專利名稱：一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，是關(guān)于一種產(chǎn)生超短光脈沖的多量子阱半導(dǎo)體分布反饋激光器(DFB)與級聯(lián)雙電吸收調(diào)制器(EAM)的單片集成器件的制作工藝。
背景技術(shù)：
超高速、大容量光纖通信是近年來光通信研究的主要方向。光孤子傳輸利用光纖非線性效應(yīng)克服色散效應(yīng)，提高了傳輸速率，并延長了無再生傳輸距離；同時，光時分復(fù)用(OTDM)和光波分復(fù)用(WDM)的結(jié)合可有效提高光波分復(fù)用(WDM)單頻道碼率，可望作為未來超高速光通信網(wǎng)的支撐技術(shù)。高重復(fù)率頻率變換極限超短光脈沖源是實現(xiàn)光孤子通信和光時分復(fù)用(OTDM)、OTDM/WDM光通信的核心器件，也是其他關(guān)鍵技術(shù)研究必不可少的基礎(chǔ)。采用多量子阱半導(dǎo)體分布反饋激光器/級聯(lián)雙電吸收調(diào)制器(DFB/EAM)的組合方式產(chǎn)生超短光脈沖具有單一頻率正弦信號驅(qū)動，可有效降低光放大系統(tǒng)自發(fā)輻射噪音積累效應(yīng)，并且輸出的時域波形接近孤子脈沖波形(sech2)，可實現(xiàn)單一集成，結(jié)構(gòu)緊湊，工作電壓低等優(yōu)點，近年來得到了廣泛關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出了多量子阱半導(dǎo)體分布反饋激光器/級聯(lián)雙電吸收調(diào)制器(DFB/EAM)單片集成的制作工藝，特別是關(guān)于降低電容，提高出光功率、提高調(diào)制速率的方法和具體的工藝步驟。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，將分布反饋激光器與級聯(lián)雙電吸收調(diào)制器進行單片集成，其包括
(1)在n型磷化銦襯底上大面積外延n型磷化銦緩沖層；(2)在n型磷化銦緩沖層上生長二氧化硅，并光刻出選擇區(qū)域生長掩蔽圖形結(jié)構(gòu)；(3)采用選擇區(qū)域生長法外延生長出集成器件的下波導(dǎo)層、多量子阱有源區(qū)和上波導(dǎo)層；(4)采用干法和濕法刻蝕相結(jié)合制備一級布拉格光柵；(5)套刻出末級電吸收調(diào)制器的磷化銦出光窗口；(6)二次外延生長光限制層和電接觸層；(7)套刻出雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和電隔離深溝；(8)氦離子選區(qū)注入電隔離深溝；(9)負光敏性聚酰亞胺填埋深坑、固化，形成聚酰亞胺電極電層；(10)光刻電極窗口圖形，形成電極條、高頻電極；(11)濺射鈦/鉑/金合金，帶膠剝離形成p面電極圖形；(12)背面減薄，蒸發(fā)金/鍺/鎳合金，形成n面電極。
所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其所述集成器件多量子阱有源區(qū)，是采用選擇區(qū)域生長法，材料為銦鎵砷磷四元半導(dǎo)體化合物，阱層厚≤8nm，波長為1.55～1.58μm，壘層厚≤15nm，波長為1.18~1.22μm，多量子阱共5~10個周期。
所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其所述集成器件多量子阱有源區(qū)的分布反饋激光器區(qū)光熒光譜峰值波長為1.56μm，電吸收調(diào)制區(qū)的激子吸收區(qū)光熒光譜峰值波長為1.50μm。
所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其所述套刻出光窗口，是向下刻蝕到磷化銦緩沖層，寬度為20～40μm，在下一步的光限制層和電接觸層外延中，出光窗口處將填埋磷化銦，這樣可以減小出光端面反射。
所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其所述套刻出雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，第一步先刻制出第一級脊臺階，向下刻制到磷化銦光限制層，寬度為3～5μm；接著，套刻出第二級脊臺階，向下刻制到磷化銦緩沖層，寬度為10～20μm。
