专利名称：连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，涉及半导体光学放大器、半导体激光器、调制器、探测器和超辐射发光管等需要与单模光纤耦合的所有器件与模斑转换器的集成。
本发明一种连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，包括如下步骤1)利用金属有机气相化学沉积技术在铟磷衬底上依次生长铟磷缓冲层、铟镓砷磷下波导限制层、铟磷隔离层、有源区结构、薄层铟镓砷磷上限制层和铟磷保护层；2)采用普通的光刻腐蚀技术将模斑转换器部分刻蚀到铟磷下隔离层；3)采用等离子体气相沉积技术在整个芯片上生长二氧化硅介质膜；4)采用普通的光刻腐蚀技术刻蚀出有源区和模斑转换器需要生长的区域；5)采用盐酸腐蚀掉有源区的铟磷保护层和模斑转换器区的铟磷隔离层；6)利用选择生长金属有机化学气相沉积技术依次生长铟镓砷磷层，P掺杂的铟磷盖层和铟镓砷磷保护层；7)采用等离子体气相沉积技术生长二氧化硅150nm；8)采用普通光刻腐蚀技术刻蚀出掩埋异质结条型结构；9)采用金属有机气相化学沉积技术依次生长p型铟磷、n型铟磷、p型铟磷电流阻挡层；10)采用氢氟酸腐蚀掉条上的SiO2，采用硫酸∶水∶双氧水的混合溶液腐蚀掉铟镓砷磷保护层；11)利用金属有机气相化学沉积技术生长p型铟磷盖层和P+-铟镓砷接触层；12)作电极；13)解理，在器件的两个端面上镀光学介质膜。
其步骤3中生长的介质膜可以是二氧化硅、氮化硅(SiN)也可以是氮氧化硅(SiNO)。
其步骤7中生长的介质膜可以是二氧化硅、氮化硅也可以是氮氧化硅。
其步骤9中，可以是p型铟磷结构，也可以在这些有源区电流阻挡层两侧进行离子注入，以减少漏电流。
其步骤10中电极制备在模斑转换器一侧可以利用带胶剥离技术或刻蚀电极图形技术将模斑转换器一侧的电极去掉，在与其集成的其他光电子器件一侧可以根据光电子器件的需要来采用适当的电极图形和制备技术。
其步骤11中镀光学介质膜根据实际需要镀增透膜，高反膜等。
11)采用金属有机气相沉积技术生长p-InP盖层和P+-InGaAs(铟镓砷)接触层；12)做电极13)在器件两端镀增透膜，使其模式反射率达到10-4以下。
这样形成SOA与SSC的集成器件。实施例二电吸收调制器与SSC集成该种器件在电吸收调制器与SSC集成部分与特例一完全相同，只是在后面的工艺中根据电吸收调制器的特点需要采用脊型波导结构以及电极的制作需要填充低介电常数的介质物和采用图形电极。实施例三分布反馈激光器(DFB)与SSC的集成这种器件在DFB与SSC集成部分与特例一几乎一样，只是由于DFB是发光器件，因此只需单端与SSC集成。在完成选择生长SSC部分后，须采用如下的制备步骤1)将顶层InGaAsP、InP依次采用选择性腐蚀液腐蚀掉；2)在DFB部分作光栅，如图6(a)所示；3)在光栅和SSC上全面生长p-InP盖层和InGaAsP保护层，如图6(b)所示；4)之后同特例一制备BH条型波导结构。
5)根据高频特性需要在DFB一侧做图形电极；6)在DFB一端镀高反膜，在SSC一端镀增透膜。实施例四电吸收调制DFB激光器(EML)与SSC集成这种集成器件的制备雷同于实施例三，只是在生长激光器有源区同时生长电吸收调制器的吸收层，然后在电吸收调制器一端选择腐蚀出SSC区(如图7所示)，采用选择生长的金属有机化学气相沉积技术同时生长激光器的上波导层、电吸收调制器的上波导层和SSC区(如图8所示)；之后在激光器部分制备光栅，以及生长p-InP盖层和InGaAsP保护层以制备BH波导结构(或生长p-InP和p+-InGaAs接触层制备脊形波导结构)；根据需要，在DFB和电吸收调制器一侧制备相应的电极图形和完成低介电常数介质物的填充。最后在DFB一端镀高反膜，在SSC一端镀增透膜。实施例五探测器与SSC的集成其制备步骤雷同与特例三。
