CN114597763B - 一种新型结构的热调谐激光器芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型结构的热调谐激光器芯片及其制作方法。其中包括衬底和依次生长在衬底之上的多个功能层，具体的：激光器的脊波导位于其出光的轴向上，在脊波导的两侧沟道中分别设置贯穿所有功能层直至联通至衬底的第一隔热凹槽，且脊波导下方的至少一个功能层被挖空形成空洞隔热区域；其中，所述空洞隔热区域是通过在脊柱两侧刻蚀出至少一对第二隔热凹槽之后，腐蚀穿一对第二隔热凹槽之间的至少一个功能层形成；并且，所述空洞隔热区域的两侧与所述第一隔热凹槽相邻。本发明避免了芯片内部的热量散失，提高芯片的隔温效果和芯片的热调谐效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器芯片技术领域，更具体地，涉及一种新型结构的热调谐激光器芯片及其制作方法。
背景技术
可调谐半导体激光器作为在一定范围内可连续改变激光输出波长的激光器，是密集波分复用系统及未来的全光网络的关键器件，在未来人们对网络系统传输速度和容量需求越来越高的现状下其优越性将日益突显。可调谐激光器在调谐范围和窄线宽方面独特的优点吸引了众多科研工作者在结构方面的研究，以调整激光腔内温度、电流等参数从而可以使之发射不同的波长。
在可调谐半导体激光器中，主要通过电阻调整光腔内温度，但现有技术中，半导体激光器的隔温效果差，由电阻产生的热量极易传播至外界，从而导致电阻的热量的利用率低，光腔内温度无法达到预期温度，从而影响到芯片的热调谐效率。
鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型结构的热调谐激光器芯片，其目的在于提高芯片的隔温效果，进而提高芯片的热调谐效率，由此解决现有的可调谐半导体激光器芯片隔温效果差，芯片的热调谐效率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种新型结构的热调谐激光器芯片，包括衬底1和依次生长在衬底1之上的多个功能层2，具体的：
激光器的脊波导位于其出光的轴向上，在脊波导的两侧沟道中分别设置贯穿所有功能层2直至联通至衬底1的第一隔热凹槽3，且脊波导下方的至少一个功能层2被挖空形成空洞隔热区域4；
其中，所述空洞隔热区域4是通过在脊柱两侧刻蚀出至少一对第二隔热凹槽5之后，腐蚀穿一对第二隔热凹槽5之间的至少一个功能层2形成；并且，所述空洞隔热区域4的两侧与所述第一隔热凹槽3相邻。
优选的，所述第二隔热凹槽5为所述脊波导中，位于所述脊柱两侧的沟道的部分区域，在向衬底1方向进一步刻蚀形成；并且，所述第二隔热凹槽5与所述第一隔热凹槽3平行设置，两者之间间隔有多个悬浮与空洞隔热区域4上的功能层。
优选的，在第一隔热凹槽3内壁生长有兼具阻腐与支撑功能的支撑阻腐结构6，所述空洞隔热区域4的两侧与所述第一隔热凹槽3相邻，并且，两者之间隔着所述支撑阻腐结构6。
优选的，所述支撑阻腐结构6由与第一隔热凹槽3相邻的一层作为最外层到内层依次包括第一层溅射金属Ti和Pt，第二层通过CVD的方式沉积氧化膜。
优选的，在包含多对所述第二隔热凹槽5时，其中，每一对第二隔热凹槽5沿着激光器轴向延伸方向与相邻一对第二隔热凹槽5的间隔距离正好与一个光栅区域长度一致，则多对第二隔热凹槽5构成的多个间隔距离形成于周期性光栅区域相一致的周期结构；其中，所述每一对第二隔热凹槽5沿着激光器轴向延伸方向与相邻一对第二隔热凹槽5的间隔距离中保留有相应在第二隔热凹槽腐蚀掉的各功能层。
优选的，所述依次生长在衬底1之上的多个功能层2包括下包层21、架空层22、下腐蚀停止层23、下牺牲层24、上腐蚀停止层25、上牺牲层26、有源层27和波导层28中的至少一层。
优选的，还包括电阻7、电极8两部分，每个电阻7均在介电层上方溅射形成在激光器的脊波导上，每个电阻7均连接一组电极。
按照本发明的另一方面，还提供了一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法，预先设置生长分层衬底1，方法包括：
在所述分层衬底1上刻蚀出脊波导结构，其中，所述脊波导结构的沟道刻蚀至有源层27；
通过光刻绘制相应的第一隔热凹槽3和第二隔热凹槽5所在位置，并通过刻蚀和/或湿法腐蚀得到第一隔热凹槽3和第二隔热凹槽5；其中，所述第一隔热凹槽3挖空至衬底1，所述第二隔热凹槽5挖空至下腐蚀停止层23；
在第一隔热凹槽3内壁生长支撑阻腐结构6；
通过湿法腐蚀将脊波导结构下方的下牺牲层24、下腐蚀停止层23和架空层22腐蚀挖空得到空洞隔热区域4，其中，空洞隔热区域4的表面与第二隔热凹槽5导通，第二隔热凹槽5的两侧与所述支撑阻腐结构6抵接。
优选的，所述在所述分层衬底1上刻蚀出脊波导结构，具体包括：
通过光刻在所述分层衬底1表面定义出相应的脊波导图形，基于定义好的脊波导图形在半导体芯片上进行刻蚀，刻蚀深度超过波导层28；
