一种新型脊形波导结构及制作方法与流程

本发明属于iii-v族光电子器件芯片制造领域，具体涉及一种新型脊形波导结构及制作方法。

背景技术：

在inp（磷化铟）基光电子器件芯片的制作过程中，脊形波导结构制作简单，工艺均匀性和重复性高，适合大规模批量生产，是制作有源波导和无源波导的主流方法之一。在有源器件如激光器、放大器、调制器等的波导制作中，尤其针对含al（铝）的ingaalas（铟镓铝砷）/inpmqw（多量子阱）材料的有源器件，为避免掩埋异质结波导结构制作过程中的al氧化问题，器件芯片生产厂商普遍采用脊形波导结构制作芯片。但大多数器件芯片都是采用垂直侧壁的脊形波导结构（k.y.liou，etal.,appl.phys.lett.,1991，vol.59(26)，pp.3381-3383），即脊形波导条的顶部和底部宽度十分接近（简称直台结构）。受激光传输基横模出光要求的限制，脊形波导条只能被限制在≤3微米宽的窄条范围内，使得光刻对准工艺难度高，器件性能改善受限。

在直台结构的基础上，研究人员利用湿法选择腐蚀液，制作出侧壁为inp（111）面的倒台形脊条波导结构激光器芯片（m.aoki，etal.,ieeephotonicstechnologyletters，1995，vol.7(1)，pp.13-15），其脊形波导条的顶部宽度w比底颈部宽度w宽（简称倒台结构），倒台结构的侧面与底平面之间形成锐角θ，如图1所示，且图1中w为脊形波导条顶部的宽度，w为脊形波导条底部的宽度，h为脊形波导高度，θ为沿波导掩膜条方向的腐蚀侧面与腐蚀底平面之间的夹角。倒台结构相比于直台结构有如下特点：1.对同样脊宽w和同等腔长的激光器而言，倒台结构比直台结构的欧姆接触面积更大；2.倒台结构底部的宽度w由于不受顶部电极接触和光刻对准的限制，宽度可以≤2微米；3.倒台结构对脊条顶部注入电流有更强的汇聚和钳制作用，减弱了直台结构的横向扩展和泄漏电流。这几个特点使得倒台结构在降低激光器接触阻抗、降低激光器阈值电流特性等方面优点突出，使之特别适于制作高温大功率和高速有源器件。

但在实际的芯片制作过程中，倒台底部形成的锐角θ，也常常给后续介质膜生长工艺和金属膜层覆盖工艺带来一系列的问题，如倒台侧壁膜层偏薄、脊檐下阴影处膜层不均匀，尤其是倒台底部锐角处容易出现膜层裂缝等现象，严重影响器件特性，造成成品率降低。

技术实现要素：

针对现有的倒台结构极易产生膜层断裂及成品率较低的问题，本发明提出了一种新型倒台脊形波导结构及制作方法，解决了介质膜和金属膜层在倒台底颈部易断裂的问题。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种新型脊形波导结构的制作方法，包括如下步骤：

s1，在激光器结构材料上制作波导掩膜条；

s2，利用腐蚀液i，腐蚀掉波导掩膜条外侧的重掺杂顶接触层；

s3，利用腐蚀液ii，在inp覆盖包层上腐蚀出倒台结构，所述倒台结构的高度为inp覆盖包层厚度的2/3~4/5；

s4，利用腐蚀液iii，在剩余的inp覆盖包层上腐蚀出直台结构；

s5，除去波导掩膜条。

在步骤s1中，所述激光器结构材料为法布里腔激光器或分布反馈激光器结构材料，且激光器结构材料包括在inp（100）面衬底上依次生长的inp缓冲层、mqw有源层、光栅及填充层和刻蚀停止层、inp覆盖包层和重掺杂顶接触层。

所述衬底为n型或p型掺杂；所述inp缓冲层包括远场减小层；所述mqw有源层包括下分别限制层、mqw层和上分别限制层；所述mqw层以下各层的掺杂类型与衬底相同，mqw层以上各层的掺杂类型与衬底相反；所述上分别限制层和下分别限制层掺杂或者不掺杂；所述mqw层的量子阱数量为两个阱至十个阱，且mqw材料为ingaalas（铟镓铝砷）或ingaasp（铟镓砷磷）。

