CN115039297A - 光栅过渡时的生长缺陷减少 - Google Patents

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Abstract

一种半导体装置。在一些实施方案中，半导体装置包括：具有第一区域和第二区域的第一层，所述第一区域为波纹状并具有多个波纹，所述第二区域无波纹。波纹的第一循环可以具有第一占空比，并且波纹的第二循环可以具有第二占空比，所述第二循环在第一循环与第二区域之间，并且第二占空比在第一占空比与第二区域的占空比之间。

Description

光栅过渡时的生长缺陷减少
技术领域
根据本公开的实施方案的一个或多个方面涉及光栅，并且更具体地涉及一种用于激光器的光栅及其制造方法。
背景技术
DFB激光器的有源区域中的生长缺陷可能会降低其可靠性。当在激光器结的n侧上、有源区域下方制造带光栅的DFB激光器时，尽可能接近水平的光栅表面的平滑平坦化可能有助于减少量子阱有源区域中的生长缺陷。在包含部分波纹光栅(在波纹区域与无光栅区域之间具有陡峭边界)的DFB激光器中，陡峭边界可能导致陡坡，这可能导致生长缺陷的集中密度。
因此，需要对带部分波纹光栅的DFB激光器进行改进设计。
发明内容
根据本公开的一个实施方案，提供了一种半导体装置，其包括：第一层，所述第一层具有第一区域和第二区域，所述第一区域为波纹状并具有多个波纹，所述第二区域无波纹；所述波纹的第一循环具有第一占空比，所述波纹的第二循环具有第二占空比，所述第二循环在所述第一循环与所述第二区域之间，并且所述第二占空比在所述第一占空比与所述第二区域的所述占空比之间。
在一些实施方案中，所述半导体装置包括分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器包括：所述第一层的所述第一区域和所述第一层的所述第二区域。
在一些实施方案中，所述半导体装置还包括在所述第一层上的多个量子阱层。
在一些实施方案中，所述半导体装置还包括在所述第一层下方的多个量子阱层。
在一些实施方案中，所述半导体装置还包括所述第一层上的蚀刻停止层。
在一些实施方案中，所述波纹的每个循环的占空比与所述波纹的相邻循环的占空比相差最多0.7，并且最接近所述第二区域的所述循环的占空比与所述第二区域的占空比相差最多0.7。
在一些实施方案中，所述波纹的循环的占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的线性函数。
在一些实施方案中，所述波纹的循环的占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的分段线性函数。
在一些实施方案中，所述波纹的循环的占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的函数，所述函数具有连续一阶导数。
在一些实施方案中，所述波纹的循环的所述占空比与对应部分蚀刻深度的乘积在0.2内遵循沿着所述装置的长度的距离的分段线性函数。
根据本公开的一个实施方案，提供了一种用于制造半导体装置的方法，所述方法包括：在衬底上形成第一层；去除所述第一层的部分；以及在所述第一层上形成平坦化层，在去除所述第一层的部分之后，所述第一层具有第一区域和第二区域，所述第一区域为波纹状并具有多个波纹，所述第二区域无波纹；所述波纹的第一循环具有第一占空比；所述波纹的第二循环具有第二占空比，所述第二循环在所述第一循环与所述第二区域之间，所述第二占空比在所述第一占空比与所述第二区域的所述占空比之间。
在一些实施方案中，所述半导体装置是分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器包括：所述第一层的所述第一区域和所述第一层的所述第二区域。
在一些实施方案中，所述方法还包括在形成所述平坦化层之后，在所述衬底上形成多个量子阱层。
在一些实施方案中，所述方法还包括在形成所述第一层之前，在所述衬底上形成多个量子阱层。
在一些实施方案中，所述方法还包括在所述第一层上形成蚀刻停止层。
在一些实施方案中，所述波纹的每个循环的占空比与所述波纹的相邻循环的占空比相差最多0.7，并且最接近所述第二区域的所述循环的占空比与所述第二区域的占空比相差最多0.7。
