TW518741B - Fabrication method of edge-emitting or edge-coupled waveguide electro-optic device - Google Patents
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Description
518741 五、發明說明（1) 【發明之應用領域】 本發明係關於一種光電元件的製作方法，特別是關於 一種邊射或邊耦波導型光電元件，例如邊射型雷射二極體 (Laser Diode)或邊 _ 型光電二極體（Photodiode)， 的製作方法。 【發明背景】 習知的一種邊射波導型光電元件，例如，「第1 A、1 B 圖」所繪示之邊射脊狀波導雷射二極體（Edge-emitting Ridge-Waveguide Laser Diode)，其結構包括一半導體 基板2 (例如，η +基板）以及利用蠢晶成長技術而依序形 成於該半導體基板2頂面的一下包覆波導層（lower upper cladding and guiding layer) 3， 一 主動層(active layer) 4，一 上包覆波導層(upper cladding and guiding layer) 5，以及一上蓋層（cap layer) 6，其中 該上蓋層6以及該上包覆波導層5被適當地钱刻成脊狀結 構。在該上蓋層6以及該上包覆波導層5上則依序形成有一 具適當接觸窗口的介電層7以及一金屬層8 (例如為p型金 屬電極）。另外在該半導體基板3背面則型成有另一金屬 層9 (例如為η型金屬電極）。該雷射二極體所發出的光1 可由形成於該雷射二極體側邊的一對相互平行的刻面 (Facet) 10(或其中之一）射出。該一對刻面10上一般 有鏡面鑛膜（Facet Coating) 11，以保護元件及增加光射 出的效率。亦可僅在一刻面鍍抗反射之塗層，而另一刻面 鏟高反射之塗層，如此大部份的光將僅從單一刻面射出。
518741 五、發明說明（2) 而習知的一種邊耦波導型光電元件，例如「第2 A、2 B 圖」所繪示之邊_波導PIN型光電二極體（Edge-coupled Waveguide p-i-n Photodiode)，其結構包括一半導體基 板1 2 (例如，η +基板）以及依序形成於該半導體基板1 2 頂面之一緩衝層（Buffer layer) 13，一吸收層 (absorption layer) 14，以及一窗戶層（window layer )15。其中該窗戶層15中形成有一 p +區域16，在該窗戶 層1 5上並形成有一具適當接觸窗口的介電層17，而在該ρ + 區域1 6上則形成有一 p金屬電極1 8。另外在該半導體基板 1 2背面則形成有一 η金屬電極1 9。而光2 1則可由形成於該 光電二極體側邊的一刻面2 0射入。該刻面2 0上則鍍有抗反 射塗層（Anti-Reflection Coating)22，以增加光射入的 效率。 傳統上，邊射型雷射二極體或是邊耦型光電二極體， 在對側邊的該刻面進行鍍膜前，必須先將晶圓劈開成條 (Bar)狀晶片，以獲得該刻面。然後再將該條狀晶片條 條排好在電子束蒸鑛爐内（E-beam Evaporator)，進行 抗反射塗層、高反射塗層或其他保護塗層（p a s s i v a t i ο η )的鍍膜，由於此種方式的缺點在於該刻面曝曬於外時間 較長，容易造成鏡面氧化的問題產生，使得元件可靠度降 低，再加上這個步驟該刻面之鍵膜過程麻煩，且在劈開該 晶圓的過程中，容易造成晶粒的破碎以致良率下降，而使 成本不易降低。另一方面在劈開該晶圓的過程中，往往無 法精準定義該刻面在該光電元件的相對位置，而影響到光
