CN1536722A

CN1536722A - 高速电吸收调制器的制作方法

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Publication number: CN1536722A
Application number: CNA031092152A
Authority: CN
Inventors: 胡小华; 王宝军; 王圩; 朱洪亮
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: CN1258843C

Abstract

一种高速率电吸收调制器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)采用铟镓砷磷应变多量子阱结构作为调制器的吸收有源区；(2)采用干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的三步工艺同时腐蚀出脊波导结构和压焊电极沟；(3)通过区域选择湿法腐蚀方法刻蚀压焊电极深沟；(4)采用氦离注入压焊电极深沟的技术来增加高电阻层厚度；(5)压焊电极沟填埋厚层聚酰亚胺作为电极垫层；(6)通过两步曝光、显影技术和控制显影时间的方法制作自对准的脊波导电极条。

Description

高速电吸收调制器的制作方法

技术领域

本发明是关于一种高速多量子阱电吸收调制器的制作工艺，主要措施有：采用本征的的多量子阱吸收区和较厚的波导层，增加本征层的厚度，减小吸收区电容；通过预先刻蚀出的深坑里填埋尽可能厚的聚酰亚胺电介质作为垫层，减少压焊电极寄生电容；两步曝光显影技术自对准金属电极条，减小脊波导电极条宽，进一步降低有源区pn结电容，从而获得尽可能高的调制速率。该器件可用作高速光通信系统中的光调制器，将电信号转换为光信号，特别适宜于与分部反馈半导体激光器的单片集成，同时还可用作高速光开光器件和波长转换器件等。

背景技术

近年来，电吸收调制器广泛应用于波分复用光纤通信系统中，这是由于其具有低啁啾、低工作电压、易于集成、小尺寸和低成本等许多优点。调制速率为2.5Gbit/s的电吸收调制器已经大量的商品化，为了获得更高的调制速率，常常采用的技术方法有：

1、行波电极结构(见Electronics Letters，Vol.37，No.5，2001，pp.299-300和Electronics Letters，Vol.35，No.12，1999，pp.993-994)，但是该方法要求很高的设计难度和制作成本，而且成品率较低。

2、采用传统的集中参数的电极结构，尽可能的减小压焊电极寄生电容和吸收区的pn结电容，主要措施有用聚酰亚胺材料掩埋深脊波导台条(见IEEE Photonics Technology Letters，Vol.14，No.12，2002，pp.1647-1649)，尽量缩短调制器吸收区的腔长(见IEEE Journal of Selected Topicsin Quant微米Electronics，Vol.3，No.2，1997，pp.336-343)等。这些措施中，聚酰亚胺往往大面积掩埋在脊波导条两侧，厚度一般较薄，难于进一步降低压焊电极区域的寄生电容，而且不利于散热，影响器件的工作寿命，吸收区长度过于缩短，常常会导致消光效率较低，为了获得一定的消光比，只得以提高工作电压作为代价。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速电吸收调制器的制作方法，其是关于改进的集中参数电极结构的电吸收调制器的制作工艺，特别是关于降低电容，提高调制速率的方法和具体的工艺步骤。采用浅脊波导和深沟填埋聚酰亚胺涂胶的双脊型结构和离子注入减小压焊电极下寄生电容电容，以及自对准金属电极条的方法减小电极条下吸收区的pn结电容，可以获得高10Gbit/s以上的调制速率。

本发明一种高速率电吸收调制器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)采用铟镓砷磷应变多量子阱结构作为调制器的吸收有源区；

(2)采用干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的三步工艺同时腐蚀出脊波导结构和压焊电极沟；

(3)通过区域选择湿法腐蚀方法刻蚀压焊电极深沟；

(4)采用氦离注入压焊电极深沟的技术来增加高电阻层厚度；

(5)压焊电极沟填埋厚层聚酰亚胺作为电极垫层；

(6)通过两步曝光、显影技术和控制显影时间的方法制作自对准的脊波导电极条。

其中所说的多量子阱吸收区，其是采用低压有机金属化学汽相外延生长方法，材料为铟镓砷磷四元半导体化合物，阱层厚8～15纳米，波长为1.58微米，张应变量为0.7％，垒层厚为4～8纳米，波长为1.0～1.5微米，压应变量为0.5％，多量子阱共5～10个周期，其综合光荧光谱峰值波长为1.48～1.52微米，上下波导层厚度为100～150纳米，不搀杂。

其中所说的光刻脊波导三步光刻工艺，用氢氟酸腐蚀顶层二氧化硅，形成宽度可以精确控制和条宽均匀的的脊波导图形；再用甲烷和氢气混合气体反应离子干法刻蚀下面的铟镓砷电接触层；接着，用盐酸系列腐蚀剂组分选择刻蚀磷化铟光限制层，自动到上波导层停止，脊波导条宽为1.5～3微米，深度为1.5～2.5微米。

