CN100538412C

CN100538412C - 利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法

Info

Publication number: CN100538412C
Application number: CNB2006100078463A
Authority: CN
Inventors: 朱洪亮; 侯康平; 杨华; 梁松; 王圩
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: CN101025458A

Abstract

一种利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在衬底上光刻腐蚀出凹陷区域；步骤2：在凹陷区域内制作介质掩膜图形条；步骤3：在上述含介质掩膜图形条的衬底上同时外延生长缓冲层和有源波导层，形成介质掩膜选择区域、过渡区和凹陷区域外的平面区域；步骤4：在凹陷的介质掩膜选择区域、过渡区和凹陷区域外的平面区域上制作出具有同一水平上表面的平面型集成有源波导结构。

Description

利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，提供一种利用凹区作选择区域外延(SAG)制作平面型集成有源波导的新方法。该方法拓展了普通SAG技术的优点，改善了普通SAG技术的不足，有利于功能型集成有源波导光电子器件的制作。

背景技术

功能型集成有源波导器件是光电子器件领域的重要发展方向。例如电吸收调制器(EAM)与半导体光放大器(SOA)集成器件、EAM与分布反馈(DFB)激光器(LD)集成(EML)器件、模斑转换器(SSC)与SOA和EAM集成(SSAM)器件、波长可调谐的EML(TEML)集成器件等等都是由两个或多个有源波导集成在一起的功能型集成有源波导器件实例，具有发光、调制、光放大、光调制、波长变换、波长调谐、和改变光斑模式等多种功能。功能型集成有源波导器件是目前以及未来光通信、光计算和全光网络中的关键部件。目前制作功能型集成有源波导器件的主要方法之一是选择区域外延(SAG)生长方法(如专利：ZL 00 1 09780.6)。该方法通过介质掩膜，在同一次外延生长过程中，可以在介质掩膜选择区域和无掩膜区域上同时外延生长出能级与厚度不同的有源波导层材料或体材料，从而可在相应的地方制作出对应的有源波导器件并集成在同一芯片范围之内。由于SAG方法的引入，大大简化了集成有源波导器件的外延生长工艺，提高了成品率，降低了成本。

但在SAG技术中，通常外延生长之后，上表面成为非均匀的凹凸面，即在介质掩膜选择区域生长的材料凸出于非选择区域上生长的材料，这给后续的一些工艺带来麻烦。例如在EML器件中，通常要在介质掩膜选择区域生长的材料上制作DFB光栅，由于该区域凸出于整个外延平面，甩胶后就会在很宽的范围内出现波纹起伏，使得光栅的制作相当困难；另外，EAM有源区与LD有源区不是处于同一水平面，给两者之间引入了内在的光散射和光损耗。对其他的功能型集成有源波导器件，利用普通的SAG方法也存在类似的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法。用本发明方法所制作的集成有源波导层的上表面处于同一水平面。这将有利于后续工艺例如DFB光栅的制作；在凹陷区域介质掩膜选择区域和非选择区域上同时生长出的集成有源波导结构具有平滑的对接过渡，有利于消除和减弱集成有源波导之间的光散射和光损耗，改善集成器件的整体特性。

利用凹区作SAG制作平面型集成有源波导方法的关键是事先在衬底上利用常规方法刻制出一定深度的凹陷区域，然后将介质掩膜图形条作在该凹陷区域内，经外延生长后，就可使凹陷区域介质掩膜选择区域生长的材料与非掩膜平面区域生长的材料处于同一水平面内。平整的上表面对后续工艺的制作十分方便；同时，通过对凹陷区域深度和缓冲层厚度的设计让选择生长区域的有源波导与非选择生长区域的有源波导自动实现平滑过渡，消除和减弱集成有源波导间光传播产生的光散射和光损耗，改善集成有源波导的光传导特性和集成器件的输出特性。