在步骤s1中，所述波导掩膜条沿<011>方向且与脊形波导的方向一致，波导掩膜条的材料为sio2（二氧化硅）、si3n4（氮化硅）或光刻胶。

在步骤s2中，所述重掺杂顶接触层的材料包括ingaasp和ingaas（铟镓砷）；所述腐蚀液i为硫酸选择腐蚀液，所述硫酸选择腐蚀液包括h2so4（硫酸）、h2o2（双氧水）和h2o（水），且硫酸选择腐蚀液对重掺杂顶接触层的腐蚀速率高于对inp覆盖包层的腐蚀速率。

在步骤s3中，所述腐蚀液ii为氢溴酸选择腐蚀液，所述氢溴酸选择腐蚀液包括hbr（氢溴酸）、h3po4（磷酸）和h2o，且氢溴酸选择腐蚀液对inp（100）面的腐蚀速率高于对inp（111）面的腐蚀速率，氢溴酸选择腐蚀液对inp的腐蚀速率高于对ingaasp和ingaas的腐蚀速率；所述inp覆盖包层的厚度与脊形波导的高度一致，inp覆盖包层的厚度为1.5-2.0微米；所述倒台结构沿波导掩膜条方向的腐蚀侧面与腐蚀底平面之间的夹角为锐角，锐角的角度为50-60度。

在步骤s4中，所述腐蚀液iii为盐酸腐蚀液，所述盐酸腐蚀液包括hcl（盐酸）与h3po4和h2o，且盐酸腐蚀液对inp的腐蚀速率高于对ingaasp和ingaas的腐蚀速率；所述直台结构指沿波导掩膜条方向的腐蚀侧面与腐蚀底平面之间的夹角接近直角，且所述夹角为85-95度。

一种新型脊形波导结构，包括上部的倒台结构和下部的直台结构，所述倒台结构的纵截面为倒梯形，倒台结构设置在重掺杂顶接触层的下部；所述直台结构设置在光栅及填充层和刻蚀停止层上，且直台结构的上部与倒台结构的下部对应连接；所述倒台结构的高度和直台结构的高度之和等于inp覆盖包层的厚度，且倒台结构的高度为inp覆盖包层厚度的2/3~4/5。

一种新型脊形波导结构的有源器件，所述有源器件由权利要求8或9所述新型脊形波导结构所制作。

本发明的有益效果：

本发明通过简单的思路和简单的腐蚀操作工艺，改变了倒台脊形波导的结构，使其既保持了倒台结构相对于直台结构的主要优点，既提高了注入电流的汇聚和钳制作用，又消除了倒台底部的锐角，解决了后续工艺中绝缘介质膜和电极金属膜层在倒台底颈部易断裂而造成器件失效的问题，显著提高了有源器件芯片的制作成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中倒台脊形波导结构剖面示意图。

图2为本发明中激光器结构材料的结构示意图。

图3为在激光器结构材料上制作波导掩膜条的结构示意图。

图4为腐蚀掉波导掩膜条外侧的重掺杂顶接触层的状态示意图。

图5为腐蚀出倒台结构的状态示意图。

图6为腐蚀出直台结构的状态示意图。

图7为除去波导掩膜条之后的状态示意图。

图8为利用本发明在n-inp衬底上制作单脊波导激光器的剖面示意图。

图9为利用本发明在n-inp衬底上制作双沟脊形波导激光器的剖面示意图。

图10为利用本发明在p-inp衬底上制作双沟脊形波导激光器的剖面示意图。

图中，1为衬底，2为inp缓冲层，3为mqw有源层，4为光栅及填充层和刻蚀停止层，5为inp覆盖包层，6为重掺杂顶接触层，7为波导掩膜条，8为倒台结构，9为直台结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：一种新型倒台脊形波导结构的制作方法，包括如下步骤：

