CN113572021B - Dfb激光器正面电极窗口自对准制备方法 - Google Patents

Dfb激光器正面电极窗口自对准制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，形成具有牺牲层的外延结构，在第一刻蚀形成显露牺牲层的刻蚀窗口后，采用第二刻蚀以完全去除牺牲层，并以外力方式去除悬空的钝化层及掩膜层以完全显露接触层，可形成完全覆盖接触层的正面电极；本发明制备的正面电极可完全覆盖接触层，从而能够实现电极窗口最大化，可有效改善DFB激光器的电学和热学特性，提高DFB激光器的性能，且在制备正面电极自对准工艺过程中，沟槽侧壁的钝化层由于未经过刻蚀等工艺，从而下波导层、有源层、上波导层可得到完整保护，避免刻蚀工艺对波导层及有源层的损伤，提高DFB激光器质量。

Description

DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，特别是涉及一种DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法。
背景技术
在现代高速光通信系统中，分布反馈单模激光器是光通信网络与系统的关键器件。其目前有广泛的应用市场前景，例如大气监测、测量、传感等领域。此外它是高速大容量光通信系统、波分复用、时分复用系统中的关键部件。
分布反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)具有优良的动态单纵模特性，制作工艺成熟，器件性能稳定，可靠性高，是目前光纤通信系统最主要的光源。高性能的DFB激光器广泛应用在如有线电视、骨干网、空间通信等领域。
通常提高激光器的输出功率可改善激光器的线性度，在DFB激光器中一般采用InP/InGaAsP材料系并使用掩埋结构来制备高性能的激光器，然而由于InGaAsP材料的特性，使得其高温的载流子限制能力相对较差，而AlGaInAs材料由于其更大的导带量子阱能级差和更低的价带量子阱能级差，可使得AlGaInAs材料在高温下的电子限制效果更好，同时可使得重空穴在量子阱中的分布更均匀，从而更加利于提高DFB激光器的高温电性能。同时，为了进一步优化器件性能，通常采用很窄的脊波导设计，降低器件发热的同时也达到限制光场的目的。常见激光器波导宽度在2-5微米，波导宽度的减小增加了电极窗口制备的难度，如何最大化的制备波导上的电极窗口成为当今激光器的关键工艺之一。
因此，提供一种DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，降低工艺难度，降低DFB激光器的电阻，改善DFB激光器的发热性能，成为提高DFB激光器性能的有效手段。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，用于解决现有技术中难以满足DFB激光器的电学和热学特性的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，包括以下步骤：
在衬底上形成外延结构，所述外延结构包括自下而上依次堆叠的下波导层、有源层、上波导层、接触层及牺牲层；
图形化所述外延结构，形成贯穿所述外延结构且显露所述衬底的沟槽，以形成台面结构；
形成钝化层，所述钝化层覆盖所述牺牲层，以及所述沟槽的底部及侧壁；
形成掩膜层，所述掩膜层覆盖所述钝化层，并图形化所述掩膜层，于所述台面结构上形成掩膜窗口；
进行第一刻蚀，通过所述掩膜窗口刻蚀所述钝化层，形成显露所述牺牲层的刻蚀窗口；
进行第二刻蚀，通过所述掩膜窗口及刻蚀窗口对所述牺牲层进行湿法刻蚀，以完全去除所述牺牲层；
采用外力方式去除悬空的所述钝化层及掩膜层；
形成覆盖所述接触层的正面电极。
可选地，所述牺牲层包括InAlxAs1-x牺牲层，其中0.3≤x≤0.8，所述牺牲层的厚度为1μm～3μm。
可选地，所述牺牲层与所述接触层的选择蚀刻比≥50，其中，所述第二刻蚀的刻蚀液包括氢氟酸或盐酸。
可选地，所述外延结构还包括位于所述牺牲层上的保护层，所述保护层包括InP层，厚度为10nm～20nm。
可选地，所述掩膜窗口位于所述台面结构的中心位置，所述掩膜窗口的宽度与所述台面结构的宽度的比为1/3～1/2。
可选地，所述第一刻蚀包括湿法刻蚀或ICP刻蚀。
可选地，所述外力方式包括超声波震荡、液压冲击及气压冲击中的一种或组合。
可选地，形成所述正面电极的步骤包括：
形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层具有电极窗口；
于所述电极窗口中形成所述正面电极，所述正面电极覆盖所述接触层以及位于所述接触层侧壁的所述钝化层；
