CN101569067B - 具有蚀刻停止层的端面蚀刻脊型激光器 - Google Patents
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Abstract
一种光子器件包括外延结构，该外延结构具有有源区且包括在有源区之上但靠近有源区的湿法蚀刻停止层。通过先干法蚀刻再湿法蚀刻在该外延结构上制造端面蚀刻脊型激光器。干法蚀刻被设计成在到达形成脊所需的深度之前停止。湿法蚀刻完成脊条的形成并在湿法蚀刻停止层处停止。
Description
发明领域
本发明一般涉及端面蚀刻的光子器件，更具体地涉及2006年2月17日提交且转让给本发明的受让人的题为“高可靠性的端面蚀刻光子器件(High Reliability Etched Facet Photonic Devices)”(律师案号BIN 20)的公共待审的美国专利申请No.11/356,203中公开的端面蚀刻脊型激光器件的改进型，还涉及制造此类器件的工艺。
发明背景
通常通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在衬底上生长适当层叠的半导体材料以形成具有平行于衬底表面的有源层的外延结构而在晶片上制造半导体激光器。然后利用多种半导体加工工具处理该晶片以制造包括有源层且包括附着到半导体材料的金属接触的激光光学腔。通常通过沿半导体材料的晶体结构解理它以限定激光光学腔的边缘或末端而在激光腔的末端形成激光反射端面，因此当在接触上施加偏置电压时，所产生的流过有源层的电流使光子按照垂直于电流流动的方向从有源层的成端面的边缘出射。然而，对于大多数半导体器件，上述解理工艺是不精确的，因为它依赖于半导体材料的晶面的位置和角度。例如，在某些材料的情况下，可能存在约相等强度的彼此成锐角取向的解理面，因此在解理期间出现的微扰会使断裂面从一个解理面变成另一个解理面。而且，解理过程产生在测试期间难以操作的易碎的条状物和极小的芯片。此外，机械解理倾向于与单个芯片的稍后处理不兼容，而这对于在芯片上提供组件的单片集成是必需的，例如，因为在物理上必须使晶片分解以获得全功能的激光器，而一旦晶片被解理通常就成为小块，因此不容易用常规的光刻技术来进一步处理这些激光器。
由使用解理端面造成的上述和其它困难导致通过蚀刻形成半导体激光器的反射端面的工艺的开发。例如，在美国专利No.4,851,368中描述的此工艺还允许激光器与其它光子器件单片集成在同一衬底上。在此专利中描述的工艺被扩展以提供用于制造具有蚀刻端面的脊型激光器的工艺，如在1992年5月的IEEE量子电子学期刊(IEEE Journal of Quantum Electronics)的第28卷，第5期，1227-1231页的A.Behfar-Rad和S.S.Wong发表的“具有干法蚀刻的端面和脊条的单片AlGaAs-GaAs单量子阱脊型激光器(Monolithic AlGaAs-GaAs Single Quantum-Well Ridge Lasers Fabricatedwith Dry-Etched Facets and Ridges)”中所公开的和在上述美国专利No.11/356,203中进一步描述的。然而已经发现，如果想要在制造过程中获得一致的结果，则此类器件中脊条的深度以及它在激光器结构中相对于有源区的最终位置必须精确，而充分控制干法蚀刻工艺以产生一致的脊条深度是非常困难的。
因为在干法蚀刻中控制脊条蚀刻深度是困难的，所以已经发现通过现有技术工艺制造的蚀刻端面脊型激光器件具有低单横模输出和阈值电流方面的大范围分布。为了利用这些工艺获得30-40％生产率的可用器件，必须使用多步蚀刻程序来防止脊条蚀刻向外延结构中延伸太深。这需要将干法蚀刻重复三或四次并在每次蚀刻之后测量脊条蚀刻深度以获得适当的尺寸，而且此工作浪费时间并明显提高了这些器件的成本。
发明概述
因为极其期望蚀刻端面脊型器件的高度一致性和生产率，所以根据本发明提供了一种制造蚀刻端面脊型激光器件的改进工艺。在此工艺中，在外延结构中形成具有蚀刻端面的脊型激光器，所述外延结构在脊条的底部所在的位置处包括湿法蚀刻停止层。利用现有光刻技术和干法蚀刻工艺部分地形成此脊条，但干法蚀刻在不到脊条底部即停止。光刻技术限定湿法蚀刻窗口，该窗口与部分蚀刻的脊条交迭，同时通过光刻胶层保护其末端部分和其端面。然后对该结构进行湿法蚀刻以完成脊条的形成和从蚀刻停止层上面去除残余材料。外延结构中的停止层使湿法蚀刻在脊条结构的底部所需的深度处精确地和可靠地停止，从而将制造工艺的生产率提高至约98-99.8％。