本发明一种利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上光刻腐蚀出凹陷区域；

步骤2：在凹陷区域内制作介质掩膜图形条；

步骤3：在上述含介质掩膜图形条的衬底上同时外延生长缓冲层和有源波导层，形成介质掩膜选择区域、过渡区和凹陷区域外的平面区域；

步骤4：在凹陷的介质掩膜选择区域、过渡区和凹陷区域外的平面区域上制作出具有同一水平上表面的平面型集成有源波导结构。

其中衬底为InP衬底或GaAs衬底或GaN衬底或SiC衬底或Si衬底或其他III—V族、II—VI族材料衬底或单晶材料衬底。

其中腐蚀出的凹陷区域由平坦区域和过渡区构成；凹陷区域的长度按器件要求而定，过渡区为通过掩膜侧向腐蚀形成的具有深度梯度的变化区。

其中过渡区的长度为0.1—50微米，凹陷区域的腐蚀深度为10—1000纳米。

其中在凹陷区域内制作的介质掩膜图形条是成对出现。

其中介质掩膜图形条的条宽为10—100微米，介质掩膜条长度和过渡区长度与衬底凹陷区域的长度和过渡区长度对应，两介质掩膜图形条之间的宽度为1—100微米。

其中有源波导层包括：下分别限制层、有源层和上分别限制层，其中下分别限制层和上分别限制层为同种材料，厚度10—300纳米；有源层是多层量子阱有源材料或体有源材料，厚度10—300纳米。

其中介质掩膜图形条的厚度为100-400纳米，介质材料为SiO₂或Si₃N₄。

其中在凹陷区域的介质掩膜选择区域、过渡区和平面区域上制作的集成有源波导结构的上表面处于同一水平面，跨越凹陷区域的介质掩膜选择区域和平面区域生长的集成有源波导层自动实现平滑过渡。

其中同时外延生长的缓冲层和有源波导层在平面区域和凹陷区域的介质掩膜选择区域上外延生长的总厚度分别为d和cd，其中c为介质掩膜选择区域内的平均外延生长厚度增强因子，c的数值在1—2之间，d和cd以及凹陷区域的深度h之间具有如下关系式：h+d＝cd。

其中缓冲层的厚度d₃与有源波导层的厚度d₄以及凹陷区域的深度h之间具有如下关系式：d₃＝h/(c-1)-d₄。

本发明充分利用了SAG技术的优点，改善了它的缺点，十分有利于功能型集成有源波导光电子器件的制作。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明利用凹区作选择区域外延制作的平面型集成有源波导结构的剖面示意图；

图2为作选择区域外延用的介质掩膜条示意图；

图3为凹陷区域介质掩膜选择区域与平面无掩膜区生长厚度对应关系示意图。

具体实施方案

请参阅图1、图2及图3所示，本发明一种利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在衬底1上光刻腐蚀出凹陷区域2，该衬底1为InP衬底或GaAs衬底或GaN衬底或SiC衬底或Si衬底或其他III—V族、II—VI族材料衬底以及单晶材料衬底；

步骤2：在凹陷区域2内制作介质掩膜图形条9(见图2)，该介质掩膜图形条9是成对出现，该介质掩膜图形条9的条宽为10—100微米，该介质掩膜图形条9的厚度为100-400纳米的SiO₂或Si₃N₄；

步骤3：在上述含介质掩膜图形条9的衬底1上同时外延生长缓冲层3和有源波导层4，形成介质掩膜选择区域6、过渡区7和凹陷区域2外的平面区域8，其中腐蚀出的凹陷区域2由平坦的介质掩膜选择区域6和具深度的过渡区7构成；介质掩膜选择区域6的长度按器件要求而定，过渡区7为通过掩膜侧向腐蚀形成的具有深度梯度的变化区；其中过渡区7的长度为0.1—50微米，凹陷区域2的腐蚀深度为10—1000纳米，其中有源波导层4包括：下分别限制层41、有源层42和上分别限制层43，其中下分别限制层41和上分别限制层43为同种材料，厚度10—300纳米；有源层42是多层量子阱有源材料或体有源材料，厚度10—300纳米；该介质掩膜条长度6和过渡区长度7与衬底凹陷区域2的长度和过渡区长度对应，两介质掩膜图形条9之间的宽度为1—100微米，其中在凹陷区域2的介质掩膜选择区域6、过渡区7和平面区域8上制作的集成有源波导结构的上表面5处于同一水平面，跨越凹陷区域2的介质掩膜选择区域6和平面区域8生长的集成有源波导层4自动实现平滑过渡；

