专利名称：偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法
技术领域：
本发明实用半导体技术领域，特别涉及一种压应变铟镓砷量子阱和张应变铟镓砷体材料交替生长做有源结构的高增益宽带偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法。
背景技术：
制作半导体光放大器，主要要求器件拥有高的信号增益、极低的偏振灵敏度、较大的3dB增益带宽、高的饱和输出功率和低的噪声指数。目前，性能良好的1.55μm的半导体光放大器主要采取以下几种结构1)采用近方形无应变体有源结构(参见IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol 6，No.2；1994，pp170～172，and pp173～175)。该结构的半导体光放大器功耗较低，但制作具有亚微米宽度的有源区的工艺难度较大，且该结构的SOA往往拥有较大的发散角，导致光纤耦合效率低。
2)张应变体材料有源结构(参见IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol14，No.6，2002，pp765～767 and J，Lightwave Technol.，Vol，21，No.1，2003，pp176～181)。该结构的半导体放大器可以在大的工作电流范围内和宽的信号波长范围内实现偏振不灵敏。但该结构的的半导体放大器需要在较大的电流下才能获得高增益和大饱和输出功率，而且噪声指数过高。
3)匹配的量子阱和张应变的垒结合的有源结构(参见IEEEPhotonics Technol Lett.，Vol 3，No.11，1991，pp998～1000)。该结构的半导体光放大器拥有高的增益和大的饱和输出功率，但需要引入较大的张应变量，不易生长。
4)直接在阱中引入张应变的有源结构(参见Appl.Phys.Lett.Vol62，No.2，1993，pp121～122)。该结构通过提高TM模式增益来实现偏振不灵敏。该结构的缺点是由于轻空穴带和重空穴带之间有较强的相互作用，增加了透明载流子密度，从而导致器件性能降低。
5)压应变量子阱和张应变的量子阱交替构成的有源结构(参见Appl.Phys.Lett.Vol 62，No.2，1993，pp826～828 and IEEE Photonics TechnolLett.，Vol 4，No.4，1993，pp406～408)。该结构充分利用了量子阱和应变的优势，拥有较高的饱和输出功率和较低的噪声指数。其缺点是不能在较大的工作电流范围内和波长范围内实现偏振不灵敏，而且张应变阱中所引入的应变较大，以及张应变的效应和量子尺寸效应是相反的。
发明内容
本发明的目的是为了开发出一种新的有源结构来制作高性能的半导体光放大器，该结构综合利用了量子阱效应、应变效应和体材料的优点。因此，利用该结构制作的半导体光放大器具有大信号增益、高饱和输出功率、宽3dB宽度和低噪声指数，并且能够在较大的工作电流范围内和宽的波长范围内实现偏振不灵敏。此外，还可以利用该结构制作宽带偏振不灵敏的半导体光开关，宽带超辐射二极管和宽带外腔可调谐半导体激光器等。
本发明一种偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，其特征在于，包括以下制作步骤1)在n型磷化铟衬底上一次外延压应变量子阱和张应变的准体材料相混合的有源结构；2)光刻腐蚀出宽为1μm左右的与〔011〕晶向有7度偏移的有源区斜条；3)二次外延p型磷化铟和n型磷化铟作为条型有源区的限流的掩埋区；4)三次外延p型磷化铟包层和高掺杂p型铟镓砷欧姆接触层；5)制作p面和n面电极并在解理成管芯条后，在管芯条的受光和出光面镀抗反膜，完成器件制备。