其中所说的光刻压焊电极深沟技术，用光刻胶掩膜保护脊波导和两侧的沟槽，除了压焊电极沟里，其它区域又被顶层二氧化硅保护，因此只有压焊电极沟里被氢溴酸系列腐蚀剂刻蚀厚度为1～3微米深的有源层，总深度达到4～6微米。

其中所说的氦离子注入压焊电极深沟的技术，采用多种能量和剂度的氦离子组合注入，使其注入离子分布较均匀，注入深度达到1～2微米。

其中所说的填埋聚酰亚胺压焊电极垫层的技术，聚酰亚胺涂胶自动填埋进预先腐蚀而成的深沟里，可以获得4～6微米厚的聚酰亚胺介电层，同时在通氮气的高温炉中固化，固化条件经过优化选取，防止固化后的聚酰亚胺产生裂痕，并去掉其中的水分。

其中所说的两步曝光显影带胶剥离电极图形的技术，首先曝光显影出压焊电极图形窗口，并且保证与脊波导条之间的引线相通，第二次曝光显影脊波导条电极窗口，掩膜版中对应的条宽为8微米～15微米，易于套刻在脊波导上，显影时，控制显影时间，去掉脊波导上的胶膜，同时保留两侧的胶膜，带胶剥离时溅射的钛/铂/金刚好粘附在脊波导条顶上，这样可以减小电极条宽，降低结电容，提高调制速率。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，以下结合附图和具体实例对本发明作详细的描述，其中：

图1是外延后的结构示意图；

图2是光刻脊形波导后的结构示意图；

图3是光刻深沟和氦离子注入后的结构示意图；

图4是聚酰亚胺填埋后的结构示意图；

图5是光刻腐蚀出电极窗口后的结构示意图；

图6是光刻出p面电极压焊区窗口后的结构示意图；

图7是光刻出脊波导条上的电极窗口后的结构示意图；

图8A是本发明电吸收调制器外观示意图；

图8B是本发明内部结构剖面示意图。

具体实施方式

本发明专利器件的具体制作过程如下所述：

(1)、在清洗干净的n型磷化铟(n-InP)衬底1上外延生长n型磷化铟缓冲层2、下波导层3、多量子阱(MQWs)吸收层4、上波导层5、光限制层6和电接触层7，各层的生长次序见图1中所示。吸收层4为本征的铟镓砷磷(InGaAsP)多量子阱结构，阱层厚8～15纳米，波长为1.58微米，垒层厚为4～8纳米，波长为1.0～1.5微米，共5～10个周期，该多量子阱的光荧光谱(PL谱)峰值波长为1.50微米。缓冲层和光限制层均为磷化铟材料，厚度为1～3微米，搀杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。上波导层5和下波导层3均为铟镓砷磷材料，0.05～0.15微米厚，不搀杂。接触层为铟镓砷(InGaAs)材料，厚度0.1～0.5微米，p型搀杂，搀杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

(2)在外延片表面热氧化淀积一层厚度为0.1～0.5微米的二氧化硅层(SiO₂)8，然后，掩膜光刻出如图2所示的脊形波导结构，其中11为脊形光波导条，10为构成脊波导所需的沟槽，9为以后填埋聚酰亚胺所用的坑洞。脊形光波导条11的宽度为1.5～3微米，脊波导所需的沟槽10的宽度为2～5微米，坑洞9的面积为100×100微米2。本发明采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法，先用氢氟酸(HF)腐蚀掉坑洞9和脊波导所需的沟槽10里的顶层二氧化硅层8，再用反应离子干法刻蚀法(RIE Etch)去掉下面的铟镓砷(InGaAs)电接触层7，然后利用盐酸系列腐蚀剂(HCl∶H₂O＝4∶1)的选择腐蚀特性，腐掉下面的磷化铟光限制层6，直到上波导层5停止。对比传统的全湿法和全干法刻蚀脊波导的方法，本发明所用的方法具有显著的优点：可以保证脊波导条形宽度具有很好的均匀性，同时，可利用腐蚀时间的长短来控制脊形光波导条11顶层SiO₂的宽度，从而控制整个脊形光波导条11的宽度。

(3)甩胶(厚约5微米)，曝光、显影成图3的图形，脊形光波导条11上和波导沟槽10里光刻胶12保留，防止脊波导被注入导致p面电极不通。然后，用氢溴(HBr)系列酸腐蚀剂腐蚀掉压焊区坑洞9里厚约3微米的顶层，穿透上波导层5、多量子阱吸收层4、下波导层3和缓冲层2。接着，用氦离子垂直轰击外延片的表面，其目的是为了使压焊电极坑洞9底部表层约1～3微米深度区变成高电阻层，可以增加电极的电隔离度，同时降低压焊区电容，提高调制器的调制速率；

