CN101969179A - 一种倒台型脊波导半导体激光器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种倒台型脊波导半导体激光器的制作方法。是在N型磷化铟衬底上外延InP缓冲层，下分别限制层，多量子阱层，上分别限制层，p型磷化铟薄层、化学腐蚀停止层和电极层，刻蚀直条状和侧立的“凸”字形两条SiO2沟，采用两步化学腐蚀法将脊条腐蚀为倒台形状，减小了激光器贴片工艺中脊条所受作用力，从而避免激光器的损坏。采用欠曝光光刻与干法刻蚀相结合工艺刻蚀激光器脊表面的光敏性苯并环丁烯树脂等，制作P面电极，减薄衬底，做N面电极，最后将外延片解成Bar条在端面镀光学膜。用本发明生产的激光器具有小的寄生电容、大的抗脊条应力容限和宽的调制带宽，适于高速光通信系统应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种倒台型脊波导半导体激光器的制作方法。
背景技术
半导体激光器的侧向载流子限制和光场限制方式，主要有脊波导(RWG)和掩埋异质结(BH)两种。BH结构由于侧向材料大的折射率差，形成强的折射率导引，可以对载流子和光场进行更好的限制，因而具有低的阈值电流、稳定的基横模工作以及良好的温度特性等优点；但BH结构需要进行多次外延生长，制作工艺复杂，成本高，可靠性风险大。RWG结构只需一次外延生长，工艺简单，且不破坏有源区；更重要的是，与BH结构相比，制作成本较低；此外，RWG结构激光器在宽工作温度范围、低寄生电容和高可靠性等方面也有潜在优势，因此受到众多公司和研究单位的广泛关注。
RWG结构激光器的脊波导，由腐蚀工艺的不同，可形成正台、直台(Vertical-Mesa)和倒台(Reversed-Mesa)形状的脊形结构。研究表明，相比于传统的直台结构激光器，倒台形状的RWG激光器具有更低的阈值电流、更小的串联电阻和热阻，以及更小的波导损耗等优点。但是通常由选择性化学腐蚀液腐蚀形成的倒台结构，其侧向腐蚀停止面为(111)A面，此面与生长方向的夹角约为36°；如此大的侧壁倾斜角度，使得在制作P面电极时，如果采用通常的平面溅射方法，则脊侧壁难以溅射上金属，因而使得脊上电极不能与压焊电极连通。因此，在实际制作中，需要将外延片倾斜一定角度溅射以保证倒台侧壁被溅射上金属。但当制作压焊电极一侧的沟道宽度较窄时，沟道外部未被腐蚀的区域将会阻挡金属溅射到倒台侧壁上；另一方面，如果采用较宽的沟道，虽然解决了脊侧壁金属溅射的问题，但在后续的激光器贴片工艺中，脊条会因承受较大的作用力而损伤，从而使激光器损坏。这就是本专利要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题，旨在提供一种具有小的寄生电容、大的抗脊条应力容限和宽的调制带宽，适于高速光通信系统应用的倒台型脊波导半导体激光器的制作方法。
本发明目的的实现方式为，一种倒台型脊波导半导体激光器的制作方法，具体步骤如下：
1)在N型磷化铟衬底上，依次生长InP缓冲层，下分别限制层，多量子阱层，上分别限制层，p型磷化铟薄层、p型铟镓砷磷选择化学腐蚀停止层、p型磷化铟覆盖层和p+铟镓砷电极层，制作出外延激光器结构，
2)利用等离子体化学气相沉积技术在外延片表面生长SiO2掩膜层，然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀SiO2两条沟，一条为直条状，一条为侧立的“凸”字形，再利用RIE刻蚀掉沟表面的InGaAs接触层，
3)采用两步化学腐蚀法将脊条腐蚀为倒台形状，