518741 五、發明說明（3) 電元件中光路的精確性，以致於光電元件的特性不易達到 最佳化的結果。 因此乃有需要提出一種新的邊射或邊I禺波導型光電元 件的製作方法，以解決上述問題。 【發明之目的及概述】 據此，本發明的目的在於提供一種製程簡易、精確度 高、且適合大量生產的邊射或邊耦波導型光電元件的製作 方法。 根據上述目的，本發明利用高密度電漿（Η 1 gh D e n s i t y P 1 a s m a ; H D P)反應性離子 # 刻技術（R e a c t i v e I〇η E t c h i n g ; R I E)取代傳統製程中晶圓劈開（c 1 e a v i n g )技術，以形成供光射入或射出的刻面（F a c e t)。根據 本發明的方法乃是在晶圓製程階段（W a f e r L e v e 1)，即 晶圓切割（Ch i pp i ng)前，利用R I E技術I虫刻晶圓上構成 光電元件的半導體層，以獲得適當之刻面供光射出或射入 該光電元件。其中構成光電元件的該半導層係以習知的磊 晶成長技#i ( epitaxial crystal growth techniques) 形成於該晶圓上。如此，可在晶圓切割前以批次化 (Batch Process)的製程方式將整面晶圓進行所需要的 鍍膜製程，例如以電漿輔助化學氣相沉積法（PECVD)在 刻面上鍍膜，而不需事先進行晶圓劈開的製程。藉由本發 明之方法可使製程簡單化，特別有利於對邊射或邊耦波導 型光電元件進行大量生產，因而可降低生產成本。 另外，根據本發明的方法，在以R I E技術蝕刻形成該
518741 五、發明說明（4) 刻面前，可利用黃光製程（Photolithography)精準定義 出刻面的相對位置，如此可對光電元件的光路做精確的控 制（例如，在雷射二極體中形成較小的共振腔長度 (c a v i t y 1 e n g t h)，或是在光電二極體中精碟控制入射 邊緣至主動區域的距離），而使光電元件達到最佳化的設 計，因而提高光電元件之品質與可靠度。 為使對上述本發明的特徵，以及本發明的其它特徵與 優點有更清楚的暸解，接下來將配合圖示加以詳細說明。 但必須先說明的是，本發明除了下述之實施例外，仍然可 以有其它的實施例，且以下之圖示並不一定完全依實際比 例繪製。 【實施例詳細說明】 第一實施例： 根據本發明的第一個實施例，首先參考「第3 A、3 B 圖」所示之一種邊射脊狀波導雷射二極體之結構。利用反 應性離子蝕刻技術（R I E)，在晶圓製程階段，對一半導 體基板3 0 (例如，一 η +晶圓）上的磊晶半導體層3 1進行 I虫刻，因此毋需進行晶圓劈開製程（c 1 eaν i ng)，即可獲 得一對互相平行的刻面3 2。該對刻面3 2可供該雷射二極體 所產生的光3 3射出。該對刻面3 2間的距離即為共振腔長度 (cavity length)，例如為300/z m。而光3 3射出的方向 與該刻面相垂直，即為共振腔方向（cavity direction )，以下將簡稱為縱向（1 ο n g i t u d i n a 1)，而與該共振腔 方向垂直之方向，以下將簡稱為橫向（transverse)。
518741 五、發明說明（5) 「第4 A〜4 R圖」繪示上述根據本發明之i 雷射二極體之製程方法的剖面流程圖。 首先參考「第4A圖」，為一縱向剖面圖 基板3 0上依序形成構成雷射二極體所需之半 例如，一下包覆波導層34，一主動層35，一 3 6以及一頂蓋層3 7。該半導體基板3 0例如可 圓，而該下包覆波導層34，該主動層35，該 3 6以及該頂蓋層3 7則可以習知的蠢晶成長技 該晶圓上。 接著，如「第4B圖」所示，在該頂蓋層 電層3 8，例如，可利用電漿輔助化學氣相沉 )來形成該介電層38。 接著，如「第4C圖」所示，以黃光 (Photolithography)以及 I虫刻技#ί ( Ϊ列女口 )，將該介電層3 8圖案化而精準定義出雷射 相對位置。 接著，如「第4D圖」所示，利用反應性 (R I Ε)將曝露出的该頂盖層3 7 ’该上包覆w 主動層35，以及該下包覆波導層3 41虫刻除去 層37，該上包覆波導層36，該主動層35，以 導層3 4之側邊形成一對互相平行的刻面3 2。 接著，如「第4Ε圖」所示，同樣可利用 刻面3 2以及該半導體基板3 0之曝露面形成該 「第4F圖」繪示與「第4Ε圖」相同步驟
