一种半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹量子级联激光器作为一种重要的太赫兹辐射源，具有体积小、易集成以及转换效率高等优点，是太赫兹领域的一个研究热点。太赫兹量子级联激光器波导结构主要有半绝缘表面等离子体波导和双面金属波导，其中半绝缘表面等离子体波导结构工艺相对简单、激光方向性好、耦合输出功率高，因此大功率太赫兹量子级联激光器都采用这种波导结构。
[0003]半绝缘表面等离子体波导工艺包括溅射(蒸发)上电极金属层、刻蚀脊形波导、蒸发下电极金属层、衬底减薄以及后续的解理贴片等工艺。图1是典型的基于半绝缘表面等离子体波导结构的太赫兹量子级联激光器端面示意图，器件以半绝缘GaAs为衬底6A，上电极金属层1A沉积在η型重掺杂GaAs上接触层2A表面，有源区3A为GaAs/AlGaAs多量子阱，脊形结构由刻蚀上电极金属层1A两侧的有源区材料形成，有源区3A下方为η型重掺杂GaAs下接触层4A，下电极金属层5A沉积在下接触层4A上并分布在脊波导的两边。脊波导刻蚀是整个流程的一个关键工艺，要求刻蚀深度达到下接触层又不能超过下接触层，否则器件无法实现电学导通。然而太赫兹量子级联激光器有源区厚度达10 μ m(上接触层约50nm)，下接触层仅400nm左右，意味着刻蚀厚度精度不能超过4%并且刻蚀均匀性也不能超过4%，否则晶片部分区域器件将会失效甚至整片器件失效。理想的刻蚀深度是刚好到达下接触层的上沿，而实际操作一般刻蚀到下接触层内，这就导致了下接触层变薄，无形中增加了激光器的横向串联电阻。此外脊波导制作如果采用湿法腐蚀工艺，由于电化学反应还容易在侧壁底部形成凹槽，很容易造成器件开路。
[0004]鉴于常规脊波导刻蚀工艺很容易造成器件下电极接触不良，本发明提出一种改进的太赫兹量子级联激光器脊波导刻蚀工艺及电极接触方法，采用两步刻蚀技术形成两个台阶，下电极金属覆盖第二台阶和第二刻蚀侧壁实现良好的电学接触。相比常规的器件工艺仅增加了一个光刻步骤，但可以降低脊波导制作对刻蚀工艺的精度及均匀性要求，提高了器件的成品率，降低了接触层引入的横向串联电阻。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法，用于解决现有技术中容易造成下电极接触不良的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法，所述制作方法至少包括步骤:
[0007]1)提供一半绝缘GaAs衬底，在半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长η型掺杂GaAs下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱有源区、η型重掺杂GaAs上接触层；
[0008]2)在上述外延材料上涂胶光刻、金属化，然后剥离制作上电极金属层；
[0009]3)第二次涂胶光刻，在所述上电极金属层表面覆盖光刻胶作为刻蚀保护层，刻蚀上电极金属层两侧至所述有源区与下接触层界面处或界面以上形成脊形结构，脊形结构两边为第一刻蚀台阶，去除光刻胶；
[0010]4)第三次涂胶光刻，光刻胶覆盖所述脊形结构并延伸覆盖部分第一刻蚀台阶表面，刻蚀未被遮挡的第一刻蚀台阶至下接触层，形成第二刻蚀台阶，去除光刻胶；
[0011]5)涂胶光刻、金属化，剥离制作下电极金属层，下电极金属层覆盖在所述第二刻蚀台阶表面及侧壁；
[0012]6)减薄衬底、解理芯片以及封装完成器件制作。
[0013]作为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法的一种优化的方案，所述步骤3)中采用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺刻蚀上电极金属层两侧至所述有源区与下接触层界面处或界面以上形成脊形结构。
[0014]作为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法的一种优化的方案，所述步骤3)中的刻蚀工艺完成后，保留几百纳米厚的有源区。
[0015]作为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法的一种优化的方案，所述步骤4)中采用湿法刻蚀工艺刻蚀未被遮挡的第一刻蚀台阶至下接触层，形成具有倾斜侧壁的第二刻蚀台阶。
[0016]作为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法的一种优化的方案，所述步骤4)中刻蚀未被遮挡的第一刻蚀台阶至所述下接触层中或刻穿所述下接触层。
[0017]作为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法的一种优化的方案，所述有源区的厚度范围为8?12 μ m，所述下接触层的厚度范围为400?700nmo