在一些实施方案中，所述波纹的循环的占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的线性函数。
在一些实施方案中，所述波纹的循环的占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的分段常值函数。
在一些实施方案中，所述波纹的循环的占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的函数，所述函数具有连续一阶导数。
在一些实施方案中，去除所述第一层的部分包括将所述部分中的每一者蚀刻到相应的蚀刻深度。
在一些实施方案中，所述波纹的循环的所述占空比与对应部分蚀刻深度的乘积在0.2内遵循沿着所述装置的长度的距离的线性函数。
附图说明
参考说明书、权利要求和附图，将明白和理解本公开的这些和其他特征和优点，在附图中：
图1是根据本公开的一个实施方案的半导体激光器的示意性端视图；
图2是相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图3是根据本公开的一个实施方案的相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图4是根据本公开的一个实施方案的相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图5是根据本公开的一个实施方案的相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图6是根据本公开的一个实施方案的相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图7是根据本公开的一个实施方案的相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图8是根据本公开的一个实施方案的相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图9是根据本公开的一个实施方案的相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图10是根据本公开的一个实施方案的相关技术半导体激光器的示意性侧视图；
图11是根据本公开的一个实施方案的光栅制造中的中间产品；
图12A是根据本公开的一个实施方案的光栅制造中的中间产品；
图12B是根据本公开的一个实施方案的光栅制造中的中间产品；
图13A是根据本公开的一个实施方案的光栅制造中的中间产品；以及
图13B是根据本公开的一个实施方案的光栅制造中的中间产品。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述意图作为具有根据本公开提供的减少的生长缺陷的DFB激光器的示例性实施方案的描述，而并非意图表示可以构造或利用本公开的唯一形式。所述描述结合所示实施方案阐述了本公开的特征。然而，应当理解，相同或等效的功能和结构可以由也意图涵盖在本公开的范围内的不同实施方案来实现。如本文中其他地方指示，相似的元件编号意图指示相似的元件或特征。
参考图1，在一些实施方案中，分布式反馈(DFB)激光器可以包括衬底、衬底上的缓冲层、缓冲层上的引导层、引导层上的平坦化层、平坦化层上的第一单独限制层、第一单独限制层上的多个量子阱(QW，或“多量子阱”(MQW))层、多个量子阱层上的第二单独限制层、第二单独限制层上的间隔层、间隔层上的蚀刻停止层，以及蚀刻停止层上的激光脊。DFB激光器可以通过使用适合于生长晶体层的工艺(例如，金属有机化学气相沉积(MOCVD))以及干预蚀刻步骤在衬底上生长激光器层来制造。例如，如图2所示，引导层可以具有蚀刻到其中的间隙或“沟槽”(通过如下文进一步详细讨论的合适光刻工艺)，从而形成可能影响激光器行为的光栅。如图所示，光栅可以仅沿着激光器的长度的一部分延伸；此类结构可以被称为“部分波纹”光栅，并且引导层的在其中形成光栅的部分可以被称为引导层的“波纹部分”。
