自带偏置电压电路的电调制激光器及其制作方法与流程

1.本发明属于半导体激光器技术领域，特别是关于一种自带偏置电压电路的电调制激光器及其制作方法。


背景技术：

2.和直接调制激光器(dml)相比，电调制激光器eml(electro
‑
modulated lasers)具有chirp噪音小、消光比(er)大，可以传输更长距离。一般情况下，要使eml工作，必须对激光器提供驱动电流，同时还需要对调制器提供偏置电压和rf信号，器件的封装也比较复杂。
3.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种自带偏置电压电路的电调制激光器及其制作方法，其单片集成了偏置电压电路、激光器和调制器于一体，大大简化eml芯片的封装和使用。
5.为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种自带偏置电压电路的电调制激光器，包括衬底以及依次生长于衬底上的缓冲层和器件结构，
6.器件结构包括激光器单元、调制器单元和偏置电压电路单元，
7.激光器单元和调制器单元均为脊型波导结构，
8.偏置电压电路单元包括串联的第一二极管单元和第二二极管单元，
9.偏置电压电路单元分别与所述激光器单元和调制器单元之间连接，激光器单元在通入工作电流后，偏置电压电路单元可为所述调制器单元提供反向偏置的电压降。
10.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一二极管单元、第二二极管单元和调制器单元的量子阱结构相同。
11.在本发明的一个或多个实施方式中，所述衬底为inp半绝缘衬底，所述缓冲层为n型inp缓冲层。
12.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器单元的p电极的焊盘形成于inp半绝缘衬底上；和/或所述激光器单元的n电极的焊盘形成于缓冲层上；和/或所述调制器单元的p电极的焊盘形成于inp半绝缘衬底上；和/或所述调制器单元的n电极的焊盘形成于n型inp缓冲层上。
13.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器单元的n电极的焊盘和p电极的焊盘分别位于所述脊型波导结构的两侧；和/或所述调制器单元的n电极的焊盘和p电极的焊盘分别位于所述脊型波导结构的两侧。
14.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一二极管单元和第二二极管单元位于所述脊型波导结构的同一侧。
15.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器单元的p电极的焊盘和所述调制器单元的n电极的焊盘位于所述脊型波导结构的同一侧，所述偏置电压电路单元位于所述
激光器单元的p电极的焊盘和所述调制器单元的n电极的焊盘之间
16.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器单元的p电极连接于第一二极管的p极，所述第一二极管的n极连接于所述第二二极管的p极，所述第二二极管的n极连接于所述调制器单元的p电极。
17.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一二极管单元和第二二极管单元并列设置。
18.本发明的另实施例提供了一种自带偏置电压电路的电调制激光器的制作方法，包括：
19.提供一衬底，在衬底上沉积掩膜条图形；
20.在具有掩膜条图形的衬底表面依次生长n型缓冲层、多量子阱结构和第一p型inp层，并分成激光器生长区、调制器生长区、第一二极管生长区和第二二极管生长区；
21.在激光器生长区制作光栅；
22.依次生长第二p型inp层和欧姆接触层；
23.由欧姆接触层刻蚀至缓冲层或衬底，在激光器生长区、调制器生长区、第一二极管生长区和第二二极管生长区分别形成电隔离的激光器单元、调制器单元、第一二极管单元和第二二极管单元；
24.制作电极，使得激光器单元、调制器单元、第一二极管单元和第二二极管单元之间连接。
25.与现有技术相比，本发明的eml芯片同时单片集成了组成偏置电压电路的两个二极管、激光器和调制器，当eml芯片正常工作时，需要给激光器提供工作电流，通过巧妙地设计器件结构和电极分布，部分电流将流过两个串联一起的二极管，在两个二极管的外电极之间将产生2.8v左右的电压降，这个电压正好是调制器正常工作时所需要的偏置电压，大大简化eml芯片的封装和使用。
附图说明
26.图1至10是根据本发明一实施方式的电调制激光器的制作流程示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
28.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
29.如图1至图10所示，根据本发明优选实施方式的一种自带偏置电压电路的电调制激光器，包括衬底10以及依次生长于衬底上的缓冲层20和外延结构，外延结构包括激光器单元211、调制器单元221和偏置电压电路单元，激光器单元211和调制器单元221均为脊型波导结构，偏置电压电路单元包括串联的第一二极管单元231和第二二极管单元241，偏置电压电路单元分别与所述激光器单元211和调制器单元221之间连接，激光器单元211在通入工作电流后，偏置电压电路单元可为所述调制器单元221提供反向偏置的电压降。