所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其所述負光敏性聚酰亞胺電極電層填埋、固化，是在二氧化硅介質(zhì)膜上套刻出填埋聚酰亞胺的深坑，將負性聚酰亞胺大面積甩涂在外延片表面，然后曝光、顯影去掉深坑區(qū)以外區(qū)域的聚酰亞胺，形成厚為2～6μm的聚酰亞胺電極電層，繼而，在高純度氮氣氛圍中進行退火，使聚酰亞胺固化。
本發(fā)明采用選擇區(qū)域生長(SAG)法一次外延生長出集成器件的多量子阱有源區(qū)，簡化了工藝，降低了成本；將區(qū)域生長(SAG)掩蔽圖形結(jié)構(gòu)延伸到電隔離區(qū)，保證了外延材料質(zhì)量的均勻性；采用了雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，減小了脊波導(dǎo)電極條寬，進一步降低有源區(qū)p-n結(jié)電容；采用深坑填埋技術(shù)，在高頻電極下淀積較厚的負光敏性聚酰亞胺(Polyimide)電極電層，減小了電極寄生電容。本發(fā)明集成器件可作為超短光脈沖光源用于光時分復(fù)用(OTDM)和光孤子通信系統(tǒng)。


圖1本發(fā)明方法中在磷化銦襯底上外延磷化銦緩沖層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明方法中光刻出選擇區(qū)域生長掩蔽圖形結(jié)構(gòu)后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明方法中選擇區(qū)域外延生長下波導(dǎo)層、集成器件的多量子阱有源區(qū)，上波導(dǎo)層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明方法中刻制一級布拉格光柵后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5本發(fā)明方法中刻制出電吸收調(diào)制器出光窗口，并去掉選擇區(qū)域生長掩蔽圖形結(jié)構(gòu)后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6本發(fā)明方法中外延光限制層、電接觸層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7本發(fā)明方法中套刻出雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、電隔離深溝后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8本發(fā)明方法中淀積聚酰亞胺電極電層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9本發(fā)明方法中帶膠剝離出電極圖形后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
為了進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細的描述，其中，本發(fā)明集成器件的具體制作過程如下所述1.在清洗干凈的n-InP襯底1上外延生長n型磷化銦(InP)緩沖層2，各層的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。緩沖層為磷化銦(InP)材料，厚度為1～2微米，摻雜元素為硅(Si)，摻雜濃度為2×1018cm-3；2.在外延片表面熱氧化淀積一層厚度為0.2～0.3μm的SiO2掩蔽層，然后，掩膜光刻出如圖2所示的區(qū)域生長(SAG)掩蔽圖形結(jié)構(gòu)3。本發(fā)明采用掩蔽圖形的兩端逐漸變小的尖細結(jié)構(gòu)，寬度變化區(qū)域延伸至電隔離區(qū)，可保證區(qū)域生長(SAG)區(qū)的外延材料質(zhì)量均勻一致；3.試片經(jīng)過嚴格清洗處理后，采用選擇區(qū)域生長(SAG)法外延出下波導(dǎo)層4，集成器件的多量子阱有源區(qū)5和上波導(dǎo)層6，各層的生長結(jié)構(gòu)如圖3所示。