CN104882788A - 制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法 - Google Patents

Abstract

一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，包括如下步骤：步骤1：在一量子级联激光器外延片上制备掩模层；步骤2：采用光刻的方法在掩模层制备图形，开出窗口；步骤3：使用非选择性腐蚀液，腐蚀腐蚀掉窗口内量子级联激光器外延片的盖层，暴露出有源层；步骤4：使用选择性腐蚀液，腐蚀掉暴露出的有源层，暴露出衬底；步骤5：再使用非选择性腐蚀液，腐蚀窗口的侧壁及衬底的表面，获得平滑的脊型波导侧壁，完成制备。本发明明显增大了脊表面宽度与有源区宽度的比值，减小了光学模式与表面等离激元之间的损耗，改善了器件的散热，从而提高了器件性能。同时此技术显著降低了工艺中套刻电注入窗口的难度且并没有增加工艺成本。

Description

制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法。该结构的独特之处在于通过分步湿法腐蚀技术制备出脊表面宽度与有源区宽度的比值很高的量子级联激光器脊型波导图形，使用这种结构制作的量子级联激光器能够降低有源区的波导损耗、提高有源区的散热能力，而且可以降低工艺难度并且不会增加工艺成本。

背景技术

量子级联激光器的发明是半导体激光器领域里程碑的发展，开创了中远红外至太赫兹波段的半导体激光新领域，在红外对抗、毒品和爆炸物检测、环境污染监测、太赫兹成像等方向有广泛的应用前景。量子级联激光器的制备工艺中非常重要的一个技术环节就是双沟脊型波导结构的获得，此结构可以实现器件的光学和电学限制、散热等。目前，该结构均采用湿法腐蚀和干法刻蚀技术来完成。湿法腐蚀成本较低，但常规的湿法腐蚀侧蚀严重，侧蚀量几乎与腐蚀深度相同，而在通常情况下有源区和波导层的总厚度超过5.5微米，为了实现光限制和有效的侧向散热，要求的腐蚀深度必须大于有源区和波导层的总厚度，因此腐蚀出图形的有源区宽度要比表面脊的宽度大许多，即脊表面宽度与有源区宽度的比值很小。由此带来的后果是：1)会增加光学模式与表面等离激元之间的损耗；2)影响器件的散热；3)电注入窗口的套刻困难。采用干法刻蚀的方法虽然能够刻蚀出比较理想的有源脊形状，但是制备成本高，且侧壁较粗糙会增加器件的波导损耗，所以不常使用。因此，如何利用湿法腐蚀技术制备出较为光滑陡直侧壁的量子级联激光器脊型波导结构对未来高性能量子级联激光器的发展具有很重要的价值。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明提供一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法。该方法通过将选择性腐蚀液与非选择性腐蚀液交替使用腐蚀量子级联激光器材料，从而获得较陡直平滑侧面的双沟脊型波导结构。明显增大了脊表面宽度与有源区宽度的比值，减小了光学模式与表面等离激元之间的损耗，改善了器件的散热，从而提高了器件性能。同时此技术显著降低了工艺中套刻电注入窗口的难度且并没有增加工艺成本。

本发明提供一种一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，包括如下步骤：

步骤1：在一量子级联激光器外延片上制备掩模层；

步骤2：采用光刻的方法在掩模层制备图形，开出窗口；

步骤3：使用非选择性腐蚀液，腐蚀腐蚀掉窗口内量子级联激光器外延片的盖层，暴露出有源层；

步骤4：使用选择性腐蚀液，腐蚀掉暴露出的有源层，暴露出衬底；

步骤5：再使用非选择性腐蚀液，腐蚀窗口的侧壁及衬底的表面，获得平滑的脊型波导侧壁，完成制备。

从上述技术方案可以看出，本发明提供一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法。具有以下有益效果：

获得陡直平滑侧面的双沟脊型波导结构；

明显增大了脊表面宽度与有源区宽度的比值，减小了光学模式与表面等离激元之间的损耗；

在限定有源区宽度的要求下，明显增大了脊表面宽度，使得电注入面积增大，电流密度减小，从而可以有效减小器件发热；

脊表面宽度的增加，降低了开电注入窗口位置精度的要求，减小了工艺难度。

附图说明

为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为本发明的实施例，双沟脊型结构量子级联激光器的截面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明提供一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，包括如下步骤：

