(zhì)量變小，從而減小態(tài)密度，導(dǎo)致粒子數(shù)易于反轉(zhuǎn)，從而降低噪聲指數(shù)。
3)體材料中引入張應(yīng)變，消除重空穴帶和輕空穴帶的簡(jiǎn)并，使得重空穴帶和輕空穴帶之間的相互作用變?nèi)?，從而提高器件的性能。再者，張?yīng)變使得TM模式增益增強(qiáng)，從而能使器件實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏。
4)采用了張應(yīng)變準(zhǔn)體材料，電流注入后，體材料中的載流子流向阱中進(jìn)行再分布，由于張應(yīng)變的體材料較厚，故仍能保持較大的TM增益，使該結(jié)構(gòu)的器件能在較大的工作電流范圍內(nèi)和整個(gè)3dB光增益帶寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏。
5)該結(jié)構(gòu)的光限制因子較大，因此具有適當(dāng)長(zhǎng)度的器件和在適度的電流下便可獲得高增益。因此該結(jié)構(gòu)的光放大器，當(dāng)用作波長(zhǎng)變換器時(shí)，可獲得高的轉(zhuǎn)換效率；當(dāng)用作光開(kāi)關(guān)時(shí)，可獲得大的消光比和低的無(wú)損工作電流。
6)該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)自由度較大。進(jìn)一步調(diào)整所引入的張應(yīng)變量或調(diào)整量子阱的厚度，均可使器件的3dB帶寬增大。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的器件的制作方法以及研制所取得的結(jié)果做較為詳細(xì)的描述，其中圖1為半導(dǎo)體光放大器的外延有源結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為制作的半導(dǎo)體光放大器鍍抗反膜前的光～電流特性曲線；圖3為鍍膜后的半導(dǎo)體光放大器的光～電流特性曲線；圖4為鍍膜后半導(dǎo)體光放大器的放大的自發(fā)發(fā)射譜，實(shí)線為T(mén)M模，虛線為T(mén)E模。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，包括如下步驟(1)首先在n型磷化銦襯底1上生長(zhǎng)出一次外延優(yōu)化設(shè)計(jì)的量子阱與準(zhǔn)體材料相混合的有源結(jié)構(gòu)，具體包括緩沖層2，下波導(dǎo)層3，壓應(yīng)變量子阱4，匹配的壘5，張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料6，其中三個(gè)相同的壓應(yīng)變量子阱和三層相同的準(zhǔn)體材料交替生長(zhǎng)，其間夾芯5層是與磷化銦晶格匹配的壘5，最后外延生長(zhǎng)上波導(dǎo)層7和保護(hù)層8。
(2)在外延好的樣品上面生長(zhǎng)一層厚度為1500埃的二氧化硅做掩膜，刻蝕出寬度為2μm條，并以此二氧化硅條為掩膜，把外延樣品以250微米的周期腐蝕出深度為1.5至2μm左右臺(tái)面，并且該有源條與〔011〕晶向有7度偏移。
(3)生長(zhǎng)p型磷化銦和n型磷化銦做電流阻擋層，形成掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
(4)去掉條上二氧化硅(SiO2)介質(zhì)膜，清洗后，生長(zhǎng)p型磷化銦包層和重?fù)诫sp型銦鎵砷歐姆接觸層。
(5)制作p面電極，減薄后再制作n面電極。
(6)解理成600微米到800微米左右的窄條(bar)，窄條的個(gè)受光和出光解理面鍍光學(xué)抗反膜。至此，完成整個(gè)器件的工藝制作。
由圖1知，該器件的有源結(jié)構(gòu)由三個(gè)壓應(yīng)變的銦鎵砷量子阱和三層張應(yīng)變的銦鎵砷準(zhǔn)體材料交替構(gòu)成，采用低壓金屬有機(jī)氣相外延即可生長(zhǎng)該結(jié)構(gòu)。
由圖2知，盡管該器件的有源條不與(011)解理面垂直，但在55mA的注入電流下，仍然激射，說(shuō)明掩埋斜條結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)準(zhǔn)光學(xué)諧振腔，只是增加了激射閾值；另一方面，如圖所示，該結(jié)構(gòu)的器件，斜率效率較高(大約為28％左右)；說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損耗較小。因此，采用該結(jié)構(gòu)所制作的光放大器可望具有較大的增益。