其中步骤1)所说的压应变的量子阱为三元铟镓砷，失配在+0.6％到+0.7％之间，且每个阱厚在8～9nm之间，张应变的准体材料也为三元铟镓砷，失配在-0.8％～-0.85％之间，且厚为35～40nm之间；垒为四元铟镓砷磷，带隙波长1.2～1.3μm之间，厚为12～15nm之间；此处，压应变的量子阱和张应变的准体材料交替生长，共生长三个量子阱和三层体材料。
其中在一次外延有源结构上面生长一层磷化铟本征层，其厚度在3～4nm左右。
其中通过光刻腐蚀宽2μm左右的斜条，与解理面的晶向〔011〕取向有7度教的偏差。
其中二次外延掩埋时，须生长较厚约为0.8-0.9μm的p型磷化铟电流阻挡层和掺杂较高约在1018/cm3量级的n型磷化铟层。
其中三次外延所生长的p型磷化铟包层，其厚度应在2～3μm之间，且掺杂浓度是从1017/cm3逐渐增加到1018/cm3量级。
本发明利用低压有机金属气相外延生长方法，交替生长压应变铟镓砷量子阱和张应变铟镓砷准体材料做有源结构，制作一种能在大的工作电流范围内和宽的波长范围内实现偏振不灵敏的半导体光放大器。
该结构的优点是1)充分利用了量子尺寸效应，即能级是分立的，态密度为阶梯状分布，因此其内量子效率较高，微分增益较大。
2)充分利用了应变能带工程，量子阱中引入压应变，进一步分离价带中的重空穴带和轻空穴带，大大减少了价带之间的相互吸收和俄歇复合；此外，压应变的引入，使重空穴有效质量变小，从而减小态密度，导致粒子数易于反转，从而降低噪声指数。
3)体材料中引入张应变，消除重空穴带和轻空穴带的简并，使得重空穴带和轻空穴带之间的相互作用变弱，从而提高器件的性能。再者，张应变使得TM模式增益增强，从而能使器件实现偏振不灵敏。
4)采用了张应变准体材料，电流注入后，体材料中的载流子流向阱中进行再分布，由于张应变的体材料较厚，故仍能保持较大的TM增益，使该结构的器件能在较大的工作电流范围内和整个3dB光增益带宽波长范围内实现偏振不灵敏。
5)该结构的光限制因子较大，因此具有适当长度的器件和在适度的电流下便可获得高增益。因此该结构的光放大器，当用作波长变换器时，可获得高的转换效率；当用作光开关时，可获得大的消光比和低的无损工作电流。
6)该结构的优化设计自由度较大。进一步调整所引入的张应变量或调整量子阱的厚度，均可使器件的3dB带宽增大。
为进一步说明本发明的内容，以下结合附图对本发明的器件的制作方法以及研制所取得的结果做较为详细的描述，其中图1为半导体光放大器的外延有源结构示意图；图2为制作的半导体光放大器镀抗反膜前的光～电流特性曲线；图3为镀膜后的半导体光放大器的光～电流特性曲线；图4为镀膜后半导体光放大器的放大的自发发射谱，实线为TM模，虚线为TE模。
具体实施例方式
请参阅图1所示，本发明一种偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，包括如下步骤(1)首先在n型磷化铟衬底1上生长出一次外延优化设计的量子阱与准体材料相混合的有源结构，具体包括缓冲层2，下波导层3，压应变量子阱4，匹配的垒5，张应变的准体材料6，其中三个相同的压应变量子阱和三层相同的准体材料交替生长，其间夹芯5层是与磷化铟晶格匹配的垒5，最后外延生长上波导层7和保护层8。
(2)在外延好的样品上面生长一层厚度为1500埃的二氧化硅做掩膜，刻蚀出宽度为2μm条，并以此二氧化硅条为掩膜，把外延样品以250微米的周期腐蚀出深度为1.5至2μm左右台面，并且该有源条与〔011〕晶向有7度偏移。
(3)生长p型磷化铟和n型磷化铟做电流阻挡层，形成掩埋异质结构。
(4)去掉条上二氧化硅(SiO2)介质膜，清洗后，生长p型磷化铟包层和重掺杂p型铟镓砷欧姆接触层。
(5)制作p面电极，减薄后再制作n面电极。
(6)解理成600微米到800微米左右的窄条(bar)，窄条的个受光和出光解理面镀光学抗反膜。至此，完成整个器件的工艺制作。
由图1知，该器件的有源结构由三个压应变的铟镓砷量子阱和三层张应变的铟镓砷准体材料交替构成，采用低压金属有机气相外延即可生长该结构。