步骤1：在一量子级联激光器外延片10上制备掩模层4，所述量子级联激光器外延片10依次包括一衬底1、一有源层2和一盖层3，所述衬底1的材料为InP；有源层2的材料为交替生长的InGaAs和InAlAs；盖层3的材料为InGaAs，所述制备掩膜层4，是先将光刻胶涂覆在量子级联激光器外延片10上，再通过曝光显影将光刻版上的激光器条形图型复制到量子级联激光器外延片10上，掩模层4是采用光刻胶：S1805，厚度为300-600nm；

步骤2：采用光刻的方法在掩模层4制备图形，开出窗口11；

步骤3：使用非选择性腐蚀液，腐蚀掉窗口11内量子级联激光器外延片10的盖层3，暴露出有源层2，并确定侧蚀后激光器的脊宽。非选择性腐蚀液的配比为HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10，腐蚀温35℃，腐蚀InGaAs、InAlAs、InP，腐蚀速率几乎相同，-1μm/min(35℃)，腐蚀过程中控制腐蚀深度与侧蚀量确定脊宽；

步骤4：使用选择性腐蚀液，腐蚀掉暴露出的有源层2，暴露出衬底1，所述选择性腐蚀液的配比为H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6，在恒温条件下(如20-23℃)有恒定的腐蚀速率，-1μm/min。该腐蚀液腐蚀InGaAs、InAlAs与腐蚀InP材料相比具有高的选择性，能够实现选择腐蚀的目的，并且腐蚀液配制方便，具有很好的重复性

步骤5：最后再使用非选择性腐蚀液HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10(恒温-35℃)，腐蚀窗口11的侧壁及衬底1的表面，将经过选择腐蚀后的侧壁进一步腐蚀，使侧壁更加平滑。即得到了如图2所示的双沟脊型结构量子级联激光器截面完成制备。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，有了清楚的认识。

以下详细说明上述所提供的一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法的依据：非选择性腐蚀液的为HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10，腐蚀温35℃，腐蚀InGaAs、InAlAs、InP，腐蚀速率几乎相同，-1μm/min(35℃)。选择性腐蚀液配比为H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6，在恒温条件下(如20-23℃)有恒定的腐蚀速率，-1μm/min，该腐蚀液腐蚀InGaAs、InAlAs与腐蚀InP材料相比具有高的选择性，能够实现选择腐蚀的目的，并且腐蚀液配制方便，具有很好的重复性。结合图2量子级联激光器结构图衬底1为InP材料；有源层2为InGaAs、InAlAs材料；最上层帽层3为InP、InGaAs材料。当采用非选择性腐蚀液腐蚀帽层3后使用选择性腐蚀液腐蚀有源层2时，腐蚀液不腐蚀盖层3，从而3的宽度不变；也不腐蚀衬底1。

综上所述，本发明提供了一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，该方法结合量子级联激光器波导结构通过将选择性腐蚀液与非选择性腐蚀液交替使用，腐蚀量子级联激光器材料，从而获得陡直平滑侧面的双沟脊型波导结构。明显增大了脊表面宽度与有源区宽度的比值，减小了光学模式与表面等离激元之间的损耗，改善了器件的散热。从而提高了器件性能。同时降低了工艺难度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，包括如下步骤：

步骤1：在一量子级联激光器外延片上制备掩模层；

步骤2：采用光刻的方法在掩模层制备图形，开出窗口；

步骤3：使用非选择性腐蚀液，腐蚀腐蚀掉窗口内量子级联激光器外延片的盖层，暴露出有源层；

步骤4：使用选择性腐蚀液，腐蚀掉暴露出的有源层，暴露出衬底；

步骤5：再使用非选择性腐蚀液，腐蚀窗口的侧壁及衬底的表面，获得平滑的脊型波导侧壁，完成制备。

2.根据权利要求1所述的制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，其中量子级联激光器外延片依次包括一衬底、一有源层和一盖层。

3.根据权利要求2所述的制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，其中衬底的材料为InP；有源层的材料为交替生长的InGaAs和InAlAs；盖层的材料为InGaAs。

4.根据权利要求1所述的制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，其中制备掩膜层，是先将光刻胶涂覆在量子级联激光器外延片上，再通过曝光显影将光刻版上的激光器条形图型复制到量子级联激光器外延片上，掩模层是采用光刻胶：S1805，厚度为300-600nm。

5.根据权利要求1所述的制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，其中非选择性腐蚀液的配比为HNO₃∶HBr∶H₂O＝1∶1∶10，腐蚀温35℃，腐蚀速率为1μm/min。

6.根据权利要求1所述的制备高选择比量子级联激光器脊波导结构的湿法腐蚀方法，其中选择性腐蚀液的配比为H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6，在恒温条件下的腐蚀速率为1μm/min。