CN100416951C

CN100416951C - 一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法

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Publication number: CN100416951C
Application number: CNB2004100098595A
Authority: CN
Inventors: 赵谦; 潘教清; 周帆; 王宝军; 王圩
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: CN1780076A

Abstract

本发明一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，涉及半导体技术，是一种产生超短光脉冲的多量子阱半导体分布反馈激光器与级联双电吸收调制器的单片集成器件的制作工艺。该方法包括：a)将多量子阱半导体分布反馈激光器与级联双电吸收调制器在同一磷化铟衬底上进行单片集成；b)采用选择区域生长法一次外延生长出铟镓砷磷集成器件多量子阱有源区；c)在集成器件的末级套刻出光窗口，在随后的接触层外延生长中，将在出光窗口处填埋磷化铟；d)采用双台阶梯脊波导结构；e)采用厚层负光敏性聚酰亚胺电极电层深坑填埋、固化。本发明集成器件可作为超短光脉冲光源用于光时分复用(OTDM)和光孤子通信系统。

Description

一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，是关于一种产生超短光脉冲的多量子阱半导体分布反馈激光器(DFB)与级联双电吸收调制器(EAM)的单片集成器件的制作工艺。

背景技术：

超高速、大容量光纤通信是近年来光通信研究的主要方向。光孤子传输利用光纤非线性效应克服色散效应，提高了传输速率，并延长了无再生传输距离；同时，光时分复用(OTDM)和光波分复用(WDM)的结合可有效提高光波分复用(WDM)单频道码率，可望作为未来超高速光通信网的支撑技术。高重复率频率变换极限超短光脉冲源是实现光孤子通信和光时分复用(OTDM)、OTDM/WDM光通信的核心器件，也是其他关键技术研究必不可少的基础。采用多量子阱半导体分布反馈激光器/级联双电吸收调制器(DFB/EAM)的组合方式产生超短光脉冲具有单一频率正弦信号驱动，可有效降低光放大系统自发辐射噪音积累效应，并且输出的时域波形接近孤子脉冲波形(sech²)，可实现单一集成，结构紧凑，工作电压低等优点，近年来得到了广泛关注。

发明内容

本发明的目的是提出了多量子阱半导体分布反馈激光器/级联双电吸收调制器(DFB/EAM)单片集成的制作工艺，特别是关于降低电容，提高出光功率、提高调制速率的方法和具体的工艺步骤。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，将分布反馈激光器与级联双电吸收调制器进行单片集成，其包括：

(1)在n型磷化铟衬底上大面积外延n型磷化铟缓冲层；

(2)在n型磷化铟缓冲层上生长二氧化硅，并光刻出选择区域生长掩蔽图形结构；

(3)采用选择区域生长法外延生长出集成器件的下波导层、多量子阱有源区和上波导层；

(4)采用干法和湿法刻蚀相结合制备一级布拉格光栅；

(5)套刻出末级电吸收调制器的磷化铟出光窗口；

(6)二次外延生长光限制层和电接触层；

(7)套刻出双台阶梯脊波导结构和电隔离深沟；

(8)氦离子选区注入电隔离深沟；

(9)负光敏性聚酰亚胺填埋深坑、固化，形成聚酰亚胺电极电层；

(10)光刻电极窗口图形，形成电极条、高频电极；

(11)溅射钛/铂/金合金，带胶剥离形成p面电极图形；

(12)背面减薄，蒸发金/锗/镍合金，形成n面电极。

所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其所述集成器件多量子阱有源区，是采用选择区域生长法，材料为铟镓砷磷四元半导体化合物，阱层厚≤8nm，波长为1.55～1.58μm，垒层厚≤15nm，波长为1.18~1.22μm，多量子阱共5~10个周期。

所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其所述集成器件多量子阱有源区的分布反馈激光器区光荧光谱峰值波长为1.56μm，电吸收调制区的激子吸收区光荧光谱峰值波长为1.50μm。

所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其所述套刻出光窗口，是向下刻蚀到磷化铟缓冲层，宽度为20～40μm，在下一步的光限制层和电接触层外延中，出光窗口处将填埋磷化铟，这样可以减小出光端面反射。

所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其所述套刻出双台阶梯脊波导结构，第一步先刻制出第一级脊台阶，向下刻制到磷化铟光限制层，宽度为3～5μm；接着，套刻出第二级脊台阶，向下刻制到磷化铟缓冲层，宽度为10～20μm。

所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其所述负光敏性聚酰亚胺电极电层填埋、固化，是在二氧化硅介质膜上套刻出填埋聚酰亚胺的深坑，将负性聚酰亚胺大面积甩涂在外延片表面，然后曝光、显影去掉深坑区以外区域的聚酰亚胺，形成厚为2～6μm的聚酰亚胺电极电层，继而，在高纯度氮气氛围中进行退火，使聚酰亚胺固化。

