专利名称：具有非平行腔结构的半导体光波与光电子器件的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种具有非平行腔结构的集成半导体光波与光电子器件的制备方法，特别涉及一种在半导体外延层上制备楔形结构的方法。
背景技术：
目前的各种半导体光电子器件，其结构上的一大特点就是在垂直于其衬底的方向上属于分层结构，并且各层结构之间通常是彼此平行的(且平行于衬底表面)，这是由于半导体外延生长工艺所决定的。多年来半导体器件的发展均承袭了这一结构。近年来，随着光通信、光信息处理技术的飞速发展，楔形结构在光波导互连(如光波模式变换)、解复用接收器件(平行腔间解耦)以及角色散元件(如棱镜)中起着越来越关键的作用。有鉴于此，在光电集成(OEIC)工艺中，如何在外延层上任意区域，制备出特定倾角、表面平坦的楔形结构，同时具有低廉的成本，以满足光电子技术应用领域发展的要求，这是本发明研创动机所在。
目前制备楔形结构所采用的工艺主要有激光辅助外延技术，选择区域外延(SAG)技术等，但是这些技术需要对生长设备进行改造或需要进行多次外延生长，工艺复杂，成本较高。本发明设计人凭借多年从事半导体研究生产加工等领域的实际经验，在反复研究论证的基础上，终得本发明的产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种在半导体外延层上制备楔形结构的方法，利用腐蚀液对不同材料的腐蚀速率差异即选择性腐蚀来实现楔形结构，具有工艺简单、易于实现等优点，同时可以通过调节腐蚀液的选择性来获得各种不同倾角的楔形结构，并且楔形结构可以在外延层上的任意位置实现。
本发明的目的可按下述方式实现，在外延层表面形成引导层以及掩膜层，在需要形成的楔形结构顶端的相对位置除去掩膜层，然后置于腐蚀液中，实现需要的楔形结构后从腐蚀液中取出，再通过蒸发、外延等方法继续生长其他分层结构。
本发明的腐蚀液选用柠檬酸/H2O2，NH4OH/H2O2，NH4F/HF或HF/CrO3腐蚀液；本发明优选HF/CrO3腐蚀液，引导层可以外延生长形成也可以通过蒸发、溅射和涂敷等方式形成。
本发明的原理是引导层的腐蚀速率较快，引导层在侧向腐蚀的同时，逐渐露出相邻的腐蚀速率较慢的外延层，这样在相邻的外延层上就腐蚀出楔形结构的形状。引导层厚度较薄时，腐蚀出的斜面倾角由引导层和外延层的腐蚀速率比决定。
引导层的材料并不限于半导体材料，只要引导层材料与外延层材料的腐蚀速率存在较大的差别就可以腐蚀出斜面，因此引导层可以外延生长形成也可以通过蒸发、涂敷等方式形成。但是为了获得平坦的斜面，必须满足以下的要求在腐蚀过程中，随着侧向腐蚀深度的增加腐蚀速率保持不变，因此腐蚀机理属于反应速率控制而不是由扩散速率决定；其次，为了使制备的楔形结构有良好的光学特性(如低散射损耗)，腐蚀表面的粗糙度应尽可能小。
下面结合附图进一步阐明本发明实施例。
图1为本发明器件腐蚀前的结构图。
图2为本发明器件腐蚀后的结构图。
1……掩膜层2……引导层3……外延层4……GaAs衬底具体实现方式本发明实施例器件的引导层2和外延层3是在GaAs衬底4上外延生长而成，在引导层2的表面再形成一层掩膜层1，在需要形成的楔形结构顶端的相对位置除去掩膜层，然后置于腐蚀液中，实现需要的楔形结构后从腐蚀液中取出，在本实施例器件中，引导层2和外延层3都为AlGaAs材料，但是引导层2中的Al组分比外延层3中的Al组分高，由于引导层2的腐蚀速率高于外延层3的腐蚀速率，引导层2向侧向腐蚀的同时，逐渐露出相邻的腐蚀速率较慢的外延层3表面，于是在相邻的外延层3上则腐蚀出倾角为θ的楔形结构。
