耦合波导、其制作方法及应用其的半导体光电子器件.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102419460 A(43)申请公布日 2012.04.18CN102419460A*CN102419460A*(21)申请号 201110276131.9(22)申请日 2011.09.16G02B 6/122(2006.01)G02B 6/13(2006.01)H01S 5/22(2006.01)(71)申请人清华大学地址 100084 北京市海淀区清华园北京100084-82信箱(72)发明人熊兵 朱军浩 赵湘楠 孙长征罗毅(74)专利代理机构北京路浩知识产权代理有限公司 11002代理人王莹(54) 发明名称耦合波导、其制作方法及应用其的半导体光电子器件(5

2、7) 摘要本发明公开了一种耦合波导、其制作方法及应用其的半导体光电子器件。所述耦合波导包括衬底、下波导包层、第一波导芯层、隔离层、第二波导芯层和上波导包层，所述第二波导芯层具有横向宽度沿导光方向逐渐变化的宽度渐变段。其制作方法为：S1：一次外延依次生长下波导包层、第一波导芯层、隔离层以及第二波导芯层；S2：对所述第二波导芯层进行处理，形成宽度渐变段；S3：进行二次外延形成上波导包层。所述半导体光电子器件包括电吸收调制器或光探测器，所述耦合波导第二波导芯层与所述电吸收调制器或光探测器对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变窄。本发明可以根据需要对耦合波导各处横向光场的分布进行调整，进而优化器件光限制因

3、子的分布。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页CN 102419472 A 1/2页21.一种耦合波导，包括从下往上依次分布的衬底(1)、下波导包层(2)、第一波导芯层(3)、隔离层(4)、第二波导芯层(5)和上波导包层(6)，其特征在于，所述第一波导芯层(3)为有源波导层，所述第二波导芯层(5)为耦合导引波导层，所述第二波导芯层(5)具有横向宽度沿导光方向逐渐变化的宽度渐变段，所述上波导包层(6)覆盖于所述第二波导芯层(5)的上方和侧面。2.如权利要求1所述的耦合波导，其特征在于：所述第二波导芯层(5)

4、宽度渐变段的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽、再逐渐变窄。3.如权利要求1所述的耦合波导，其特征在于：所述第一波导芯层(3)为多量子阱有源层。4.如权利要求1所述的耦合波导，其特征在于：所述耦合波导为脊波导，所述隔离层(4)、第二波导芯层(5)和上波导包层(6)形成所述脊波导的脊形部分。5.一种权利要求1-4中任一项所述的耦合波导的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在洁净的外延片上一次外延依次生长下波导包层(2)、第一波导芯层(3)、隔离层(4)以及第二波导芯层(5)；S2：对所述第二波导芯层(5)进行处理，形成横向宽度沿导光方向变化的宽度渐变段；S3：进行二次外延形成覆盖于所述第二波导芯

5、层(5)的上方和侧面的上波导包层(6)。6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述对第二波导芯层(5)进行处理的步骤包括用电子束曝光在所述第二波导芯层(5)上制作掩膜，再通过先干法刻蚀、后湿法腐蚀所述第二波导芯层(5)的过程。7.如权利要求5或6所述的制作方法，其特征在于：在所述步骤S3之后还包括通过干法对所述上波导包层(6)和隔离层(4)进行刻蚀以形成脊波导的步骤。8.一种具有权利要求1-4中任一项所述的耦合波导的半导体光电子器件，其特征在于，所述半导体光电子器件包括电吸收调制器(EAM)或光探测器，所述耦合波导第二波导芯层(5)与所述电吸收调制器(EAM)或光探测器对应部分的横向宽度

6、沿导光方向逐渐变窄。9.如权利要求8所述的半导体光电子器件，其特征在于，所述半导体光电子器件还包括与所述电吸收调制器(EAM)或光探测器共用同一耦合波导的半导体光放大器(SOA)，所述耦合波导的第二波导芯层(5)与所述半导体光放大器(SOA)对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变宽。10.如权利要求9所述的半导体光电子器件，其特征在于，所述半导体光放大器(SOA)与所述电吸收调制器(EAM)或光探测器沿导光方向先后相邻设置，所述第二波导芯层(5)的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽再逐渐变窄。11.如权利要求8所述的半导体光电子器件，其特征在于：所述第一波导芯层(3)材料的对应波长为12601600nm

7、、所述第二波导芯层(5)材料的对应波长为10001500nm。12.如权利要求8所述的半导体光电子器件，其特征在于：所述第一波导芯层(3)材料的对应波长为7001000nm、所述第二波导芯层(5)材料的对应波长为500900nm。13.如权利要求812中任一项所述的半导体光电子器件，其特征在于，所述电吸收调制器(EAM)的出光端面上设有一层端面反射率范围在10-8到10的介质膜。权 利 要 求 书CN 102419460 ACN 102419472 A 2/2页314.如权利要求812中任一项所述的半导体光电子器件，其特征在于，所述光探测器的出光端面上有一层端面反射率在90以上的介质膜。权 利

