高可靠性的蚀刻小面光子器件的制作方法
【专利说明】高可靠性的蚀刻小面光子器件
[0001]本申请是国际申请日为2006年2月17日、国际申请号为PCT/US2006/005668、2007年10月15日进入中国的国家申请号为200680012475.6、且名为“高可靠性的蚀刻小面光子器件”申请的分案申请。
[0002]本申请要求提交于2005年2月18日的题为“高可靠性的蚀刻小面光子器件”的60/653984号美国临时申请的优先权，其整个内容被包含援引于此。
技术领域
[0003]本发明总地涉及蚀刻小面的光子器件，更具体地涉及具有密封的触点开口的改进型蚀刻小面激光器件及其制造方法。
【背景技术】
[0004]半导体激光器典型地通过在基板上以金属有机化学蒸镀沉积(MOCVD)或分子束外延生长(MBE)方式生长适当的分层半导体材料以形成具有平行于基板表面的有源层的外延生长结构而制造于晶片上。然后用各种半导体加工工具加工晶片以制造出含有源层和连接于半导体材料的金属触点的激光器光谐振腔。激光镜面典型地通过沿晶质结构切割半导体金属而形成在激光器谐振腔的端部以界定激光器光学谐振腔的边或端部，从而当偏置电压被施加于触点两侧时，所产生的流过有源层的电流使光子沿垂直于电流的方向射出有源层的形成有小面的边。由于半导体材料被切割以形成激光刻面，因此这些刻面的位置和取向受到限制；此外，一旦晶片经切割，它一般以小片形式出现，因此无法方便地使用传统平版印刷技术进一步加工激光器。
[0005]由于使用切割小面引起的前述和其它的困难导致通过蚀刻形成半导体激光器的镜面的工艺的发展。如4851368号美国专利所述，这种工艺也允许激光器以平版印刷方式与其它光子器件形成在同一基板上。这种工艺被进一步扩展并且在1992年5月出版的IEEE量子电子学期刊卷28第5部分1227-1231页中公开基于蚀刻小面的脊形激光器工艺。然而，已发现由于该工艺导致其中在有源区的激光小面附近的不受保护的半导体材料直接暴露在周围大气下的结构，通过这些工艺产生的蚀刻小面的可靠性低，尤其是在非密封环境下。这种暴露使得小面随时间流逝而劣化，降低这些蚀刻小面光子器件的可靠性。
【发明内容】
[0006]由于极为需要蚀刻小面器件的高可靠性，因此提供根据本发明的改进的制造蚀刻小面半导体光子器件的工艺和方法。在这种工艺中，具有蚀刻小面的诸如激光器的光子器件被涂敷以电介质，较佳的是通过PECVD (等离子体增强化学蒸镀沉积)沉积二氧化硅。仅在必须为金属触点提供开口的那些区域中将电介质从光子器件除去。然后通过金属触点完全密封这些触点开口。所得到的器件表现出高稳定的工作性能，即使在非密封环境中也是如此。
【附图说明】
[0007]本领域内技术人员通过参照附图细阅下面对其实施例的详细说明将更清楚地理解本发明的前述和附加的目的、特征和优点，在附图中:
[0008]图1示出在晶片上制造诸如激光器的光子器件的传统切割小面工序；
[0009]图2示出在晶片上制造诸如激光器的光子器件的传统蚀刻小面工序；
[0010]图3示出根据现有技术的晶片上的结构的立体图；
[0011]图4(a)、4(b)至图8(a)、8(b)以横截面形式示出根据现有技术的在晶片上制造固态蚀刻小面激光器的制造步骤；
[0012]图9示出根据本发明的晶片上的结构的立体图；
[0013]图10(a)、10(b)至图14(a)、14(b)以横截面形式示出根据本发明的制造固态蚀刻小面激光器的制造步骤。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示的那样，半导体覆盖晶片12的机械切割是在边缘发射二极管激光器的腔末端界定反射镜或小面的常规工序。在该工序中，在晶片基板上制造多个波导14，涂覆金属接触层，并沿切割线16以机械方式切割晶片以形成激光器20的样条18。随后如22处所示的那样堆叠样条18，并涂覆激光器件的切割端面以提供合需的反射和发射特性。然后可如24处那样通过将偏置电压26施加于各激光器两侧并检测所获得的输入光束28而测试各激光器件20。随后在30处分离或单片化激光器件的样条，从而如34处所示的那样以已知方式制造各自包括一个或多个激光器件、可被适当封装的芯片32。
