CN106785911B - 窄脊半导体器件的制备方法 - Google Patents

窄脊半导体器件的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种窄脊半导体器件的制备方法，包括以下步骤：外延生长形成半导体外延片，在半导体外延片上依次形成一二氧化硅掩膜及一第一光刻胶掩膜，并光刻形成周期性的第一窗口；干法刻蚀去除第一窗口区的二氧化硅掩膜及部分外延层，形成窄脊结构；在形成的窄脊结构的上表面形成一第二光刻胶掩膜，并光刻形成脊型窗口；用选择性腐蚀液去除第一窗口区外剩余的二氧化硅掩膜，完成器件制备。本发明的制备方法在用选择性腐蚀液腐蚀去除脊型波导结构表面残存的二氧化硅时，选择性腐蚀液只与残存的二氧化硅和第二光刻胶掩膜接触，从而避免了在腐蚀去除残存二氧化硅的过程中脊型结构从本体上的脱落；制备的器件性能及良品率高，能够实现良好的光输出。

Description

窄脊半导体器件的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种窄脊半导体器件的制备方法。
背景技术
半导体激光器在光纤通讯领域有着广泛的应用。一般的半导体激光器在制备工艺中都是选择湿法腐蚀的方法进行相应的腐蚀工艺，但是在制作条宽接近甚至小于4μm的窄脊激光器时，由于常用的腐蚀液对砷化镓材料体系腐蚀时的各向异性，导致脊型截面为正梯形或倒梯形，因此无法获得垂直的脊型侧壁，满足不了器件的要求。因此有采用干法刻蚀与湿法腐蚀相结合的方法来制作脊波导结构的，其详细操作为在干法刻蚀过程中先生长300～500nm厚的二氧化硅，然后用感应耦合等离子体刻蚀等方法刻蚀二氧化硅，进而以二氧化硅作为掩膜干法刻蚀脊波导结构，然后利用湿法腐蚀对外延片进行轻微腐蚀，以求获得更加平滑的表面。当干法刻蚀与湿法腐蚀完成后，需要将脊型波导结构上面残存的二氧化硅去除干净，常规的方法是用含氢氟酸的腐蚀液腐蚀二氧化硅，但是此方法存在一些问题，如腐蚀液对上包覆层、上波导层甚至有源区都存在一定程度的腐蚀作用，导致脊型波导结构从本体上脱落下来，从而降低了器件的性能及良品率。因此，选择一种合适的方法去除残存的二氧化硅，进而制备出窄脊半导体激光器就显得尤为重要。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提出一种窄脊半导体器件的制备方法，用于解决上述技术问题的至少之一。
为了达到上述目的，本发明提出了一种窄脊半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、外延生长形成半导体外延片，在半导体外延片上依次形成一二氧化硅掩膜及一第一光刻胶掩膜，并光刻形成周期性的第一窗口；
步骤2、干法刻蚀去除第一窗口区的二氧化硅掩膜及部分外延层，形成窄脊结构；
步骤3、在形成的窄脊结构的上表面形成一第二光刻胶掩膜，并光刻形成脊型窗口；
步骤4、用选择性腐蚀液去除第一窗口区外剩余的二氧化硅掩膜，完成器件制备。
进一步地，在上述步骤2和步骤3之间，还包括采用非选择性腐蚀液对干法刻蚀后的器件结构进行腐蚀。
进一步地，上述步骤4中去除第一窗口区外剩余的二氧化硅掩膜后，对器件进行清洗去除第二光刻胶掩膜，完成器件的制备。
进一步地，上述选择性腐蚀液为含氢氟酸的溶液。
进一步地，上述半导体器件为半导体激光器。
进一步地，上述半导体外延片包括依次叠置的一上波导层、一上接触层和一上包覆层，步骤2中干法刻蚀去除的部分外延层为上接触层和上包覆层。
进一步地，上述二氧化硅掩膜的厚度为300～500nm，采用等离子体增强化学气相沉积或磁控溅射的方法形成二氧化硅掩膜。
进一步地，上述步骤1中第一光刻胶掩膜的厚度为1.0～2.0μm，相邻两个第一窗口区间的距离为2～4μm。
进一步地，上述步骤3中第二光刻胶掩膜的厚度为1.0～2.0μm，脊型窗口的宽度为1～2μm。
进一步地，上述第一光刻胶掩膜为正光刻胶，第二光刻胶掩膜为负光刻胶。
从上述技术方案可以看出，本发明提出的窄脊半导体器件的制备方法，具有以下有益效果：
1、本发明在完成干法刻蚀和湿法腐蚀后的器件表面形成一层具有脊型窗口的第二光刻胶掩膜，这样在用选择性腐蚀液腐蚀去除脊型波导结构表面残存的二氧化硅时，选择性腐蚀液只与残存的二氧化硅与第二光刻胶掩膜接触，选择性腐蚀液并不与器件外延结构接触，从而避免了在腐蚀去除残存二氧化硅的过程中脊型结构从本体上的脱落；
2、采用本发明提出的制备方法制备得到的窄脊半导体器件，其器件的性能及良品率高，能够实现良好的光输出。
附图说明
图1是本发明实施例中窄脊半导体激光器外延片的结构示意图。
图2是本发明实施例中窄脊半导体激光器第一光刻板的示意图；
图3是本发明实施例中涂覆第一光刻胶形成第一窗口区后窄脊半导体激光器的截面图；
图4是本发明实施例中干法刻蚀二氧化硅后窄脊半导体激光器的截面图；
图5是本发明实施例中干法刻蚀上接触层和上包覆层后窄脊半导体激光器的截面图；