8、 要 求 书CN 102419460 ACN 102419472 A 1/5页4耦合波导、 其制作方法及应用其的半导体光电子器件技术领域0001 本发明涉及光电子器件技术领域，尤其涉及一种耦合波导、其制作方法及应用其的半导体光电子器件。背景技术0002 微波链路在通讯、信号处理和雷达等方面有着重要的应用。然而，随着微波频率的提高，微波射频信号在电缆线和波导中的损耗迅速增大，尤其是在毫米波波段。0003 微波光纤链路用微波信号来进行光强度调制，并且通过光纤进行传输或分发到光接收机，通过光接收机来还原微波信号。从链路两端来看，微波光纤链路与微波链路完全等效，且由于光纤的光损耗非常小，因此大大增加了

9、高频微波信号的传输距离。正因为微波光纤链路的这个优势，其在无线通信、有线电视、相控阵天线、远程天线等领域有广泛的应用。0004 微波光纤链路中，激光器的噪声会恶化链路的噪声系数，调制器的非线性也会减小链路的无杂散动态范围(SFDR)。所以，微波光纤链路与有源微波链路类似，其重要的性能参数为：1、微波增益和带宽；2、噪声系数(NF)；3、无杂散动态范围(SFDR)。0005 为了提高微波增益、减小噪声系数，最为有效的手段就是提高工作点光功率，因而要求光调制器和探测器具有高饱和光功率特性。对于半导体的光调制器和探测器，在高光功率条件下将面临光学非线性、光生载流子堆积等问题。这些问题将直接导致器件出

10、现光功率饱和现象，从而出现转换效率下降的后果。解决这些问题的方法可从材料优化和器件结构优化两方面入手。目前，器件结构优化方面有采用大光腔的方法，来降低整个器件中有源区的光限制因子，减小了光生载流子密度。这有效提高了器件的饱和光功率。但由于整个器件中的光限制因子都较小，光吸收不够充分，导致驱动电压增大，减小链路的微波增益。为了克服这个缺点，降低驱动电压，大光腔结构的调制器其器件长度往往较长，这又会带来器件带宽下降、插入损耗增加、制作难度提高等问题。0006 分析电吸收调制器中光传播过程，在整个电吸收调制器中，由于吸收的作用，光沿着传播方向越来越弱。也就是说，对于传统的波导结构，在光入射端有源区光

11、密度最大，即光生载流子浓度最大，最容易出现饱和效应。而在波导后端，由于光吸收作用，有源区的光密度已经远远小于输入端的有源区光密度，导致波导后端光吸收很弱，不利于实现较小的驱动电压。因此，为了实现较大的饱和光功率，只需要减小输入端有源区光密度即可。发明内容0007 (一)要解决的技术问题0008 本发明要解决的技术问题是：提供一种耦合波导、其制作方法及应用其的半导体光电子器件，以根据需要对耦合波导各处横向光场的分布进行调整，进而优化器件光限制因子的分布。0009 (二)技术方案0010 为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种耦合波导，包括从下往上依次分布的说 明 书CN 102419460 A

12、CN 102419472 A 2/5页5衬底、下波导包层、第一波导芯层、隔离层、第二波导芯层和上波导包层，所述第一波导芯层为有源波导层，所述第二波导芯层为耦合导引波导层，所述第二波导芯层具有横向宽度沿导光方向逐渐变化的宽度渐变段，所述上波导包层覆盖于所述第二波导芯层的上方和侧面。0011 优选地，所述第二波导芯层宽度渐变段的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽、再逐渐变窄。0012 优选地，所述第一波导芯层为多量子阱有源层。0013 优选地，所述耦合波导为脊波导，所述隔离层、第二波导芯层和上波导包层形成所述脊波导的脊形部分。0014 另一方面，本发明提供了一种上述耦合波导的制作方法，包括以下步骤：00

13、15 S1：在洁净的外延片上一次外延依次生长下波导包层、第一波导芯层、隔离层以及第二波导芯层；0016 S2：对所述第二波导芯层进行处理，形成横向宽度沿导光方向变化的宽度渐变段；0017 S3：进行二次外延形成覆盖于所述第二波导芯层的上方和侧面的上波导包层。0018 优选地，所述对第二波导芯层进行处理的步骤包括用电子束曝光在所述第二波导芯层上制作掩膜，再通过先干法刻蚀、后湿法腐蚀所述第二波导芯层的过程。0019 优选地，在所述步骤S3之后还包括通过干法对所述上波导包层和隔离层进行刻蚀以形成脊波导的步骤。0020 又一方面，本发明提供了一种具有上述耦合波导的半导体光电子器件，所述半导体光电子器件