简言之，根据本发明，衬底或晶片例如由适当掺杂的III-V族化合物或其合金组成。通过诸如金属有机化学汽相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)之类的外延沉积工艺在衬底的上表面上沉积连续的多层。在横向形成光波导的这些层通常包括由AlInGaAs基量子阱和势垒层组成的有源区以及毗邻的上和下包覆区。在一个示例中，可以在InP衬底上通过外延来形成半导体激光器光子器件结构层，其中上下包覆区由折射率低于有源区折射率的诸如InP之类的半导体材料形成。在上包覆层的上表面上设置InGaAs帽层以允许欧姆接触。
根据本发明，在将在结构中形成的脊条底部的平面处在衬底上外延地沉积湿法蚀刻停止层。因此，例如，砷化铟镓磷化物(GaInAsP)的停止层正好沉积在上包覆层之上的帽层中。此停止层约20nm厚，而且与InP包覆层晶格匹配。利用标准光刻技术和化学辅助的离子束蚀刻(CAIBE)干法蚀刻步骤对所得的晶片进行加工以形成一个或多个激光腔和端面。此后，利用二次光刻步骤在先前形成的腔体上限定一个或多个脊条，并且使用CAIBE来蚀刻这些脊条。因为CAIBE工艺难以精确地控制因而不是非常精确的，所以此干法蚀刻步骤被设计成不完全，即被设计成不到脊条的期望深度和在它到达停止层之前即结束。之后，执行另一光刻步骤以利用保护性光刻胶覆盖脊条和端面的末端部分，并利用选择性湿法蚀刻剂执行湿法蚀刻步骤。例如HCl和H3PO4的混合物之类的选择性湿法蚀刻剂去除残余的上包覆材料并在蚀刻停止层上停止或只能非常缓慢地蚀刻。因此，湿法蚀刻完成脊条的形成并在停止层处停止。虽然它在脊条的底部处横向蚀刻少量，但这容易解决，而且此工艺用来形成具有精确的所需尺寸的脊条。此湿法蚀刻还去除由干法蚀刻步骤留下的任意残余产物，并制造具有高精确度的脊结构，从而导致高的器件生产率。
虽然上述示例基于在InP衬底上提供包括激光器件的光子器件，但应当理解，利用干法和湿法蚀刻的组合可制造具有有源区的其它光子器件的蚀刻部件，其中湿法蚀刻停止层限定蚀刻步骤的范围，而且可在其它衬底上形成这些器件。此类光子器件的示例是电吸收调制器(electroabsorptionmodulator)和半导体光放大器。通过解理形成端面的常规脊型激光器与蚀刻停止层的使用兼容。
附图简述
根据本发明的优选实施例的以下详细描述以及附图，本发明的上述和附加的目的、特征和优点对于本领域普通技术人员将会显而易见，其中：
图1示出用于在晶片上制造诸如激光器之类的多个光子器件的现有技术解理端面工艺；
图2示出用于在晶片上制造诸如激光器之类的多个光子器件的现有技术蚀刻端面工艺；
图3以部分立体视图示出晶片上的多个现有技术蚀刻端面激光器；
图4以截面示出根据本发明的形成晶片的连续多层；
图5以立体图示出根据本发明制造的、在镀电接触之前的具有蚀刻停止层的蚀刻端面脊型激光器；以及
图6(a和b)到12(a和b)以x和y方向截面图示出根据本发明的利用图4的晶片制造具有蚀刻停止层的蚀刻端面脊型激光器的制造步骤。
优选实施例的详细描述
如图1中在10处一般示出，半导体外延晶片12的机械解理是用来限定在晶片上制造的、在边发射二极管激光器的腔体端面处的反射镜的常见工艺。在此工艺中，在晶片衬底上制造多个波导14，并镀金属接触层，而且晶片沿解理线16机械地解理以形成激光器件20的长条18。长条18然后如22处所示地堆叠，而且对激光器件的解理端面进行涂覆以提供需要的反射和发射特性。然后如24处，通过在单个激光器上施加偏置电压26并检测所得的输出光束28来测试单个激光器件20。然后可如30处地使激光器件的长条分离或单片化，以制造单个芯片32，其中每一个包括可如34处地以已知方式适当地封装的一个或多个激光器件。
如上所述，对大多数半导体器件而言，上述解理工艺是不精确的，因为它依赖半导体材料的晶面的位置和角度以在波导上对激光器端面定位。例如，在某些材料的情况下，可能存在约相等强度的彼此成锐角取向的解理面，因此在解理期间出现的微扰会使断裂面从一个解理面变成另一个解理面，从而使端面定位在错误的角度或错误的平面处，使激光器不工作。而且，如图1所示的解理工艺产生在反射镜涂覆和测试期间难以操作的易碎的长条18。此外，机械解理倾向于与单个芯片的稍后处理不兼容，例如，诸如可能需要用来在芯片上提供组件单片集成的处理步骤，因为必须使晶片物理地分解以制造激光器端面和获得全功能的激光器。
