[發(fā)明專利]GaN/AlN耦合量子阱子帶間躍遷條形波導(dǎo)電光調(diào)制器及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210205531.5
• 申請(qǐng)日: 2012-06-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102749726A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高福斌;高放;杜國(guó)同;殷景志;馬艷;吳國(guó)光;李萬(wàn)程
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G02F1/017
• 分類號(hào): G02F1/017
• 代理公司: 長(zhǎng)春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改進(jìn)的基于GaN/AlN耦合量子阱子帶間躍遷吸收的近紅外通信波段條形波導(dǎo)電光調(diào)制器及其制備方法。

背景技術(shù)

Ⅲ族氮化物耦合量子阱子帶間躍遷具有極短吸收恢復(fù)時(shí)間(140-400fs)，基于GaN/AlN耦合量子阱子帶間躍遷的電光調(diào)制器件可望實(shí)現(xiàn)0.1-1Tbit/s的光調(diào)制，其在超高速光通信網(wǎng)絡(luò)中有明確的應(yīng)用前景。

關(guān)于III族氮化物基于光通信波段子帶間躍遷的電吸收調(diào)制研究近年來(lái)已有報(bào)道。2007年，L.Nevou等人報(bào)道了基于GaN/AlN耦合量子阱之間電子隧穿的波長(zhǎng)覆蓋光通信波段的子帶間電吸收調(diào)制[Appl.Phys.Lett.90,223511(2007)]，器件采用藍(lán)寶石襯底、PAMBE技術(shù)和臺(tái)面平面電極結(jié)構(gòu)，在λ＝2.2μm處最大調(diào)制深度約為44%，對(duì)于700×700μm²臺(tái)面，-3dB截止頻率（受到RC時(shí)間常數(shù)限制）為11.5MHz。2008年，N.Kheirodin等人報(bào)道了基于GaN-AlN耦合量子阱的電光調(diào)制器[IEEE?Photonics?Technol.Lett.20,724(2008)]，工作于1.37μm光通信波段，器件仍然采用藍(lán)寶石襯底、PAMBE技術(shù)和臺(tái)面平面電極結(jié)構(gòu)，對(duì)于50×50μm²臺(tái)面，在λ=2.3μm處最大調(diào)制深度約為79%，在λ＝1.37μm處調(diào)制深度僅為0.18%。2009年，H.Machhadani等人提出了一種寬條形波導(dǎo)子帶間吸收電光調(diào)制器[New?Journal?of?Physics?11(2009)125023(16pp)]，器件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，器件由絕緣藍(lán)寶石襯底101、AlN緩沖層102、AlGaN下包層103、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波導(dǎo)芯層104、AlGaN上包層105、底金屬電極106和頂金屬電極107構(gòu)成。器件各外延層102、103、104、105采用等離子體增強(qiáng)分子束外延（PA-MBE）技術(shù)生長(zhǎng)，制備工藝步驟如下：

①器件采用絕緣藍(lán)寶石（Al₂O₃）101為襯底，在其上生長(zhǎng)一層AlN緩沖層102；

②在緩沖層102上生長(zhǎng)AlGaN下包層103；

③在下包層103生長(zhǎng)GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波導(dǎo)芯層104；

④在超晶格波導(dǎo)芯層104上生長(zhǎng)AlGaN上包層105，外延層生長(zhǎng)完畢；

⑤采用感應(yīng)耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕（ICP-RIE）工藝制備出50μm寬條形光波導(dǎo)（103，104，105）；

⑥在條形波導(dǎo)兩側(cè)裸露的下包層103表面沉積金屬層制備出底電極106；

⑦在上包層105上靠一側(cè)邊緣部分表面制備金屬頂電極，完成器件結(jié)構(gòu)制備。

上述器件結(jié)構(gòu)存在如下缺點(diǎn)：

①50微米寬的條形波導(dǎo)對(duì)導(dǎo)波光橫向限制作用微弱，實(shí)際等價(jià)于平板波導(dǎo)；

②器件采用藍(lán)寶石為襯底，由于藍(lán)寶石（Al₂O₃）與GaN晶格失配高達(dá)16%，在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)GaN/AlN量子阱超晶格容易出現(xiàn)裂紋，結(jié)晶質(zhì)量不高，直接影響了器件的性能；

③由于藍(lán)寶石襯底絕緣，導(dǎo)致器件不得不采用共面電極結(jié)構(gòu)（106，107）。共面電極結(jié)構(gòu)不能形成嚴(yán)格垂直于量子阱超晶格平面的電場(chǎng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)電子隧道貫穿不利；另外，共面電極結(jié)構(gòu)分布電容較大，不利于實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制；

④由于頂電極局部覆蓋寬條波導(dǎo)，導(dǎo)致電場(chǎng)—光場(chǎng)重疊因子變小，因此電光調(diào)制效率降低；

⑤采用刻蝕方法制備的條形波導(dǎo)兩側(cè)表面粗糙，導(dǎo)致波導(dǎo)傳播損耗增大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是通過(guò)改進(jìn)外延生長(zhǎng)工藝方法，在外延生長(zhǎng)過(guò)程中直接形成側(cè)面及上下表面均為結(jié)晶平面的脊形條波導(dǎo)，簡(jiǎn)化工藝步驟，降低波導(dǎo)傳播損耗；通過(guò)采用上下調(diào)制電極結(jié)構(gòu)，提高電光調(diào)制效率；通過(guò)優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)單橫模傳輸；通過(guò)優(yōu)化調(diào)制電極結(jié)構(gòu)尺寸，降低分布電容，提高調(diào)制速率，從而提供一種基于GaN/AlN耦合量子阱子帶間躍遷吸收的近紅外通信波段條形波導(dǎo)電光調(diào)制器及其制備方法。