一种新型脊形波导结构及制作方法技术

本发明专利技术提出了一种新型脊形波导结构及制作方法，具体的制作方法包括以下步骤，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。本发明专利技术通过改变倒台脊形波导的结构，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。

A new type of ridge waveguide structure and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
一种新型脊形波导结构及制作方法
本专利技术属于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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的有益效果：本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术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为利用本专利技术在n-InP衬底上制作单脊波导激光器的剖面示意图。图9为利用本专利技术在n-InP衬底上制作双沟脊形波导激光器的剖面示意图。...

【技术保护点】
1.一种新型脊形波导结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1，在激光器结构材料上制作波导掩膜条（7）；/nS2，利用腐蚀液I，腐蚀掉波导掩膜条（7）外侧的重掺杂顶接触层（6）；/nS3，利用腐蚀液II，在InP覆盖包层（5）上腐蚀出倒台结构（8），所述倒台结构（8）的高度为InP覆盖包层（5）厚度的2/3 ~ 4/5；/nS4，利用腐蚀液III，在剩余的InP覆盖包层（5）上腐蚀出直台结构（9）；/nS5，除去波导掩膜条（7）。/n

【技术特征摘要】
1.一种新型脊形波导结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在激光器结构材料上制作波导掩膜条（7）；
S2，利用腐蚀液I，腐蚀掉波导掩膜条（7）外侧的重掺杂顶接触层（6）；
S3，利用腐蚀液II，在InP覆盖包层（5）上腐蚀出倒台结构（8），所述倒台结构（8）的高度为InP覆盖包层（5）厚度的2/3~4/5；
S4，利用腐蚀液III，在剩余的InP覆盖包层（5）上腐蚀出直台结构（9）；
S5，除去波导掩膜条（7）。


2.根据权利要求1所述的新型脊形波导结构的制作方法，其特征在于，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（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）。


3.根据权利要求2所述的新型脊形波导结构的制作方法，其特征在于，所述衬底（1）为n型或p型掺杂；所述InP缓冲层（2）包括远场减小层；所述MQW有源层（3）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（1）相同，MQW层以上各层的掺杂类型与衬底（1）相反；所述下分别限制层和上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，且多量子阱材料为InGaAlAs或InGaAsP。


4.根据权利要求1或2或3所述的新型脊形波导结构的制作方法，其特征在于，在步骤S1中，所述波导掩膜条（7）沿<011>方向且与脊形波导的方向一致，波导掩膜条（7）的材料为SiO2、Si3N4或光刻胶。


5.根据权利要求4所述的新型脊形波导结构的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，所述重掺杂顶接触层（6）的材料包括InGaAsP和InGaAs；所述腐蚀液I为硫酸选择腐蚀液，所述硫酸选择腐蚀液包...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永光，王宝军，张瑞康，朱洪亮，
申请(专利权)人：河南仕佳光子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41