[发明专利]GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁条形波导电光调制器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种改进的基于GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁吸收的近红外通信波段条形波导电光调制器及其制备方法。

背景技术

Ⅲ族氮化物耦合量子阱子带间跃迁具有极短吸收恢复时间(140-400fs)，基于GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁的电光调制器件可望实现0.1-1Tbit/s的光调制，其在超高速光通信网络中有明确的应用前景。

关于III族氮化物基于光通信波段子带间跃迁的电吸收调制研究近年来已有报道。2007年，L.Nevou等人报道了基于GaN/AlN耦合量子阱之间电子隧穿的波长覆盖光通信波段的子带间电吸收调制[Appl.Phys.Lett.90,223511(2007)]，器件采用蓝宝石衬底、PAMBE技术和台面平面电极结构，在λ＝2.2μm处最大调制深度约为44%，对于700×700μm²台面，-3dB截止频率（受到RC时间常数限制）为11.5MHz。2008年，N.Kheirodin等人报道了基于GaN-AlN耦合量子阱的电光调制器[IEEE Photonics Technol.Lett.20,724(2008)]，工作于1.37μm光通信波段，器件仍然采用蓝宝石衬底、PAMBE技术和台面平面电极结构，对于50×50μm²台面，在λ=2.3μm处最大调制深度约为79%，在λ＝1.37μm处调制深度仅为0.18%。2009年，H.Machhadani等人提出了一种宽条形波导子带间吸收电光调制器[New Journal of Physics 11(2009)125023(16pp)]，器件结构见图1，器件由绝缘蓝宝石衬底101、AlN缓冲层102、AlGaN下包层103、GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层104、AlGaN上包层105、底金属电极106和顶金属电极107构成。器件各外延层102、103、104、105采用等离子体增强分子束外延（PA-MBE）技术生长，制备工艺步骤如下：

①器件采用绝缘蓝宝石（Al₂O₃）101为衬底，在其上生长一层AlN缓冲层102；

②在缓冲层102上生长AlGaN下包层103；

③在下包层103生长GaN/AlN耦合量子阱周期超晶格波导芯层104；

④在超晶格波导芯层104上生长AlGaN上包层105，外延层生长完毕；

⑤采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）工艺制备出50μm宽条形光波导（103，104，105）；

⑥在条形波导两侧裸露的下包层103表面沉积金属层制备出底电极106；

⑦在上包层105上靠一侧边缘部分表面制备金属顶电极，完成器件结构制备。

上述器件结构存在如下缺点：

①50微米宽的条形波导对导波光横向限制作用微弱，实际等价于平板波导；

②器件采用蓝宝石为衬底，由于蓝宝石（Al₂O₃）与GaN晶格失配高达16%，在蓝宝石上生长GaN/AlN量子阱超晶格容易出现裂纹，结晶质量不高，直接影响了器件的性能；

③由于蓝宝石衬底绝缘，导致器件不得不采用共面电极结构（106，107）。共面电极结构不能形成严格垂直于量子阱超晶格平面的电场，对实现电子隧道贯穿不利；另外，共面电极结构分布电容较大，不利于实现高速调制；

④由于顶电极局部覆盖宽条波导，导致电场—光场重叠因子变小，因此电光调制效率降低；

⑤采用刻蚀方法制备的条形波导两侧表面粗糙，导致波导传播损耗增大。

发明内容

本发明的目的是通过改进外延生长工艺方法，在外延生长过程中直接形成侧面及上下表面均为结晶平面的脊形条波导，简化工艺步骤，降低波导传播损耗；通过采用上下调制电极结构，提高电光调制效率；通过优化波导结构尺寸，实现单横模传输；通过优化调制电极结构尺寸，降低分布电容，提高调制速率，从而提供一种基于GaN/AlN耦合量子阱子带间跃迁吸收的近红外通信波段条形波导电光调制器及其制备方法。