由圖3知，鍍抗反膜后，即使在250mA下，器件也未激射，說(shuō)明采用斜條和鍍抗反膜能有效抑制器件的激射，使光放大器擁有相當(dāng)小的增益抖動(dòng)起伏。
由圖4知，在不同的工作電流下，TE模式的自發(fā)發(fā)射輸出功率與TM模式之間的自發(fā)發(fā)射輸出功率相差很小，遠(yuǎn)小于1dB。而且這個(gè)小的差值能在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持不變。由此，采用該結(jié)構(gòu)的所制作的半導(dǎo)體光放大器，能在較大工作電流范圍內(nèi)和3dB光增益帶寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏，這是該結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。證明采用該結(jié)構(gòu)制作的半導(dǎo)體光放大器在波分復(fù)用系統(tǒng)中很有實(shí)用前景。
權(quán)利要求
1.一種偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，其特征在于，包括以下制作步驟1)在n型磷化銦襯底上一次外延壓應(yīng)變量子阱和張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料相混合的有源結(jié)構(gòu)；2)光刻腐蝕出寬為1μm左右的與〔011〕晶向有7度偏移的有源區(qū)斜條；3)二次外延p型磷化銦和n型磷化銦作為條型有源區(qū)的限流的掩埋區(qū)；4)三次外延p型磷化銦包層和高摻雜p型銦鎵砷歐姆接觸層；5)制作p面和n面電極并在解理成管芯條后，在管芯條的受光和出光面鍍抗反膜，完成器件制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，其特征在于，其中步驟1)所說(shuō)的壓應(yīng)變的量子阱為三元銦鎵砷，失配在+0.6％到+0.7％之間，且每個(gè)阱厚在8～9nm之間，張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料也為三元銦鎵砷，失配在-0.8％～-0.85％之間，且厚為35～40nm之間；壘為四元銦鎵砷磷，帶隙波長(zhǎng)1.2～1.3μm之間，厚為12～15nm之間；此處，壓應(yīng)變的量子阱和張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料交替生長(zhǎng)，共生長(zhǎng)三個(gè)量子阱和三層體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，其特征在于，其中在一次外延有源結(jié)構(gòu)上面生長(zhǎng)一層磷化銦本征層，其厚度在3～4nm左右。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，其特征在于，其中通過(guò)光刻腐蝕寬2μm左右的斜條，與解理面的晶向〔011〕取向有7度教的偏差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，其特征在于，其中二次外延掩埋時(shí)，須生長(zhǎng)較厚約為0.8-0.9μm的p型磷化銦電流阻擋層和摻雜較高約在1018/cm3量級(jí)的n型磷化銦層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，其特征在于，三次外延所生長(zhǎng)的p型磷化銦包層，其厚度應(yīng)在2～3μm之間，且摻雜濃度是從1017/cm3逐漸增加到1018/cm3量級(jí)。
全文摘要
一種偏振不靈敏半導(dǎo)體光放大器的制作方法，其特征在于，包括以下制作步驟1)在n型磷化銦襯底上一次外延壓應(yīng)變量子阱和張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料相混合的有源結(jié)構(gòu)；2)光刻腐蝕出寬為1μm左右的與〔011〕晶向有7度偏移的有源區(qū)斜條；3)二次外延p型磷化銦和n型磷化銦作為條型有源區(qū)的限流的掩埋區(qū)；4)三次外延p型磷化銦包層和高摻雜p型銦鎵砷歐姆接觸層；5)制作p面和n面電極并在解理成管芯條后，在管芯條的受光和出光面鍍抗反膜，完成器件制備。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1619360SQ20031011647
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者王書(shū)榮, 王圩, 劉志宏, 張瑞英, 朱洪亮, 王魯蜂 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所