30.结合图3所示，缓冲层20的表面定义有激光器生长区21、调制器生长区22、第一二极管生长区23和第二二极管生长区24。其中，激光器单元211、调制器单元221、第一二极管单元231和第二二极管单元241分别生长于激光器生长区21、调制器生长区22、第一二极管生长区23和第二二极管生长区24，激光器单元211、调制器单元221、第一二极管单元231和第二二极管单元241之间形成有隔离槽。
31.一实施例中，位于激光器生长区的量子阱和位于调制器生长区的量子阱采用相同的材质，位于激光器生长区的量子阱的厚度大于位于调制器生长区的量子阱的厚度，因此，位于激光器生长区的量子阱的波长大于位于调制器生长区的量子阱的波长。
32.本案中，当eml芯片正常工作时，需要给激光器提供工作电流。通过巧妙地设计器件结构和电极分布，部分电流将流过两个串联一起的二极管，在两个二极管的外电极之间将产生2.8v左右的电压降，这个电压正好是调制器正常工作时所需要的偏置电压，因此可以大大简化eml芯片的封装和使用。
33.一实施例中，第一二极管单元231、第二二极管单元241和调制器单元221的量子阱结构相同，也就是说，量子阱结构在阱、垒组份、厚度和周期数上均相同。本案中，第一二极管单元231、第二二极管单元241和调制器单元221的量子阱，是在同一次外延过程中形成。量子阱结构的数目可以为3～15个，一实施例中，量子阱结构可以为in
x
ga1‑
x
as
y
p1‑
y
/in
z
ga1‑
z
as
w
p1‑
w
。
34.在优选的实施例中，衬底10采用inp半绝缘衬底，缓冲层20采用n型inp缓冲层。衬底10采用inp半绝缘衬底，方便制作激光器和调制器的p电极的焊盘；缓冲层20用于隔离衬底10的缺陷对上层外延材料的影响。
35.结合图10所示，激光器单元211的p电极2111的焊盘2113形成于inp半绝缘衬底10上；激光器单元的n电极2112的焊盘2114形成于缓冲层20上；调制器单元221的p电极2211的焊盘2213形成于inp半绝缘衬底10上；调制器单元221的n电极2212的焊盘2214形成于inp缓冲层20上。
36.激光器单元211和调制器单元221均为脊型波导结构，两个脊型波导结构同方向延伸，且宽度相同，一实施例中，脊型波导的宽度可以为10～12μm，激光器脊型波导结构的长度可以700～800μm，调制器段脊型波导结构的长度可以100～200μm。两个脊型波导结构之间形成一长度为100～150μm的电隔离区25。
37.在一实施例中，激光器单元211的n电极2112的焊盘2114和p电极2111的焊盘2113分别位于所述脊型波导结构相对的两侧，优选的，焊盘2114和焊盘2113对应于激光器单元211的两侧；所述调制器单元221的n电极2212的焊盘2214和p电极2211的焊盘2213分别位于所述脊型波导结构相对的两侧，焊盘2214和焊盘2213对应于调制器单元221的两侧。
38.一实施例中，第一二极管单元231和第二二极管单元241位于所述脊型波导结构的同一侧。优选的，所述激光器单元211的p电极2111的焊盘2113和所述调制器单元221的n电极2212的焊盘2214位于所述脊型波导结构的同一侧，所述偏置电压电路单元位于所述激光器单元的p电极的焊盘2113和所述调制器单元的n电极的焊盘2213之间。
39.偏置电压电路单元分别与所述激光器单元211和调制器单元221之间连接。具体地，把激光器单元211的p电极2111与焊盘2113的一端连接，第一二极管单元231的p极2311与焊盘2113的另一端连接，从而实现激光器单元211与第一二极管单元231之间连接；第二
二极管单元241设置于第一二极管单元231和调制器单元221之间，第一二极管单元231的n极2312连接于第二二极管单元241的p极2411，从而实现第一二极管单元231和第二二极管单元241之间的串联；所述第二二极管单元241的n极2412连接于所述调制器单元的p电极2211，从而实现第二二极管单元241和调制器单元之间的连接。
40.一优选实施例中，所述第一二极管单元231和第二二极管单元241采用单脊条形结构，两个单脊条形结构并列设置，且与激光器的脊形结构平行，第二二极管单元241设置于第一二极管单元231和激光器的脊形结构之间，以方便实现激光器单元211、第一二极管单元231、第二二极管单元241和调制器单元之间的依次电连接。
41.本案中，当给激光器芯片提供正常工作电流时，在两个串联的二极管的外电极之间将产生2.8v左右的电压降，这个电压降对调制器而言是反向偏置，在eml工作时不需要再对调制器提供偏置电压，大大简化eml芯片的封装和使用。
42.如图1至10所示，根据本发明优选实施方式的一种自带偏置电压电路的电调制激光器的制作方法，包括步骤：
43.步骤s1、参图1所示，提供一衬底10，在衬底10表面制作激光器段的选择生长图形，其中该图形为两条掩膜90，掩膜采用pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition)方法沉积在衬底10表面并通过光刻或rie工艺形成。
44.衬底10采用半绝缘衬底，优选为半绝缘inp衬底；掩膜90优选为sio2掩膜或si3n4掩膜。
45.两条掩膜90并列设置于衬底10的边缘位置，且与该边缘大致垂直，两条掩膜90长度相同，一实施例中，每个掩膜40的长度为400～500μm，宽度在10～50μm，厚度为100～400nm，两个掩膜40之间的间隙在20～40μm之间。