在图2中的40处示出用于制造激光器的替代技术，其中作为第一步骤，在合适的晶片衬底44上制造多个波导42。优选地，这些波导是如所示地横跨晶片延伸的平行波导。然后使用基于光刻技术和化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)的工艺以在沿波导的需要位置处形成端面以制造单个激光器波导腔。这些端面被精确地定位而与材料的晶体结构无关，而且具有与通过解理获得的那些端面相同的质量和反射率。因为激光腔和端面按照在硅上制造集成电路的几乎相同的方式在晶片上制造，所以此工艺允许激光器与其它光子器件一起单片集成在单个芯片上，并允许这些器件如46处所示地被廉价地测试，同时仍在晶片上。此后，可如48处地使晶片单片化以分离芯片50，然后可如52处所示地封装这些芯片。与上述解理工艺相比，此工艺具有相对高的生产率和低成本，并允许具有多种形式的腔的激光器的制造与晶片材料中的解理面无关。在以上引用的IEEE量子电子学期刊中的文章中更详细地描述了图2的现有技术制造工艺。
在这样的蚀刻端面脊型激光器的边发射版本的制造中，需要四个光刻形成图案的步骤，第一步骤产生限定一个或多个激光器主体的图案掩模，每个激光器主体具有分开的端面。通过蚀刻把此图案传递到晶片结构中。此后，第二光刻步骤产生用于在结构上形成脊条的图案，而且再通过蚀刻利用CAIBE工艺把此图案传递到该结构中。第三次光刻提供接触孔，而第四次光刻提供用于p型接触金属化的图案。所得的边发射脊型激光器结构在图3中示出，其中在相应的激光器波导42上形成脊条60和62，而且其中制造诸如例如腔72之类的各个激光腔，使之具有蚀刻端面74和76。
如上所述，通过上述程序制造的蚀刻端面脊型激光器件的生产率会低于所需的生产率，而且会产生用于产生激射的阈值电流的大范围变化和低单横模输出。已经发现这些问题起因于在制造过程期间出现的激光器脊条高度的差异。如果想要在制造过程中获得一致的结果，则在激光器结构中脊条的底部相对于有源区的各个脊条蚀刻深度和最终位置必须精确。然而，已经发现充分地控制干法蚀刻工艺以产生一致的脊条蚀刻深度是非常困难的。
本发明已解决了上述问题，如图4和5中图解说明地，通过提供在其中制造光子器件100的层叠的晶片98；以及如示出了用于在衬底102上制造光子器件的工艺的图6(a和b)到12(a和b)中图解说明地中。应当理解，在这些附图中示出的尺寸和比例不一定按比例，但用来清楚地示出该结构和工艺的显著特征。虽然本发明将根据如图5中所示出的具有蚀刻脊条104的边发射脊型激光器来描述，但应当理解，也可利用本发明的蚀刻控制工艺来制造诸如在共同待审的美国专利申请No.10/958,069和10/963,739中描述的脊型水平腔面发射激光器或HCSEL之类的其它类型的激光器或其它光子器件。
与常规情况一样，晶片98包括，例如，由适当掺杂的III-V族化合物或其合金组成的衬底102。如图4所示，通过诸如有机金属化学汽相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)之类的外延沉积工艺在衬底102的上表面108上沉积连续多层106。这些层106组成包括有源区112和上下包覆区114和116的横向的激光器结构或光波导。
在一个示例中，在InP衬底102上外延地形成半导体激光器或其它光子器件、结构层106。光子结构的上下包覆区114和116分别由诸如InP之类的折射率低于有源区112的折射率的半导体材料形成。这些包覆层毗邻有源区，该有源区可由AlInGaAs基量子阱和势垒组成。在上包覆层114的上表面上设置InGaAs帽层118以允许欧姆接触。
如图5所示，包覆层114中包括湿法蚀刻停止层119，它位于当制造工艺完成时脊条的底部120要处的平面上。停止层119是将上包覆层114划分成下部分段114(a)和上部分段114(b)的约20nm厚的GaInAsP外延沉积层。停止层119靠近上包覆层114的下表面121但在其之上，该下表面121同时也是有源区112的上表面。