选用酸性腐蚀液对芯片波导层28进行腐蚀从而在所述半导体芯片波导的左右两侧形成沿靠近所述衬底1方向上延展的脊波导图形的沟槽。
优选的，所述通过湿法腐蚀将脊波导结构下方的下牺牲层24、下腐蚀停止层23和架空层22腐蚀挖空，具体包括：
使用H2SO4系溶液对InGaAsP材料的下腐蚀停止层23进行预设时间的腐蚀，使用盐酸系溶液对InP材料的下牺牲层24和架空层22进行腐蚀挖空。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明通过在脊波导下方设置空洞隔热区域，阻止热量从下方向衬底传递，且在脊波导的两侧沟道设置第一隔热凹槽，阻止热量向芯片的边缘传递，从而阻止热量从芯片边缘传递至衬底并从衬底泄出，避免芯片内部的热量散失，提高芯片的隔温效果，进而提高芯片的热调谐效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片的剖视图；
图2是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片的剖视图；
图3是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片的俯视示意视图；
图5是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片的剖视图；
图6是本发明实施例提供的一种图1是一种新型结构的热调谐激光器芯片中生长分层衬底的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片的平面俯视图；
图8是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法的流程示意图；
图9是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法的流程示意图；
图10是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片制作过程中芯片的局部俯视示意图；
图11是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片的局部俯视示意图；
图12是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法的流程示意图；
图13是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法的过程中芯片的剖视图；
图14是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法的过程中芯片的剖视图；
图15是本发明实施例提供的一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法的过程中芯片的剖视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1、衬底；2、功能层；21、下包层；22、架空层；23、下腐蚀停止层；24、下牺牲层；25、上腐蚀停止层；26、上牺牲层；27、有源层；28、波导层；3、第一隔热凹槽；4、空洞隔热区域；5、第二隔热凹槽；6、支撑阻腐结构；7、电阻；8、电极；9、脊柱；10、脊柱两侧沟道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种新型结构的热调谐激光器芯片，包括衬底1和依次生长在衬底1之上的多个功能层2，如图1所示，具体的：激光器的脊波导位于其出光的轴向上，在脊波导的两侧沟道中分别设置贯穿所有功能层2直至联通至衬底1的第一隔热凹槽3，且脊波导下方的至少一个功能层2被挖空形成空洞隔热区域4。
其中，所述空洞隔热区域4是通过在脊柱两侧刻蚀出至少一对第二隔热凹槽5之后，腐蚀穿一对第二隔热凹槽5之间的至少一个功能层2形成；并且，所述空洞隔热区域4的两侧与所述第一隔热凹槽3相邻。
其中隐含有信息为：在将脊波导下方的至少一个多个功能层2挖空时，其必然不能破坏脊波导的本身结构，且需形成空洞，在此条件限制下，脊波导下方至少需要存在一个功能层2被保留，从而保证脊波导的结构不变，且形成的为空洞而非凹槽。
各个功能层2紧密连接，且固定于芯片的内壁。所述芯片的内壁可以是芯片四周的内壁或芯片的上内壁，具体为与所保留的功能层2粘接或固定的芯片内壁。从而使在将脊波导下方挖空时能够通过所保留的功能层2对脊波导进行悬空支撑。
通过研究测试发现芯片在正常工作时产生的热量主要透过衬底1材料与外界空气进行热交换，本实施例通过在脊波导下方设置空洞隔热区域4，阻止热量从下方向衬底1传递，且在脊波导的两侧沟道设置第一隔热凹槽3，阻止热量向芯片的边缘传递，从而阻止热量从芯片边缘传递至衬底1并从衬底1泄出，避免芯片内部的热量散失，提高芯片的隔温效果，进而提高芯片的热调谐效率。