本发明采用选择区域生长(SAG)法一次外延生长出集成器件的多量子阱有源区，简化了工艺，降低了成本；将区域生长(SAG)掩蔽图形结构延伸到电隔离区，保证了外延材料质量的均匀性；采用了双台阶梯脊波导结构，减小了脊波导电极条宽，进一步降低有源区p-n结电容；采用深坑填埋技术，在高频电极下淀积较厚的负光敏性聚酰亚胺(Polyimide)电极电层，减小了电极寄生电容。本发明集成器件可作为超短光脉冲光源用于光时分复用(OTDM)和光孤子通信系统。

附图说明

图1本发明方法中在磷化铟衬底上外延磷化铟缓冲层后的结构示意图；

图2本发明方法中光刻出选择区域生长掩蔽图形结构后的结构示意图；

图3本发明方法中选择区域外延生长下波导层、集成器件的多量子阱有源区，上波导层后的结构示意图；

图4本发明方法中刻制一级布拉格光栅后的结构示意图；

图5本发明方法中刻制出电吸收调制器出光窗口，并去掉选择区域生长掩蔽图形结构后的结构示意图；

图6本发明方法中外延光限制层、电接触层后的结构示意图；

图7本发明方法中套刻出双台阶梯脊波导结构、电隔离深沟后的结构示意图；

图8本发明方法中淀积聚酰亚胺电极电层后的结构示意图；

图9本发明方法中带胶剥离出电极图形后的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的内容，下面结合附图对本发明作详细的描述，其中，本发明集成器件的具体制作过程如下所述：

1.在清洗干净的n-InP衬底1上外延生长n型磷化铟(InP)缓冲层2，各层的具体结构如图1所示。缓冲层为磷化铟(InP)材料，厚度为1～2微米，掺杂元素为硅(Si)，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；

2.在外延片表面热氧化淀积一层厚度为0.2～0.3μm的SiO₂掩蔽层，然后，掩膜光刻出如图2所示的区域生长(SAG)掩蔽图形结构3。本发明采用掩蔽图形的两端逐渐变小的尖细结构，宽度变化区域延伸至电隔离区，可保证区域生长(SAG)区的外延材料质量均匀一致；

3.试片经过严格清洗处理后，采用选择区域生长(SAG)法外延出下波导层4，集成器件的多量子阱有源区5和上波导层6，各层的生长结构如图3所示。DFB区有源层、级联双EAM的激子吸收区为压应变本征铟镓砷磷(InGaAsP)多量子阱结构，阱层≤8nm，波长为1.55～1.58μm，垒层厚≤15nm，波长为1.18~1.22μm，共5~10个周期。该多量子阱的DFB区光荧光谱(PL谱)峰值波长为1.56μm，EAM的激子吸收区PL谱峰值波长为1.50μm。上波导6和下波导层4均为本征铟镓砷磷(InGaAsP)材料，0.05～0.1μm厚，带隙波长在1.1-1.2μm。对比叠层生长法、对接生长法，本发明所用的选择区域生长(SAG)法具有显著的优点：只需一次外延生长，大大降低了成本，简化了工艺；保证了各个器件间不至于因对接不准，引起光场泄漏和损耗；还降低了阈值电流；

4.采用全息曝光、干法和湿法刻蚀相结合，在上波导层6刻制一级布拉格(Bragg)光栅7，周期为240nm，刻制出的布拉格(Bragg)光栅7如图4所示；

5.套刻出末级EAM的出光窗口8，并去掉SiO₂掩蔽图形结构3，光刻后的结构如图5所示。EAM出光窗口8向下刻蚀到下波导层4，宽度为20～40μm，本发明在出光端面增加出光窗口8，可大大减小端面反射，提高出光功率；

6.试片经过严格清洗处理后，二次外延生长光限制层9和电接触层10，各层的生长次序如图6所示。光限制层9为磷化铟(InP)材料，厚度为1～3μm，电接触层10为铟镓砷(InGaAs)材料，厚度0.1～0.5μm，p型掺杂，掺杂浓度为8×10¹⁸。同时，对出光窗口8处填埋磷化铟(InP)，这样可以减小出光端面反射。

7.套刻出双台阶梯脊波导结构11和电隔离深沟12，结构如图7所示。第一级脊台阶刻制到磷化铟(InP)光限制层9，宽度为3～5μm；第二级脊台阶刻制到磷化铟(InP)缓冲层2，宽度为10～20μm。本发明采用双台阶梯脊波导结构11有显著的优点：既可进一步减小p-n结电容，又不致因为脊过深、过窄而折断。套刻出脊台阶11后，再光刻出电隔离深沟12。电隔离深沟12刻制过InGaAs电接触层10，横向贯穿整个第一级脊台阶。