DFB區(qū)有源層、級聯(lián)雙EAM的激子吸收區(qū)為壓應(yīng)變本征銦鎵砷磷(InGaAsP)多量子阱結(jié)構(gòu)，阱層≤8nm，波長為1.55～1.58μm，壘層厚≤15nm，波長為1.18~1.22μm，共5~10個周期。該多量子阱的DFB區(qū)光熒光譜(PL譜)峰值波長為1.56μm，EAM的激子吸收區(qū)PL譜峰值波長為1.50μm。上波導(dǎo)6和下波導(dǎo)層4均為本征銦鎵砷磷(InGaAsP)材料，0.05～0.1μm厚，帶隙波長在1.1-1.2μm。對比疊層生長法、對接生長法，本發(fā)明所用的選擇區(qū)域生長(SAG)法具有顯著的優(yōu)點只需一次外延生長，大大降低了成本，簡化了工藝；保證了各個器件間不至于因?qū)硬粶?zhǔn)，引起光場泄漏和損耗；還降低了閾值電流；4.采用全息曝光、干法和濕法刻蝕相結(jié)合，在上波導(dǎo)層6刻制一級布拉格(Bragg)光柵7，周期為240nm，刻制出的布拉格(Bragg)光柵7如圖4所示；5.套刻出末級EAM的出光窗口8，并去掉SiO2掩蔽圖形結(jié)構(gòu)3，光刻后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。EAM出光窗口8向下刻蝕到下波導(dǎo)層4，寬度為20～40μm，本發(fā)明在出光端面增加出光窗口8，可大大減小端面反射，提高出光功率；6.試片經(jīng)過嚴格清洗處理后，二次外延生長光限制層9和電接觸層10，各層的生長次序如圖6所示。光限制層9為磷化銦(InP)材料，厚度為1～3μm，電接觸層10為銦鎵砷(InGaAs)材料，厚度0.1～0.5μm，p型摻雜，摻雜濃度為8×1018。同時，對出光窗口8處填埋磷化銦(InP)，這樣可以減小出光端面反射。
7.套刻出雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)11和電隔離深溝12，結(jié)構(gòu)如圖7所示。第一級脊臺階刻制到磷化銦(InP)光限制層9，寬度為3～5μm；第二級脊臺階刻制到磷化銦(InP)緩沖層2，寬度為10～20μm。本發(fā)明采用雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)11有顯著的優(yōu)點既可進一步減小p-n結(jié)電容，又不致因為脊過深、過窄而折斷。套刻出脊臺階11后，再光刻出電隔離深溝12。電隔離深溝12刻制過InGaAs電接觸層10，橫向貫穿整個第一級脊臺階。
8.將氦(He)離子選區(qū)注入電隔離深溝12，其目的是為了使電隔離深溝12底部表層約1～3μm深度區(qū)變成高電阻層，可以增加電極的電隔離度，同時降低壓焊區(qū)電容，提高調(diào)制器的調(diào)制速率。
9.大面積熱氧化淀積絕緣介質(zhì)膜SiO2，然后，采用自對準(zhǔn)工藝刻制出脊波導(dǎo)窗口。接著，在介質(zhì)膜SiO2上套刻出填埋負光敏性聚酰亞胺(Polyimide)的深坑，將負光敏性Polyimide甩涂在外延片表面，用勻膠機甩勻，以便粘附在深坑里的膠膜盡可能厚，然后曝光、顯影去掉深坑區(qū)以外區(qū)域的Polyimide，形成厚為2～6μm的Polyimide電極電層13。繼而，在高純度氮氣氛圍中進行退火，使Polyimide電極電層13固化，結(jié)構(gòu)如圖8所示，為表示清楚起見，只畫出淀積、固化后形成的Polyimide電極電層13。本發(fā)明采用負光敏性Polyimide的顯著優(yōu)點是粘附性好，較粘稠，易形成較厚的淀積膜；耐熱氧化性好，固化后不易脆裂；介電性能好；10.光刻出電極圖形窗口。濺射鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)到帶有電極圖形窗口的芯片表面，厚度為0.1～0.5μm厚，然后采用自對準(zhǔn)工藝帶膠剝離出p面電極結(jié)構(gòu)，如圖9所示的電極條14和高頻電極15。最后，將芯片減薄到100μm，并在背面蒸發(fā)金/鍺/鎳(Au/Ge/Ni)作為n面電極16，如圖9所示。