去除所述图形化掩膜层。
可选地，所述钝化层包括二氧化硅层或氮化硅层，厚度为200nm～1000nm。
可选地，所述衬底包括GaAs衬底、InP衬底、GaSb衬底或GaN衬底，所述衬底包括P型衬底或N型衬底，所述衬底的波长覆盖紫外到远红外波段；所述有源层包括量子阱有源层、量子点有源层或超晶格有源层。
如上所述，本发明的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，形成具有牺牲层的外延结构，在第一刻蚀形成显露牺牲层的刻蚀窗口后，采用第二刻蚀以完全去除牺牲层，并以外力方式去除悬空的钝化层及掩膜层以完全显露接触层，可形成完全覆盖接触层的正面电极；本发明制备的正面电极可完全覆盖接触层，从而能够实现电极窗口最大化，可有效改善DFB激光器的电学和热学特性，提高DFB激光器的性能，且在制备正面电极自对准工艺过程中，沟槽侧壁的钝化层由于未经过刻蚀等工艺，从而下波导层、有源层、上波导层可得到完整保护，避免刻蚀工艺对波导层及有源层的损伤，提高DFB激光器质量。
附图说明
图1显示为本发明中DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法的工艺流程示意图。
图2显示为本发明中形成钝化层后的结构示意图。
图3显示为本发明中形成掩膜窗口后的结构示意图。
图4显示为本发明中在进行第一刻蚀形成刻蚀窗口后的结构示意图。
图5显示为本发明中在进行第二刻蚀去除牺牲层时的结构示意图。
图6显示为本发明中在采用外力方式去除悬空的钝化层及掩膜层时的结构示意图。
图7显示为本发明中形成正面电极后的结构示意图。
元件标号说明
100 衬底
200 外延结构
201 下波导层
202 有源层
203 上波导层
204 接触层
205 牺牲层
206 保护层
210 沟槽
220 刻蚀窗口
300 钝化层
400 掩膜层
410 掩膜窗口
500 正面电极
S1～S8 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底上形成外延结构，所述外延结构包括自下而上依次堆叠的下波导层、有源层、上波导层、接触层及牺牲层；
S2：图形化所述外延结构，形成贯穿所述外延结构且显露所述衬底的沟槽，以形成台面结构；
S3：形成钝化层，所述钝化层覆盖所述牺牲层，以及所述沟槽的底部及侧壁；
S4：形成掩膜层，所述掩膜层覆盖所述钝化层，并图形化所述掩膜层，于所述台面结构上形成掩膜窗口；
S5：进行第一刻蚀，通过所述掩膜窗口刻蚀所述钝化层，形成显露所述牺牲层的刻蚀窗口；
S6：进行第二刻蚀，通过所述掩膜窗口及刻蚀窗口对所述牺牲层进行湿法刻蚀，以完全去除所述牺牲层；
S7：采用外力方式去除悬空的所述钝化层及掩膜层；
S8：形成覆盖所述接触层的正面电极。
本实施例中的所述DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，形成具有所述牺牲层的所述外延结构，在进行所述第一刻蚀时形成显露所述牺牲层的所述刻蚀窗口，采用所述第二刻蚀以完全去除所述牺牲层，并在采用外力方式即可去除悬空的所述钝化层及所述掩膜层以完全显露所述接触层，而后即可形成完全覆盖所述接触层的所述正面电极。
本实施例制备的所述正面电极可完全覆盖所述接触层，从而能够实现电极窗口的最大化，可有效改善所述DFB激光器的电学和热学特性，提高所述DFB激光器的性能，且在制备所述正面电极自对准工艺过程中，所述沟槽侧壁的所述钝化层由于未经过刻蚀等工艺，从而使得所述下波导层、有源层、上波导层的侧壁可得到完整保护，避免刻蚀工艺对波导层及有源层的损伤，从而可提高所述DFB激光器的质量。
以下结合附图2～图7对有关所述DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法进行介绍，具体包括：
首先，参阅图2，进行步骤S1，在衬底100上形成外延结构200，所述外延结构200包括自下而上依次堆叠的下波导层201、有源层202、上波导层203、接触层204及牺牲层205。
作为示例，所述衬底100可包括GaAs衬底、InP衬底、GaSb衬底或GaN衬底，其中，所述衬底100可为P型衬底或N型衬底，所述衬底100的波长可覆盖紫外到远红外波段，有关所述衬底100的具体种类可根据需要进行选择，此处不作过分限制。本实施例中，所述衬底100采用InP衬底，以制备1310nm激光器外延结构，但并非局限于此。
作为示例，所述有源层202可包括量子阱有源层、量子点有源层或超晶格有源层，有关所述有源层202的具体种类可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
