CN100435018C - 长波长微机械可调谐滤波器的结构和制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种长波长微机械可调谐滤波器的结构，包括：一n型砷化镓衬底；一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；一下布拉格反射镜，该下布拉格反射镜制作在缓冲层上，是滤波器的下反射镜；一n型欧姆接触层，该n型欧姆接触层制作在下布拉格反射镜上，用来制作下电极；一空气腔，该空气腔制作在n型欧姆接触层上，用于可调谐；一四臂固支梁，该四臂固支梁制作在空气腔上；一上布拉格反射镜，该上布拉格反射镜制作在缓冲层上，是滤波器的上反射镜；一p电极，该p电极制作在四臂固支梁的上面；一n电极，该n电极制作在n型欧姆接触层的上面。
Description
技术领域
本发明是一种GaAs基长波长微机械可调谐滤波器的结构。本发明还涉及制造这种结构的制作工艺和方法。
背景技术
随着人们对信息量需求的急剧增长，光网络逐渐成为未来信息技术竞争的制高点。目前光纤通信的单信道速率已经高达40Gb/s，再提高的余地已经不大，为了满足人们日益增长的信息需求，WDM(波分复用)技术应运而生。通过WDM技术，使单根光纤的传输容量迅速扩大几十甚至上百倍，是目前突破Tb/s的超大信息容量传输的唯一技术。可调谐滤波器由于其对一定范围内的特定波长有实时选择通过的作用，可以独立对信息流进行控制和处理，被广泛地运用于WDM系统。微机械可调谐滤波器因其突出的宽调谐、可集成、低成本等特点，已为国际上研究的热点。
微机械可调谐滤波器的基本原理是基于F-P腔干涉，它主要由上下两个DBR反射镜和腔构成。考虑到于与其它半导体光电子器件的集成，目前研究人员主要在InP和GaAs等光电子材料上研制微机械可调谐滤波器。对于微机械可调谐滤波器，DBR反射镜主要采用InP/Air、InGaAsP/InP、GaAs/AlGaAs、Al2O3/GaAs、Si/SiO2、SiO2/TiO2等；腔一般是空气腔，由选择腐蚀工艺制出。一些微机械可调谐滤波器采用InP/Air作为上下DBR反射镜，只需2.5对InP/Air即可达到99.9％的反射率，但是这种结构需要腐蚀5层出空气层，对材料间的应力控制、选择腐蚀工艺提出了很高的要求，易出现粘连现象。也有一些微机械可调谐滤波器采用InGaAsP/InP作为下DBR，这种类型的DBR需要40对以上才能达到99.9％的反射率，这对外延生长是一个不小的难题。还有一些微机械可调谐滤波器采用GaAs/AlGaAs作上DBR，这种类型的DBR比较厚，导致调谐电压较高，调谐系数较小。总之，目前国际上设计的滤波器各有各的特色，但也各存在一些局限，比如材料生长困难、工艺难度大、调谐电压较高等。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种长波长微机械可调谐滤波器的结构和制作方法，具有材料生长容易、工艺简单、调谐电压较高的优点。
本发明一种长波长微机械可调谐滤波器的结构，其特征在于，该结构包括：
一衬底，该衬底为n型砷化镓衬底；
一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；
一下布拉格反射镜，该下布拉格反射镜制作在缓冲层上，是滤波器的下反射镜；
一n型欧姆接触层，该n型欧姆接触层制作在下布拉格反射镜上，用来制作下电极；
一空气腔，该空气腔制作在n型欧姆接触层上，用于调谐波长；
一四臂固支梁，该四臂固支梁制作在空气腔上；
一上布拉格反射镜，该上布拉格反射镜制作在四臂固支梁上，是滤波器的上反射镜；
一p电极，该p电极制作在四臂固支梁的上面；
一n电极，该n电极制作在n型欧姆接触层的上面。