可以通过图案化和蚀刻引导层来形成部分波纹光栅(如下文在图11至图13B的上下文中更详细地讨论的)。在去除引导层的部分之后，在引导层的波纹部分内，平坦化层生长的后续步骤如图2所示可能导致平坦化层的上表面在引导层的波纹部分上方比在引导层的完整部分上方更低，因为在生长步骤期间沉积的一些材料被消耗以再填充蚀刻到引导层中的间隙。如果引导层的无波纹部分被完全蚀刻掉而不是未受干扰，则平坦化层的上表面在引导层的波纹部分上方可能比在引导层的无波纹(完全蚀刻掉)部分上方更高。在任一情况下，高度差可能导致平坦化层具有不平坦的上表面，特别是所述上表面具有被相对突然的坡度变化包围的相对较陡的斜坡表面(或“陡坡”)，这可能导致随后在平坦化层上生长的层(包括量子阱层)中的生长缺陷集中。
在相关技术DFB激光器的说明性示例中，陡坡出现在500 nm~1000 nm的距离上(沿着装置的长度)，其中平坦化层中的厚度变化为30 nm。这产生角度在1.7°和3.4°之间的斜坡。在非水平斜坡上的外延生长导致材料的成分与在水平表面上生长的材料的成分不同，并且斜坡区域中的材料成分的不均匀性可能导致材料应力增加并在这种相关技术DFB激光器中形成生长缺陷。
在一些实施方案中，平坦化层中的陡坡被制成较不陡(或较不陡峭)或被消除。这可以通过在引导层的介于“稳态”光栅区域(其中光栅可以具有基本恒定的占空比，例如，占空比0.5 (即，50%))与无光栅区域之间的“过渡区域”中逐渐减小波纹的占空比来实现，如图3所示。在一些实施方案中，占空比沿着装置的长度变化，并且光栅的间距(即，波纹的相邻循环之间的间隔)可以沿着装置的长度保持恒定。如本文所使用，波纹(即，引导层的波纹部分的波纹)的任何循环的占空比是(i)循环的蚀刻部分(即，在完成的装置中已经被平坦化层再填充的部分)的长度(在装置中的光传播方向上测量)与(ii)循环的总长度的比率。可以看出，在图3中，引导层包括第一区域(波纹或“光栅”区域)和第二区域(无波纹或“无光栅”区域)。
在图3的实施方案中，波纹的占空比随着距第二区域的距离增加而增加(在过渡区域中)。例如，第一循环311具有第一占空比，并且第二循环312具有第二占空比，所述第二占空比可以在图3中看到小于第一占空比。未蚀刻部分可以被认为占空比为0 (如下文进一步详细讨论的)。因而，第二循环在第一循环与第二区域之间，并且第二占空比在第一占空比与第二区域的占空比之间。
如本文所使用，当引导层未被蚀刻时，引导层的占空比被定义为0 (即，0%)，并且当引导层被蚀刻时，引导层的占空比被定义为1 (即，100%)(例如，如在图7至图9中的无波纹区域中所示) (不管蚀刻步骤是完全蚀刻还是部分蚀刻引导层)。
作为一些实施方案的优点的说明，通过在6 um的距离内逐渐减小占空比，斜坡(对于30 nm的相同厚度变化)减小到0.3°。该角度与起始衬底材料的典型角度公差(例如+/-0.3°)相当，并且最多可以产生不会导致生长缺陷的材料成分的无关紧要的变化。
在另一个实施方案中，蚀刻区域被改变为在无光栅区域与稳态区域之间的一个或多个中间占空比，如图4所示。作为说明，通过在6 um的距离内以2个步骤改变占空比，在每个步骤处改变10 nm的厚度，斜坡再次减小到0.3°，并且在该实施方案中，所得斜坡也最多可以产生不会导致生长缺陷的材料成分的无关紧要的变化。在该实施方案中，占空比是沿着装置的长度的距离的分段常值函数。如本文所使用，当量被描述为根据“沿着装置的长度”的距离的某个函数而变化时，这意味着所述函数是在装置的长度的一部分(可能小于装置的整个长度的一部分)内沿着装置的长度的距离(而不是沿着另一个方向的距离)的函数；这并不意味着量根据沿着装置的整个长度的函数而变化。
在一些实施方案中，占空比是沿着装置的长度的距离的分段线性函数(例如，从第一区域(稳态区域)中的50%的常数值线性变化为0%的常数值(在无波纹区域) (或如下所述的一些实施方案中所示的100%的常数值)。在一些实施方案中，占空比是沿着装置的长度的距离的另一个函数，例如，具有分段线性(即，连续)一阶导数或分段线性二阶导数的函数。
除了消除影响n侧光栅DFB激光器中的量子阱有源区域的生长缺陷之外，在一些实施方案中，带p侧光栅的DFB激光器的制造质量和产量也得到改进。在带p侧光栅的DFB激光器中，量子阱有源区域可以不受由于平坦化层的顶表面中的陡坡引起的生长缺陷的存在的影响。然而，这些生长缺陷可能成为分离激光脊和下面的量子阱有源区域的蚀刻停止层中的薄弱点。蚀刻停止层中薄弱点的存在可能导致局部蚀刻坑，所述局部蚀刻坑降低激光性能并且影响产量。带p侧光栅的DFB激光器的对应实施方案在图5和图6中示出。