作为示例，所述牺牲层205可包括InAlxAs1-x牺牲层，其中，x的取值可包括0.3≤x≤0.8，所述牺牲层205的厚度可包括1μm～3μm。
具体的，有关所述牺牲层205的选择，主要基于以下两点：所述牺牲层205和所述接触层204的选择蚀刻比；所述牺牲层205的材料需具备良好的的侧向刻蚀。本实施中，所述牺牲层205优选与所述接触层204的选择蚀刻比≥50的InAlxAs1-x牺牲层，使得在去除所述牺牲层205时，可尽量避免对所述接触层204的损伤，如所述牺牲层205与所述接触层204的选择蚀刻比可为50、80、100等。进一步的，所述牺牲层205优选具有较高的Al组分的InAlxAs1-x牺牲层材料，即0.3≤x≤0.8，如x为0.3、0.4、0.5、0.6、0.8等，从而后续在采用如氢氟酸、盐酸等刻蚀液去除所述牺牲层205时，会有较高的侧向刻蚀特性，以降低刻蚀难度，实现完全去除所述牺牲层205。其中，为便于后续采用外力方式去除悬空的所述钝化层300及掩膜层400，优选所述牺牲层205的厚度为1μm～3μm，如1μm、2μm、3μm等，以形成空腔结构，便于外力工艺操作。
作为示例，所述外延结构200还包括位于所述牺牲层205上的保护层206，所述保护层206包括InP层，厚度可为10nm～20nm。
具体的，如图2，本实施例中，所述牺牲层205上具有所述保护层206，通过所述保护层206可避免后续工艺对所述牺牲层205及位于所述牺牲层205下方的材料层的影响。有关所述保护层206的材质可选用InP，但并非局限于此，所述保护层206的厚度需考量到后续外力方式在去除操作时的便捷性，本实施例在所述保护层206实现保护作用的情况下，优选所述保护层206的范围为10nm～20nm，如10nm、15nm、20nm等。
接着，参阅图2，进行步骤S2，图形化所述外延结构200，形成贯穿所述外延结构200且显露所述衬底的沟槽210，以形成台面结构。
接着，参阅图2，进行步骤S3，形成钝化层300，所述钝化层300覆盖所述牺牲层205，以及所述沟槽210的底部及侧壁。
作为示例，所述钝化层300可包括二氧化硅层或氮化硅层，厚度可为200nm～1000nm，如200nm、400nm、600nm、1000nm等，有关所述钝化层300的具体种类及厚度可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
接着，参阅图3，进行步骤S4，形成掩膜层400，所述掩膜层400覆盖所述钝化层300，并图形化所述掩膜层400，于所述台面结构上形成掩膜窗口410。
作为示例，所述掩膜窗口410位于所述台面结构的中心位置，所述掩膜窗口410的宽度与所述台面结构的宽度的比为1/3～1/2。
具体的，通过所述掩膜层400对所述外延结构200进行刻蚀，其中，优选所述掩膜窗口410位于所述台面结构的中心位置，且所述掩膜窗口410的宽度与所述台面结构的宽度的比为1/3～1/2，如1/3、2/5、1/2等。本实施例中，所述掩膜窗口410位于所述台面结构的中心位置，所述掩膜窗口410的宽度为2μm，所述掩膜窗口410的两侧距离所述台面结构的两侧边缘的距离约为1μm，从而，本实施例通过形成具有较小尺寸的所述掩膜窗口410，最终即可实现后续制备较大的电极窗口。
接着，进行步骤S5，进行第一刻蚀，通过所述掩膜窗口410刻蚀所述钝化层300，形成显露所述牺牲层205的刻蚀窗口。
具体的，参阅图4，本实施例中，由于包括所述保护层206，因此，通过所述掩膜窗口410刻蚀所述钝化层300以及所述保护层206，形成显露所述牺牲层205的刻蚀窗口220。其中，所述第一刻蚀可包括湿法刻蚀或ICP刻蚀，蚀刻工艺完成后，所述掩膜层400依然保留。
接着，参阅图5，进行步骤S6，进行第二刻蚀，通过所述掩膜窗口410及刻蚀窗口220对所述牺牲层205进行湿法刻蚀，以完全去除所述牺牲层205。
具体的，由于所述牺牲层205采用与所述接触层204具有高选择蚀刻比以及具有良好的侧向刻蚀特性的InAlxAs1-x材料，从而在采用如氢氟酸或盐酸进行湿法刻蚀时，可以完全去除所述牺牲层205。
接着，参阅图6，进行步骤S7，采用外力方式去除悬空的所述钝化层300及掩膜层400。
具体的，本实施例中，由于所述牺牲层205被所述第二刻蚀的刻蚀液湿完全去除后，位于所述牺牲层205上方的所述保护层206、钝化层300及掩膜层400无处依附，从而在施加外力的作用下，即可轻易被去除。其中，所述外力的施加方式可包括超声波震荡、液压冲击及气压冲击中的一种或组合。
接着，参阅图7，进行步骤S8，形成覆盖所述接触层的正面电极500。
作为示例，形成所述正面电极500的步骤可包括：
形成图形化掩膜层(未图示)，所述图形化掩膜层具有电极窗口(未图示)；