为了进一步减少从下方向衬底1的热量扩散，结合上述实施例，还存在以下优选的实现方式，如图2所示，具体包括：在脊波导的脊柱与第一隔热凹槽3之间的部分区域，设置有一个或多个联通至空洞隔热区域4的第二隔热凹槽5。
所述第二隔热凹槽5为所述脊波导中，位于所述脊柱两侧的沟道的部分区域，在向衬底1方向进一步刻蚀形成；并且，所述第二隔热凹槽5与所述第一隔热凹槽3平行设置，两者之间间隔有多个悬浮与空洞隔热区域4上的功能层。
其中，由于在脊波导的两侧沟道中，分别设置有第一隔热凹槽3，故所述脊柱与第一隔热凹槽3之间有两个区域，可以在每一个区域设置至少一个第二隔热凹槽5，也可选择仅一个区域设置至少一个第二隔热凹槽5。
在每一个区域设置第二隔热凹槽5时，分别位于脊柱两侧的第二隔热凹槽5之间所间隔的距离是由本领域技术人员根据脊柱的宽度、功能层2的厚度所分析得出的。
且位于脊柱同侧的第二隔热凹槽5之间同样需要间隔相应的距离，如图4所示，位于脊柱同侧的第二隔热凹槽5之间间隔第一预设距离d1，此处的第一预设距离d1会综合考虑脊柱的宽度、功能层2的厚度和单个第二隔热凹槽5在出光的轴向上的长度L而定，通常，脊柱的宽度越宽、功能层2的整体厚度越小、单个第二隔热凹槽5在出光的轴向上的长度L越小，则所述第一预设距离d1允许设置的越小，反之则需要增大所述第一预设距离d1。在本发明实施例中，如图4所示，脊波导结构直观的被表述为位于其中间的脊柱9和位于脊柱两侧的沟道10构成。
本优选实施例通过设置第二隔热凹槽5，进一步增大隔热空间，减少热量散失，提高芯片的热调谐效率。
在上述实施例中，脊波导的支撑主要是通过功能层2与芯片的内壁进行连接实现的，但空洞隔热区域4以及第二隔热凹槽5的设置均会减少用于支撑的功能层2或降低功能层2的部分区域之间的连接紧密性，其可能导致支撑效果的削弱，针对此问题，存在以下优选的实施例，如图5所示，具体包括：在第一隔热凹槽3内壁生长有兼具阻腐与支撑功能的支撑阻腐结构6，所述脊波导下方所保留的功能层2挂接于所述支撑阻腐结构6的外壁，对脊波导起到悬空支撑的作用。所述空洞隔热区域4的两侧与所述第一隔热凹槽3相邻，并且，两者之间隔着所述支撑阻腐结构6。
本发明实施例还提供了一种优选的实现方式，所述支撑阻腐结构6由与第一隔热凹槽3相邻的一层作为最外层到内层依次包括第一层溅射金属Ti和Pt（例如厚度分别为80nm，90nm），第二层通过CVD的方式沉积氧化膜（例如厚度分别为800nm）。其中，支撑阻腐结构6其可以是一种或多种的组合，也可是其中的单一介电层；其中金属薄膜主要使后续下腐蚀停止层的腐蚀得到保护，沉积较厚的介电层起支撑作用，以支撑最终形成的隔热结构。
所述支撑阻腐结构6可以设置为一层或多层。所述保留的功能层2具体为在将脊波导下方的一个或多个功能层2挖空时所保留并未挖空，且与第一凹槽外壁接壤的功能层2。
本优选实施例通过第一隔热凹槽3内壁设置的支撑阻腐结构6，既起到加强隔热效果的作用，提高芯片的热调谐效率，又通过支撑阻腐结构6与其外壁所连接的多个功能层2，对脊波导起到相应的支撑作用，从而对脊波导实现二重支撑，增强脊波导结构的稳定性，使芯片不因受到外力等因素导致芯片结构崩坏。且本实施例通过将隔热与支撑一体化，减少了分别设置隔热结构与支撑架时所需的芯片空间，且通过设置于第一隔热凹槽3的内壁，一方面降低了制作工艺的难度，另一方面合理利用了已有的空间，而无需另辟空间，减少芯片的空间占用，为芯片的小型体积提供了基础。
在上述实施例中，指出了通过功能层固定在芯片内壁实现脊波导的悬空支撑的方式，而在本优选实施例中，又提出了通过支撑阻腐结构实现脊波导的悬空支撑的方式，在实际情况中，根据芯片设计需求以及各功能层的材料、密度等因素，可仅选择一种进行支撑或为了增强芯片的结构稳定性，两种方式共同使用进行支撑。
在第二隔热凹槽5所处位置，由于开辟了第二隔热凹槽5，脊柱与支撑阻腐结构6无直接连接，但在第二隔热凹槽5与第二隔热凹槽5之间，脊柱与支撑阻腐结构6之间通过功能层2连接，而第二隔热凹槽5所在位置与第二隔热凹槽5的间隔间的脊柱是相连的，故第二隔热凹槽5所在位置的脊柱可通过第二隔热凹槽5的间隔间实现支撑，所述第二隔热凹槽5所在位置具体表现为如图4所示的第二隔热凹槽5及其上下部分。
结合本发明实施例，在制作多个第二隔热凹槽5时，其分布方式存在一种优选的实现方式，如图3所示，在包含多对所述第二隔热凹槽5时，其中，每一对第二隔热凹槽5沿着激光器轴向延伸方向与相邻一对第二隔热凹槽5的间隔距离正好与一个光栅区域长度一致，则多对第二隔热凹槽5构成的多个间隔距离形成于周期性光栅区域相一致的周期结构；其中，所述每一对第二隔热凹槽5沿着激光器轴向延伸方向与相邻一对第二隔热凹槽5的间隔距离中保留有相应在第二隔热凹槽腐蚀掉的各功能层。这样做的优势在于，能够充分发挥本发明技术方案提出的隔热结构特性的情况下，相应光栅区的散热效果有能够相对的继承和保留下来，提高了光栅区工作的稳定性。
对所述支撑阻腐结构6，还存在一种优选的实现方式，具体包括：所述支撑阻腐结构6中具有多个孔结构。相应的多孔结构制作将在本发明实施例3的制作方法中具体展开阐述，在此，不做详细展开描述。之所以做这个结构，是为了降低支撑阻腐结构6自身作为抵挡空洞隔热区域4侧壁，产生的散热特性，而将第一隔热凹槽3的隔热效果进一步发挥充分（即利用其内部空气相比较衬底和功能层具有更低的散热特性这一环）。