其中所述的下布拉格反射镜由23对组合材料组成，每一对组合材料包括砷化镓和铝镓砷；铝镓砷与砷化镓之间的晶格失配小，在砷化镓衬底上生长砷化镓/铝镓砷布拉格反射镜应力小。
其中所述滤波器结构只需要一个空气腔。
其中所述四臂固支梁厚度小于1微米，这样使调谐系数高，调谐电压低。
其中所述上布拉格反射镜由3对组合材料组成，每一对组合材料包括二氧化硅和硅；二氧化硅和硅有高的反射带宽，可以覆盖整个上布拉格反射镜的带宽，不会导致上下布拉格反射镜对不准。
其中所述n型欧姆接触层是n型，四臂固支梁掺硅成为p型，这样两者之间就构成了一个PN结；如果给器件加反偏电压，那么由于静电吸引，四臂固支梁的中心就会向下弯曲，缩短空气腔，从而可以调谐透射波长。
本发明波长微机械可调谐滤波器结构的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在砷化镓衬底上依次生长缓冲层、下布拉格反射镜、n型欧姆接触层、制作空气层所需的铝镓砷腐蚀牺牲层和四臂固支梁；
(2)通过光刻工艺形成四臂固支梁的初始图形，用腐蚀液腐蚀出一定深度的台面；
(3)采用选择腐蚀液，选择腐蚀腐蚀牺牲层的铝镓砷而不腐蚀砷化镓，露出底下的n型欧姆接触层；
(4)在片子表面涂光刻胶，然后利用光刻版在四个支柱上和台面下的砷化镓光刻出p电极和n电极所需的窗口；在片子表面蒸铬金，然后带胶剥离，形成p电极和n电极；
(5)在片子表面涂光刻胶，然后利用光刻版在四臂固支梁中心光刻出上布拉格反射镜所需的窗口；在片子表面电子束蒸发介质膜，接着带胶剥离，形成上布拉格反射镜；
(6)对片子背面进行减薄，抛光；
(7)采用选择腐蚀液，选择腐蚀铝镓砷而不腐蚀砷化镓，最后经二氧化碳临界点干燥仪干燥，从而形成悬空的四臂固支梁。
其中步骤(3)和(7)采用的腐蚀液盐酸∶水＝2∶1，具有选择腐蚀性，可以选择腐蚀铝镓砷而不腐蚀砷化镓。
其中步骤(5)中的上布拉格反射镜介质膜，是带光刻胶进行电子束蒸发后剥离而成。
其中步骤(7)采用二氧化碳超临界干燥法干燥，从而形成无粘连的四臂固支梁。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明长波长微机械可调谐滤波器结构的立体视示意图；
图2是图1中上布拉格反射镜11的结构图；
图3是本发明长波长微机械可调谐滤波器理论模拟的反射谱；
图4是本发明长波长微机械可调谐滤波器腔长缩短与波长红移的关系。
具体实施方式
请参阅图1、图2所示，本发明一种长波长微机械可调谐滤波器的结构，该结构包括：
一衬底1，该衬底为n型砷化镓衬底；
一缓冲层2，该缓冲层2制作在衬底1上；
一下布拉格反射镜5，该下布拉格反射镜5制作在缓冲层2上，是滤波器的下反射镜，该下布拉格反射镜5由23对组合材料组成，每一对组合材料包括砷化镓3和铝镓砷4；铝镓砷4与砷化镓3之间的晶格失配小，在砷化镓衬底1上生长砷化镓/铝镓砷布拉格反射镜应力小；
一n型欧姆接触层6，该n型欧姆接触层6制作在下布拉格反射镜5上，用来制作下电极；
一空气腔7，该空气腔7制作在n型欧姆接触层6上，用于可调谐；该滤波器结构只需要一个空气腔7；
一四臂固支梁8，该四臂固支梁8制作在空气腔7上，该四臂固支梁8厚度小于1微米，这样使调谐系数高，调谐电压低；
一上布拉格反射镜11，该上布拉格反射镜11制作在缓冲层2上，是滤波器的上反射镜，该上布拉格反射镜11由3对组合材料组成，每一对组合材料包括二氧化硅9和硅10；二氧化硅9和硅10有高的反射带宽，可以覆盖整个上布拉格反射镜11的带宽，不会导致上下布拉格反射镜5对不准；
一p电极12，该p电极12制作在四臂固支梁8的上面；
一n电极13，该n电极13制作在n型欧姆接触层6的上面。