步骤4：在凹陷的介质掩膜选择区域6、过渡区7和凹陷区域2外的平面区域8上制作出具有同一水平上表面5的平面型集成有源波导结构；

其中同时外延生长的缓冲层3和有源波导层4在平面区域8和凹陷区域2的介质掩膜选择区域6上外延生长的总厚度分别为d和cd，其中c为介质掩膜选择区域内的平均外延生长厚度增强因子，c的数值在1—2之间，d和cd以及凹陷区域的深度h之间具有如下关系式：h+d＝cd(见图3)；

其中缓冲层3的厚度为d3与有源波导层4的厚度为d4以及凹陷区域2的深度为h之间具有如下关系式：d₃＝h/(c-1)-d₄(见图3)。

实施例

下面通过图1、图2和图3再对本发明利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导结构的方法进行进一步描述，包括如下步骤：

步骤1：在作集成有源波导的衬底1的上表面通过普通的掩膜光刻，腐蚀出深度为h的凹陷区域2(见图1)，凹陷区域2由平坦部分6和深度过渡区7构成.平坦部分6的长度按器件要求而定，过渡区7为通过掩膜侧向腐蚀形成的具有深度梯度的变化区，凹陷区域2的深度h为10—1000纳米，过渡区7的长度为0.1—50微米。衬底1可以是InP衬底、GaAs衬底、GaN衬底、SiC衬底、Si衬底或其他III—V族、II—VI族材料衬底以及单晶材料衬底。

步骤2：在该衬底上利用常规的等离子增强汽相淀积方法生长厚度为100-400nm的SiO₂或Si₃N₄介质膜；

步骤3：利用常规的掩膜光刻技术，在凹陷区域2内刻制如图2所示的介质掩膜条图形9；介质掩膜图形条是成对出现的，两介质掩膜条之间的区域称为介质掩膜选择区域，其他区域称为非选择掩膜区域；介质掩膜条宽a为10—100微米，介质掩膜条长度6和过渡区长度7与衬底凹陷区域22的长度和过渡区长度对应，两介质掩膜条之间的距离w为1-100微米；w亦称为介质掩膜选择区域的宽度。

步骤4：将上述图形衬底作清洁处理后，放入外延设备中，依次外延缓冲层3和有源波导层4(见图1)，即完成了利用凹区2作选择区域外延制作集成有源波导结构的过程。

上述步骤4中有源波导层4由下分别限制层41、有源层42和上分别限制层43组成；其中下分别限制层41和上分别限制层43为同种材料，厚度为10—300纳米，有源层42是多层量子阱有源材料或体有源材料，厚度为10—300纳米。

下面的设计可以使得凹陷区域2介质掩膜选择区域生长的有源波导材料与非掩膜平面区域生长的有源波导材料处于同一水平面内；

设在凹陷区域2之外平面区域上外延生长的i层材料的厚度为di，则在平面区域上外延生长的总厚度d为各层厚度之和：

d = Σ_{1}^{i} d_{i};

