[发明专利]一种硅衬底氮化物多量子阱同质集成的电光调制器及制备方法

说明书

一种硅衬底氮化物多量子阱同质集成的电光调制器及制备方法，实现载体为带有多量子阱结构的硅衬底氮化物晶片，带有多量子阱结构的硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于其上方的包含多量子阱结构的氮化物外延层，氮化物外延层上设置有作为单波长光源、带有布拉格反射镜的波导型电光调制模块及光电探测器。本发明在悬空薄膜结构上实现了光源、电光调制模块和光电探测器的集成，在同质集成的电光调制器内可见光传输损耗和传输泄露低，能够对光信号进行高自由度和高响应速度的操控和调制。应用于光通信网络中，有利于提升可见光通信技术在信息传输速率、信息处理速度和终端器件集成度等多方面的性能指标。

技术领域

本发明属于信息材料与器件技术领域，具体涉及一种硅衬底氮化物多量子阱同质集成的电光调制器及制备方法。

背景技术

可见光通信是一种利用LED输出光功率和驱动电流的高速响应特性，以可见光作为信息载体，实现高速数据通信功能的光无线通信技术。与传统通信方式相比可见光通信技术发射频率高，能耗极低，安全性高，保密性好，能快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。高速电光调制器作为可见光通信操控与调制可见光信号强度的关键器件之一，具有广阔的应用空间。

由于多量子阱材料具有量子限制斯塔克效应，在高强度电场作用下，量子阱中电子、空穴波函数的空间分布和交叠状况发生改变，导致带间跃迁的能量及概率改变，其对固定波长光子的吸收率会出现大幅变化，在高电场作用下的多量子阱材料体现出明显的电光调制特性。故可利用这一效应对可见光信号进行操控和调制。但以往的硅衬底氮化物晶片通常包含硅衬底和较厚的外延层。在此情况下进行电光调制器设计时，以多量子阱结构为基础设计的微LED中产生的出射光仅有一部分可以被耦合进入波导型电光调制器模块受到电光调制，剩余可见光信号会泄漏进入多量子阱结构下方较厚的氮化物外延层和硅衬底，使得电光调制效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种硅衬底氮化物多量子阱同质集成的电光调制器及制备方法，在悬空薄膜结构上实现了光源、电光调制模块和光电探测器的集成，在同质集成的电光调制器内可见光传输损耗和传输泄露低，能够对光信号进行高自由度和高响应速度的操控和调制。

本发明提供一种硅衬底氮化物多量子阱同质集成的电光调制器，以带有多量子阱结构的硅衬底氮化物晶片为载体，包括硅衬底层（1）、包含多量子阱（8）的顶层氮化物外延层以及设置于顶层氮化物外延层中的单波长光源（10）、电光调制器（11）和光电探测模块（12）；电光调制器（11）的两端分别通过平面波导（13）与单波长光源（10）和光电探测模块（12）相连，电光调制器（11）下方的衬底层（1）被掏空，顶层氮化物外延层减薄，构成悬空氮化物薄膜；悬空氮化物薄膜下方设有布拉格反射镜（9）。

作为本发明的进一步技术方案，顶层氮化物外延层包括氮化铝缓冲层（2），N型氮化镓层（3），多量子阱（8）和P型氮化镓层（7），氮化铝缓冲层（2）位于N型氮化镓层（3）和衬底层（1）之间。

进一步的，N型氮化镓层（3）上设有表面铺设有P型氮化镓层（7）的多量子阱（8），P型氮化镓层（7）表面与多量子阱（8）两侧设置二氧化硅隔离层（5），二氧化硅隔离层（5）上设有正电极（6）。

进一步的，单波长光源微LED器件（10）、电光调制器（11）和光电探测模块（12）均设有负电极和正电极，单波长光源（10）的负电极（4）和正电极（6）与顶层氮化物外延层间为欧姆接触，电光调制模块和光电探测器的负电极和正电极与顶层氮化物外延层间为肖特基接触。

进一步的，单波长光源（10）的负电极（4）和正电极（6）为镍/金复合金属层，电光调制模块和光电探测器的负电极和正电极均为铂/金复合金属层。

进一步的，布拉格反射镜（9）为AlN/GaN介质膜分布式布拉格反射镜，包含9对AlN/GaN，反射中心波长为450nm。