s1，如图3所示，在激光器结构材料上制作波导掩膜条7；

s2，如图4所示，利用硫酸选择腐蚀液，腐蚀掉波导掩膜条7外的重掺杂顶接触层6；

s3，如图5所示，采用氢溴酸选择腐蚀液，对inp覆盖包层5进行腐蚀，腐蚀出倒台结构8，倒台结构8的高度为inp覆盖包层5厚度的2/3~4/5；

s4，如图6所示，选用盐酸选择腐蚀液，对剩余的inp覆盖包层5进行腐蚀，腐蚀出直台结构9，直台结构9的高度与倒台结构8的高度之和等于inp覆盖包层5的厚度；

s5，如图7所示，除去波导掩膜条7。

所述激光器结构材料为法布里腔（fp）激光器或分布反馈（dfb）激光器结构材料，如图2所示，激光器结构材料包括在inp（100）面衬底1上依次生长的inp缓冲层2、mqw有源层3、光栅及填充层和刻蚀停止层4、inp覆盖包层5和重掺杂顶接触层6。衬底1为n型或p型掺杂；inp缓冲层2中包含远场减小层；mqw有源层3包括上分别限制层、mqw层和下分别限制层；mqw层以下各层的掺杂类型与衬底1相同，mqw层以上各层的掺杂类型与衬底1相反；上分别限制层和下分别限制层适量掺杂或不掺杂；mqw层包含两至十个阱，且mqw层材料为ingaalas或ingaasp；inp覆盖包层5的厚度在1.5-2.0微米范围内，且掺杂浓度在2×10¹⁷-2×10¹⁸cm^-3的范围内；重掺杂顶接触层6材料为ingaasp和ingaas，且掺杂浓度在2×10¹⁸-5×10¹⁹cm^-3的范围内。

在步骤s1中，波导掩膜条7沿<011>方向且与脊形波导的方向一致，波导掩膜条7材料为sio2、si3n4或光刻胶，波导掩膜条7的宽度为w。波导掩膜条7通过常规的介质沉积和光刻版图形转移技术即可制作。

在步骤s2中，所述硫酸选择腐蚀液为h2so4、h2o2和h2o按一定比例和顺序配置的腐蚀液，硫酸选择腐蚀液对ingaasp或ingaas材料与对inp材料的腐蚀速率比大于30；用硫酸选择腐蚀液腐蚀重掺杂顶接触层6，可以方便控制腐蚀时间，实现波导掩膜条7的宽度w与腐蚀后的重掺杂顶接触层6的宽度一致。

在步骤s3中，所述氢溴酸选择腐蚀液为hbr、h3po4和h2o按一定比例和顺序配置的腐蚀液，氢溴酸选择腐蚀液对inp（100）面与对inp（111）面的腐蚀速率比大于50，氢溴酸选择腐蚀液对inp与对ingaasp和ingaas材料的腐蚀速率比大于30；腐蚀是在重掺杂顶接触层6以下的inp覆盖包层5中进行；如图5所示，倒台结构8的高度为h1，h1为inp覆盖包层5厚度h的2/3~4/5；倒台结构8的颈部宽度为w1，w1≤2微米；腐蚀出的上部的倒台结构8沿波导掩膜条7方向的侧壁与腐蚀底平面之间的夹角为θ1，θ1在50-60度之间。用氢溴酸选择腐蚀液腐蚀倒台结构8，可以方便控制腐蚀时间实现预定的倒台高度h1和底部宽度w1。

在步骤s4中，所述盐酸选择腐蚀液为hcl与h3po4和h2o按一定比例和顺序配置的腐蚀液，盐酸选择腐蚀液对inp与对ingaasp和ingaas材料的腐蚀速率比大于30；腐蚀是在inp覆盖包层5中进行，在光栅及填充层和刻蚀停止层4上终止。如图6所示，腐蚀出的下部直台结构9的高度为h2，h2为inp覆盖包层5厚度h的1/5~1/3；腐蚀出的直台结构9的底部宽度为w2；腐蚀出的直台结构9的侧面与腐蚀底平面之间的夹角θ2接近直角，θ2在85-95度之间。用盐酸选择腐蚀液腐蚀直台结构9，可以方便控制腐蚀时间实现预定的直台高度h2和底部宽度w2，w2≈w1。