8.将氦(He)离子选区注入电隔离深沟12，其目的是为了使电隔离深沟12底部表层约1～3μm深度区变成高电阻层，可以增加电极的电隔离度，同时降低压焊区电容，提高调制器的调制速率。

9.大面积热氧化淀积绝缘介质膜SiO₂，然后，采用自对准工艺刻制出脊波导窗口。接着，在介质膜SiO₂上套刻出填埋负光敏性聚酰亚胺(Polyimide)的深坑，将负光敏性Polyimide甩涂在外延片表面，用匀胶机甩匀，以便粘附在深坑里的胶膜尽可能厚，然后曝光、显影去掉深坑区以外区域的Polyimide，形成厚为2～6μm的Polyimide电极电层13。继而，在高纯度氮气氛围中进行退火，使Polyimide电极电层13固化，结构如图8所示，为表示清楚起见，只画出淀积、固化后形成的Polyimide电极电层13。本发明采用负光敏性Polyimide的显著优点是：粘附性好，较粘稠，易形成较厚的淀积膜；耐热氧化性好，固化后不易脆裂；介电性能好；

10.光刻出电极图形窗口。溅射钛/铂/金(Ti/Pt/Au)到带有电极图形窗口的芯片表面，厚度为0.1～0.5μm厚，然后采用自对准工艺带胶剥离出p面电极结构，如图9所示的电极条14和高频电极15。最后，将芯片减薄到100μm，并在背面蒸发金/锗/镍(Au/Ge/Ni)作为n面电极16，如图9所示。

11.将外延片解理，制作完成。

Claims

1. 一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，将分布反馈激光器与级联双电吸收调制器进行单片集成，其特征包括：

(1)在n型磷化铟衬底(1)上大面积外延n型磷化铟缓冲层(2)；

(2)在n型磷化铟缓冲层(2)上生长二氧化硅，并光刻出选择区域生长掩蔽图形结构(3)；

(3)采用选择区域生长法外延生长出集成器件的下波导层(4)、多量子阱有源区(5)和上波导层(6)；

(4)采用于法和湿法刻蚀相结合在上波导层上，选择生长区域制备一级布拉格光栅(7)；

(5)套刻出末级电吸收调制器的磷化铟出光窗口(8)；

(6)二次外延生长InP上盖层(9)和电接触层(10)；

(7)套刻出双台阶梯脊波导结构(11)和DFB区与第一调制区域，第一调制区域与第二调制区域的电隔离沟(12)，腐蚀掉隔离沟位置的电接触层；

(8)氦离子选区注入电隔离深沟(12)；

(9)在表面涂3-4μm负光敏性聚酰亚胺，在磷化铟缓冲层(2)上光刻出形成聚酰亚胺介质膜(13)，并进行固化；

(10)光刻电极窗口图形，在第一调制区域和第二调制区域形成电极条(14)、高频电极(15)；

(11)溅射钛/铂/金合金，带胶剥离形成p面电极图形；

(12)整个芯片的背面减薄，蒸发金/锗/镍合金，形成n面电极(16)。

2. 如权利要求1所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其特征是，所述集成器件多量子阱有源区(5)，是采用选择区域生长法，材料为铟镓砷磷四元半导体化合物，阱层厚小于等于8nm，波长为1.55～1.58μm，垒层厚小于等于15nm，波长为1.18～1.22μm，多量子阱共5～10个周期。

3. 如权利要求1或2所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其特征是，所述集成器件多量子阱有源区(5)的分布反馈激光器区光荧光谱峰值波长为1.56μm，电吸收调制区的激子吸收区光荧光谱峰值波长为1.50μm。

4. 如权利要求1所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其特征是，所述套刻出光窗口(8)，是向下刻蚀到磷化铟缓冲层(2)，宽度为20～40μm，在下一步的光限制层(9)和电接触层(10)外延中，出光窗口(8)处将填埋磷化铟，这样可以减小出光端面反射。

5. 如权利要求1所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其特征是，所述套刻出双台阶梯脊波导结构(11)，第一步先刻制出第一级脊台阶，向下刻制到磷化铟光限制层(9)，宽度为3～5μm；接着，套刻出第二级脊台阶，向下刻制到磷化铟缓冲层(2)，宽度为10～20μm。

6. 如权利要求1所述的一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述聚酰亚胺介质膜(13)，是在二氧化硅介质膜上，将负性聚酰亚胺大面积甩涂在外延片表面，然后曝光、显影去掉聚酰亚胺介质膜(13)以外区域的聚酰亚胺，形成厚为2～6μm的聚酰亚胺介质膜(13)，继而，在高纯度氮气氛围中进行退火，使聚酰亚胺固化。