ί射脊狀波導 。在一半導體 導體層結構， 上包覆波導層 為一 η +之晶 上包覆波導層 術依序成長於 3 7上形成一介 積法（PECVD ，以R I Ε法 二極體刻面的 離子餘刻 L導層3 6 ’該 。而在該頂蓋 及該下包覆波 P E C V D而在該 介電層3 8。 之一橫向剖面 518741 五、發明說明1 (6) 圖。然後，如「第4G圖」所示，例如以RIE法，蝕刻位於 該頂蓋層3 7上之該介電層3 8，以定義出脊狀結構之圖案。 然後，如「第4H圖」所示，例如以R IE法，I虫刻除去 曝露出的該頂蓋層3 7以及該上包覆波導層3 6。如此而使該 頂蓋層3 7以及該上包覆波導層3 6形成脊狀結構5 0。 接著，例如可以渔式钱刻法，除去殘餘的該介電層 38，而如「第41圖」所繪示。 接著，如「第4J圖」所示，在曝露出之該半導體層 上成長一保護層3 9。 然後，如「第4 K圖」所示，依序在該保護層3 9上形成 一第一光阻層40以及一第二光阻層41。其中該第一光阻層 4 0以及該第二光阻層4 1可以旋轉塗佈（s p i n c 〇 a t i n g)之 方式形成。利用兩層光阻層對不同的波長的光靈敏度不同 所致。第二光阻（上層）只會對特定範圍之波長發生反應， 而第一光阻（下層）則對此特定範圍波長的光沒有反應。因 此，第一光阻層40可以使用Deep UV光阻，它只會對波長 小於3 0 0 nm的光發生反應，而第二光阻41 ，可以使用G-線 (G-line)及I _線（I-line)光阻’它只對波長大於300n in的 光會有反應。 接著，如「第4L圖」所示，以曝光顯影技術在該第二 光阻層4 1開出對應該脊狀結構5 0之窗口 ，這只要利用G -線 罩幕對準（G - 1 i n e m a s k a 1 i g n e r )曝光照射第二光阻，此 時光只會與第二光阻反應，而第一光阻則沒有反應，如此 便可以在第二光阻開一窗孔使第一光阻暴露出。
518741 五、發明說明（7) 接著，如「第4M圖」所示，例如以RIE法，蝕刻該第 一光阻層4 0直至曝露出該脊狀結構5 0上端之保護層3 9。 然後，如「第4 N圖」所繪示，蝕刻除去該脊狀結構5 0 上端之保護層3 9，而在該脊狀結構5 0上端開出接觸窗口。 接著，如「第40圖」所示，除去該第一光阻層40以及 該第二光阻層4 1。 接著，如「第4P圖」所示，在該脊狀結構5 0以及該保 護層3 9上形成一金屬層4 2 (例如，P電極層）。 接著，如「第4Q圖」所示，在該半導體基板30背面形 成另一金屬層4 3 (例如，η電極層）。在形成該另一金屬 層4 3前可先將該半導體基板3 0磨薄。 而「第4R圖」繪示與「第4Q圖」相同步驟之一縱向剖 面圖。該刻面3 2上可在晶圓製程階段，即晶圓切割前，以 適當之方式，例如，PECVD，鍍上抗反射之塗層44。免除 傳統製程中，必須先將晶圓劈開成條狀的麻煩。 第二實施例： 首先參考「第5圖」所示之根據本發明的一種邊耦型 光電二極體之結構。利用反應性離子钱刻技術（R I Ε)， 在晶圓製程階段，對一半導體基板6 0 (例如，一 n +晶圓 )上的半導體層6 1進行蝕刻，因此毋需進行晶圓劈開製程 (c 1 e a v i n g)，即可在該半導體層6 1之側邊獲得一供光6 3 射入刻面6 2，。光6 3射入的方向（即縱向）與該刻面6 2大 致相垂直。
第10頁 518741 五、發明說明（8) 「第6 A〜6 Μ圖」為根據本發明之一種邊耦波導.P I N光電 二極體之製程方法的縱向剖面流程圖。 首先參考「第6Α圖」，為一縱向剖面圖。在一半導體 基板6 0上依序形成構成光電二極體所需之半導體層結構， 例如，一緩衝層6 4，一吸收層6 5以及一窗戶層66。該半導 體基板6 0例如可為一 η 1之晶圓。 接著，如「第6 Β圖」所示，在該窗戶層6 6上形成一第 一介電層6 7，例如，可利用電漿輔助化學氣相沉積法 (PECVD)來形成該第一介電層67。 接著，如「第6C圖」所示，以黃光 (P h 〇 t ο 1 i t h 〇 g r a p h y)以及I虫刻技術（例如，以R I Ε法 )，將該第一介電層6 7圖案化而精準定義出光電二極體刻 面的相對位置。 接著，如「第6D圖」所示，利用反應性離子蝕刻 (R I E)將曝露出的該窗戶層6 6，該吸收層6 5以及該緩衝 層6 41虫刻除去。而在該窗戶層6 6，該吸收層6 5以及該緩衝 層6 4之側邊形成一供光射入之刻面6 2。 接著，如「第6E圖」所示，例如，以溼式蝕刻法除去 該第一介電層67。 接著，如「第6F圖」所示，同樣可利用PECVD而在該 窗戶層6 6，該刻面6 2以及該半導體基板6 0之曝露面上形成 一第二介電層68。 接著，如「第6 G圖」所示，同樣亦可利用R I E技術， 蝕刻該第二介電層6 8，以開出適當之窗口 6 9。