46.步骤s2、参图2所示，利用mocvd技术，一次外延，在带有上述掩膜条图形的inp衬底10上依次生长n
‑
inp缓冲层20和外延结构，外延结构包括依次生长于缓冲层20上的多量子阱结构30和p
‑
inp层40。
47.参图3所示，缓冲层20的表面定义有激光器生长区21、调制器生长区22、第一二极管生长区23和第二二极管生长区24。其中，激光器生长区21定义在两个掩膜40之间，调制器生长区22在激光器生长区21的延伸线上。
48.由于外延材料在掩膜90上不生长，在横向上形成了反应物的浓度梯度，因此位于激光器生长区21的量子阱的厚度要比其它区域的量子阱层厚度要厚，结果使激光器生长区21内量子阱波长比其它区域的量子阱波长要长一些。
49.步骤s3、外延结构生长完成后，把上述结构表面的sio2掩膜用boe溶液腐蚀干净，并用去离子水冲洗，再用氮气吹干。
50.步骤s4、参图4所示，在激光器生长区制作光栅结构50。
51.在激光器生长区部分用e
‑
beam writer技术或全息照相技术制备周期性结构(光栅)，周期满足如下公式：
52.2*n*d＝λ
53.其中，n为制作光栅材料的折射率，d为光栅的周期，λ为激光器的波长。利用icp刻蚀inp后，对外延结构进行去胶、去离子水清洗、氮气吹干。
54.步骤s5、参图5所示，把具有周期结构的外延片放进mocvd，进行二次外延，即依次
外延生长覆盖层p型inp层60和p ingaas欧姆接触层70。
55.步骤s6、参图6所示，利用光刻、icp技术由p ingaas欧姆接触层70向下刻蚀至缓冲层20表面或缓冲层20的一定深度，仅保留激光器生长区21的外延结构211、调制器生长区22的外延结构221、第一二极管生长区23的外延结构231和第二二极管生长区24的外延结构241，同时暂时保留激光器生长区21和调制器生长区22之间的外延结构，其他区域之外的外延结构均去除。
56.步骤s7、参图7所示，利用光刻和icp技术，刻蚀激光器生长区21和调制器生长区22之间的电隔离区25，由p ingaas欧姆接触层37向下刻蚀至衬底10表面或衬底10的一定深度。
57.利用光刻和icp技术，在激光器生长区21对应的一侧刻蚀缓冲层20至衬底10表面或衬底10的一定深度，获得激光器焊盘区域12。
58.利用光刻和icp技术，在调制器生长区22对应的一侧刻蚀缓冲层20至衬底10表面或衬底10的一定深度，获得调制器焊盘区域13。
59.利用光刻和icp技术，在第一二极管生长区23和第二二极管生长区24的四周分别刻蚀缓冲层20至衬底10表面或衬底10的一定深度，获得环形的电极制作区域14。
60.步骤s8、参图8所示，利用光刻剥离工艺和金属蒸镀等工艺，在外延结构的p ingaas欧姆接触层37上分别制作激光器单元211、调制器单元221、第一二极管单元231和第二二极管单元241的p电极2111、2211、2311和2411。
61.步骤s9、参图9所示，对步骤s8获得的外延片进行钝化膜沉积，用光刻和rie工艺打开激光器、调制器、第一二极管和第二二极管的n欧姆接触区域，并分别蒸镀激光器、调制器、第一二极管和第二二极管的n型欧姆接触2112、2212、2312和2412。
62.步骤s10、参图10所示，利用pi或bcb工艺、光刻工艺和sputter工艺，使得激光器单元、调制器单元、第一二极管单元和第二二极管单元之间连接，同时在n型欧姆接触2112、2212区域分别蒸镀金属焊盘2114和2214，在衬底10的裸露区蒸镀金属焊盘2113和2213，其中，焊盘2113作为激光器的p焊盘并与激光器的p电极连接，焊盘2213作为调制器的p焊盘并与调制器的p电极连接。
63.具体地，把激光器单元211的p电极2111与焊盘2113的一端电性连接，第一二极管单元231的p极2311与焊盘2113的另一端电性连接；第一二极管单元231的n极2312连接于第二二极管单元241的p极2411；所述第二二极管单元241的n极2412连接于所述调制器单元的p电极2211，调制器单元的p电极2211与焊盘2213连接。
64.最后，对外延片减薄、抛光、镀背金、解理和镀ar及hr膜。至此，自带偏置电压电路eml芯片的制作工艺全部完成。
65.当给激光器芯片提供正常工作电流时，在两个串联的二极管的外电极之间将产生2.8v左右的电压降，这个电压降对调制器而言是反向偏置，在eml工作时不需要再对调制器提供偏置电压，大大简化eml芯片的封装和使用。
66.需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
67.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
68.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件、厚度等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
69.再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
70.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
71.应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
72.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。