[0018]作为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法的一种优化的方案，所述步骤5)中采用电子束蒸发工艺形成下电极金属层，并采用350°C?400°C的快速退火工艺使下电极金属层与下接触层形成良好的合金化欧姆接触。
[0019]作为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法的一种优化的方案，所述步骤5)中的下电极金属层还覆盖在所述第一次刻蚀台阶边缘。
[0020]如上所述，本发明的半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法，包括步骤:1)提供一半绝缘GaAs衬底，在半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长η型掺杂GaAs下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱有源区、η型重掺杂GaAs上接触层；2)在上述外延材料上涂胶光刻、金属化，然后剥离制作上电极金属层；3)第二次涂胶光刻，在所述上电极金属层表面覆盖光刻胶做为刻蚀保护层，刻蚀上电极金属层两侧至所述有源区与下接触层界面处或界面以上形成脊形结构，脊形结构两边为第一刻蚀台阶，去除光刻胶；4)第三次涂胶光刻，光刻胶覆盖所述脊形结构并延伸覆盖部分第一刻蚀台阶表面，刻蚀未被遮挡的第一刻蚀台阶至下接触层，形成第二刻蚀台阶，去除光刻胶；5)涂胶光刻、金属化，剥离制作下电极金属层，下电极金属层覆盖在所述第二刻蚀台阶表面及第二刻蚀侧壁；6)减薄衬底、解理芯片以及封装完成器件制作。
[0021]具有以下有益效果:本发明脊波导的刻蚀工艺分两步进行，其中，第一次刻蚀至有源区底部构成主要的脊波导结构，并形成第一刻蚀台阶；第二次刻蚀至下接触层形成第二刻蚀台阶，下电极金属层覆盖第二刻蚀台阶和第二刻蚀侧壁实现下电极和下接触层良好的电学接触。该工艺通过增加一步光刻流程，降低了脊波导制作对刻蚀厚度精度及均匀性的要求，提高了器件工艺的成品率，降低了接触层引入的横向串联电阻。
【附图说明】
[0022]图1常规脊波导刻蚀工艺制作的半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器端面示意图。
[0023]图2为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器制作方法的制作流程图。
[0024]图3为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的材料结构示意图。
[0025]图4为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法步骤
2)呈现的结构示意图。
[0026]图5为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法步骤
3)呈现的结构示意图。
[0027]图6为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法步骤
4)呈现的结构示意图。
[0028]图7为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法步骤
5)呈现的结构示意图。
[0029]图8为本发明半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法激光器端面结构示意图。
[0030]元件标号说明
[0031]1 上电极金属层
[0032]2 上接触层
[0033]3 有源区
[0034]4 下接触层
[0035]5 下电极金属层
[0036]6 半绝缘GaAs衬底
[0037]7 第一刻蚀台阶
[0038]8 第二刻蚀台阶
[0039]9 第二次光刻胶
[0040]10第三次光刻胶
[0041]11下电极剥离用光刻胶
【具体实施方式】
[0042]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0043]请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0044]本发明提供一种半绝缘表面等离子体波导太赫兹量子级联激光器的制造方法，如图2所示，所述制作方法包括以下步骤:
[0045]S1，提供一半绝缘GaAs衬底，在半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长η型掺杂GaAs下接触层、GaAs/AlGaAs多量子阱有源区、η型重掺杂GaAs上接触层；
[0046]S2，在上述外延材料上涂胶光刻、金属化