CN113422289B

CN113422289B - 通信激光器半导体芯片及其制作方法

Info

Publication number: CN113422289B
Application number: CN202110559363.9A
Authority: CN
Inventors: 游顺青; 许海明
Original assignee: Hubei Guanganlun Chip Co ltd
Current assignee: Hubei Guanganlun Chip Co ltd
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2041-05-21
Also published as: CN113422289A

Abstract

本发明涉及通信芯片半导体技术领域，提供了一种通信激光器半导体芯片的制作方法，包括如下步骤：S1，将待端面镀膜的晶圆进行解条夹条得到Bar条，并进行处理；S2，处理完后在待镀Bar条的出光腔面依次镀三层高透过膜系，三层所述高透过膜系分别为第一Si膜、第一SiO膜以及第一SiO₂：H膜；S3，在完成出光腔面的镀膜后，接着对待镀Bar条的背光腔面依次镀四层高反射膜系，三层高反射膜系分别为第二SiO膜、第二Si膜、第二SiO₂：H膜以及第三Si膜。还提供一种通信激光器半导体芯片，由上述的通信激光器半导体芯片的制作方法制得。本发明端面膜系采用纯Si系多层膜能有效提升膜层间的晶格匹配度，减少因晶格失配比高造成的激子、缺陷和晶格振动进而影响光吸收系数。

Description

通信激光器半导体芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及通信芯片半导体技术领域，具体为一种通信激光器半导体芯片及其制作方法。

背景技术

目前通信激光器半导体芯片的制程都较为成熟，随着芯片产业的革新及升级，行业对通信芯片的速率及使用寿命提出更高要求，为了提升芯片的可靠性，需对芯片制程中的要求更为苛刻，端面镀膜属于芯片制程末端，对产品可靠性影响较为突出，腔面的缺陷、膜层生长能量、膜层致密性、膜层界面晶格失配比、材料的光吸收等都会对产品可靠性造成直接或间接的影响，特别针对高速率含Al的半导体材料，由于含Al的材料发光效率及高温特性，如发光有源区普遍采用InGaAlAs的半导体材料，被广泛用于高速率产品，但Al的氧化问题对产品可靠性带来较大挑战，氧化造成的缺陷或错位易造成载流子非辐射复合，芯片能耗增加温度升高，禁带宽度降低，进而可靠性变差，损伤阈值降低；另外随着芯片工作环境的多样化，能够在不同恶劣环境下保证有效的可靠性也显得非常重，如高温或低温环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通信激光器半导体芯片及其制作方法，通过镀多层膜进一步提升产品的可靠性，提升膜层致密性，降低腔面缺陷及吸收，较少膜层见的晶格散射及失配比，提升膜层的热传导性，降低光吸收，同时多层膜能增加不同波长的增透带宽，防止因环境温度的变化引起波长红移蓝移造成的出光异常影响，环境适应能力强。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种通信激光器半导体芯片的制作方法，包括如下步骤：

S1，将待端面镀膜的晶圆进行解条夹条得到Bar条，并进行处理；

S2，处理完后在待镀Bar条的出光腔面依次镀三层高透过膜系，三层所述高透过膜系分别为第一Si膜、第一SiO膜以及第一SiO₂：H膜；

S3，在完成出光腔面的镀膜后，接着对待镀Bar条的背光腔面依次镀四层高反射膜系，四层所述高反射膜系分别为第二SiO膜、第二Si膜、第二SiO₂：H膜以及第三Si膜。

进一步，在所述S2步骤中，所述第一Si膜的厚度在10～25nm之间，所述第一SiO膜的厚度在90～120nm之间，所述第一SiO₂：H膜的厚度在70～90nm之间。

进一步，在所述S3步骤中，所述第二SiO膜的厚度在40～80nm之间，所述第二Si膜的厚度在70～90nm之间，所述第二SiO₂：H膜的厚度在180～240nm之间，所述第三Si膜的厚度在90～110nm之间。