[0015]然而，对大多数半导体器件而言，前面的切割工序是不精确的，因为它依赖半导体材料的晶面的位置和角度。通过某些材料，例如可能存在位于彼此成锐角的近乎相等的强度的切割面，以致在切割时产生的微扰能从一个切割面向另一个地重定向破裂界面。此外，图1所示的切割工序产生易碎的样条和极小的芯片，它们在测试和封装期间难以处理。另夕卜，例如由于必须从物理上打碎晶片以获得完整功能的激光器，机械切割往往不相容于各芯片的后续处理，正如在芯片上提供器件的单片集成所需要的。
[0016]另一种制造诸如激光器的光子器件的技术示出于图2中的40处，其中第一步将多个波导42制造在适宜的晶片基板44上。它们较佳为如图所示的跨过晶片延伸的平行波导。然后使用基于照相平版印刷术和化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)的工序沿波导在合需位置形成小面以形成激光波导腔。这些小面被精确定位并具有与通过切割获得的小面等同的质量和反射率。由于激光器腔和小面以与在硅片上制造集成电路很大程度上相同的方法制造于晶片上，因此该工序允许激光器整块地与其它光子器件集成在单个芯片上，并允许使器件在晶片上的同时低成本地测试器件，如46所示。此后，在48处晶片被单片化以分离芯片50，并随后如52处所示那样封装芯片。该工序具有高产量和低成本，并且允许制造具有选定长度的腔的激光器。
[0017]图2的现有技术制造工序更详细地记载于1992年5月IEEE量子电子期刊28卷 1227-1231 页 Behfar-Rad 和 S.S Wong 的名为“Monolithic AIGaAs-GaAs SingleQuantum-Well Ridge Lasers Fabricated with DryEtched Facets and Ridges，，中，并且在本文中图示为图3-图8(a) ,8(b) ο在该例中，诸如激光器60和62的多个脊形激光器被形成于晶片44的波导42上。这些激光器用于要求单空间模式输出束的多种场合，其中脊形激光器如图3所示提供沿侧向(边一边)和横向(垂直)的光学界限。横向界限是下面的半导体层(将要说明)的直接结果，而侧向界限源自界定脊的蚀刻。脊附近的区域被向下蚀刻至接近半导体层的有源区，这使这些区中的折射率下降并增加了侧向界限。
[0018]现在对制造图4(a)、4(b) -8(a),8(b)所示的脊形激光器的工序进行说明。在这些附图中，沿图3的脊60的X — X线的侧向截面被示出于图4(a)、5(a)、6(a)、7(a)和8 (a)，而沿图3的脊60的y — y线的纵向截面被示出于图4 (b)、5 (b)、6 (b)、7 (b)和8 (b)中。可以理解这些附图中的尺寸不一定按比例绘制。所述工序包括四个照相平版印刷术布图步骤，附图中示出其关键制造步骤。如图4(a)、4(b)所示，通常是S1Jl的500nm厚介电层64例如通过等离子体增强化学蒸镀沉积(PECVD)被沉积在外延生长激光器结构66上。该激光器结构包括平行于基板44的顶表面69的有源区68并在有源区上方和下方具有上、下被覆区70、71。使用旋涂(spun-on)光阻层和照相平版印刷术执行第一平版印刷步骤以在光阻材料中形成图案以界定具有端面74和76的激光器本体72。光阻图案通过CHF3K应离子蚀刻(RIE)被转移至下面的S1Jl 64以形成掩模。在用氧等离子体去除光阻材料后，S12掩模图案通过基于Cl 2的化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)被转移至激光器结构66。CAIBE参数可以是下列参数:在0.1mA/cm2电流密度下500eV Ar +，30ml/min的CV流速，室温下或室温附近的基板温度，AlGaAs的90nm/min的蚀刻速率，以及S1j^ 4.5nm/min的喷溅速率。
[0019]如图5 (a)和5 (b)所示，随后通过PECVD按顺序沉积7.5nm厚Si3N4层77、25nm厚无定形Si ( α -Si)层78