作为一种优选的实现方式，如图4所示，位于脊波导同侧的第二隔热凹槽5与第一隔热凹槽3之间间隔第二预设距离d2。此处的第二预设距离d2是为了增大功能层2与支撑架的连接面积，避免出现脊波导下方与支撑架所连接的功能层2无法支撑起整个脊波导结构，从而导致芯片结构崩塌。同样的，第二预设距离d2会综合考虑脊柱的宽度、功能层2的厚度、功能层2的支撑强度、单个第二隔热凹槽5的宽度以及第一隔热凹槽3的宽度决定。
其作为优选方式的理由是，由于在第二隔热凹槽5与第二隔热凹槽5之间部分的脊柱仍通过功能层2与支撑架相连，若第二隔热凹槽5与第一隔热凹槽3之间无距离，在功能层2的材料以及支撑阻腐结构6支撑强度足够的情况下，仍可通过第二隔热凹槽5与第二隔热凹槽5之间的区域与支撑阻腐结构6连接以及功能层2与芯片内壁连接，对脊柱进行有效的支撑。但在存在预设第二距离d2的情况下，可增大功能层2与支撑阻腐结构6的连接面积，从而增强支撑强度，防止芯片崩塌。
本实施例的优选实现方式为在所述第二隔热凹槽5和空洞隔热区域4的内壁沉积有介电层和/或金属氧化物，使芯片在通过衬底1与外界空气进行热量交换时大大减少从衬底1散发出的热量，进一步提高芯片的热调谐效率。
如图6所示，所述依次生长在衬底1之上的多个功能层2包括下包层21、架空层22、下腐蚀停止层23、下牺牲层24、上腐蚀停止层25、上牺牲层26、有源层27和波导层28中的至少一层。
所述有源层27和波导层28为激光器层状结构、探测器层状结构、调制器层状结构和无源波导层28中的一种或者多种。在实际实现过程中，上述多种功能层2通常会以组合的方式，应对不同的热调谐激光器芯片需求而被设计出来。而作为最具效果表现意义的，通常在激光器层状结构和调制器层状结构的实用意义最大。其他功能层2则根据脊波导的支撑需求、隔热需求以及制作工艺所设计的，所设计的参数包括但不限于功能层2的材料、功能层2的厚度、功能层2的排列方式。
在本发明实施例中，还提供了一种更切合实际的复杂结构图，如图7所示，还包括电阻7、电极8两部分，每个电阻7均在介电层上方溅射形成在激光器的脊波导上，每个电阻7均连接一组电极。
本实施例中的第二隔热凹槽5、第一隔热凹槽3以及空洞隔热区域4等可应用于热调谐激光器芯片的区域包括但不限于前光栅区、相位区和后光栅区。可单独对特定区域应用本实施例，也可在多个区域组合使用。
以本实施例中的第二隔热凹槽5、第一隔热凹槽3以及空洞隔热区域4等应用于热调谐激光器芯片的前光栅区为例，其中，从图7中虚线所指代位置1b截得的截面图如图1所示未设置第二隔热凹槽5，以图7中虚线所指代位置2b截得的截面图如图2所示设置有第二隔热凹槽5。
在本发明实施例中，第一、第二等限定性描述，并非是指代特定顺序含义，仅仅是为了让对应限定的对象能够从同类中脱离出来，并且是为了方便描述同类中不同的两个对象或者多个对象方便而加的限定，不应该将其解释出进一步限定意义。
在本发明实施例中类似“A和/或B”的表述，其实际含义是实现方式中可以是以A作为对象方式实现，也可以是B作为对象方式实现，还可以是A和B组合的对象方式实现，而其中的A和B也可以根据具体描述场景的需求被替换为具体的主体名称对象。
实施例2:
本发明实施例基于实施例1所描述的方法基础上，结合具体的应用场景，并借由相关场景下的技术表述来阐述本发明特性场景下的实现过程。
如图7所示，为一种新型结构的半导体激光器芯片的平面俯视图，在一个较为典型的热调谐激光器芯片实例中，包括如图7所示的SOA区、前光栅区、增益区（Gain）、相位区、后光栅区、COA区等。
本实施例以应用区域包括前光栅区、后光栅区以及相位区为例进行详细的结构功能展示，具体包括：如图6所示，在衬底1以上依次生长有InGaAs材料制成的下包层21、InP材料制成的架空层22、InGaAsP材料制成的下腐蚀停止层23、InP材料制成的下牺牲层24、InGaAsP材料制成的上腐蚀停止层25、InP材料制成的上牺牲层26、InGaAsP材料制成的有源层27以及InGaAsP材料制成的波导层28。
在前光栅区、相位区以及后光栅区设置有脊波导结构，脊波导结构的脊柱上方放置有激光器，而在脊波导的两侧沟道中，分别设置有第一隔热凹槽3，第一隔热凹槽3直接联通至衬底1，第一隔热凹槽3的中空区域形成了空气隔热层，防止了热量通过脊波导两侧扩散至芯片边缘并从边缘向衬底1扩散，从而阻止产生自电阻7的热量通过衬底1与外界的热交换泄出，使电阻7所产生的热量更持续地作用于芯片内部，从而提高芯片的热调谐效率。并且在第一隔热凹槽3内壁还设置支撑阻腐结构6，进一步阻止热量自衬底1的泄出，提高芯片的热调谐效率。
其中，所述支撑阻腐结构6可以是在较高强度的支撑材料的内部设置多个小圆孔，并在小圆孔中设置垂直方向的支撑柱，从而在降低支撑阻腐结构6的自重的同时，对其所相应牺牲的支撑强度通过支撑柱进行补强，而在支撑材料的外壁，设置介电层或金属氧化物实现隔热效果。所述支撑阻腐结构6与衬底1相连接固定。