14、包括电吸收调制器或光探测器，所述耦合波导第二波导芯层与所述电吸收调制器或光探测器对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变窄。0021 优选地，所述半导体光电子器件还包括与所述电吸收调制器或光探测器共用同一耦合波导的半导体光放大器，所述耦合波导的第二波导芯层与所述半导体光放大器对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变宽。0022 优选地，所述半导体光放大器与所述电吸收调制器或光探测器沿导光方向先后相邻设置，所述第二波导芯层的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽再逐渐变窄。0023 优选地，所述第一波导芯层材料的对应波长为12601600nm、所述第二波导芯层材料的对应波长为10001500nm。0024 优选地，所

15、述第一波导芯层材料的对应波长为7001000nm、所述第二波导芯层材料的对应波长为500900nm。0025 优选地，所述电吸收调制器的出光端面上设有一层端面反射率范围在10-8到10的介质膜。0026 优选地，所述光探测器的出光端面上有一层端面反射率在90以上的介质膜。0027 (三)有益效果0028 本发明的耦合波导通过对第二波导芯层宽度进行调节，可以对器件内光限制因子的分布进行优化。本发明的电吸收调制器或光探测器通过使用上述耦合波导，使其入射端光限制因子较小，出射端光限制因子较大，从而使得器件各处的光生载流子密度相同，即光吸收均匀化。这种结构有效地防止了器件内局部光生载流子过多，出现局部

16、饱和的现象，大说 明 书CN 102419460 ACN 102419472 A 3/5页6大增加了器件的饱和光功率。另外，应用了上述耦合波导的电吸收调制器由于在整个调制器内光吸收率都很接近，提高了光的吸收效率，可以防止驱动电压增大。附图说明0029 图1为根据本发明实施例半导体光电子器件的结构示意图；0030 图2为根据本发明实施例半导体光电子器件的层结构示意图；0031 其中：1：衬底；2：下波导包层；3：第一波导芯层；4：隔离层；5：第二波导芯层；6：上波导包层；7：欧姆接触层；8：电吸收调制器电极；9：半导体光放大器电极；10：N电极；11：电极隔离槽；12：聚酰亚胺绝缘层；13：Si

17、Nx绝缘层；21：第一缓冲层；22：第二缓冲层；23：第一波导芯层下限制层；41：第一波导芯层上限制层；42：第三缓冲层；43：第一隔离子层；44：腐蚀停止层；45：第二隔离子层；EAM：电吸收调制器；SOA：半导体光放大器。具体实施方式0032 下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。0033 实施例一：0034 如图1所示，本实施例的耦合波导，包括从下往上依次分布的衬底1(衬底1在图1中没有示出)、下波导包层2、第一波导芯层3、隔离层4、第二波导芯层5和上波导包层6，所述第一波导芯层3为有源波导层，所述第二波导芯层5为耦合导引波导层，所述第二波导芯层5具有横向宽度沿导光方向逐渐变化的

18、宽度渐变段，所述上波导包层6覆盖于所述第二波导芯层5的上方和侧面。0035 在本实施例中，所述第二波导芯层5宽度渐变段的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽、再逐渐变窄。在本发明的其它实施例中，根据耦合波导应用的需要，所示第二波导芯层5宽度渐变段的横向宽度还可以呈现为其它形式的变化。0036 在本实施例中，所述第一波导芯层3为多量子阱有源层。在本发明的其它实施例中，所示第一波导芯层3还可以为量子线、量子点以及体材料有源层。0037 在本实施例中，所述耦合波导为脊波导，所述隔离层4、第二波导芯层5和上波导包层6形成所述脊波导的脊形部分。当然，在本发明的其它实施例中，耦合波导还可以为其它的结构形式。003

19、8 实施例二：0039 一种上述耦合波导的制作方法，包括以下步骤：0040 S1：在洁净的外延片上一次外延依次生长下波导包层2、第一波导芯层3、隔离层4以及第二波导芯层5；0041 S2：对所述第二波导芯层5进行处理，形成横向宽度沿导光方向变化的宽度渐变段；0042 S3：进行二次外延形成覆盖于所述第二波导芯层5的上方和侧面的上波导包层6。0043 在本实施例中，所述对第二波导芯层5进行处理的步骤包括用电子束曝光在所述第二波导芯层5上制作掩膜，再通过先干法刻蚀、后湿法腐蚀所述第二波导芯层5的过程。在其它实施例中，还可以采用其它方法来对第二波导芯层5的横向宽度进行改变，得到需要形状的宽度渐变段。