在本发明的工艺中，如图4所示，通过等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)在外延生长的激光器结构106上沉积诸如200nm厚的SiO2层之类的掩模层122。在与图2和3中所示的晶片44相同的晶片98上执行在光刻胶层中限定例如至少一个激光器主体和端面的第一光刻步骤，而且利用反应离子蚀刻(RIE)把光刻胶图案传递到下面的SiO2掩模层122。未示出往掩模层122上旋涂光刻胶、使光刻胶通过光刻掩模曝光以产生图案、以及此后将图案传递到掩模层122的光刻步骤，因为它们在本领域中是常规而且公知的。在通过氧等离子体去除光刻胶之后，利用化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)使层122中的SiO2图案传递到激光器结构以形成图6(a)和6(b)中所示的、诸如图3中的42处一般示出的激光器波导之类的光子器件的主体123，并沿那些波导形成多个分立的激光器腔，根据这些激光器腔可形成诸如图5中在100处示出的激光器之类的激光器。如图6(a)和6(b)所示，主体123形成有蚀刻侧壁124和125以及蚀刻端面126和128。在HCSEL的情况下，可使用两个单独的光刻步骤和两个单独的CAIBE步骤代替此处示出的用于边发射激光器的单个步骤。
图6(a)是沿图5的波导100的x-x轴处的箭头方向所取的截面，而图6(b)是沿图5的y-y轴处的箭头方向所取的波导的截面。
如图7(a)和7(b)所示，执行第二次光刻胶光刻以在晶片上先前限定的激光器主体123上产生限定诸如脊条104之类的一个或多个脊条的图案，而且使用RIE来将该光刻胶图案传递到PECVD沉积的SiO2掩模层122上。在利用氧等离子体去除光刻胶之后，如图所示，利用CAIBE在激光器结构中形成各个激光器主体123的脊条104。与用于脊型蚀刻端面器件的现有技术制造工艺相反，此脊条CAIBE干法蚀刻步骤被设计成在不到需要完成脊条104的蚀刻深度处即停止，以确保此蚀刻不会无意地继续而超过脊条底部120的所需深度。此外，干法蚀刻还会留下粗糙处或草皮状层形式的残余材料，这会阻碍实现高生产率所必需的精确深度控制。因此，如图7(a)和7(b)所示，此蚀刻工艺被设计成在包覆层114(b)中的蚀刻基面130处结束，该蚀刻基面130始终在层119的上表面132处或之上。如图5所示，这防止CAIBE蚀刻在脊条104的底部120的所需平面之下延伸。
如图8(a)和8(b)所示，为完成脊结构，以有光刻胶的掩膜层136覆盖器件的上表面，接着通过光刻使掩膜层136形成图案，在显影之后，暴露湿法蚀刻窗口137，该蚀刻窗口137包括脊条104以及在脊条104两侧并沿脊条104长度方向的区域138和139。光刻胶掩模层136在脊条的末端140和142上以及端面126和128上延伸以保护它们免遭接下来的湿法蚀刻，优选地，还与蚀刻基面130的外边缘144和146有小部分交迭，以应对湿法蚀刻步骤产生的横向蚀刻。
向例如HCl和H3PO4的混合物之类的选择性湿法蚀刻剂暴露湿法蚀刻窗口137，以去除层119上的残余上包覆材料。湿法蚀刻在停止层119的上表面132(即脊条的底部120的所需位置)处停止或有效地停止，从而将脊条留置为其所需的高度，然后如图9(a)和9(b)所示地使用氧等离子体来去除光刻胶掩模136。可通过允许精确深度控制的湿法蚀刻工艺消除可能存在的任意粗糙处或草皮状的特征。
虽然在图5-12(a)和(b)中示出了具有单个脊条104的单激光腔，但应当理解，在单个晶片上可优选地制造多个光子器件。例如，在图2中，如图所示，分别包括多个脊型激光器的多个分开的波导42通常在单个晶片上来制造，而且在完成如下所述的余下工艺步骤之后，它们通过如上所述的单片化或切割被分离以便封装以制造单独的光子器件。
如以上关于图5和6(a)和(b)-9(a)和(b)所述，在激光器主体、端面、以及脊条形成之后、以及在图2的单片化步骤之前，利用PECVD沉积诸如SiO2之类的介电材料的120nm厚的钝化层150以覆盖包括光子器件的整个晶片，如在图10(a)和10(b)中针对单个脊条104所描述。此后，如图11(a)和11(b)所示，执行用于在光子结构的光刻胶掩膜层中限定p型接触开口的第三次光刻，并通过该掩模利用RIE在SiO2层150和122中开接触窗口152。然后使用氧等离子体来去除光刻胶。