在图3、图4、图5和图6中所示的实施方案中，无光栅区域中的引导层是完好无损的。相比之下，在图7、图8、图9和图10中，无光栅区域中的引导层已完全去除。这些替代实施方案通过从稳态区域到无光栅区域逐渐增加蚀刻区域的占空比(或在多个步骤中逐步增大占空比)来消除平坦化中的陡坡。
例如，在图7的实施方案中，波纹的占空比随着距第二区域(第二区域是无波纹、无光栅区域)的距离的增加而减小(在过渡区域中)。例如，第一循环711具有第一占空比，并且第二循环712具有第二占空比，所述第二占空比可以在图7中看到大于第一占空比。未蚀刻部分可以被认为占空比为1 (如上文提及)。因而(如在图3的实施方案中的情况一样)，第二循环在第一循环与第二区域之间，并且第二占空比在第一占空比与第二区域的占空比之间。
图11至图13B示出了使用湿法蚀刻(图11、图12A和图12B)或干法蚀刻(图11、图13A和图13B)制造光栅的中间产品。在图11中，抗蚀剂已被图案化。在图12A和图12B中，引导层已经被蚀刻，并且在图12B和图13B中，抗蚀剂已被剥离。
蚀刻区域的占空比的改变可以通过改变限定蚀刻的图案化抗蚀剂来实现，例如在图11中示出。这种图案化抗蚀剂可以通过电子束光刻或本领域已知的其他合适的图案化手段(诸如全息UV光曝光)来限定。对于通过湿法蚀刻工艺形成的蚀刻区域，图案化抗蚀剂可以用具有与蚀刻区域的目标占空比不同的占空比(例如，较低的占空比，作为沿着装置的长度的距离的函数)的图案进行图案化，如图12A和图12B所示。图案化抗蚀剂中的此类图案可以补偿湿法蚀刻的性质，即提高在蚀刻区域的靠近由于负载效应而没有蚀刻的区域的边缘处的底切率。
对于通过干法蚀刻工艺形成的蚀刻区域，可以采用具有更复杂占空比分布的图案化抗蚀剂，以补偿干法蚀刻的性质，即提高在蚀刻区域的靠近由于负载效应而没有蚀刻的区域的边缘处的蚀刻率。如图13A和图13B所示，靠近蚀刻区域的边缘的更深蚀刻可能需要从平坦化层进行更多的再填充并导致平坦化层上的斜坡增大。可以通过使用具有非线性变化的占空比((例如，占空比与预期的对应蚀刻深度的乘积遵循目标函数(例如，线性函数)，或者占空比的一阶导数随着占空比增加而增加))的图案化抗蚀剂图案来补偿更窄、更深的沟槽在平坦化层的形成期间可能需要更多的再填充材料(与沟槽深度全都相等的情况相比)的事实，所述非线性变化的占空比考虑了沟槽宽度和深度两者对实际再填充体积的影响。在一些实施方案中，可以通过使用经调整以将负载效应最小化的干法蚀刻工艺来减少或消除补偿沟槽深度变化的需要。
在一些实施方案中，引导层可以被部分地蚀刻，即，图12A和图13A的蚀刻步骤可以仅蚀刻掉部分而穿过引导层，而不是蚀刻掉全部而穿过引导层，如图12A和图13A所示。在一些实施方案中，作为占空比变化的补充或替代，沟槽深度可以在过渡区域内变化。例如，可以使用也蚀刻抗蚀剂材料的干法蚀刻工艺来制造此类结构。然后，抗蚀剂图案中的一组浅波纹可以转化为引导层中的一组浅沟槽(例如，导致引导层部分蚀刻)。可以通过有意减少抗蚀剂图案的曝光剂量来形成浅波纹。在这种情况下，抗蚀剂图案将不会是“数字的”，如图11、图12A和图13A所示，而是可以替代地具有不同深度的波纹。如本文所使用，“部分蚀刻深度”是沟槽深度与引导层厚度的比率。如果沟槽深度超过引导层的厚度，则采用相同的定义，使得例如在图13A和图13B中，部分蚀刻深度大于1。
尽管本文中的一些实施方案是在DFB激光器的上下文中描述的，但是本发明不限于DFB激光器，并且可以例如与其他半导体装置一起使用，所述其他半导体装置诸如DBR(分布式布拉格反射器)激光器(其也可以包含带光栅的区段和不带光栅的区段)和采样光栅DBR激光器(其可以包含具有不同间距的多个光栅区段以及无光栅区段)。当本文描述了某种函数形式(例如，占空比的变化，或部分蚀刻深度的变化，或占空比与部分蚀刻深度的乘积的变化)作为沿着装置的长度的距离的函数时，应当理解，由于制造公差，实际装置的特性可能不完全遵循函数，而是可能替代地在0.1内、或在0.2内、或在0.3内、或在0.4内、或在0.5内、或在0.6内、或在0.7内、或在0.8内、或在0.9内遵循函数。在一些装置中，波纹的每个循环的占空比(或部分蚀刻深度，或占空比与部分蚀刻深度的乘积)与波纹的相邻循环的对应特性相差最多0.9 (或最多0.8，或最多0.7，或最多0.6，或最多0.5，或最多0.4，或最多0.3，或最多0.2，或最多0.1)，并且最接近第二区域(即，无波纹区域)的循环的占空比(或部分蚀刻深度，或占空比与部分蚀刻深度的乘积)与第二区域的占空比相差最多0.9 (或最多0.8，或最多0.7，或最多0.6，或最多0.5，或最多0.4，或最多0.3，或最多0.2，或最多0.1)。在一些实施方案中，图中被示为无波纹的区域(第二区域)呈波纹状(而不是完全无波纹)，具有与稳态区域不同的部分蚀刻深度或不同的占空比。