11.將外延片解理，制作完成。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，將分布反饋激光器與級聯(lián)雙電吸收調(diào)制器進行單片集成，其特征包括(1)在n型磷化銦襯底(1)上大面積外延n型磷化銦緩沖層(2)；(2)在n型磷化銦緩沖層(2)上生長二氧化硅，并光刻出選擇區(qū)域生長掩蔽圖形結(jié)構(gòu)(3)；(3)采用選擇區(qū)域生長法外延生長出集成器件的下波導(dǎo)層(4)、多量子阱有源區(qū)(5)和上波導(dǎo)層(6)；(4)采用干法和濕法刻蝕相結(jié)合制備一級布拉格光柵(7)；(5)套刻出末級電吸收調(diào)制器的磷化銦出光窗口(8)；(6)二次外延生長光限制層(9)和電接觸層(10)；(7)套刻出雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(11)和電隔離深溝(12)；(8)氦離子選區(qū)注入電隔離深溝(12)；(9)負光敏性聚酰亞胺填埋深坑、固化，形成聚酰亞胺電極電層(13)；(10)光刻電極窗口圖形，形成電極條(14)、高頻電極(15)；(11)濺射鈦/鉑/金合金，帶膠剝離形成p面電極圖形；(12)背面減薄，蒸發(fā)金/鍺/鎳合金，形成n面電極(16)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其特征是，所述集成器件多量子阱有源區(qū)(5)，是采用選擇區(qū)域生長法，材料為銦鎵砷磷四元半導(dǎo)體化合物，阱層厚≤8nm，波長為1.55～1.58μm，壘層厚≤15nm，波長為1.18~1.22μm，多量子阱共5~10個周期。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其特征是，所述集成器件多量子阱有源區(qū)(5)的分布反饋激光器區(qū)光熒光譜峰值波長為1.56μm，電吸收調(diào)制區(qū)的激子吸收區(qū)光熒光譜峰值波長為1.50μm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其特征是，所述套刻出光窗口(8)，是向下刻蝕到磷化銦緩沖層(2)，寬度為20～40μm，在下一步的光限制層(9)和電接觸層(10)外延中，出光窗口(8)處將填埋磷化銦，這樣可以減小出光端面反射。
5.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其特征是，所述套刻出雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(11)，第一步先刻制出第一級脊臺階，向下刻制到磷化銦光限制層(9)，寬度為3～5μm；接著，套刻出第二級脊臺階，向下刻制到磷化銦緩沖層(2)，寬度為10～20μm。
6.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，其特征是，所述負光敏性聚酰亞胺電極電層(13)填埋、固化，是在二氧化硅介質(zhì)膜上套刻出填埋聚酰亞胺的深坑，將負性聚酰亞胺大面積甩涂在外延片表面，然后曝光、顯影去掉深坑區(qū)以外區(qū)域的聚酰亞胺，形成厚為2～6μm的聚酰亞胺電極電層(13)，繼而，在高純度氮氣氛圍中進行退火，使聚酰亞胺固化。
全文摘要
本發(fā)明一種產(chǎn)生超短光脈沖的單片集成器件的制作方法，涉及半導(dǎo)體技術(shù)，是一種產(chǎn)生超短光脈沖的多量子阱半導(dǎo)體分布反饋激光器與級聯(lián)雙電吸收調(diào)制器的單片集成器件的制作工藝。該方法包括a)將多量子阱半導(dǎo)體分布反饋激光器與級聯(lián)雙電吸收調(diào)制器在同一磷化銦襯底上進行單片集成；b)采用選擇區(qū)域生長法一次外延生長出銦鎵砷磷集成器件多量子阱有源區(qū)；c)在集成器件的末級套刻出光窗口，在隨后的接觸層外延生長中，將在出光窗口處填埋磷化銦；d)采用雙臺階梯脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；e)采用厚層負光敏性聚酰亞胺電極電層深坑填埋、固化。本發(fā)明集成器件可作為超短光脈沖光源用于光時分復(fù)用(OTDM)和光孤子通信系統(tǒng)。
文檔編號H01S5/026GK1780076SQ200410009859
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月25日
發(fā)明者趙謙, 潘教清, 周帆, 王寶軍, 王圩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所