第一步化学腐蚀将沟道腐蚀成侧壁垂直的沟道图形，腐蚀液为HCl·H3PO4溶液，HCl∶H3PO4的体积比为1∶3，在包括脊条在内的沟道以外的表面涂覆光刻胶，接着采用第二步化学腐蚀，腐蚀液为HBr·H3PO4溶液，HBr∶H3PO4的体积比为1∶1，将脊条11腐蚀成倒台型脊波导结构，脊侧壁以外的沟道侧壁为垂直形状，
4)利用20％的KOH溶液去掉外延片表面光刻胶及利用10％的HF溶液腐蚀去掉表面的SiO2掩膜层，然后在腐蚀部分用等离子体化学气相沉积技术生长300nm的SiO2层，并用反应离子刻蚀去掉脊条上的SiO2，随后采用光敏性苯并环丁烯树脂平面化工艺，在外延片表面涂覆光敏性BCB16，其中脊条上的BCB厚度为3.5微米，接着采用欠曝光光刻工艺将脊上的BCB厚度去掉1.5微米，然后利用反应离子刻蚀技术，去掉脊上剩余的BCB，
5)利用电极图形光刻版制作出电极图形，采用带胶剥离技术制作P面电极，然后将衬底减薄至110μm，做N面电极，最后将外延片解成Bar条在端面镀光学膜。
本发明的显著特点在于：
1，将需要制作压焊电极脊条一侧的沟道制作成侧立的“凸”字形，使压焊电极块可以做在沟道凸头区域内，当倾斜溅射P面电极时，与凸头部分对应的脊条侧壁容易溅射上金属，从而保证了脊条上金属电极与压焊电极块的连接；压焊电极以外有尽量多的区域未被腐蚀，给激光器贴片时提供了另外的作用力点，减小了对脊条的单独作用力，从而避免激光器的损坏。
2、两步化学腐蚀法制作倒台型脊条。在第一步化学腐蚀时，腐蚀液将沟道侧壁均腐蚀为垂直的直台形状，第二步化学腐蚀时，利用光刻工艺将除脊条以外的沟道侧壁用光刻胶保护，这样当脊条由直台腐蚀为倒台时，“凸”字形沟道侧壁并未被腐蚀。因此通过两步化学腐蚀法，既可以将脊条腐蚀为倒台形状，又保证了脊条以外的沟道侧壁垂直而不易受外作用力塌陷，使得在激光器贴片时有除脊条以外的作用力点，减小了脊条所承受的作用力，从而避免激光器损坏。
3、采用了BCB平面化工艺，在脊两侧沟道里填充BCB，可以起到减轻倒台型脊结构所受应力的作用，提高激光器的可靠性；压焊电极制作在厚BCB胶上还可以起到减小激光器寄生电容的作用，有利于激光器获得更大的调制带宽。
利用欠曝光光刻与干法刻蚀相结合的方法去除脊条表面的BCB，欠曝光光刻工艺既可以去除脊上的光敏特性不够稳定的部分BCB，又保留了脊以外的BCB胶厚度，使脊侧壁不会因过曝光而失去BCB保护；干法刻蚀去除脊上剩余的BCB胶，保证脊表面干净以制作P面接触电极。
用本发明生产的激光器具有小的寄生电容、大的抗脊条应力容限和宽的调制带宽，适于高速光通信系统应用。
附图说明
图1是本发明制作的实施例的外延结构图，
图2是本发明脊波导两侧沟道形状俯视图，
图3是本发明制作实施例，在第二步化学腐蚀后脊波导剖面图异质结P-区示意图，
图4是本发明制作的脊波导激光器剖面图。
具体实施方式
本发明是在n型磷化铟衬底上外延激光器所需的多层次外延层、在外延片上制作非对称沟道图形、采用两步化学腐蚀法制作倒台型脊条、采用欠曝光光刻与干法刻蚀相结合工艺刻蚀激光器脊表面的光敏性苯并环丁烯树脂(BCB)等。
下面参照附图，用一具体实施例详述本发明。
参照图1，本发明的步骤一是在N型磷化铟(InP)衬底1上，采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法生长InP缓冲层2，晶格匹配的铟镓砷磷(InGaAsP)下限制层3，应变多量子阱层4、晶格匹配的InGaAsP上分别限制层5，厚度为70nm的p型InP层6，厚度为20nm的p型InGaAsP选择性化学腐蚀停止层7，厚度为1.5微米的p型InP上覆盖层8，厚度为0.1微米的高掺杂p型铟镓砷(InGaAs)接触层9。应变多量子阱层4有9对量子阱，阱宽5nm，1％压应变，垒宽8.5nm，0.5％张应变，多量子阱PL波长1283nm。