其中所述的该n型欧姆接触层6是n型，四臂固支梁8掺硅成为p型，这样两者之间就构成了一个PN结；如果给器件加反偏电压，那么由于静电吸引，四臂固支梁8的中心就会向下弯曲，缩短空气腔7，从而可以调谐透射波长。
请再参阅图1、图2所示，本发明一种长波长微机械可调谐滤波器结构的制造方法，该方法包括如下步骤：
(1)在砷化镓衬底1上依次生长缓冲层2、下布拉格反射镜5、n型欧姆接触层6、制作空气层7所需的腐蚀牺牲层(铝镓砷)和四臂固支梁8；
(2)通过光刻工艺形成四臂固支梁8的初始图形，用腐蚀液腐蚀出一定深度的台面；
(3)采用选择腐蚀液，选择腐蚀(铝镓砷)而不腐蚀砷化镓，露出底下的n型欧姆接触层6；
(4)在片子表面涂光刻胶，然后利用光刻版在四个支柱上和台面下的砷化镓光刻出p电极12和n电极13所需的窗口；在片子表面蒸铬金，然后带胶剥离，形成p电极12和n电极13；
(5)在片子表面涂光刻胶，然后利用光刻版在四臂固支梁8中心光刻出上布拉格反射镜11所需的窗口；在片子表面电子束蒸发介质膜，接着带胶剥离，形成上布拉格反射镜11；
(6)对片子背面进行减薄，抛光；
(7)采用选择腐蚀液，选择腐蚀铝镓砷而不腐蚀砷化镓，最后经二氧化碳临界点干燥仪干燥，从而形成悬空的四臂固支梁8。
其中步骤(3)和(7)采用的腐蚀液盐酸∶水＝2∶1，具有选择腐蚀性，可以选择腐蚀铝镓砷而不腐蚀砷化镓。
其中步骤(5)中的上布拉格反射镜11介质膜，是带光刻胶进行电子束蒸发后剥离而成。
其中步骤(7)采用二氧化碳超临界干燥法干燥，从而形成无粘连的四臂固支梁8。
请结合参阅表1和图1、图2长波长微机械可调谐滤波器结构的外延结构图和立体视图。该结构包括一个n型GaAs衬底1、缓冲层2、下DBR(布拉格反射镜)5、n型欧姆接触层6、空气腔7、四臂固支梁8、上DBR11、p电极12和n电极13。其中下DBR5是由23对GaAs/AlGaAs构成；空气腔7通过选择腐蚀牺牲层的方法制作出来，牺牲层采用Al0.85Ga0.15As。四臂固支梁8的材料是GaAs；上DBR11由3对SiO2/Si构成。p电极12做在四臂固支梁8上，n电极13做在牺牲层下的N型欧姆接触层6上。
至于长波长微机械可调谐滤波器结构的制造方法，主要的工艺过程如下所述。
首先，在GaAs衬底1上依次生长缓冲层2、下DBR5、n型欧姆接触层6、制作空气层7所需的腐蚀牺牲层Al0.85Ga0.15As和四臂固支梁8。
第二步，通过光刻工艺形成四臂固支梁8的初始图形，用CH3OH∶H3PO4∶H2O2＝3∶1∶1腐蚀液腐蚀出一定深度的台面，注意不要腐蚀完牺牲层；
第三步，采用选择腐蚀液HCL∶H20＝2∶1，选择腐蚀Al0.85Ga0.15As而不腐蚀GaAs，露出底下的n型欧姆接触层6。
第四步，在片子表面涂光刻胶，然后利用光刻版在四个支柱上和台面下的GaAs光刻出窗口。在片子表面蒸发电极CrAu，然后带胶剥离，形成p电极12和n电极13；
第五步，在片子表面涂光刻胶，然后利用光刻版在四臂固支梁8中心光刻出窗口。在片子表面电子束蒸发SiO2/Si介质膜，接着带胶剥离，形成上DBR11；
第六步，对片子背面进行减薄，抛光；
第七步，采用选择腐蚀液HCL∶H20＝2∶1，选择腐蚀Al0.85Ga0.15As而不腐蚀GaAs，最后经二氧化碳临界点干燥仪干燥，从而形成悬空的四臂固支梁8；至此，完成整个器件的工艺制作。
该长波长微机械可调谐滤波器的上下两个反射镜有高的反射率，所以它有很窄的透射带宽。图3给出了该长波长微机械可调谐滤波器的放射谱，从放射谱中可以看出，其透射带宽小于0.8nm，满足32波波分复用技术的要求。
该长波长微机械可调谐滤波器的简化模型是四臂固支梁8。当四臂固支梁8加反偏电压时，那么由于静电吸引，四臂固支梁8就会向下弯曲，空气腔7随之缩短。图4模拟出该长波长微机械可调谐滤波器的透射波长随空气腔7厚度变化的关系。从图4可以看出其调谐范围较宽，可以覆盖波分复用技术中的多个工作波长范围。