20、说 明 书CN 102419460 ACN 102419472 A 4/5页70044 在本实施例中，在所述步骤S3之后还包括通过干法对所述上波导包层6和隔离层4进行刻蚀以形成脊波导的步骤。0045 实施例三：0046 如图1所示，一种具有实施例一所述的耦合波导的半导体光电子器件，所述半导体光电子器件包括电吸收调制器EAM，所述耦合波导第二波导芯层5与所述电吸收调制器EAM对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变窄。0047 所述半导体光电子器件还包括与所述电吸收调制器EAM共用同一耦合波导的半导体光放大器SOA，所述耦合波导的第二波导芯层5与所述半导体光放大器SOA对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐

21、变宽。0048 所述半导体光放大器SOA与所述电吸收调制器EAM沿导光方向先后相邻设置，所述第二波导芯层5的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽再逐渐变窄。0049 所述第一波导芯层3材料的对应波长为12601600nm、所述第二波导芯层5材料的对应波长为10001500nm。0050 所述第一波导芯层3材料的对应波长为7001000nm、所述第二波导芯层5材料的对应波长为500900nm。0051 所述电吸收调制器EAM的出光端面上设有一层端面反射率范围在10-8到10的介质膜，即抗反射镀膜。0052 实施例四：0053 一种具有实施例一所述的耦合波导的半导体光电子器件，包括光探测器，所述耦合波导第

22、二波导芯层5与所述光探测器对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变窄。0054 所述半导体光电子器件还包括与所述光探测器共用同一耦合波导的半导体光放大器SOA，所述耦合波导的第二波导芯层5与所述半导体光放大器SOA对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变宽。0055 所述半导体光放大器SOA与所述光探测器沿导光方向先后相邻设置，所述第二波导芯层5的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽再逐渐变窄。0056 所述第一波导芯层3材料的对应波长为12601600nm、所述第二波导芯层5材料的对应波长为10001500nm。0057 所述第一波导芯层3材料的对应波长为7001000nm、所述第二波导芯层5材料的对应波长为5

23、00900nm。0058 所述光探测器的出光端面上有一层端面反射率在90以上的介质膜，即高反射镀膜。0059 实施例五：0060 本实施例为实施例三更为具体的实施方式，如图1和图2所示，本实施例的半导体光电子器件包括从下往上依次分布的N电极10，衬底1，构成下波导包层2的第一缓冲层21、第二缓冲层22和第一波导芯层下限制层23，作为第一波导芯层3的多量子阱有源层，构成隔离层4的第一波导芯层上限制层41、第三缓冲层42、第一隔离子层43、腐蚀停止层44和第二隔离子层45，第二波导芯层5、上波导包层6、欧姆接触层7以及欧姆接触层7上的P型电吸收调制器电极8和半导体光放大器电极9。其中在电吸收调制器

24、电极8和半导体光放大器电极9之间设有将所述电吸收调制器电极8和半导体光放大器电极9、以及分别与说 明 书CN 102419460 ACN 102419472 A 5/5页8二者连接的欧姆接触层7隔断的电极隔离槽11。其中多量子阱有源层的结构为：12对量子阱，阱宽10nm，光荧光波长1550nm，垒宽10nm，光荧光波长1200nm；第二波导芯层5材料对应光荧光波长1360nm。0061 本实施例的电吸收调制器EAM和半导体光放大器SOA共用一个高掺杂的n型InP衬底材料，其制作方法为：0062 先在衬底1上一次外延生长至第二波导芯层5；0063 然后用光刻胶或SiNx做掩膜，用干法刻蚀和湿法腐

25、蚀第二波导芯层5，制作出具有宽度渐变段的第二波导芯层5的形状；0064 再采用二次外延，生长其他的材料层，完全覆盖第二波导芯层5，形成上波导包层6；0065 接着通过干法对所述上波导包层6和隔离层4进行刻蚀以形成脊波导，其中半导体光放大器SOA长500m，采用低脊波导结构，脊宽为2m，深度约2.1m；电吸收调制器EAM长70m，采用高脊波导结构，脊宽为2m，深约3m；0066 为提高调制器带宽，电吸收调制器电极8台下用聚酰亚胺绝缘层12填充，电吸收调制器EAM和半导体光放大器SOA表面采用SiNx绝缘层13，脊条上的SiNx绝缘层去掉；0067 最后通过刻蚀隔离槽的方法形成所述的电极隔离槽11

26、并在电吸收调制器EAM的出光端镀上抗反射镀膜。0068 在本实施例中，也可以将所述的电吸收调制器EAM替换成光探测器，在光探测器的情况下，出光端镀高反射镀膜。0069 本发明的耦合波导通过对第二波导芯层5宽度进行调节，可以对器件内光限制因子的分布进行优化。0070 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。说 明 书CN 102419460 ACN 102419472 A 1/2页9图1说 明 书 附 图CN 102419460 ACN 102419472 A 2/2页10图2说 明 书 附 图CN 102419460 A