还通过将脊波导下方的架空层22、下腐蚀停止层23以及下牺牲层24挖空，并且通过在使脊波导的其他功能层2与位于脊波导两侧的第一隔热凹槽3的支撑阻腐结构6的外壁相连接，使脊波导能够悬空；
并在脊波导的脊柱与第一隔热凹槽3之间的区域设置联通至空洞隔热区域4的第二隔热凹槽5，所述第二隔热凹槽5的设置方式为间隔设置，即在脊柱的两侧，每间隔第一预设距离设置一个第二隔热凹槽5，使脊波导的脊柱能够通过第二隔热凹槽5与第二隔热凹槽5之间保留的功能层2与支撑阻腐结构6连接，并通过功能层2与芯片内壁进行连接，从而得到支撑，使芯片结构不崩塌。其中，所述第一预设距离是由本领域技术人员根据脊柱的宽度、各功能层2的厚度和单个第二隔热凹槽5在出光的轴向上的长度综合分析得出的。其设计所需得到的效果是在保证脊波导结构得到有效支撑的情况下实现隔热空间。
所述第二隔热凹槽5与所述第一隔热凹槽3之间同样保持第二预设距离，具体为：位于脊柱同侧的第二隔热凹槽5与第一隔热凹槽3之间保持第二预设距离，从而使第二隔热凹槽5两侧所保留的部分功能层2用于与支撑阻腐结构6连接，增大与支撑阻腐结构6的连接面积，为脊波导结构提供更有力的支撑。
第二隔热凹槽5与空洞隔热区域4使形成了第二个隔热空间，避免热量从衬底1向外界扩散，进一步提高芯片的热调谐效率。
在本发明实施例中，第一、第二等限定性描述，并非是指代特定顺序含义，仅仅是为了让对应限定的对象能够从同类中脱离出来，并且是为了方便描述同类中不同的两个对象或者多个对象方便而加的限定，不应该将其解释出进一步限定意义。
实施例3:
本发明实施例提供了一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法，可用于制作实施例1与实施例2所阐述的新型结构的热调谐激光器芯片，需要指出的是，本发明实施例重点是针对实质性区别特征关联的方法过程产出，其他的，类似制作电极等过程因为不属于本发明的改进范畴，并且也属于常规现有技术手段，因此不会在本发明实施例后文中展开阐述。在本发明实施例中，如图8所示，预先设置生长分层衬底1，方法包括：在步骤201中，在所述分层衬底1上刻蚀出脊波导结构，其中，所述脊波导结构的沟道刻蚀至有源层27；所形成的结构如图14所示。
在步骤202中，通过光刻绘制相应的第一隔热凹槽3和第二隔热凹槽5所在位置，并通过蚀和/或湿法腐蚀得到第一隔热凹槽3和第二隔热凹槽5，并在第一隔热凹槽3内壁设置支撑阻腐结构6；其中，所述第一隔热凹槽3挖空至衬底1，所述第二隔热凹槽5挖空至下腐蚀停止层23；所形成的结构如图15所示。
在步骤203中，通过湿法腐蚀将脊波导结构下方的下牺牲层24、下腐蚀停止层23和架空层22腐蚀挖空得到空洞隔热区域4，其中，空洞隔热区域4的表面与第二隔热凹槽5导通，第二隔热凹槽5的两侧与所述支撑阻腐结构6抵接。所形成的结构如图13所示。
在本发明实施例中，上述的步骤201-步骤203仅仅是本发明实施例展现方法过程的一种顺序形式，在可选的方案中本发明实施例中的例如步骤202和步骤203的顺序可以做相应的交换，更重要的是，本发明后续实施例中对于步骤201-步骤203中特定步骤的细化内容，在无需经过本领域技术人员创造性劳动情况下，做出的执行顺序的调整也应该被合理的认为属于本发明的保护范围内。
由于在将脊波导下方的下牺牲层24、下腐蚀停止层23以及架空层22挖空后，为了保持脊波导的正常结构，需通过支撑阻腐结构6对脊波导悬空支撑，故若在制作第一隔热凹槽3并设置支撑阻腐结构6前制作空洞隔热区域4，可能导致脊波导结构下沉，针对此情况，可在完成第一隔热凹槽3的制作后，将脊波导的其他功能层2通过粘接或其他方式固定于支撑阻腐结构6的外壁，使其悬空。而在通过湿法腐蚀制作空洞隔热区域4时，需使腐蚀液与下牺牲层24、下腐蚀停止层23和架空层22接触，在本实施例所展示的方法过程的顺序中，可通过第二隔热凹槽5进行腐蚀液的倾倒，若在制作第二隔热凹槽5前制作空洞隔热区域4，可通过在第二隔热凹槽5所在位置凿孔或其他方式实现。
在本实施例中，由于材料的热调谐效率基本不受材料带隙的影响，因此在芯片设计中，可以使用材料带隙更高的材料作为波长调谐使用的无源波导区，进一步降低无源波导区材料的吸收损耗，降低芯片阈值，降低激光器线宽。同时，波导层28与衬底1通过空气进行热隔离，在芯片热功率一定的情况下，热调谐效率及调谐的响应速度都得到了极大提高。
在本发明实施例中，给予了一种激光器的实现场景，如图6所示，所述生长分层衬底1具体包括：在衬底1上依次次生长由多元材料所制成的下包层21、架空层22、下腐蚀停止层23、下牺牲层24、上腐蚀停止层25、上牺牲层26、有源层27以及波导层28。其中，本发明还提供了一些功能层可用的材料，具体包括：下包层21由InGaAs材料制成、架空层22由InP材料制成、下腐蚀停止层23由InGaAsP材料制成、下牺牲层24由InP材料制成、上腐蚀停止层25由InGaAsP材料制成、上牺牲层26由InP材料制成、有源层27由InGaAsP材料制成。