在图1示例中d＝d₃+d₄，d₃为平面区域上外延缓冲层3的厚度，d₄为平面区域上有源波导层4的厚度(见图3)；在凹陷区域22的介质掩膜条之间的选择区域内，外延生长的总厚度应该为h+d＝cd，其中c为介质掩膜选择区域的平均外延生长厚度增强因子，

c = Σ_{1}^{i} c_{i} d_{i} / d,

其中ci为选择区域内i层材料的外延生长厚度增强因子；c的值与介质掩膜条9的宽度a、两介质掩膜条之间的距离w以及外延生长条件相关，由实验确定，数值一般在1—2之间；这样，为使在凹陷区域2介质掩膜选择区6和平面非选择区8上同时生长的有源波导层4在两区平滑过渡，在确定了平面区域上外延生长总厚度d的情况下，可以通过凹陷区域2刻蚀深度{h＝d(c-1)}来实现，或反之在确定了凹陷区域2刻蚀深度h的情况下，可以通过外延生长厚度{d＝h/(c-1)}来实现。但一般情况下，有源波导层4的厚度d₄是有特殊要求的，这时只要调整缓冲层3的厚度d₃{d₃＝h/(c-1)-d₄}就可以使有源波导结构的整个上表面5处于同一水平面，实现集成有源波导层4的平滑对接和过渡。

本发明不同于普通SAG方法的显著特点在于：

1、利用本发明的凹陷区域2作选择区域外延制作的集成有源波导结构具有平整的上波导表面，处于同一水平面内的集成有源波导上表面对后续功能型集成有源波导光电子器件的制作十分有利；

2、凹陷区域介质掩膜选择外延区域内的有源波导层与非选择外延区域内的有源波导层自动实现了平滑过渡，有效减弱了普通SAG集成有源波导之间的光散射和光损耗，有利于集成有源波导器件特性的改善；

3、有源波导层的上表面，能通过对凹陷区域2腐蚀深度或对外延缓冲层厚度的选择和控制，使之处于同一水平面内；工艺简单，易于实现。

Claims

1、一种利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上光刻腐蚀出凹陷区域；

步骤2：在凹陷区域内制作介质掩膜图形条；

2、根据权利要求1所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中衬底为InP衬底或GaAs衬底或GaN衬底或SiC衬底或Si衬底或其他III—V族、II—VI族材料衬底。

3、根据权利要求1所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中腐蚀出的凹陷区域由平坦区域和过渡区构成；凹陷区域的长度按器件要求而定，过渡区为通过掩膜侧向腐蚀形成的具有深度梯度的变化区。

4、根据权利要求3所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中过渡区的长度为0.1—50微米，凹陷区域的腐蚀深度为10—1000纳米。

5、根据权利要求1所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中在凹陷区域内制作的介质掩膜图形条是成对出现。

6、根据权利要求1所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中介质掩膜图形条的条宽为10—100微米，介质掩膜图形条长度和介质掩膜图形条的过渡区长度与衬底凹陷区域的长度和过渡区长度对应，两介质掩膜图形条之间的宽度为1—100微米。

7、根据权利要求1所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中有源波导层包括：下分别限制层、有源层和上分别限制层，其中下分别限制层和上分别限制层为同种材料，厚度10—300纳米；有源层是多层量子阱有源材料，厚度10—300纳米。

8、根据权利要求1所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中介质掩膜图形条的厚度为100-400纳米，介质材料为SiO₂或Si₃N₄。

9、根据权利要求1所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中在凹陷区域的介质掩膜选择区域、过渡区和平面区域上制作的集成有源波导结构的上表面处于同一水平面，跨越凹陷区域的介质掩膜选择区域和平面区域生长的集成有源波导层自动实现平滑过渡。

10、根据权利要求1所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中同时外延生长的缓冲层和有源波导层在平面区域和凹陷区域的介质掩膜选择区域上外延生长的总厚度分别为d和cd，其中c为介质掩膜选择区域内的平均外延生长厚度增强因子，c的数值在1—2之间，d和cd以及凹陷区域的深度h之间具有如下关系式：h+d＝cd。

11、根据权利要求1或10所述的利用凹区作选择区域外延制作平面型集成有源波导的方法，其特征在于，其中缓冲层的厚度d₃与有源波导层的厚度d₄以及凹陷区域的深度h之间具有如下关系式：d₃＝h/(c-1)-d₄，其中c为介质掩膜选择区域内的平均外延生长厚度增强因子，c的数值在1—2之间。