图6是本发明实施例中窄脊半导体激光器第二光刻板的示意图；
图7是本发明实施例中完成步骤3后窄脊半导体激光器的截面图；
图8是本发明实施例中完成制备的窄脊半导体激光器的截面图；
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种窄脊半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、外延生长形成半导体外延片，在半导体外延片上依次形成一二氧化硅掩膜及一第一光刻胶掩膜，并光刻形成周期性的第一窗口；
步骤2、干法刻蚀去除第一窗口区的二氧化硅掩膜及部分外延层，形成窄脊结构；
步骤3、在形成的窄脊结构的上表面形成一第二光刻胶掩膜，并光刻形成脊型窗口；
步骤4、用选择性腐蚀液去除第一窗口区外剩余的二氧化硅掩膜，完成器件制备。
在上述步骤2和步骤3之间，还包括采用非选择性腐蚀液对干法刻蚀后的器件结构进行腐蚀，以获得更加平滑的脊型波导侧壁。
上述步骤4中去除第一窗口区外剩余的二氧化硅掩膜后，对器件进行清洗去除第二光刻胶掩膜，完成器件的制备。
优选地，上述选择性腐蚀液为含氢氟酸的溶液。
上述半导体器件为半导体激光器、半导体发光二极管、半导体探测器或高电子迁移率晶体管。
优选地，上述半导体器件为半导体激光器，其外延片包括依次叠置的一上波导层、一上接触层和一上包覆层，步骤2中干法刻蚀去除的部分外延层为上接触层和上包覆层。
优选地，上述二氧化硅掩膜的厚度为300～500nm，采用等离子体增强化学气相沉积或磁控溅射的方法形成二氧化硅掩膜。
优选地，上述步骤1中第一光刻胶掩膜的厚度为1.0～2.0μm，相邻两个第一窗口区间的距离为2～4μm，优选地，第一窗口区的周期为350μm。
优选地，上述步骤3中第二光刻胶掩膜的厚度为1.0～2.0μm，脊型窗口的宽度为1～2μm；优选地，脊型窗口的周期与所述第一窗口区的周期相等为350μm。
优选地，上述第一光刻胶掩膜为正光刻胶，第二光刻胶掩膜为负光刻胶。
此处以窄脊半导体激光器为例，本发明在腐蚀脊波导上残余的二氧化硅时，不是采取直接用腐蚀液腐蚀的方法，而是选择在外延片上制备掩膜，先将光刻胶涂覆在腐蚀后的片子表面，再通过曝光将光刻版上的条宽为1.0～2.0μm的窗口条形图形复制到2.0～4.0μm的脊波导上面，使新的条形结构与原来的脊型结构平行，并且刚好处于脊波导的中间位置，通过显影的方式得到所需要的图形；然后用含氢氟酸的选择性腐蚀液腐蚀二氧化硅，腐蚀液沿着窗口进入并开始腐蚀二氧化硅，在光刻胶与上接触层的保护下，有源区上方的上包覆层、上波导层并没有接触到腐蚀液，腐蚀液只腐蚀残留的二氧化硅，进而能有效地保护上包覆层、上波导层和有源区，成功制备出窄脊半导体器件激光器，实现良好的光输出。
以下通过具体实施例对本发明提出的窄脊半导体器件的制备方法进行详细描述。
实施例
本实施例提出了一种窄脊半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、外延生长形成半导体外延片，在半导体外延片上依次形成一二氧化硅掩膜及一第一光刻胶掩膜，并光刻形成周期性的第一窗口；
步骤2、干法刻蚀去除第一窗口区的二氧化硅掩膜及部分外延层，形成窄脊结构；
步骤3、在形成的窄脊结构的上表面形成一第二光刻胶掩膜，并光刻形成脊型窗口；
步骤4、用选择性腐蚀液去除第一窗口区外剩余的二氧化硅掩膜，完成器件制备。
本实施例以窄脊半导体激光器为例，对上述制备方法进行详细说明。
步骤1具体包括以下步骤：
步骤1-1、如图1所示，在350μm的GaAs衬底1上依次外延生长500nm的n-GaAs下缓冲层2、1.5μm的n-Al0.7Ga0.3As下覆盖层3、200nm的AlxGa1-xAs下波导层4(其中Al组分x由0.7～0.1渐变)、370nm的InAs/GaAs多量子点有源区5、200nm的AlxGa1-xAs上波导层6(其中Al组分x由0.1～0.7渐变)、1.5μm的p-Al0.7Ga0.3As上包覆层7和250nm的p-GaAs上接触层8，形成窄脊半导体激光器的外延片；
步骤1-2、用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，在200～400℃条件下在半导体激光器外延片的上表面生长300nm的二氧化硅掩膜9；
步骤1-3、将第一光刻胶10涂覆在二氧化硅掩膜9的上表面，并通过光刻曝光显影将如图2所示的光刻版复制到二氧化硅掩膜9的上表面形成第一窗口区，其中第一光刻胶为正光刻胶，其厚度为1.0μm，光刻板条宽为4μm，即相邻两个第一窗口区间的距离为4μm，周期为350μm，形成第一窗口区后的器件如图3所示；
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2-1、采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)方法，在二氧化硅掩膜9上刻蚀出如图4所示的脊型图形结构；