其中，针对每一个功能层2，所使用的处理工艺是由各功能层2的处理需求以及各功能层2的材料所决定的。接下来，将以本实施例中所给出的各功能层2材料为例，逐一阐述本发明生成相应脊波导结构以及生成第一隔热凹槽3、第二隔热凹槽5和空洞隔热区域4的过程。
所述在所述分层衬底1上刻蚀出脊波导结构，具体包括：通过光刻在所述分层衬底1表面定义出相应的脊波导图形，基于定义好的脊波导图形在半导体芯片上进行刻蚀，刻蚀深度超过波导层28。
选用酸性腐蚀液对芯片波导层28进行腐蚀从而在所述半导体芯片波导的左右两侧形成沿靠近所述衬底1方向上延展的脊波导图形的沟槽。
所述通过刻蚀和/或湿法腐蚀得到第一隔热凹槽3和第二隔热凹槽5，具体包括：通过沉积介电层对第一隔热凹槽3和第二隔热凹槽5以外的区域进行保护，对有源层27、上腐蚀层使用刻蚀的方式进行挖空，对上牺牲层26、下牺牲层24使用酸系溶液进行腐蚀挖空。
在处理得到第二隔热凹槽5时，使用相应的耐酸材料限制腐蚀液竖直向下腐蚀而不向两侧钻蚀。
所述通过湿法腐蚀将脊波导结构下方的下牺牲层24、下腐蚀停止层23和架空层22腐蚀挖空，具体包括：使用H2SO4系溶液对下腐蚀停止层23进行预设时间的腐蚀，使用盐酸系溶液对下牺牲层24和架空层22进行腐蚀挖空。其中，所述预设时间根据实际测试得到，其效果为完成相应的下腐蚀停止层23的挖空。所述H2SO4系溶液的一种可选配方为由H2O2与H2SO4。所述盐酸系溶液的一种可选配方为HCL与H3PO4，其中HCL与H3PO4的占比为1比3。而在对下牺牲层24与架空层22进行腐蚀时，由于设置有第一隔热凹槽3，并在第一凹槽内壁设置有支撑阻腐结构6，故可通过支撑阻腐结构6的表面对刻蚀范围进行限定，使无需对其腐蚀过程预设时间，即可在保护周围不受腐蚀的同时实现对下牺牲层24和架空层22的腐蚀效果。
在本发明实施例中，第一、第二等限定性描述，并非是指代特定顺序含义，仅仅是为了让对应限定的对象能够从同类中脱离出来，并且是为了方便描述同类中不同的两个对象或者多个对象方便而加的限定，不应该将其解释出进一步限定意义。
在本发明实施例中类似“A和/或B”的表述，其实际含义是实现方式中可以是以A作为对象方式实现，也可以是B作为对象方式实现，还可以是A和B组合的对象方式实现，而其中的A和B也可以根据具体描述场景的需求被替换为具体的主体名称对象。
在实施例1中提出了对所述支撑阻腐结构6中制作有多个孔结构。其制作方法的其实阶段，就是已经完成了如图5所示的支撑阻腐结构6结构和空洞隔热区域4结构的制作，如图9所示，方法包括：在步骤301中，在第一隔热凹槽3内填充光刻胶，相应的光刻胶覆盖在所述支撑阻腐结构6表面，并塞满所述第一隔热凹槽3。
在步骤302中，对第一隔热凹槽3内填充光刻胶，沿着激光器光轴方向，按照预设间隔按照第一图形进行第一深度的周期性的光刻，从而形成一排周期性排列的，且暴露出第一隔热凹槽3与空洞隔热区域4之间支撑阻腐结构6表面的光刻图形。
其中，第一图形为方形、半圆形、三角形等等，其中，第一图形的宽边与第一隔热凹槽3靠近脊柱的一侧贴合，并且，第一图形中朝向脊柱相背的一侧位于第一隔热凹槽3中间区域，使得去掉光刻图形后，形成一排周期性排列的，且暴露出第一隔热凹槽3与空洞隔热区域4之间支撑阻腐结构6表面的光刻图形。如图10所示，优选的，相应的第一图形所在位置正好与第二隔热凹槽5位置错开，从而，充分利用相邻两对第二隔热凹槽5之间残留功能材料层起到的弥补多个孔结构带来的支撑作用减弱问题。
在步骤303中，在制作好上述光刻图形的第一隔热凹槽3中注入腐蚀液，在完成预设时间腐蚀，构成对第一图形朝向第一隔热凹槽3靠近脊柱的一边的支撑阻腐结构6结构刻蚀后，去掉光刻胶，形成所述多个孔结构。所形成的组结构如图11所示。
实施例4:
本发明实施例将从一个较为完整的加工工艺过程，阐述本发明实施例4所实现的方法在实际过程中，在展开相关技术细节后的方法过程。
如图7所示，为一种新型结构的半导体激光器芯片的平面俯视图，在一个较为典型的热调谐激光器芯片实例中，包括如图7所示的SOA区、前光栅区、增益区（Gain）、相位区、后光栅区、COA区等等，而其中适用于形成本发明实施例1中所阐述的第二隔热凹槽5、第一隔热凹槽3以及空洞隔热区域4的，包括但不限于图中所展示的前光栅区、相位区和后光栅区，并且，根据各个区域的结构不同，相应的单一第二隔热凹槽5的大小、第一隔热凹槽3的大小、第二隔热凹槽5之间的间隔以及第二隔热凹槽5与第一隔热凹槽3之间的间隔可以根据实际情况进行因地适宜的调整。如图7所示，加热部分主要包括电阻7、电阻电极8两部分，每个电阻7均在介电层上方溅射形成，每个电阻7均连接一组电阻电极8，该结构主要体现了本发明的通电、加热机理得以实现的基本原理。
由图6可以看出，该芯片是由多种材料堆积在衬底1上形成的，依次为下包层21、架空层22、下腐蚀停止层23、下牺牲层24、上腐蚀停止层25、上牺牲层26、有源层27和波导层28。上述功能层2的具体结构依据实际场景而定，可以为激光器层状结构、探测器层状结构、调制器层状结构或无源波导层28状结构中的一种或多种。