图1几乎是一般光电子器件与模斑转换器自对准集成器件一次外延的共用结构图。即在InP衬底(substrate)上依次生长n-InP缓冲层1、InGaAsP下波导层2、InP隔离层3、有源器件的有源区(无源器件的吸收区)4、InP隔离层3和InGaAsP保护层。这里，下波导层2在一般光电子器件一侧是为了提供光学限制层，增加光电子器件芯层的光学限制因子，在SSC一侧则可以增加SSC区的厚度，同样也可以增加光学限制因子，避免光在经由SSC时辐射和散射损耗太大；InP隔离层3主要是为选择腐蚀提供停止层；4是该结构的核心层，根据与模斑转换器集成器件的不同选择不同的层结构，如果是SOA和DFB则生长二者的有源区，对于EA和探测器则生长吸收区；图2SOA(EA)+SSC一次光刻腐蚀后的结构图，其中数字所指与图1完全一致。图3是实现SOA(EA)+SSC自对准集成时的光刻版图，也是本发明的核心所在。由于在金属有机化学气相沉积技术生长材料时，化合物半导体在介质膜上不生长，同时不同介质膜掩膜宽度可以获得生长区域不同的生长厚度，而对于InGaAsP材料，还可以同时获得不同波长的材料。根据这一特点，我们设计了图3的掩膜图形，在SOA的有源区(或EA的吸收区部分)，SiO2最宽，在SSC区，SiO2渐变窄，且在光电子器件与SSC对接部位，两侧的SiO2宽度是连续变化的，这就保证了自对准过程中对接部位的应变、波长和厚度变化都是连续的，有效的保证了对接部位的质量。而在光电子器件一侧介质膜最宽，也就是说在选择生长过程中，这个区域的InGaAsP层最厚，在生长过程中，我们调整该区为无应变区，这样，该区的生长厚度对晶体质量的影响较小，同时适当的厚度又保证了足够大的光学限制因子，而随着介质膜厚度变薄，InGaAsP层的张应变渐增，同时，材料的厚度也变薄，这样一方面形成了厚度渐变薄的模斑转换器，同时又能保证生长各层的晶体质量，不至于由于晶体质量差而带来大的非辐射复合，增加传输损耗。图4中1，2，3，4所指同前面图1、图2完全一样，数字5是指SiO2介质膜，提供选择性生长。此图是用于半导体光学放大器、电吸收调制器等需要双端与光纤耦合的光电子器件。图5是该类器件与模斑转换器集成后的结构图，其中，1，2，3，4和5与图4所指相同，6是指对接外延后模斑转换器部分，是模斑转换器的核心层，属于厚度渐变薄的模斑转换器。7是指对接外延后光电子器件部分，在这里充当上限制层，增加光学限制因子，这样对接保证模斑转换器的芯层正好与光电子器件的芯层对接，起到自对准的作用。8是InP盖层，形成光电子器件的pn结。9是InGaAsP保护层。图6(a)各项数字所指与图5相同，所不同的是这里是单端光电子器件与模斑转换器集成，其中对接波导外延好后，在DFB部分波导上作了光栅。图6(b)各项数字所指与图五相同。图7中1，2，3所指与前面的完全相同，这里4是指SiO2，在选择外延中起掩膜作用，5是指电吸收调制器的吸收层，6是指分布反馈激光器的有源层，5和6时该光电子器件的核心层。图8中，1-6所指与图7中完全相同，这里，7是指对接外延后模斑转换器部分，是模斑转换器的核心层，属于厚度渐变薄的模斑转换器。8所指是对接外延后分布反馈激光器和电吸收调制器部分，这部分对接波导充当分布反馈激光器和电吸收调制器的上光学限制层，增加光学限制因子，同时也保证分布反馈激光器和电吸收调制器的核心层正好与模斑转换器的芯层相协接，起到自对准的作用。
该发明的优点在于a)实现了一般需要与单模光纤耦合的光电子器件与模斑转换器的集成，提高了光电子器件的耦合效率和耦合容差，有效的降低了光电子模块的成本。