进一步，在所述S1步骤中，处理的具体方式包括：

S10，减少所述Bar条在空气中的暴露时间并快速进蒸发镀膜设备中抽真空；

S11，待腔体真空达到预定高真空后，开始对待镀产品进行等离子清洗处理。

进一步，在所述S10步骤中，将腔体加热至180～250℃。

进一步，在对背光腔面镀膜前，先对背光腔面进行等离子处理。

进一步，所述等离子处理具体为：真空度为1.5-3.0×10^-6Torr，Vecoo的Hall离子源通氩气，离子源阳极电压控制为100～150V，阳极电流控制为2～5A，处理时间为120～200s。

进一步，在所述S2步骤和所述S3步骤中，采用E-Beam蒸发镀膜。

进一步，E-Beam蒸发镀膜具体为：离子源能量为90V/3A～150V/4A，离子源气体Ar气，Si、SiO和SiO₂：H的镀率为3～5A/s。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种通信激光器半导体芯片，由上述的通信激光器半导体芯片的制作方法制得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、端面膜系采用纯Si系多层膜能有效提升膜层间的晶格匹配度，减少因晶格失配比高造成的激子、缺陷和晶格振动进而影响光吸收系数，端面发热量大导致可靠性差，高温工艺条件，能有效提升膜层附着力，释放膜层内部应力，增加膜系的可靠性性；半导体表面具有很强复合少数载流子的作用，界面态密度高，悬挂键多，半导体性能与表面复合速度及界面缺陷有较大关系，引入H化的SiO₂材料，游离态的H能够起到表面钝化效果，降低表面态密度，提升产品可靠性。

2、低能量离子清洗不仅能达到清洗表面本征氧化物的效果，还能降低离子源灯丝及中心块对产品的污染，进一步减少半导体激光器的腔面缺陷，同时避免高速离子对产品表面的损伤。

3、引入SiO₂：H材料的另外一个比较突出的作用是可以明显降低出光面底层Si层的厚度，SiO₂：H材料对比Si对光的吸收较小，能够有效减少因膜层对光吸收引起的发热现象，腔面发热会引起半导体禁带宽度的降低，载流子非辐射复合增加，芯片能耗增加，漏电流增大，可靠性大幅降低；另外端面Si层厚度降低也能导电性减小，芯片腔面注入电荷减小，芯片反向暗电流也减小，芯片可靠性提升。

4、芯片出光面三层膜Si系多层膜，能有效提升产品的老化及抗静电ESD特性。

5、出光面高增透三层膜膜系能有效提升产品的使用环境，高透过率带宽变大，高低温光谱-40°～85°几乎不受影响，低温-40°和高温85°良率可达97％左右。

6、适用于所有高速率2.5G、10G、25G等等以及不同通信远红外波段1200nm～1700nm半导体激光器。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种通信激光器半导体芯片的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种通信激光器半导体芯片与对照组的反向暗电流的实验对比图；

