一种电吸收调制激光器及其制造方法与流程

本发明涉及一种光通信芯片领域，尤其涉及一种自对准混合波导结构的电吸收调制激光器及其制造方法。

背景技术：

1、近年来，伴随着5g基建、数据中心以及ai大模型等应用场景的飞速发展，大数据时代对单波通信速率的需求不断提升，这促进了包括垂直腔面发射激光器(vertical cavitysurface emitting laser，vcsel)、分布式反馈半导体激光器(distributed feedbacklaser，dfb)、电吸收调制激光器(electro-absorption modulated laser，eml)等多种类型高速半导体激光器的演进发展。其中eml激光器具有结构紧凑、低频率啁啾、高调制带宽、可实现信号高速率长距离传输等特点，在光通信不同领域都拥有广阔应用前景。

2、掩埋异质结构(buried-heterostructure，bh)、脊波导结构(ridge)是eml激光器普遍采用的两种结构。bh结构具有较大的侧向材料折射率差，能够形成强的折射率导引，从而可以对载流子和光场进行更好的限制，同时它具有更好的散热特性，因此bh结构激光器具有低的阈值电流、稳定的基横模工作、对称的远场发散角以及良好的温度特性等优点。然而，bh结构需要进行多次外延生长，制作工艺相对复杂。

3、此外，bh结构波导两侧通常为inp等高介电常数的半导体材料，从而导致较大的寄生电容。ridge结构的制造工艺比较简单，根据应用特点可以选用ingaasp或者inalgaas等不同材料体系，同时ridge波导两侧为空气介质从而具有更低的寄生电容有利于更高调制速率，更适合作为eam调制器的结构。然而，ridge作为dfb激光器结构却对载流子与光场限制作用相对较弱，导致阈值电流偏大。

4、图1a是一种的eml激光器芯片俯视平面图，图1b为图1a沿波导方向aa｀位置处的剖面图。图2为图1a中dfb/eam分别沿bb｀/cc｀位置的剖面图，dfb与eam两者均可以为图2a所示的bh结构，或者为图2b所示的ridge结构。eml激光器中dfb部分工作时产生单模连续波光输出，eam部分则对dfb的光输出进行高速调制。当前主流方案中eml激光器的dfb与eam两部分均采用相同结构(bh结构或者ridge结构)，不能根据各自特点选用最佳波导设计，这就限制了eml芯片整体性能的进一步提升。

技术实现思路

1、本发明提出了一种激光器芯片及其制造方法，旨在解决现有技术中存在的上述问题。

2、一方面，本发明提供一种激光器芯片的制造方法：在衬底上，步骤1，生长dfb外延层；步骤2，在dfb区域制备dfb光栅，并进行光栅掩埋生长；步骤3，刻蚀dfb以外的区域；步骤4，生长eam外延层；步骤5，沉积第一介质膜，制备mesa波导图案；步骤6，制备mesa波导台面；步骤7，沉积第二介质膜；步骤8，去除dfb区域较快腐蚀速率的介质膜；步骤9，在dfb区域波导台面两侧生长电流阻挡掩埋层；步骤10，欠曝光光刻和eam台面顶部介质膜刻蚀；步骤11，生长波导上覆盖层与接触层。

3、在一些实施例中，在步骤2中，利用电子束或全息曝光工艺，制备dfb光栅，并进行光栅掩埋以平坦化光栅区域。

4、在一些实施例中，在步骤3中，通过介质膜覆盖保护dfb区域，再对dfb区域以外的区域进行刻蚀。

5、在一些实施例中，在步骤4中，在被刻蚀的所述dfb区域以外的区域生长eam外延层，再采用外延对接技术将所述dfb外延层与所述eam外延层连接。

6、在一些实施例中，在步骤5中，先在外延片表面沉积一层第一介质膜，然后通过光刻工艺制备出dfb区域与eam区域的mesa波导图案，并将图案转移到所述介质膜层。

7、在一些实施例中，在步骤6中，在dfb与eam区域制备mesa波导台面，所述波导台面具有不同宽度。

8、在一些实施例中，在步骤7中，沉积一层第二介质膜，沉积的所述第二介质膜具有更快的腐蚀速率。

9、在一些实施例中，在步骤7中，在沉积一层所述第二介质膜之前，保留dfb与eam区域的所述波导台面表面的第一介质膜，在波导底部与波导两侧处沉积一层第二介质膜，使得光波导侧壁中露出的量子阱被所述第二介质膜包覆钝化。