b)将光电子器件的上波导区与SSC芯区同时生长的方式有利于实现光电子器件与SSC区的对接，可以有效地避免波导对接错位；c)将光电子器件的上波导区置于选择生长区域，从而避免了光电子器件与SSC区对接部分的应变和厚度的突变，可以更好的控制对接部分的晶体质量，简单高效地实现光电子器件与SSC的对接。减少对接部分的光损耗。
d)SSC部分采用双波导结构，有效的增加了波导厚度，增加了光学限制因子，从而减少光损失，增加输出(或接收的光功率)。
权利要求
1.一种连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，包括如下步骤1)利用金属有机气相化学沉积技术在铟磷衬底上依次生长铟磷缓冲层、铟镓砷磷下波导限制层、铟磷隔离层、有源区结构、薄层铟镓砷磷上限制层和铟磷保护层；2)采用普通的光刻腐蚀技术将模斑转换器部分刻蚀到铟磷下隔离层；3)采用等离子体气相沉积技术在整个芯片上生长二氧化硅介质膜；4)采用普通的光刻腐蚀技术刻蚀出有源区和模斑转换器需要生长的区域；5)采用盐酸腐蚀掉有源区的铟磷保护层和模斑转换器区的铟磷隔离层；6)利用选择生长金属有机化学气相沉积技术依次生长铟镓砷磷层，P掺杂的铟磷盖层和铟镓砷磷保护层；7)采用等离子体气相沉积技术生长二氧化硅150nm；8)采用普通光刻腐蚀技术刻蚀出掩埋异质结条型结构；9)采用金属有机气相化学沉积技术依次生长p型铟磷、n型铟磷、p型铟磷电流阻挡层；10)采用氢氟酸腐蚀掉条上的二氧化硅，采用硫酸∶水∶双氧水的混合溶液腐蚀掉铟镓砷磷保护层；11)利用金属有机气相化学沉积技术生长p型铟磷盖层和P+-铟镓砷接触层；12)作电极；13)解理，在器件的两个端面上镀光学介质膜。
2.根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤3中生长的介质膜可以是二氧化硅、氮化硅也可以是氮氧化硅。
3.根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤7中生长的介质膜可以是二氧化硅、氮化硅也可以是氮氧化硅。
4.根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤9中，可以是p型铟磷结构，也可以在这些有源区电流阻挡层两侧进行离子注入，以减少漏电流。
5.根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤10中电极制备在模斑转换器一侧可以利用带胶剥离技术或刻蚀电极图形技术将模斑转换器一侧的电极去掉，在与其集成的其他光电子器件一侧可以根据光电子器件的需要来采用适当的电极图形和制备技术。
6.根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤11中镀光学介质膜根据实际需要镀增透膜，高反膜等。
全文摘要
一种连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，包括如下步骤利用金属有机气相化学沉积技术在铟磷衬底上生长铟磷缓冲层、铟镓砷磷下波导限制层、铟磷隔离层、有源区结构、薄层铟镓砷磷上限制层和铟磷保护层；光刻腐蚀出模斑转换器部分；采用等离子体气相沉积技术生长二氧化硅；光刻腐蚀出有源区和模斑转换器区域；利用选择金属有机气相化学沉积技术依次生长铟镓砷磷层，P掺杂的铟磷盖层和铟镓砷磷保护层；生长二氧化硅；光刻出掩埋异质结条型结构；采用金属有机气相化学沉积技术生长p－n－p型铟磷电流阻挡层；腐蚀掉二氧化硅和铟镓砷磷层；生长p型铟磷盖层和P
文档编号G02B6/00GK1437289SQ0210349
公开日2003年8月20日 申请日期2002年2月6日 优先权日2002年2月6日
发明者张瑞英, 王圩, 董杰 申请人:中国科学院半导体研究所