步骤2-2、将步骤2-1中器件的正面用热熔胶粘在玻璃板上，用异丙醇棉球擦拭外延片背面及四周，再用异丙醇浸泡若干小时，清洗片子；
步骤2-3、对清洗后的片子采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)的方法，以二氧化硅掩膜9上的脊型图形结构为掩膜，继续刻蚀p-GaAs上接触层8、p-AlGaAs上包覆层7至要求的深度；刻蚀后的器件结构如图5所示；
步骤2-4、采用低浓度的非选择性腐蚀液腐蚀步骤2-3中刻蚀后的器件结构若干秒，其中腐蚀温度为0～40℃，最后通过台阶仪测试/校准腐蚀深度并做清洁处理；
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1、将第二光刻胶11涂覆在步骤2-4中腐蚀后的片子表面，其中第二光刻胶为负光刻胶，其厚度为1μm；
步骤3-2、通过光刻曝光显影将如图6所示的光刻版图形复制到第二光刻胶掩膜11上形成脊型窗口；其中光刻板条宽为2μm，即脊型窗口的宽度为2μm宽，并且应保证2μm宽的窗口落在4μm脊的中间部位，完成后的器件结构如图7所示；
步骤4具体包括以下步骤：
步骤4-1、在20～50℃条件下用含氢氟酸的选择性腐蚀液腐蚀脊波导上剩余的二氧化硅9，腐蚀液沿着2μm宽的脊型窗口进入，开始腐蚀二氧化硅9，腐蚀一段时间后在显微镜下检查，直至二氧化硅腐蚀干净；
步骤4-2、对器件进行清洗去除第二光刻胶掩膜11，形成如图8所示的结构，完成器件的制备。
综上所述，本实施例提出的窄脊半导体激光器的制备方法使用光刻胶有效地保护了上包覆层、上波导层和有源区不被腐蚀，获得了较完整的脊型结构，为制作窄脊单模激光器提供了基础。
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，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 (10)

1.一种窄脊半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、外延生长形成半导体外延片，在所述半导体外延片上依次形成一二氧化硅掩膜及一第一光刻胶掩膜，并光刻形成周期性的第一窗口；
步骤2、干法刻蚀去除第一窗口区的二氧化硅掩膜及部分外延层，形成窄脊结构；
步骤3、在形成的窄脊结构的上表面形成一第二光刻胶掩膜，并光刻形成脊型窗口；
步骤4、用选择性腐蚀液去除第一窗口区外剩余的二氧化硅掩膜，完成器件制备。
2.如权利要求1所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，在所述步骤2和步骤3之间，还包括采用非选择性腐蚀液对所述干法刻蚀后的器件结构进行腐蚀。
3.如权利要求1所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，所述步骤4中去除第一窗口区外剩余的二氧化硅掩膜后，对器件进行清洗去除所述第二光刻胶掩膜，完成器件的制备。
4.如权利要求1所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，所述选择性腐蚀液为含氢氟酸的溶液。
5.如权利要求1所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，所述半导体器件为半导体激光器。
6.如权利要求5所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，所述半导体外延片包括依次叠置的一上波导层.一上接触层和一上包覆层，所述步骤2中干法刻蚀去除的部分外延层为上接触层和上包覆层。
7.如权利要求1所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅掩膜的厚度为300～500nm，采用等离子体增强化学气相沉积或磁控溅射的方法形成所述二氧化硅掩膜。
8.如权利要求1所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，所述步骤1中第一光刻胶掩膜的厚度为1.0～2.0μm，相邻两个所述第一窗口区间的距离为2～4μm。
9.如权利要求8所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，所述步骤3中第二光刻胶掩膜的厚度为1.0～2.0μm，所述脊型窗口的宽度为1～2μm。
10.如权利要求1所述的窄脊半导体器件的制备方法，其特征在于，所述第一光刻胶掩膜为正光刻胶，所述第二光刻胶掩膜为负光刻胶。
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