对AlGaAs材料的选择性腐蚀液有柠檬酸/H2O2，NH4OH/H2O2，NH4F/HF等，其中柠檬酸/H2O2腐蚀液对GaAs/Al0.3Ga0.7As的选择比最高可以达到116，但是只有当柠檬酸达到特定浓度时才开始对AlGaAs腐蚀，并且随着柠檬酸浓度的进一步增加腐蚀速率急剧上升；NH4OH/H2O2腐蚀液的腐蚀速率对溶液的pH值极其敏感，同时腐蚀液的pH值不易控制，因此这两种腐蚀液的腐蚀速率相对较难精确控制；而NH4F/HF溶液对于Al的组分小于0.7的AlGaAs材料腐蚀效果较差，对于Al组分较高的AlGaAs材料在空气中则易被氧化，本实施例优先选用的选择性腐蚀液是HF/CrO3溶液，HF/CrO3溶液是一种高分辨率的缺陷显示腐蚀液，它对GaAs材料的腐蚀速率、腐蚀表面形貌等受到广泛的研究，同时利用其对GaAs/AlGaAs的选择性腐蚀分辨出了厚度仅7nm的外延层，但是作为选择性腐蚀液对AlGaAs材料的腐蚀速率、腐蚀表面形貌等却未见报道。
本发明人首次研究了HF/CrO3溶液对AlGaAs的湿法腐蚀，通过调节HF/CrO3腐蚀液组分，改变了腐蚀液对引导层2和外延层3的选择性；从而在外延层3上制备出各种倾角、表面平坦的楔形结构。其中调节HF/CrO3腐蚀液组分的一种实现方法是将一定浓度的HF和CrO3溶液按不同的体积比混合。
在制备了楔形结构的外延层上可以通过常规蒸发、外延等方法继续生长其他分层结构，以实现各种光电性能，本发明彻底解除了半导体外延生长工艺所决定的各层结构之间通常是彼此平行的限制，势将对今后光波与光电子器件的发展产生重要而深远的影响。以上所述乃本发明的具体实例及所运用的技术原理，依本发明的构想所做的等效变换，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。
权利要求
1.一种具有非平行腔结构的半导体光波与光电子器件的实现方法，其特征在于在外延层表面形成引导层以及掩膜层，在需要形成的楔形结构顶端的相对位置除去掩膜层，然后置于腐蚀液中，实现需要的楔形结构后从腐蚀液中取出，再通过蒸发、外延等方法继续生长其他分层结构。
2.根据权利要求1所述的具有非平行腔结构的半导体光波与光电子器件的实现方法，其特征在于腐蚀液选用柠檬酸/H2O2，NH4OH/H2O2，NH4F/HF或HF/CrO3腐蚀液。
3.根据权利要求2所述的具有非平行腔结构的半导体光波与光电子器件的实现方法，其特征在于优选HF/CrO3腐蚀液。
4.根据权利要求1所述的具有非平行腔结构的半导体光波与光电子器件的实现方法，其特征在于可以通过改变腐蚀液的组分来达到改变腐蚀液对引导层与外延层材料的腐蚀比，从而实现不同倾角的楔形结构。
5.根据权利要求1所述的具有非平行腔结构的半导体光波与光电子器件的实现方法，其特征在于引导层通过外延生长形成或通过蒸发、溅射和涂敷方式形成。
全文摘要
本发明涉及一种具有非平行腔结构的集成半导体光波与光电子器件的制备方法,特别涉及一种在半导体外延层上制备楔形结构的方法。本发明其特征在于在外延层表面形成引导层以及掩膜层,在需要形成的楔形结构顶端的相对位置除去掩膜层,然后置于腐蚀液中,实现需要的楔形结构后从腐蚀液中取出。楔形结构的倾角可以通过改变腐蚀液对引导层与外延层材料的腐蚀速率比进行调节。本发明涉及的方法具有与半导体集成工艺兼容的特点,势将对今后光波与光电子器件的发展产生重要而深远的影响。
文档编号H01L21/306GK1335522SQ0112007
公开日2002年2月13日 申请日期2001年7月11日 优先权日2001年7月11日
发明者黄辉, 任晓敏, 黄永清 申请人:北京邮电大学