步骤二是利用等离子体化学气相沉积技术生长250nm厚的SiO2掩膜层10，然后利用反应离子刻蚀(RIE)技术刻蚀SiO2形成两条沟道，两条沟道间的脊条11宽度为3.5-5μm，直条状沟道12宽5-30μm，侧立的“凸”字形沟道13底宽10-40μm、凸头宽40-120μm、凸头长60-200μm。再利用RIE刻蚀掉表面的InGaAs接触层。
图2中的两条沟道间的脊条宽度4μm，直条状沟道12宽15μm，侧立的“凸”字形沟道13底宽30μm、凸头宽65μm、凸头长120μm。
本发将明脊条两侧的沟道不是按传统的制作成对称直条形状，而是将需要制作压焊电极一侧的沟道制作成侧立的“凸”字形。由于化学腐蚀液腐蚀形成的倒台结构，其侧向的腐蚀停止面为(111)A面，此面与生长方向的夹角约为36°，这样大的侧壁倾斜角度使得在制作P面电极时，如果采用通常的平面溅射方法，则脊侧壁难以溅射上金属，而使得脊条上的电极不能与压焊电极连接，因此需要将外延片倾斜一定角度溅射以保证倒台侧壁被溅射上金属。如采用传统的对称直条形状沟道，当沟道宽度较窄时，沟道外部未被腐蚀的区域将会阻挡金属溅射到倒台侧壁上，影响器件的欧姆接触，此外对BCB平面化工艺的实现也会造成困难。而当沟道宽度较宽时，虽然解决了脊侧壁金属溅射的问题，但在后续的激光器共晶贴片工艺中，又会因为脊条以外大范围内没有支撑点而造成机械强度下降，脊条承受较大的应力和温度冲击后极易失效。
采用侧立的“凸”字图形的沟道，可以解决上述问题，这是因为：a压焊电极块可以做在沟道较宽的区域内，当倾斜溅射P面电极时，与沟道凸头部分对应的脊侧壁容易溅射上金属，从而保证了脊上金属电极与压焊电极块的连接。
参照图3，采用两步化学腐蚀法将脊条腐蚀为倒台形状。
第一步化学腐蚀将沟道腐蚀成侧壁垂直的沟道图形，腐蚀液为HCl·H3PO4溶液，HCl∶H3PO4的体积比为1∶3。随后利用光刻工艺，使包括脊条在内的沟道部分没有光刻胶，而以外的表面有光刻胶14保护，接着采用第二步化学腐蚀。腐蚀液为HBr·H3PO4溶液，HBr∶H3PO4的体积比为1∶1。将侧壁垂直的脊条11腐蚀成如图3所示的倒台型脊波导结构，而远离脊条的沟槽边沿由于受到光刻胶保护，侧壁仍为垂直形状。
本发明提出了两步化学腐蚀法制作倒台型脊条。如果采用一步化学腐蚀法将脊条波导结构腐蚀成倒台形状，则如前所述的“凸”字形沟道侧壁均为倒台形状，而由于腐蚀倒台的化学腐蚀液对(011)方向(沿脊条方向)的腐蚀速率远大于(01-1)方向(垂直于脊条方向)，这样当脊条被腐蚀成倒台的同时，“凸”字形沟道沿着(01-1)方向的两条侧壁所形成的倒台倾斜角度更大，在实际生产过程中，这两条侧壁会较容易受到外作用力而塌陷，在激光器贴片工艺中也无法起到提供另外支撑点的作用。而采用两步化学腐蚀法，解决了上述问题。在第一步化学腐蚀时，利用HCl∶H3PO4的腐蚀液将沟道侧壁均腐蚀为垂直的直台形状，而在第二步化学腐蚀时，利用光刻工艺将除脊条以外的沟道侧壁用光刻胶保护，这样当脊条由直台腐蚀为倒台时，“凸”字形沟道侧壁并未被腐蚀。因此通过两步化学腐蚀法，既可以将脊条腐蚀为倒台形状，又保证了脊条以外的沟道侧壁垂直而不易受外作用力塌陷，使得在激光器贴片时有除脊条以外的作用力点，减小了脊条所承受的作用力，从而避免激光器损坏。
参照图4，本发明的步骤4是利用20％的KOH溶液去掉外延片表面光刻胶及利用10％的HF溶液腐蚀去掉表面的SiO2掩膜层10。然后在腐蚀部分用等离子体化学气相沉积法生长300nm的SiO2层15，并用RIE刻蚀去掉脊条上的SiO2，随后采用苯并环丁烯树脂(BCB)平面化工艺，在外延片表面涂覆光敏性BCB16，其中脊上的BCB厚度为3.5微米，接着采用欠曝光光刻工艺将脊上的BCB厚度去掉1.5微米，然后利用反应离子刻蚀，去掉脊上剩余的BCB。