如本文所使用，对于在操作中传播光的装置，装置的层中的“波纹”区域是指沿着装置的长度具有交替的蚀刻部分和未蚀刻部分的区域(蚀刻部分和相邻未蚀刻部分的每个组合都是波纹的“循环”)，长度方向是光在操作中的传播方向，在任一侧上任何蚀刻部分和相邻未蚀刻部分的总长度(在装置中的光传播方向上)最多为3微米。如本文所使用，“无波纹”是指没有波纹。如本文所使用，当波纹的特性(例如，占空比)在一定量内“遵循”特定函数时，这意味着对于波纹的每个循环，所述特性与函数之间的差值的绝对值小于所述量。如本文所使用，当第一数字在第二数字与第三数字“之间”时，这意味着(i)第一数字大于第二数字且小于第三数字或者(ii)第一数字小于第二数字且大于第三数字。如本文所使用，当第一数字与第二数字“相差最多”一定的量时，这意味着第一数字与第二数字之间的差值的绝对值小于或等于所述量。
应当理解，当元件或层被称为在另一个元件或层“上”、“下方”或“附近”时，它可以直接在另一元件或层上、下方或附近，或者可以存在一个或多个中间元件或层。相比之下，当元件或层被称为“直接”在另一元件或层“上”、“下方”或“紧邻”另一元件或层时，不存在中间元件或层。如本文所使用，事物的“一部分”是指事物的全部或少于全部。如本文所使用，术语“上”和“下方”用于假设衬底在装置底部所处的装置取向。如本文所使用，词语“或”是包含性的，使得例如，“A或B”是指(i)A、(ii)B和(iii)A和B中的任何一者。
尽管本文已经具体描述和示出了具有减少的生长缺陷的DFB激光器的示例性实施方案，但是许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，应当理解，根据本公开的原理构造的具有减少的生长缺陷的DFB激光器可以以不同于本文具体描述的方式来实施。本发明也在所附权利要求及其等同物中限定。

Claims (21)

1.一种半导体装置，其包括：
第一层，所述第一层具有第一区域和第二区域，
所述第一区域为波纹状并具有多个波纹，
所述第二区域无波纹，
所述波纹的第一循环具有第一占空比，
所述波纹的第二循环具有第二占空比，
所述第二循环在所述第一循环与所述第二区域之间，并且
所述第二占空比在所述第一占空比与所述第二区域的所述占空比之间。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其包括分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器包括：
所述第一层的所述第一区域，以及
所述第一层的所述第二区域。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的半导体装置，其还包括在所述第一层上的多个量子阱层。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的半导体装置，其还包括在所述第一层下方的多个量子阱层。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体装置，其还包括在所述第一层上的蚀刻停止层。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的半导体装置，其中：
所述波纹的每个循环的所述占空比与所述波纹的相邻循环的所述占空比相差最多0.7，并且
最接近所述第二区域的所述循环的所述占空比与所述第二区域的所述占空比相差最多0.7。