图3为本发明实施例提供的一种通信激光器半导体芯片与对照组老化72H后静电击伤ESD实验对比图；

图4为本发明实施例提供的一种通信激光器半导体芯片长期老化1000H(20pcs)的实验图；

图5为本发明实施例提供的对照组长期老化1000H(20pcs)的实验图；

附图标记中：1-芯片本体；2-第一Si膜；3-第一SiO膜；4-第二Si膜；5-第二SiO₂：H膜；6-背光腔面；7-第三Si膜；8-第二SiO膜；9-出光腔面；10-第一SiO₂：H膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种通信激光器半导体芯片的制作方法，包括如下步骤：S1，将待端面镀膜的晶圆进行解条夹条得到Bar条，并进行处理；S2，处理完后在待镀Bar条的出光腔面9依次镀三层高透过膜系，三层所述高透过膜系分别为第一Si膜2、第一SiO膜3以及第一SiO₂：H膜10；S3，在完成出光腔面9的镀膜后，接着对待镀Bar条的背光腔面6依次镀四层高反射膜系，四层所述高反射膜系分别为第二SiO膜8、第二Si膜4、第二SiO₂：H膜5以及第三Si膜7。在本实施例中，所形成的高增透膜和高反射膜，因膜系结构整体为Si系，Si系材料与半导体芯片材料晶格匹配度要优于其他材料，同时Si和SiO膜层致密性高，表面粗糙度低，不仅在激光芯片的腔面附着力好，而且能够有效防止腔面氧渗透，导致产品因腔面氧化而带来的可靠性问题，具体地，在芯片出光面采用纯Si系及Si系氧化物多层膜膜系作为出光面，纯Si系多层膜能够减少膜层间的晶格失配比，减少膜层间的缺盐及位错，提高散热性，致密性好能有效减少氧渗透，同时该多层膜系的另一突出点为引入SiO₂：H膜料，该膜料能够降低半导体材料的表面态密度，提升可靠性，出光面膜系结构为Si/SiO/SiO₂：H/Si四层膜结构，其各层的效果与出光腔面9处的材质所体现的效果相同，此处就不再赘述。在出光腔面9，从芯片本体1朝外的方向(如图1朝右的方向)依次为第一Si膜2、第一SiO膜3以及第一SiO₂：H膜10，三层膜配合完成出光，而在背光腔面6，也是从芯片本体1朝外的方向(如图1朝左的方向)依次为第二SiO膜8、第二Si膜4、第二SiO₂：H膜5以及第三Si膜7，四层膜配合完成反射。优选的，所述第一Si膜2的厚度在10～25nm之间，所述第一SiO膜3的厚度在90～120nm之间，所述第一SiO₂：H膜10的厚度在70～90nm之间；所述第二SiO膜8的厚度在40～80nm之间，所述第二Si膜4的厚度在70～90nm之间，所述第二SiO₂：H膜5的厚度在180～240nm之间，所述第三Si膜7的厚度在90～110nm之间。

作为本发明实施例的优化方案，在所述S1步骤中，处理的具体方式包括：S10，减少所述Bar条在空气中的暴露时间并快速进蒸发镀膜设备中抽真空；S11，待腔体真空达到预定高真空后，开始对待镀产品进行等离子清洗处理。在本实施例中，在镀膜前，解条夹条后即迅速进蒸发镀膜设备中抽真空，减少Bar条在空气中的暴露时间，然后待腔体真空达到预定高真空后，就开始对待镀产品进行等离子清洗。优选的，将腔体加热至180～250℃。在对背光腔面6镀膜前，也先对背光腔面6进行等离子处理。等离子处理具体为：真空度为1.5-3.0×10^-6Torr，Vecoo的Hall离子源通氩气，离子源阳极电压控制为100～150V，阳极电流控制为2～5A，处理时间为120～200s，采用该工艺条件进行等离子处理，达到较佳的清洁本征氧化物和活化表面结构的目的，并不造成芯片腔面的损伤。

作为本发明实施例的优化方案，在所述S2步骤和所述S3步骤中，采用E-Beam蒸发镀膜。优选的，E-Beam蒸发镀膜具体为：离子源能量为90V/3A～150V/4A，离子源气体Ar气，Si、SiO和SiO₂：H的镀率为3～5A/s。

以10G芯片1290nm为例，采用电子束蒸镀配Hall离子源，实验以InGaAlAs为衬底，通讯波段为10G1290nm的DFB分布式反馈激光器腔面镀膜为例，具体的实施例可以为：

步骤1)：产品进炉，抽真空，待抽气高阀开启，加热温度至180-250℃进行烘烤；

步骤2)：产品表面离子清洗，待步骤1)真空度达到1.5×10^-6Torr～3×10^-6Torr时，用等离子体处理激光器的出光腔面9。具体工艺条件为：Vecoo的Hall离子源通氩气，离子源阳极电压控制为100-150V，阳极电流控制为2-5A，处理时间为120-200s；

步骤3)：在经步骤2)处理的待镀Bar条的出光腔面9镀Si，SiO和SiO₂：H的三层高透过膜系，其中Si厚度为10～25nm，SiO厚度为90～120nm，SiO₂：H厚度为70～90nm；

步骤4)：待步骤3)的激光器芯片镀完出光面腔面后，将产品夹具自动翻面，然后对激光器背光面进行离子束清洗，清洗工艺同步骤2，工艺参数如下：

Vecoo的Hall离子源通氩气，离子源阳极电压控制为100-150V，阳极电流控制为2-5A，处理时间为120-200；

步骤5)：对步骤4)处理后的产品进行保护层及多层膜镀膜，工艺参数如下：电子束蒸发膜系结构为SiO、Si、SiO₂：H和Si的四层膜系，其中SiO厚度为40～80nm，第一Si厚度70～90nm，SiO₂：H厚度180～240nm，第二Si厚度90～110nm。其中蒸发过程中离子源辅助能量全部为90V/3A～150V/4A，Si、SiO和SiO₂：H的镀率为3～5A/s。