第11頁 518741 五、發明說明（9) 接著，如「第6 Η圖」所示，以該第二介電層6 8作為擴 散之罩幕，進行擴散製程，例如，鋅擴散（Z n D i f f u s i ο η )，而在該窗口 6 9處之窗戶層6 6形成.一 p +區域7 0。 接著，如「第6 I圖」所示，例如以溼式蝕刻方式，除 去該第二介電層6 8。 接著，如「第6J圖」所示，同樣可利用PECVD之方 式，在該窗戶層6 6，該刻面6 2以及該半導體基板6 0之曝露 面上形成一第三介電層70。該第三介電層7 0可同時作為一 抗反射之塗層，增加光射入該刻面6 2之效率。 接著，如「第6 Κ圖」所示，同樣可利用R I Ε技術，蝕 刻該第三介電層7 1，以開出對應該ρ +區7 0之接觸窗口 Ί2。 接著，如「第6L圖」所示，在該接觸窗口 72以及該第 三介電層71上形成適當之金屬ρ電極73。 然後，如「第6 Μ圖」所示，在該半導體基板6 0背面， 形成一金屬η電極7 4。當然，亦可在形成該金屬η電極7 4 前，先將該半導體基板6 0磨薄。 經由上述之步驟，可易於獲得一最佳化之邊耦波導 Ρ I Ν光電二極體，且在晶圖製程階段，即對該光電二極體 之刻面進行抗反射鐘膜，而使製程較為簡易適合於批次化 之大量生產。 以上所述者，僅為本發明其中的較佳實施例而已，並 非用來限定本發明的實施範圍，熟習該項技術者在不脫離 本發明之精神下當可做適當之修改與潤飾；故凡依本發明
518741 五、發明說明（ίο) 申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆為本發明專利範 圍所涵蓋。 11· 第13頁 518741 圖式簡單說明 第1 A圖，為習知的一種邊射脊狀波導雷射二極體之立體 圖。 第1 B圖，為「第1 A圖」中的邊射脊狀波導雷射二極體之一 縱剖面圖（光射出之方向為縱向）。 第2 A圖，為習知的一種邊耦波導P I N型光電二極體之立體 圖。 第2 B圖，為「第2 A圖」中的邊耦波導P I N光電二極體之一 縱剖面圖（光射入之方向為縱向）。 第3 A、3 B圖，繪示根據本發明的一種邊射脊狀波導雷射二 極體之結構。 第4 A〜4 R圖，為根據本發明的一種邊射脊狀波導雷射二極 體之製作方法的流程剖面圖。 第5圖，繪示根據本發明的一種邊耦波導P I N光電二極體之 結構。 第6 A〜6 Μ圖，為根據本發明的一種邊耦波導P I N光電二極體 之製作方法的流程剖面圖。 【圖式符號說明】 1 光 2 半導體基板 3 下包覆波導層 4 主動層 5 上包覆波導層 6 上蓋層 7 介電層
518741 圖式簡單說明 8 金屬層 9 金屬層 10 刻面 11 鏡面鍍膜 12 半導體基板 13 緩衝層 14 吸收層 15 窗戶層 16 p +區域 17 介電層 18 p金屬電極 19 η金屬電極 2 0 刻面 21 光 22 抗反射之塗層 30 半導體基板 31 半導體層 3 2 刻面 33 光 34 下包覆波導層 3 5 主動層 36 上包覆波導層 3 7 頂蓋層 38 介電層
第15頁 518741 圖式簡單說明 39 保護 層 40 第一 光阻層 41 第二 光阻層 42 金屬 層 43 金屬 層 44 抗反 射塗層 50 脊狀 結構 60 半導體基板 61 半導 體層 62 刻面 63 光 64 緩衝層 65 吸收 層 66 窗戶 層 67 第一 介電層 68 第二 介電層 69 窗口 70 p +區 .域 71 第三 介電層 72 接觸 窗口 73 金屬 P電極 74 金屬 η電極
第16頁
Claims (1)