请参阅表1，表1为长波长微机械可调谐滤波器的结构表。
表1
Claims (10)
1.一种长波长微机械可调谐滤波器的结构，其特征在于，该结构包括：
一衬底，该衬底为n型砷化镓衬底；
一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；
一下布拉格反射镜，该下布拉格反射镜制作在缓冲层上，是滤波器的下反射镜；
一n型欧姆接触层，该n型欧姆接触层制作在下布拉格反射镜上，用来制作下电极；
一空气腔，该空气腔制作在n型欧姆接触层上，用于调谐波长；
一四臂固支梁，该四臂固支梁制作在空气腔上；
一上布拉格反射镜，该上布拉格反射镜制作在四臂固支梁上，是滤波器的上反射镜；
一p电极，该p电极制作在四臂固支梁的上面；
一n电极，该n电极制作在n型欧姆接触层的上面。
2.根据权利要求1所述的长波长微机械可调谐滤波器的结构，其特征在于，其中所述的下布拉格反射镜由23对组合材料组成，每一对组合材料包括砷化镓和铝镓砷；铝镓砷与砷化镓之间的晶格失配小，在砷化镓衬底上生长砷化镓/铝镓砷布拉格反射镜应力小。
3.根据权利要求1所述的长波长微机械可调谐滤波器的结构，其特征在于，其中所述滤波器结构只需要一个空气腔。
4.根据权利要求1所述的长波长微机械可调谐滤波器的结构，其特征在于，其中所述四臂固支梁厚度小于1微米，这样使调谐系数高，调谐电压低。
5.根据权利要求1所述的长波长微机械可调谐滤波器的结构，其特征在于，其中所述上布拉格反射镜由3对组合材料组成，每一对组合材料包括二氧化硅和硅；二氧化硅和硅有高的反射带宽，可以覆盖整个上布拉格反射镜的带宽，不会导致上下布拉格反射镜对不准。
6.根据权利要求1所述的长波长微机械可调谐滤波器的结构，其特征在于，其中所述n型欧姆接触层是n型，四臂固支梁掺硅成为p型，这样两者之间就构成了一个PN结；如果给器件加反偏电压，那么由于静电吸引，四臂固支梁的中心就会向下弯曲，缩短空气腔，从而可以调谐透射波长。
7.一种长波长微机械可调谐滤波器结构的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在砷化镓衬底上依次生长缓冲层、下布拉格反射镜、n型欧姆接触层、制作空气层所需的铝镓砷腐蚀牺牲层和四臂固支梁；
(2)通过光刻工艺形成四臂固支梁的初始图形，用腐蚀液腐蚀出一定深度的台面；
(3)采用选择腐蚀液，选择腐蚀腐蚀牺牲层的铝镓砷而不腐蚀砷化镓，露出底下的n型欧姆接触层；
(4)在片子表面涂光刻胶，然后利用光刻版在四个支柱上和台面下的砷化镓光刻出p电极和n电极所需的窗口；在片子表面蒸铬金，然后带胶剥离，形成p电极和n电极；
(5)在片子表面涂光刻胶，然后利用光刻版在四臂固支梁中心光刻出上布拉格反射镜所需的窗口；在片子表面电子束蒸发介质膜，接着带胶剥离，形成上布拉格反射镜；
(6)对片子背面进行减薄，抛光；
(7)采用选择腐蚀液，选择腐蚀铝镓砷而不腐蚀砷化镓，最后经二氧化碳临界点干燥仪干燥，从而形成悬空的四臂固支梁。
8.根据权利要求7所述的长波长微机械可调谐滤波器结构的制作方法，其特征在于，其中步骤(3)和(7)采用的腐蚀液盐酸∶水＝2∶1，具有选择腐蚀性，可以选择腐蚀铝镓砷而不腐蚀砷化镓。
9.根据权利要求7所述的长波长微机械可调谐滤波器结构的制作方法，其特征在于，其中步骤(5)中的上布拉格反射镜介质膜，是带光刻胶进行电子束蒸发后剥离而成。
10.根据权利要求7所述的长波长微机械可调谐滤波器结构的制作方法，其特征在于，其中步骤(7)采用二氧化碳超临界干燥法干燥，从而形成无粘连的四臂固支梁。
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