为了详细了解该Si系多层膜的优点我们以同样具有良好的高低温及抗ESD性能表现的出光面双层膜Si/SiO作为对照组来进行对比，该双层膜同样具有致密性好可靠性突出等特点，实验产品选择方法为10G1290nmDFB同一Wafer同区域连号Bar条，为保证实验准确性，实验组选取奇数号Bar条，对照组选取偶数号Bar条，背光腔面6镀膜条件完全一致。

chip测试参数分析

实验分为两组：

第一组实验为实验组：条件为增加一层SiO₂：H三层膜结构，其中出光面膜层结构为Si/SiO/SiO₂：H，背光面为SiO/Si/SiO₂：H/Si，芯片随机挑选500pcs进行终测；

第二组实验为对照组：出光面为双层膜结构，其中出光面膜层结构为Si/SiO，背光面为SiO/Si/SiO₂：H/Si，芯片随机挑选500pcs进行终测。

测试方法：将两组实验的产品进行chip终测，选取良品统计各参数的均值进行对比，实验均值结果如下：

实验	良率	lth	Px	Bpf	SMSR2	SMSR2-2
							实验组	74％	5.63	8.84	0.491	43.98	42.14
对照组	72％	5.92	8.36	0.485	43.86	42.08

Chip终测主要对比两组实验产品阈值Ith和出光功率Px的差异情况，从两组实验可以看出，平均背光Bpf、常温阈值加20mA边模抑制比SMSR2、高温阈值加20mA边模抑制比SMSR2-2差异不明显，而实验组的平均阈值Ith明显要小于对照组，而出光功率Px实验组明显要大于对照组，分析原因，主要为不同膜系的光吸收系数不一样，相较于对照组，实验组增加一层SiO₂：H能有效降低底层Si和SiO的厚度，较厚的Si层和SiO层对光的吸收指数要大，会导致腔面温升，降低半导体禁带宽度，影响载流子复合能耗增加，阈值Ith增大，功率Px变小，可靠性降低。

请参阅图2，反向暗电流分析

实验分两组：

第一组实验为实验组：条件为增加一层SiO₂：H三层膜结构，其中出光面膜层结构为Si/SiO/SiO₂：H，背光面为SiO/Si/SiO₂：H/Si，芯片随机挑选20pcs进行终测；

第二组实验为对照组：出光面为双层膜结构，其中出光面膜层结构为Si/SiO，背光面为SiO/Si/SiO₂：H/Si，芯片随机挑选20pcs进行终测。

分析方法：从每批中随机挑选的20pcs合格芯片，对每个芯片进行反向加电，设置反向偏压为5V，对比分析芯片的反向暗电流，根据反向暗电流的情况来推断腔面载流子的注入情况，反向暗电流越小说明腔面的导电性越小，腔面载流子注入密度也会越小，进而会降低腔面载流子的吸收及非辐射复合，改善温升。从实验可以看出实验组的反向暗电流明显小于对照组，如图2，利于产品的可靠性。

请参阅图3，老化后ESD静电击伤实验

实验分两组：

第一组实验为实验组：条件为增加一层SiO₂：H三层膜结构，其中出光面膜层结构为Si/SiO/SiO₂：H，背光面为SiO/Si/SiO₂：H/Si，芯片随机挑选20pcs；

第二组实验为对照组：出光面为双层膜结构，其中出光面膜层结构为Si/SiO，背光面为SiO/Si/SiO₂：H/Si，芯片随机挑选20pcs；

分析方法：将两组芯片封装TO后进行老化72小时，老化条件为：老化实验条件为温度100℃，电流100mA；将老化后的产品释放相同电压，电压起始500V，以步进100V依次增长，模仿静电击伤，随着电压升高，产品开始失效，主要表现为Ith变化超过20％为失效，实验结果如图3所示，两组实验老化后ESD均能通过800V，对照组在900V开始出现有个别失效，并随着电压的增加失效变得明显，而实验组老化后ESD能达到1000V水平，而后开始慢慢失效，充分说明引入SiO₂：H膜层能减少光的吸收，降低反向暗电流，游离态氢提升端面钝化效果，从而达到产品ESD性能的提升。