采用了BCB平面化工艺，并利用欠曝光光刻与干法刻蚀相结合的方法去除脊条表面的BCB，而除脊条以外的外延片表面部分用BCB覆盖。由于BCB光敏特性不够稳定，先采用欠曝光光刻工艺既可以去除脊上的部分BCB，又保留了脊条以外的BCB胶厚度，同时使得脊条侧壁不会因过曝光而失去BCB保护。随后采用干法刻蚀去除脊上剩余的BCB胶，保证脊表面干净以制作P面接触电极。
采用BCB平面化工艺的优点有：
a、由于倒台型脊波导结构受到的应力较大，因此在实际应用中易受到外力损伤，而在脊两侧沟道里填充BCB，可以起到减轻倒台型脊结构所受应力的作用，提高激光器的可靠性；
b、由于BCB的介电常数远小于III-V化合物半导体的介电常数，因此将压焊电极制作在厚BCB胶上还可以起到减小激光器寄生电容的作用，有利于激光器获得更大的调制带宽。
本发明的步骤5是利用电极图形光刻版制作出电极图形，采用带胶剥离技术制作P面电极，然后将衬底减薄至110μm，做N面电极。最后将外延片解成Bar条在端面镀光学膜。
Claims (3)
1.一种倒台型脊波导半导体激光器的制作方法，其特征在于具体步骤如下：
1)在N型磷化铟衬底上，依次生长InP缓冲层，下分别限制层，多量子阱层，上分别限制层，p型磷化铟薄层、p型铟镓砷磷选择化学腐蚀停止层、p型磷化铟覆盖层和p+铟镓砷电极层，制作出外延激光器结构，
2)利用等离子体化学气相沉积技术在外延片表面生长SiO2掩膜层，然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀SiO2两条沟，一条为直条状，一条为侧立的“凸”字形，再利用RIE刻蚀掉沟表面的InGaAs接触层，
3)采用两步化学腐蚀法将脊条腐蚀为倒台形状，
第一步化学腐蚀将沟道腐蚀成侧壁垂直的沟道图形，腐蚀液为HCl·H3PO4溶液，HCl∶H3PO4的体积比为1∶3，在包括脊条在内的沟道以外的表面涂覆光刻胶，接着采用第二步化学腐蚀，腐蚀液为HBr·H3PO4溶液，HBr∶H3PO4的体积比为1∶1，将脊条11腐蚀成倒台型脊波导结构，脊侧壁以外的沟道侧壁为垂直形状，
4)利用20％的KOH溶液去掉外延片表面光刻胶及利用10％的HF溶液腐蚀去掉表面的SiO2掩膜层，然后在腐蚀部分用等离子体化学气相沉积技术生长300nm的SiO2层，并用反应离子刻蚀去掉脊条上的SiO2，随后采用光敏性苯并环丁烯树脂平面化工艺，在外延片表面涂覆光敏性BCB16，其中脊条上的BCB厚度为3.5微米，接着采用欠曝光光刻工艺将脊上的BCB厚度去掉1.5微米，然后利用反应离子刻蚀技术，去掉脊上剩余的BCB，
5)利用电极图形光刻版制作出电极图形，采用带胶剥离技术制作P面电极，然后将衬底减薄至110μm，做N面电极，最后将外延片解成Bar条在端面镀光学膜。
2.根据权利要求1所述的一种倒台型脊波导半导体激光器的制作方法，其特征在于应变多量子阱层(4)有9对量子阱，阱宽5nm，1％压应变，垒宽8.5nm，0.5％张应变，多量子阱PL波长1283nm，p型InP层(6)厚70nm，p型InGaAsP选择性化学腐蚀停止层(7)厚20nm，p型InP上覆盖层(8)厚1.5微米，高掺杂p型铟镓砷(InGaAs)接触层(9)厚0.1微米。
3.根据权利要求1所述的一种倒台型脊波导半导体激光器的制作方法，其特征在于两条沟道间的脊条(11)宽度为3.5-5μm，直条状沟道(12)为平行于脊条的直条形状，宽度为5-30μm，侧立的“凸”字形沟道(13)底宽10-40μm、底长200-400μm、凸头宽40-120μm、凸头长60-200μm。
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