[发明专利]偏振可控光电子器件的制备方法

说明书

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种偏振可控光电子器件的制备方法。

偏振可控的半导体光电子器件涉及如下内容：按材料来分包括铟磷、铟镓砷以及铟镓砷磷为代表的铟磷系材料；按波长来分包括1.3μm-1.63μm；按应变来分包括张应变、压应变以及晶格匹配；按器件功能来分包括发光管、激光器、放大器、探测器和调制器；按生长方式来分包括有机金属化学气相沉积(MOCVD)、气相分子束外延(GSMBE)或化学束外延(CBE)。

随着大容量信息的传输、交换和接收的迫切需求，以光电子为信息载体的光网络正在逐步兴起和发展，对发射、接收、放大和调制光的光电子器件的要求也逐步加强。偏振性是光电子的重要本征特性之一，但是由于光电子器件中材料增益与电流相关，而非对称的波导结构与电流无关的特性，使得实现偏振可控的光电子器件成为一大难题。特别是对于被动的光电子器件，如半导体光学放大器(SOA)、探测器和调制器，偏振不灵敏是主要性能指标之一，尤其当这些器件用于DWDM(密集波分复用)、OADM(光学上下路复用)等系统时，更加要求其能够在大的波长范围内可以获得偏振不灵敏。迄今为止，设计SOA偏振不灵敏的方法包括：

1)厚有源区结构：该种结构采用厚体材料有源区、短腔长可以非常有效地实现偏振不灵敏，但是由于其有源区体积大，因而操作电流大，热耗散太大，器件的工作可靠性差，且能耗也大。不能成为全光网中的理想部件。

2)几个器件的串并联：该种方式采用部件组装实现偏振不灵敏，但几个器件串并联过程中，他们之间的自对准比较困难，并且对器件本身结构并无任何改进。

3)应变量子阱有源层：由于应变量子阱具有小的阶梯形态密度，因而可获得低的透明载流子密度，高的微分量子效率以及低的噪声因子和高的饱和输出。特别是压应变材料的导入可改善半导体激光器的性能。但压应变导致TE模增益增大(TE模指电矢量平行于结平面的偏振光)。为了增大TM模增益(TM模指磁矢量平行于结平面的偏振光)，就要尽量实现电子与轻空穴之间的复合跃迁，为此，张应变量子阱是一种有效的方法。但是，使用张应变很难实现1.5μm附近的增益材料。为此，要获得偏振不灵敏光学放大器通常采用以下材料及结构的量子阱有源层：(1)压应变和张应变的交叉混合型量子阱材料；(2)低张应变量量子阱材料；(3)与铟磷(InP)晶格匹配的量子阱材料伴有张应变的势垒的结构；(4)无耦合阱、垒之间的应变补偿；(5)耦合量子阱和互扩散量子阱。尽管这些方法通过优化设计可以在某一点获得极佳的偏振不灵敏，但是由于轻重空穴在平行和垂直于生长方向的有效质量区别较大，使得它们对注入电流的响应程度不同，而且，量子阱的偏振性质随外加注入电流不断改变，但是，其波导几何结构的偏振性却与注入电流无关，这种材料增益和光场限制因子变化的不一致性使得模式增益很难在大范围内获得偏振不灵敏。因而很难通过量子阱结构获得大工作电流范围内的偏振不灵敏。此外，对于第五种采用量子阱的方法，无论理论设计和材料生长都比较困难。

4)近四方体的材料有源区结构：这是近年来兴起的制备光开关半导体光学放大器(SOA)的一种普遍采用的方法。其一，采用无应变体材料。为了实现偏振不灵敏，分别利用刻蚀技术和选择生长技术实现窄的条宽，其条宽＜0.5μm，尽管这样可获得较为优良的SOA性能，但是对于窄条宽，利用刻蚀技术存在条宽容差小，技术要求苛刻；同时还存在与其它器件的集成或耦合的困难；而利用选择外延技术，尽管可以通过生长可均匀地实现窄条宽，同时也可一步实现与相关器件的集成，但存在窄条宽选择生长的困难。特别是为了减轻镀膜的负担，需要采用斜角窗口结构，或为了提高器件的消光比，需要采用弯曲波导结构，而达到这些要求，需要在(110)方向和非(110)方向同时生长，由于窄条宽选择生长的各向异性，不易得到各个方向生长的平整界面。即该种方法对材料的生长技术要求苛刻。实现比较困难。其二，采用应变体材料。尽管对SOA的条宽要求有所放宽(大约1μm)，但是对于应变体材料，生长厚度受到其临界厚度的限制，生长高质量的张应变厚体材料(＞0.1μm)，本身对生长技术的要求很苛刻。