执行第四次光刻以在光刻胶掩膜层中限定用于p型接触的敷金属剥离图案，其中通过光刻限定剥离结构154以制造包围接触窗口152的接触开口156。在敷金属剥离图案154中没有明显示地出典型的剥离结构所具有的底切，但应当理解它是存在的。然后利用电子束蒸镀器将p型接触金属160(图12(a)和12(b))蒸镀到敷金属剥离图案154上并通过开口156，以覆盖接触窗口152。通过去除敷金属剥离图案154的剥离步骤去除不需要的敷金属，从而留下器件的p型接触160。如图所示，P型接触延伸而超过接触窗口152的边缘，并将SiO2层122和150中的接触开口密封。也利用电子束蒸镀将激光器的n型接触162蒸镀到晶片的背面上。也可利用另一敷金属剥离步骤把n型接触镀到晶片的正面。如上所述，将可理解，通常在衬底上制造多个光子器件。
因为如上所述，必须在湿法蚀刻期间保护蚀刻端面(参见图8(a)和(b))，所以在掩模延伸超过边缘144和146的掩模136位置处，在湿法蚀刻停止层的上表面上形成诸如壁或侧翼(shoulder)163之类的余下部件。此壁引起端面处或靠近端面的脊条深度变化，因此脊条在蚀刻端面处和其附近的深度浅于脊条底部处的深度。研究了通过此工艺制造的边发射脊型激光器和脊型HCSEL的性能和模式特性，而未发现余下的部件163(参见图5)导致任何不良影响，同时生产率被增大到98-99.8％。
虽然已经根据优选实施例说明了本发明，但应当理解，在不背离在所附权利要求书中陈述的本发明的真实精神和范围的情况下可作出变化和修改。
Claims (16)
1.一种光子器件，包括：
衬底；
包括所述衬底上的有源层和湿法蚀刻停止层的至少第一外延半导体结构，其中，在所述结构中形成蚀刻脊条，所述脊条具有在所述停止层处的底部，在所述结构中制造至少第一蚀刻端面；以及
在所述结构上的至少第一电极，
其中，所述外延半导体结构包括：
所述衬底上的下包覆层；
所述下包覆层上的有源层；
所述有源层上的第一上包覆层；
所述第一上包覆层上的湿法蚀刻停止层；
所述湿法蚀刻停止层上的第二上包覆层；
所述上包覆层上的接触层；
在所述脊条底部处包围所述脊条并延伸至所述蚀刻端面的蚀刻基面；以及
在所述蚀刻基面上毗邻所述蚀刻端面的壁部，藉此所述脊条在所述端面处比在所述底部处浅。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述蚀刻停止层是外延沉积的GaInAsP层。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述蚀刻脊条首先部分通过干法蚀刻然后再部分通过湿法蚀刻而形成。
4.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述衬底是InP。
5.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件是激光器。
6.如权利要求5所述的器件，其特征在于，所述结构还包括在该结构中制造的第二蚀刻端面。
7.如权利要求6所述的器件，其特征在于，所述激光器是边发射激光器。
8.如权利要求6所述的器件，其特征在于，所述激光器是水平腔面发射激光器。
9.一种光子器件，包括：
衬底；
包括所述衬底上的有源层和湿法蚀刻停止层的至少第一外延半导体结构，其中，在所述结构中形成蚀刻脊条，所述脊条具有在所述停止层处的底部，在所述结构中制造至少第一蚀刻端面，所述结构还包括在所述脊条底部处包围所述脊条并延伸至所述蚀刻端面的蚀刻基面以及在所述蚀刻基面上毗邻所述蚀刻端面的壁部，藉此所述脊条在所述端面处比在所述底部处浅；以及
在所述结构上的至少第一电极。
10.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述蚀刻停止层是GaInAsP。
11.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述蚀刻脊条首先部分通过干法蚀刻然后再部分通过湿法蚀刻而形成。
12.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述衬底是InP。
13.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述结构还包括在该结构中制造的第二蚀刻端面。
14.如权利要求13所述的器件，其特征在于，所述器件是激光器。
15.如权利要求14所述的器件，其特征在于，所述激光器是边发射激光器。
16.如权利要求14所述的器件，其特征在于，所述激光器是水平腔面发射激光器。
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