(4)将氦离子轰击后的芯片表面的掩蔽光刻胶12去掉，再用氢氟酸腐蚀掉顶层二氧化硅层(SiO₂)13，然后，重新生长0.1～0.5微米厚的SiO₂作为电极隔离层。

(5)将聚酰亚胺(Polyimide)涂甩在外延片表面，用匀胶机甩匀，连续两次，以便粘附在深坑洞9里的胶膜尽可能厚，然后曝光、显影去掉压焊电极区坑洞9以外区域的聚酰亚胺，形成厚约2～6微米厚的聚酰亚胺电极电层14。继而，在通有氮气的高温炉中烘烤，使聚酰亚胺固化，所得结构示意图如图5所示。

(6)曝光、显影、腐蚀(用HF)去掉脊形光波导条11顶上的二氧化硅(SiO₂)，开出电极窗口15，如图5所示。

(7)光刻高频电极图形窗口。将芯片清洗干净后，甩厚胶16，曝光、显影去掉电极压焊区以及和脊波导电极条之间的连线区的掩膜胶，形成压焊电极窗口17，如图6所示。接着，用条宽为10微米的掩膜版套刻脊波导电极，将调制器脊波导条套刻在掩膜版条的中间，曝光、显影掉脊形光波导条11顶上的掩膜胶，通过控制显影时间，保留脊波导条两侧沟槽10里的掩膜胶18，如图7所示。

(8)溅射钛/铂/金(Ti/Pt/Au)到带有电极图形窗口的芯片表面，厚度为0.1～0.5微米厚，然后带胶剥离出p面电极结构，如图8中的19和20。由于脊波导条两侧的沟槽10里保留有较厚的掩膜胶，经过丙酮去胶后，沟槽里的钛/铂/金层也会随着胶膜一起去掉，这样电极刚好粘附在很窄的脊波导条上，形成自对准的电极条20。最后，打磨芯片背面，使芯片减薄到厚度为100微米左右，并在背面蒸发金/锗/镍(Au/Ge/Ni)作为n面电极21。

(9)将外延片解理成尺寸为150×250微米2的单个调制器管芯，制作完成。

Claims

1、一种高速率电吸收调制器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

(3)通过区域选择湿法腐蚀方法刻蚀压焊电极深沟；

(4)采用氦离注入压焊电极深沟的技术来增加高电阻层厚度；

(5)压焊电极沟填埋厚层聚酰亚胺作为电极垫层；

2、根据权利要求1所述的电吸收调制器的制作方法，其特征在于，其中所说的多量子阱吸收区，其是采用低压有机金属化学汽相外延生长方法，材料为铟镓砷磷四元半导体化合物，阱层厚8～15纳米，波长为1.58微米，张应变量为0.7％，垒层厚为4～8纳米，波长为1.0～1.5微米，压应变量为0.5％，多量子阱共5～10个周期，其综合光荧光谱峰值波长为1.48～1.52微米，上下波导层厚度为100～150纳米，不搀杂。

3、根据权利要求1所述的电吸收调制器的制作方法，其特征在于，其中所说的光刻脊波导三步光刻工艺，用氢氟酸腐蚀顶层二氧化硅，形成宽度可以精确控制和条宽均匀的的脊波导图形；再用甲烷和氢气混合气体反应离子干法刻蚀下面的铟镓砷电接触层；接着，用盐酸系列腐蚀剂组分选择刻蚀磷化铟光限制层，自动到上波导层停止，脊波导条宽为1.5～3微米，深度为1.5～2.5微米。

4、根据权利要求1所述的电吸收调制器的制作方法，其特征在于，其中所说的光刻压焊电极深沟技术，用光刻胶掩膜保护脊波导和两侧的沟槽，除了压焊电极沟里，其它区域又被顶层二氧化硅保护，因此只有压焊电极沟里被氢溴酸系列腐蚀剂刻蚀厚度为1～3微米深的有源层，总深度达到4～6微米。

5、根据权利要求1所述的电吸收调制器的制作方法，其特征在于，其中所说的氦离子注入压焊电极深沟的技术，采用多种能量和剂度的氦离子组合注入，使其注入离子分布较均匀，注入深度达到1～2微米。

6、根据权利要求1所述的电吸收调制器的制作方法，其特征在于，其中所说的填埋聚酰亚胺压焊电极垫层的技术，聚酰亚胺涂胶自动填埋进预先腐蚀而成的深沟里，可以获得4～6微米厚的聚酰亚胺介电层，同时在通氮气的高温炉中固化，固化条件经过优化选取，防止固化后的聚酰亚胺产生裂痕，并去掉其中的水分。

7、根据权利要求1所述的电吸收调制器的制作方法，其特征在于，其中所说的两步曝光显影带胶剥离电极图形的技术，首先曝光显影出压焊电极图形窗口，并且保证与脊波导条之间的引线相通，第二次曝光显影脊波导条电极窗口，掩膜版中对应的条宽为8微米～15微米，易于套刻在脊波导上，显影时，控制显影时间，去掉脊波导上的胶膜，同时保留两侧的胶膜，带胶剥离时溅射的钛/铂/金刚好粘附在脊波导条顶上，这样可以减小电极条宽，降低结电容，提高调制速率。