10、在一些实施例中，在步骤8中，dfb区域仅保留所述波导台面顶部的第一介质膜，eam区域保留所有介质膜。

11、在一些实施例中，在步骤9中，p-n blocking阻挡掩埋层的p型掩埋层掺杂元素为zn掺杂、或mg掺杂、或者p-n blocking阻挡掩埋层采用p-n-si掩埋结构、或者p-n blocking阻挡掩埋层在p-n blocking与光波导侧壁之间插入扩散阻挡层。

12、在一些实施例中，在步骤9中，si blocking阻挡掩埋层的掺杂元素为fe掺杂、或ru掺杂、或者fe/zn共掺杂、或者在si blocking阻挡掩埋层与光波导侧壁之间插入宽禁带层、或者控制光波导顶部两侧的掩埋层形貌以实现更窄的空穴注入通道。

13、在一些实施例中，在步骤10中，利用所述欠曝光光刻工艺，控制合理的曝光剂量与曝光时间，使得eam区域波导台面顶部被完全曝光，而eam区域波导台面两侧的光刻胶则未被充分曝光，eam区域仅去除波导台面顶部的光刻胶，再去除无光刻胶覆盖区域的所有介质膜，随后再去除dfb区域台面顶部介质膜。

14、在一些实施例中，在步骤11中，波导上覆盖层与接触层沉积在所述dfb区域的所有区域，但仅沉积在所述eam区域的波导台面顶部。

15、另一方面，本发明还提供一种电吸收调制激光器芯片，所述激光器芯片包括dfb区域、eam区域；所述dfb区域为cmbh(capped mesa buried heterostructure,覆盖台面掩埋)波导结构，所述cmbh波导两侧采用p-n blocking或者半绝缘si blocking电流阻挡层；所述eam区域为ridge脊形波导结构，所述eam区域ridge脊形波导通过mesa波导台面、自对准外延生长ridge得到完整的波导结构。

16、在一些实施例中，所述cmbh波导两侧采用薄半绝缘si层包覆钝化。

17、在一些实施例中，所述ridge脊形波导两侧采用薄半绝缘si层包覆钝化。

18、在一些实施例中，所述eam区域的波导刻蚀穿过所有eam有源层材料。

19、在一些实施例中，所述eam区域的波导刻蚀停留在有源层上方。

20、在一些实施例中，波导上覆盖层与接触层沉积在所述dfb区域的所有区域，但仅沉积在所述eam区域的波导台面顶部。

21、在一些实施例中，所述dfb区域与所述eam区域波导类型不同，所述dfb区为cmbh结构，所述eam区为自生长形成的深ridge波导，并且在dfb区域与eam区域波导台面具有不同宽度。

22、本发明提供一种自对准混合波导结构电吸收调制激光器及其制造方法，使dfb区域与eam区域分别具有bh结构与深刻蚀ridge结构的波导，基于该混合波导结构电吸收调制激光器一体成型，解决了混合波导的对准问题。本发明制造工艺简单稳定，可以提升eml激光器的整体性能，实现更高带宽、更宽工作温度以及更高良率等，同时能够有效降低激光器的制造成本。

23、本发明中dfb区域采用p-n blocking或者半绝缘si blocking电流阻挡层的cmbh结构使得其具有更好的电隔离特性与宽温工作特性，eam区域采用深刻蚀波导的ridge结构使得其具有更低的寄生电容与更好的高频特性，dfb区域与eam区域采用上述结构从而使eml激光器具有更好的综合性能。另外，本发明中的两种波导结构一体成型，避免了混合波导结构通常涉及到的套刻偏差问题，不需要借助高精度光刻对准设备就能够实现完美的自对准，从而节约了昂贵设备投入，同时能够提升芯片制造良率。

24、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。