- 518741 六、申請專利範圍 1 . 一種邊射或邊耦波導型光電元件的製作方法，該光電 元件在習知上具有至少一供光射出或射入之刻面 (Facet)，其特徵在於，該至少一刻面係在晶圓製程 階段，對構成該光電元件之半導層進行钱刻而獲得。 2 .如申請專利範圍第1項所述之邊射或邊耦波導型光電 元件的製作方法，係以反應性離子蝕刻法（R e a c t i v e Ion Etching; RIE)，對構成該光電元件之半導層進行 I虫刻而獲得該至少一刻面。 3 .如申請專利範圍第1項所述之邊射或邊耦波導型光電 元件的製作方法，包含以黃光技術（P h ο ΐ ο 1 i t h 〇 g r a p h y )定義該至少一刻面的位置。 4 .如申請專利範圍第1項所述之邊射或邊耦波導型光電 元件的製作方法，其中該至少一刻面上鍍有抗反射塗層 (Anti-Reflecting Coating)或覆蓋塗層 (Passivation Coating)0 5 .如申請專利範圍第4項所述之邊射或邊耦波導型光電 元件的製作方法，其中該塗層係以電漿輔助化學氣相沉 積法（PECVD)形成。 6 .如申請專利範圍第1項所述之邊射或邊耦波導型光電 元件的製作方法，其中該光電元件為一雷射二極體 (Laser Diode; LD) 〇 7 .如申請專利範圍第6項所述之邊射或邊耦波導型光電 元件的製作方法，其中該雷射二極體為脊狀波導雷射二 極體(Ridge-Waveguide Laser Diode) 〇518741 六、申請專利範圍 8 .如申請專利範圍第6項所述之邊射或邊耦波導型光電 元件的製作方法，其中該至少一刻面包括一對互相平形 的刻面。 9 .如申請專利範圍第6項所述之邊射或邊耦波導型光電 元件的製作方法，其中該被蝕刻的半導體層包括：一上 蓋層（cap layer); —上包覆波導層（upper cladding and guiding layer) ; 一 主動層(active layer);以及一下包覆波導層（lower upper cladding and guiding layer) o 1〇.如申請專利範圍第1項所述之邊射或邊耦波導型光 電元件的製作方法，其中該光電元件為一光電二極體 (Photodiode； PD)。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項所述之邊射或邊耦波導型 光電元件的製作方法，其中該光電二極體為一 P I N型光 電二極體（p-i-n Photodiode; PD)。 1 2 .如申請專利範圍第1 0項所述之邊射或邊耦波導型 光電元件的製作方法，其中該被蝕刻的半導體層包括： 一窗戶層(window layer); 一 吸收層（absorption layer);以及一緩衝層（buffer layer)。 1 3 . —種邊射或邊耦波導型光電元件的結構，該光電元 件在習知上具有至少一供光射出或射入之刻面（F a c e t )，其特徵在於，該至少一刻面係藉由對構成該光電元 件之半導層進行蝕刻，而形成於該光電元件之側邊。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項所述之邊射或邊耦波導型第18頁 518741 、申請專利範圍 光電元件的結構，其中該至少一刻面係利用反應性離子 蝕刻法來形成。 5 .如申請專利範圍第1 3項所述之邊射或邊I馬波導型 光電元件的結構，其中該至少一刻面上鍍有抗反射塗層 (Ant i-Re fleeting Coating) o 6 .如申請專利範圍第1 3項所述之邊射或邊耦波導型 光電元件的結構，其中該抗反射塗層係以電漿辅助化學 氣相沉積法（PECVD)形成。 7 .如申請專利範圍第1 3項所述之邊射或邊耦波導型 光電元件的結構，其中該光電元件為一雷射二極體 (Laser Diode; LD) 〇 8 .如申請專利範圍第1 7項所述之邊射或邊耦波導型 光電元件的結構，其中該電射二極體為一脊狀波導雷射 極體 Ridge-Waveguide Laser Diode) 光 的 〇 光 光 極 .如申請專利範圍第1 7項所述之邊射或邊耦波導型 電元件的結構，其中該至少一刻面包括一對互相平形 亥U面 。 .如申請專利範圍第1 3項所述之邊射或邊耦波導型 電元件的結構，其中該光電元件為一光電二極體 Photodiode； PD)。 .如申請專利範圍第2 0項所述之邊射或邊耦波導型 電元件的結構，其中該光電二極體為一 P I N型光電二 體 p- i-n Photodiode)第19頁
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