在实际生产制造中，芯片在正常工作时产生的热量主要透过衬底1与外界空气进行热交换，所述上牺牲层26的组成材料为InP，有源层27的组成材料为InGaAsP。通过在衬底的上方生长多个功能层，从而极大的增加了电阻7与衬底1之间存在的间隔，减少电阻7所产生的热量向衬底1扩散，从而提高芯片的热调谐效率。
在实施例4中的相应步骤可表现为以下的详细步骤，如图12所示，具体包括：在步骤401中，生长分层衬底。
在步骤402中，沉积第一介电层，并通过光刻和刻蚀制作脊波导结构A，所述脊波导结构A如图13标示所示，为脊波导的脊柱两侧的沟道。
在步骤403中，沉积第二介电层，并通过光刻、刻蚀和湿法腐蚀制作第二隔热凹槽B，所述第二隔热凹槽B如图13标示所示。
在步骤404中，沉积第三介电层，并通过光刻、刻蚀和湿法腐蚀制作第一隔热凹槽D，所述第一隔热凹槽D如图13标示所示。
在步骤405中，沉积介电层、电阻和电极。
在步骤406中，通过对第二隔热凹槽5底部进行腐蚀穿透，制作空洞隔热区域C，所述空洞隔热区域C如图13标示所示。
如步骤401所述的生长分层衬底1，具体包括：在InP衬底1上依次生长InGaAs材料的下包层21、InP材料的架空层22、InGaAsP材料的下腐蚀停止层23、InP材料的下牺牲层24、InGaAsP材料的上腐蚀停止层25、InP材料的上牺牲层26、InGaAsP材料的有源层27以及InGaAsP材料的波导层28。
如步骤402所述的沉积第一介电层，并通过光刻和刻蚀制作脊波导结构A，具体包括：沉积第一介电层用于保护脊波导结构A以外的部分，使其不受到刻蚀或湿法腐蚀的影响，通过光刻的方式在芯片表面定义出相应的脊波导A图形，基于定义好的脊波导A图形在半导体芯片上进行RIE刻蚀，刻蚀深度超过组成成分包括InGaAsP材料的波导层28，也可选用盐酸系溶液（HCl：H3PO4=1:3）对波导层28进行腐蚀从而在半导体芯片波导的左右两侧形成沿靠近所述衬底1方向上延展的沟槽。在制作脊波导结构A图形结束后，可通过反应离子刻蚀和/或借助酸性腐蚀液的湿法腐蚀的方式去除第一介电层。制作结束后，呈现如图14所述的结构。
如步骤403所述的沉积第二介电层，并通过光刻、刻蚀和湿法腐蚀制作第二隔热凹槽B，具体包括：沉积第二介电层，通过第二介电层的沉积对第二隔热凹槽B结构以外的区域进行保护，并使用光刻工艺实现第二隔热凹槽B位置以及尺寸的限定，随后在第二介电层的保护下对有源层27进行RIE刻蚀直至到达上牺牲层26，随后选用盐酸系溶液（HCl：H3PO4=1:3）对上牺牲层26进行腐蚀；然后对上腐蚀停止层25进行RIE刻蚀直至到达下牺牲层24，继续选用盐酸系溶液（HCl：H3PO4=1:3）对下牺牲层24进行腐蚀直至到达架空层22，并通过InGaAsP材料限制腐蚀液对InP材料竖直向下腐蚀而不向两侧钻蚀，至此第二隔热凹槽B制作完成。
如步骤404所述的沉积第三介电层，并通过光刻、刻蚀和湿法腐蚀制作第一隔热凹槽D，具体包括：沉积第三介电层，通过光刻的方式定位第一隔热凹槽D的位置，根据各个功能层2的材料特性，选择RIE刻蚀、盐酸系溶液或H2SO4系溶液对相应功能层2进行刻蚀，直至到达衬底1。并在第一隔热凹槽D的内壁通过粘贴等方式固定支撑阻腐结构6。所述支撑阻腐结构6可以是通过一体化成型所制作的结构内带有小圆孔，小圆孔中带有支撑柱、且与第一隔热凹槽D内壁完全贴合的凹槽，在一体化成型的凹槽内层和外层沉积介电层和/或金属氧化物,实现其隔热的功效。所制作得到的第二隔热凹槽5和第一隔热凹槽3呈现如图15所示的结构。
如步骤405所述的沉积介电层、电阻7和电极，具体包括：通过再次沉积介电层并通过光刻的方式来严格控制电阻7和电极材料的沉积，来保证芯片设计时对阻值及加电的初衷。
如步骤406所描述的通过反应离子刻蚀和/或借助酸性腐蚀液的湿法腐蚀的方式来去除电极上的由前述工艺所沉积的介电层，以保证芯片的正常通电结构，随后由光刻工艺来实现空洞隔热区域C的制作，选用H2SO4酸系（H2O2和H2SO4）溶液对下腐蚀停止层InGaAsP材料进行预设时间的腐蚀，随后用盐酸系溶液（HCl：H3PO4=1:3）对下牺牲层24和架空层22进行腐蚀，将脊波导结构下方的下牺牲层24、下腐蚀停止层23以及架空层22挖空。并在第一隔热凹槽3D和挖空形成的空洞隔热区域内部通过溅射或CVD的方式沉积介电层和/或金属氧化物，以形成隔热层，进一步阻止热量向衬底传递。
从而通过脊波导结构下方的其他功能层2与支撑阻腐结构6的固定，使支撑阻腐结构6将脊波导结构悬空支撑，从而形成有悬臂支撑的悬空隔热结构。制作结束后，呈现如图13所示挖空结构C。
其中，所述预设时间是由本领域技术人员根据经验和下腐蚀停止层23的材料特性分析得出的，或通过详密的测试实验得到材料密度以及厚度与腐蚀速率的关系，从而得出将下腐蚀停止层23完全腐蚀所需要的时间作为预设时间。由光刻制作的脊波导结构A、第二隔热凹槽B、空洞隔热区域C以及第一隔热凹槽D的上截面可以是方形、圆形、或者其他图形，依据实际情况设计即可，在此不做具体限定。