于所述电极窗口中形成所述正面电极500，所述正面电极500覆盖所述接触层204以及位于所述接触层204侧壁的所述钝化层300；
去除所述图形化掩膜层。
具体的，在制备所述正面电极500前，先去除所述掩膜层400，而后形成具有所述电极窗口的所述图形化掩膜层，并利用金属膜工艺，在所述电极窗口制备所述正面电极500，以在所述台面结构上形成具有最大面积的所述正面电极500，以有效降低所述DFB激光器的电阻。本实施例在制备所述正面电极500的工艺过程中，由于所述沟槽210侧壁一直保留有所述钝化层300，从而所述下波导层、有源层、上波导层的侧壁可得到完整保护，避免刻蚀工艺对波导层及有源层的损伤，提高所述DFB激光器的质量。
综上所述，本发明的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，形成具有牺牲层的外延结构，在第一刻蚀形成显露牺牲层的刻蚀窗口后，采用第二刻蚀以完全去除牺牲层，并以外力方式去除悬空的钝化层及掩膜层以完全显露接触层，可形成完全覆盖接触层的正面电极；本发明制备的正面电极可完全覆盖接触层，从而能够实现电极窗口最大化，可有效改善DFB激光器的电学和热学特性，提高DFB激光器的性能，且在制备正面电极自对准工艺过程中，沟槽侧壁的钝化层由于未经过刻蚀等工艺，从而下波导层、有源层、上波导层可得到完整保护，避免刻蚀工艺对波导层及有源层的损伤，提高DFB激光器质量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上形成外延结构，所述外延结构包括自下而上依次堆叠的下波导层、有源层、上波导层、接触层及牺牲层；
图形化所述外延结构，形成贯穿所述外延结构且显露所述衬底的沟槽，以形成台面结构；
形成钝化层，所述钝化层覆盖所述牺牲层，以及所述沟槽的底部及侧壁；
形成掩膜层，所述掩膜层覆盖所述钝化层，并图形化所述掩膜层，于所述台面结构上形成掩膜窗口；
进行第一刻蚀，通过所述掩膜窗口刻蚀所述钝化层，形成显露所述牺牲层的刻蚀窗口；
进行第二刻蚀，通过所述掩膜窗口及刻蚀窗口对所述牺牲层进行湿法刻蚀，以完全去除所述牺牲层；
采用外力方式去除悬空的所述钝化层及掩膜层；
形成覆盖所述接触层的正面电极。
2.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于：所述牺牲层包括InAlxAs1-x牺牲层，其中0.3≤x≤0.8，所述牺牲层的厚度为1μm～3μm。
3.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于：所述牺牲层与所述接触层的选择蚀刻比≥50，其中，所述第二刻蚀的刻蚀液包括氢氟酸或盐酸。
4.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于：所述外延结构还包括位于所述牺牲层上的保护层，所述保护层包括InP层，厚度为10nm～20nm。
5.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于：所述掩膜窗口位于所述台面结构的中心位置，所述掩膜窗口的宽度与所述台面结构的宽度的比为1/3～1/2。
6.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于：所述第一刻蚀包括湿法刻蚀或ICP刻蚀。
7.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于：所述外力方式包括超声波震荡、液压冲击及气压冲击中的一种或组合。
8.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于，形成所述正面电极的步骤包括：
形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层具有电极窗口；
于所述电极窗口中形成所述正面电极，所述正面电极覆盖所述接触层以及位于所述接触层侧壁的所述钝化层；
去除所述图形化掩膜层。
9.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于：所述钝化层包括二氧化硅层或氮化硅层，厚度为200nm～1000nm。
10.根据权利要求1所述的DFB激光器正面电极窗口自对准制备方法，其特征在于：所述衬底包括GaAs衬底、InP衬底、GaSb衬底或GaN衬底，所述衬底包括P型衬底或N型衬底，所述衬底的波长覆盖紫外到远红外波段；所述有源层包括量子阱有源层、量子点有源层或超晶格有源层。
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