7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体装置，其中所述波纹的所述循环的所述占空比在0.2内遵循沿着所述装置的长度的距离的分段线性函数。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置，其中所述波纹的所述循环的所述占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的分段常值函数。
9. 根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置，其中所述波纹的所述循环的所述占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的函数，所述函数具有连续一阶导数。
10. 根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置，其中所述波纹的所述循环的
所述占空比和
对应部分蚀刻深度
的乘积在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的分段线性函数。
11.一种用于制造半导体装置的方法，所述方法包括：
在衬底上形成第一层；
去除所述第一层的部分；以及
在所述第一层上形成平坦化层，
在去除所述第一层的部分之后，所述第一层具有第一区域和第二区域，
所述第一区域为波纹状并具有多个波纹，
所述第二区域无波纹，
所述波纹的第一循环具有第一占空比，
所述波纹的第二循环具有第二占空比，
所述第二循环在所述第一循环与所述第二区域之间，并且
所述第二占空比在所述第一占空比与所述第二区域的所述占空比之间。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述半导体装置是分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器包括：
所述第一层的所述第一区域，以及
所述第一层的所述第二区域。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其还包括在形成所述平坦化层之后，在所述衬底上形成多个量子阱层。
14.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其还包括在形成所述第一层之前，在所述衬底上形成多个量子阱层。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其还包括在所述第一层上形成蚀刻停止层。
16. 根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中：
所述波纹的每个循环的所述占空比与所述波纹的相邻循环的所述占空比相差最多0.7，并且
最接近所述第二区域的所述循环的所述占空比与所述第二区域的所述占空比相差最多0.7。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中所述波纹的所述循环的所述占空比在0.2内遵循沿着所述装置的长度的距离的分段线性函数。
18.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中所述波纹的所述循环的所述占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的分段常值函数。
19.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中所述波纹的所述循环的所述占空比在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的函数，所述函数具有连续一阶导数。
20. 根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中去除所述第一层的部分包括将所述部分中的每一者蚀刻到相应的蚀刻深度。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中所述波纹的所述循环的
所述占空比和
对应部分蚀刻深度
的乘积在0.2内遵循沿着所述装置的所述长度的距离的分段线性函数。
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