在步骤s5中，重掺杂顶接触层6的宽度与波导掩膜条7的宽度一致，均为w；新型脊形波导结构的上部为倒台结构8，下部为直台结构9；新型脊形波导结构的高度h即为inp覆盖包层5的厚度h，即光栅及填充层和刻蚀停止层4与重掺杂顶接触层6之间的厚度，该层厚度h在1.5-2.0微米范围，h为上部倒台高度h1和下部直台高度h2之和，即h=h1+h2。

显然，如图6所示，本发明新型脊形波导结构底部的夹角不是锐角θ，而是接近直角的θ2；本发明新型脊形波导结构底部宽度为w2，w2≈w1≤2微米；本发明新型脊形波导结构的顶部宽度为w，w=w1+2h1ctgθ1=w1+1.4h1=w1+1.4（2/3~4/5）h=w1+（0.93~1.12）h≈w2+h，即顶接触层宽度w比直台结构9宽度w2宽1.5~2微米，该宽度w亦是本发明步骤s1即图3中制作波导掩膜条7的光刻制版设计依据。

由此可见，本发明新型脊形波导结构保留了原倒台脊形波导结构的主要优点，同时又将底部锐角改变成了直角，减少了原倒台结构底部锐角处容易出现介质膜和金属膜断裂的现象，从而可以提高激光器的成品率水平。

实施例2：一种新型脊形波导结构，如图7所示，所述新型脊形波导结构包括上部的倒台结构8和下部的直台结构9，所述倒台结构8的纵截面为倒梯形，倒台结构8设置在重掺杂顶接触层6的下部；所述直台结构9设置在光栅及填充层和刻蚀停止层4上，且直台结构9的上部与倒台结构8的下部对应连接；所述倒台结构8的高度和直台结构9的高度之和等于inp覆盖包层5的厚度，且倒台结构8的高度为inp覆盖包层5厚度的2/3~4/5。

实施例3：一种新型脊形波导结构有源器件，如图8所示，本实施例为利用本发明在n-inp衬底上制作的单脊波导激光器。本实施例中，脊形波导结构同实施例2中所述，激光器结构材料的结构如图2所示，但mqw层以下的各层掺杂类型为n型，mqw层以上的各层掺杂为p型。在制作本实施例时首先按照本发明的工艺流程（图3-图7所示）制作新型脊形波导结构，之后再在新型脊形波导结构的基础上制作介质膜和顶、背金属膜电极等，这与常规脊形波导激光器的制作工艺类同，但这种新型单脊波导激光器的制作成品率较高。

实施例4：一种新型脊形波导结构有源器件，如图9所示，本实施例为利用本发明在n-inp衬底上制作的双沟脊形波导激光器。本实施例中，脊形波导结构同实施例2中所述，激光器结构材料的结构如图2所示，但mqw层以下的各层掺杂类型为n型，mqw层以上的各层掺杂为p型。在制作本实施例时首先按照本发明的工艺流程（图3-图7所示）制造新型脊形波导结构，其中只需将图3的波导条形掩膜7光刻板改换为双沟脊条版即可。双沟脊形波导的制作为业界常规工艺技术，在制作完成新型双沟脊形波导结构之后再制作介质膜和顶、背金属膜电极等，这同样与常规激光器工艺类同。双沟脊形波导激光器为业界广泛采用，这种激光器的脊形波导是嵌制在整个外延平面以内，在背面减薄等工艺中有利于保护脊形波导结构不被损伤。

实施例5：一种新型脊形波导结构有源器件，如图10所示，本实施例为利用本发明在p-inp衬底上制作的双沟脊形波导激光器。本实施例中，脊形波导结构同实施例2中所述，激光器结构材料的结构如图2所示，但mqw层以下的各层掺杂类型为p型，mqw层以上的各层掺杂为n型。本实施例除衬底和外延层掺杂类型不同，以及双沟槽中填充有聚合物外，其余工艺步骤类同图9。该结构由于双沟槽中填充有聚合物，顶金属电极是制作在平整面上，电极的连续性更好；结合较小的电极焊点面积，激光器的高频特性更佳。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。