由图2知，尽管该器件的有源条不与(011)解理面垂直，但在55mA的注入电流下，仍然激射，说明掩埋斜条结构仍然是一个准光学谐振腔，只是增加了激射阈值；另一方面，如图所示，该结构的器件，斜率效率较高(大约为28％左右)；说明该结构的内部损耗较小。因此，采用该结构所制作的光放大器可望具有较大的增益。
由图3知，镀抗反膜后，即使在250mA下，器件也未激射，说明采用斜条和镀抗反膜能有效抑制器件的激射，使光放大器拥有相当小的增益抖动起伏。
由图4知，在不同的工作电流下，TE模式的自发发射输出功率与TM模式之间的自发发射输出功率相差很小，远小于1dB。而且这个小的差值能在较宽的波长范围内保持不变。由此，采用该结构的所制作的半导体光放大器，能在较大工作电流范围内和3dB光增益带宽波长范围内实现偏振不灵敏，这是该结构的一个显著优势。证明采用该结构制作的半导体光放大器在波分复用系统中很有实用前景。
权利要求
1.一种偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，其特征在于，包括以下制作步骤1)在n型磷化铟衬底上一次外延压应变量子阱和张应变的准体材料相混合的有源结构；2)光刻腐蚀出宽为1μm左右的与〔011〕晶向有7度偏移的有源区斜条；3)二次外延p型磷化铟和n型磷化铟作为条型有源区的限流的掩埋区；4)三次外延p型磷化铟包层和高掺杂p型铟镓砷欧姆接触层；5)制作p面和n面电极并在解理成管芯条后，在管芯条的受光和出光面镀抗反膜，完成器件制备。
2.根据权利要求1所述的偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，其特征在于，其中步骤1)所说的压应变的量子阱为三元铟镓砷，失配在+0.6％到+0.7％之间，且每个阱厚在8～9nm之间，张应变的准体材料也为三元铟镓砷，失配在-0.8％～-0.85％之间，且厚为35～40nm之间；垒为四元铟镓砷磷，带隙波长1.2～1.3μm之间，厚为12～15nm之间；此处，压应变的量子阱和张应变的准体材料交替生长，共生长三个量子阱和三层体材料。
3.根据权利要求1所述的偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，其特征在于，其中在一次外延有源结构上面生长一层磷化铟本征层，其厚度在3～4nm左右。
4.根据权利要求1所述的偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，其特征在于，其中通过光刻腐蚀宽2μm左右的斜条，与解理面的晶向〔011〕取向有7度教的偏差。
5.根据权利要求1所述的偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，其特征在于，其中二次外延掩埋时，须生长较厚约为0.8-0.9μm的p型磷化铟电流阻挡层和掺杂较高约在1018/cm3量级的n型磷化铟层。
6.根据权利要求1所述的偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，其特征在于，三次外延所生长的p型磷化铟包层，其厚度应在2～3μm之间，且掺杂浓度是从1017/cm3逐渐增加到1018/cm3量级。
全文摘要
一种偏振不灵敏半导体光放大器的制作方法，其特征在于，包括以下制作步骤1)在n型磷化铟衬底上一次外延压应变量子阱和张应变的准体材料相混合的有源结构；2)光刻腐蚀出宽为1μm左右的与〔011〕晶向有7度偏移的有源区斜条；3)二次外延p型磷化铟和n型磷化铟作为条型有源区的限流的掩埋区；4)三次外延p型磷化铟包层和高掺杂p型铟镓砷欧姆接触层；5)制作p面和n面电极并在解理成管芯条后，在管芯条的受光和出光面镀抗反膜，完成器件制备。
文档编号G02F1/01GK1619360SQ20031011647
公开日2005年5月25日 申请日期2003年11月21日 优先权日2003年11月21日
发明者王书荣, 王圩, 刘志宏, 张瑞英, 朱洪亮, 王鲁蜂 申请人:中国科学院半导体研究所