请参阅图4和5，长期老化1000H实验

实验分为两组：

分析方法：将两组随机筛选的芯片封装TO后进行长期老化1000H实验，老化实验条件为温度90℃，电流90mA，在老化达到72H后，每隔72H分析测试一次，阈值Ith与初始变化率超过10％判为失效；从实验可以看出两组实验均能通过500H，而对照组在600H开始出现零星芯片Ith变化率超过10％变化直至完全失效，最后对照组在1000H有2pcs失效如图5，而实验组老化无异常如图4，说明实验组的长期可靠性要优于对照组。

请参阅图1，本发明实施例提供一种通信激光器半导体芯片，由上述的通信激光器半导体芯片的制作方法制得。在本实施例中，所形成的高增透膜和高反射膜，因膜系结构整体为Si系，Si系材料与半导体芯片材料晶格匹配度要优于其他材料，同时Si和SiO膜层致密性高，表面粗糙度低，不仅在激光芯片的腔面附着力好，而且能够有效防止腔面氧渗透，导致产品因腔面氧化而带来的可靠性问题，具体地，在芯片出光面采用纯Si系及Si系氧化物多层膜膜系作为出光面，纯Si系多层膜能够减少膜层间的晶格失配比，减少膜层间的缺盐及位错，提高散热性，致密性好能有效减少氧渗透，同时该多层膜系的另一突出点为引入SiO₂：H膜料，该膜料能够降低半导体材料的表面态密度，提升可靠性，出光面膜系结构为Si/SiO/SiO₂：H/Si四层膜结构，其各层的效果与出光腔面9处的材质所体现的效果相同，此处就不再赘述。在出光腔面9，从芯片本体1朝外的方向(如图1朝右的方向)依次为第一Si膜2、第一SiO膜3以及第一SiO₂：H膜10，三层膜配合完成出光，而在背光腔面6，也是从芯片本体1朝外的方向(如图1朝左的方向)依次为第二SiO膜8、第二Si膜4、第二SiO₂：H膜5以及第三Si膜7，四层膜配合完成反射。优选的，所述第一Si膜2的厚度在10～25nm之间，所述第一SiO膜3的厚度在90～120nm之间，所述第一SiO₂：H膜10的厚度在70～90nm之间；所述第二SiO膜8的厚度在40～80nm之间，所述第二Si膜4的厚度在70～90nm之间，所述第二SiO₂：H膜5的厚度在180～240nm之间，所述第三Si膜7的厚度在90～110nm之间。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于：在所述S2步骤中，所述第一Si膜的厚度在10～25nm之间，所述第一SiO膜的厚度在90～120nm之间，所述第一SiO₂：H膜的厚度在70～90nm之间。

3.如权利要求1所述的通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于：在所述S3步骤中，所述第二SiO膜的厚度在40～80nm之间，所述第二Si膜的厚度在70～90nm之间，所述第二SiO₂：H膜的厚度在180～240nm之间，所述第三Si膜的厚度在90～110nm之间。

4.如权利要求1所述的通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于，在所述S1步骤中，处理的具体方式包括：

5.如权利要求4所述的通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于：在所述S10步骤中，将腔体加热至180～250℃。

6.如权利要求4所述的通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于：在对背光腔面镀膜前，先对背光腔面进行等离子处理。

7.如权利要求6所述的通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于，所述等离子处理具体为：真空度为1.5-3.0×10^-6Torr，Vecoo的Hall离子源通氩气，离子源阳极电压控制为100～150V，阳极电流控制为2～5A，处理时间为120～200s。

8.如权利要求1所述的通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于：在所述S2步骤和所述S3步骤中，采用E-Beam蒸发镀膜。

9.如权利要求8所述的通信激光器半导体芯片的制作方法，其特征在于，E-Beam蒸发镀膜具体为：离子源能量为90V/3A～150V/4A，离子源气体Ar气，Si、SiO和SiO₂：H的镀率为3～5A/s。

10.一种通信激光器半导体芯片，其特征在于：由如权利要求1-9任一所述的通信激光器半导体芯片的制作方法制得。