在本发明实施例中，第一、第二等限定性描述，并非是指代特定顺序含义，仅仅是为了让对应限定的对象能够从同类中脱离出来，并且是为了方便描述同类中不同的两个对象或者多个对象方便而加的限定，不应该将其解释出进一步限定意义。
在本发明实施例中类似“A和/或B”的表述，其实际含义是实现方式中可以是以A作为对象方式实现，也可以是B作为对象方式实现，还可以是A和B组合的对象方式实现，而其中的A和B也可以根据具体描述场景的需求被替换为具体的主体名称对象。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种新型结构的热调谐激光器芯片，其特征在于，包括衬底（1）和依次生长在衬底（1）之上的多个功能层（2），具体的：
激光器的脊波导位于其出光的轴向上，在脊波导的两侧沟道中分别设置贯穿所有功能层（2）直至联通至衬底（1）的第一隔热凹槽（3），且脊波导下方的至少一个功能层（2）被挖空形成空洞隔热区域（4）；
其中，所述空洞隔热区域（4）是通过在脊柱两侧刻蚀出至少一对第二隔热凹槽（5）之后，腐蚀穿一对第二隔热凹槽（5）之间的至少一个功能层（2）形成；并且，所述空洞隔热区域（4）的两侧与所述第一隔热凹槽（3）相邻；
在第一隔热凹槽（3）内壁生长有兼具阻腐与支撑功能的支撑阻腐结构（6），所述空洞隔热区域（4）的两侧与所述第一隔热凹槽（3）相邻，并且，两者之间隔着所述支撑阻腐结构（6）。
2.如权利要求1所述的新型结构的热调谐激光器芯片，其特征在于，所述第二隔热凹槽（5）为所述脊波导中，位于所述脊柱两侧的沟道的部分区域，在向衬底（1）方向进一步刻蚀形成；并且，所述第二隔热凹槽（5）与所述第一隔热凹槽（3）平行设置，两者之间间隔有多个悬浮与空洞隔热区域（4）上的功能层。
3.如权利要求1所述的新型结构的热调谐激光器芯片，其特征在于，所述支撑阻腐结构（6）由与第一隔热凹槽（3）相邻的一层作为最外层到内层依次包括第一层溅射金属Ti和Pt，第二层通过CVD的方式沉积氧化膜。
4.如权利要求1所述的新型结构的热调谐激光器芯片，其特征在于，在包含多对所述第二隔热凹槽（5）时，其中，每一对第二隔热凹槽（5）沿着激光器轴向延伸方向与相邻一对第二隔热凹槽（5）的间隔距离正好与一个光栅区域长度一致，则多对第二隔热凹槽（5）构成的多个间隔距离形成于周期性光栅区域相一致的周期结构；其中，所述每一对第二隔热凹槽（5）沿着激光器轴向延伸方向与相邻一对第二隔热凹槽（5）的间隔距离中保留有相应在第二隔热凹槽腐蚀掉的各功能层。
5.如权利要求1所述的新型结构的热调谐激光器芯片，其特征在于，所述依次生长在衬底（1）之上的多个功能层（2）包括下包层（21）、架空层（22）、下腐蚀停止层（23）、下牺牲层（24）、上腐蚀停止层（25）、上牺牲层（26）、有源层（27）和波导层（28）中的至少一层。
6.如权利要求1所述的新型结构的热调谐激光器芯片，其特征在于，还包括电阻（7）、电极（8）两部分，每个电阻（7）均在介电层上方溅射形成在激光器的脊波导上，每个电阻（7）均连接一组电极。
7.一种新型结构的热调谐激光器芯片制作方法，其特征在于，预先在衬底（1）之上生长多个功能层（2），方法包括：
在所述多个功能层（2）上刻蚀出脊波导结构，其中，所述脊波导结构的沟道刻蚀至有源层（27）；
通过光刻绘制相应的第一隔热凹槽（3）和第二隔热凹槽（5）所在位置，并通过刻蚀和/或湿法腐蚀得到第一隔热凹槽（3）和第二隔热凹槽（5）；其中，所述第一隔热凹槽（3）挖空至衬底（1），所述第二隔热凹槽（5）挖空至下腐蚀停止层（23）；
在第一隔热凹槽（3）内壁生长支撑阻腐结构（6）；
通过湿法腐蚀将脊波导结构下方的下牺牲层（24）、下腐蚀停止层（23）和架空层（22）腐蚀挖空得到空洞隔热区域（4），其中，空洞隔热区域（4）的表面与第二隔热凹槽（5）导通，第二隔热凹槽（5）的两侧与所述支撑阻腐结构（6）抵接。
8.如权利要求7所述的新型结构的热调谐激光器芯片制作方法，其特征在于，在所述多个功能层（2）上刻蚀出脊波导结构，具体包括：
通过光刻在所述多个功能层（2）表面定义出相应的脊波导图形，基于定义好的脊波导图形在半导体芯片上进行刻蚀，刻蚀深度超过波导层（28）；
选用酸性腐蚀液对芯片波导层（28）进行腐蚀从而在所述半导体芯片波导的左右两侧形成沿靠近所述衬底（1）方向上延展的脊波导图形的沟槽。
9.如权利要求7所述的新型结构的热调谐激光器芯片制作方法，其特征在于，所述通过湿法腐蚀将脊波导结构下方的下牺牲层（24）、下腐蚀停止层（23）和架空层（22）腐蚀挖空，具体包括：
使用H2SO4系溶液对InGaAsP材料的下腐蚀停止层（23）进行预设时间的腐蚀，使用盐酸系溶液对InP材料的下牺牲层（24）和架空层（22）进行腐蚀挖空。
Priority Applications (3)
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