用于制造具有可飽和半導體吸收材料的鏡體的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于制造具有可飽和半導體吸收材料的鏡體的方法，其包括：將可飽和半導體吸收材料(205)沉積在生長襯底(200)上，從而形成結(jié)構(gòu)；將至少一個金屬層沉積在所述結(jié)構(gòu)上，從而形成第一鏡體(211)；和由通過電絕緣掩模(312)進行的電沉積將導熱襯底(212)沉積在所述金屬層上，以允許選擇性沉積所述導熱襯底，從而預定義所述具有可飽和半導體吸收材料的鏡體的邊界。
【專利說明】
用于制造具有可飽和半導體吸收材料的鏡體的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于制造具有半導體可飽和吸收體的鏡體的方法以及通過所述 方法得到的鏡體。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年，短脈沖光源（100fs至lps)的產(chǎn)生在很多應用（例如，激光微加工、薄膜的 形成又或激光清潔）中已經(jīng)成為一種越來越重要的技術(shù)。
[0003] 具有半導體可飽和吸收體的鏡體(或簡稱SESAM，半導體可飽和吸收鏡）是此技術(shù) 的關(guān)鍵要素之一，因為它們允許對脈沖以及激光發(fā)射的特性(尤其包括脈沖持續(xù)時間、發(fā)射 功率和穩(wěn)定性)進行時域調(diào)節(jié)。
[0004] SESAM的操作基于半導體材料的吸收飽和的現(xiàn)象?？娠柡臀詹牧系奈障禂?shù)α的 變化取決于從其經(jīng)過的入射光信號的強度I。圖1Α示出可飽和吸收材料的吸收系數(shù)作為入 射光信號的強度I的函數(shù)。低強度的光信號受到材料的本征吸收并因此被吸收。與此相反， 高強度的光信號致使半導體材料透明，從而將其吸收減少至基本為〇的值并被透射而未被 吸收。這就是吸收飽和現(xiàn)象。大部分材料表現(xiàn)出可飽和的吸收，但經(jīng)常是在非常高的光強度 (接近光損傷水平)下。半導體材料表現(xiàn)出允許在較低的光強度閾值下的吸收飽和現(xiàn)象的特 殊的能量結(jié)構(gòu)。更確切地說，在足夠高的入射光強度的影響下，價帶的載流子(電子)在比載 流子至基態(tài)的弛豫時間更短的時間內(nèi)進入更高的能態(tài)(導帶）。這導致了以基態(tài)能級為代價 而填充更高能態(tài)以及吸收的飽和。表征半導體可飽和吸收體的參數(shù)特別地是吸收波長的范 圍、能觀察到吸收飽和的光強度閾值和動態(tài)響應(換言之，也就是當其不再被照射時，其恢 復不飽和吸收水平的速度）。最后面的參數(shù)與載流子在激發(fā)態(tài)的壽命直接相關(guān)。
[0005] SESAM被插入激光器腔中，用于在被動鎖模(模式阻擋)狀態(tài)下產(chǎn)生脈沖激光發(fā)射。 在圖2Α中示出將具有半導體可飽和吸收體的鏡體(SESAM)插入激光設(shè)備中的一個示例。在 該示例中，激光設(shè)備包括摻雜光纖1作為增益介質(zhì)。所述光纖由二極管2光栗浦。由二極管產(chǎn) 生的波束借助于復用器6注入到摻雜光纖1中。激光設(shè)備的腔是法布里-珀羅腔，其由全反射 鏡3、SESAM 4和用于在經(jīng)過SESAM之前和之后對輸出光信號進行取樣的耦合器5組成。圖2Β 中的圖示出激光設(shè)備(諸如圖2A中示出的）的操作原理。該圖示出了激光損失（曲線9-長虛 線）、激光設(shè)備的增益（曲線7-短虛線)和激光發(fā)射（曲線8-實線）的時間函數(shù)，其中該激光損 失主要是來自激光器的腔的損失。在t = 0處，增益介質(zhì)的光栗浦開始，損失高并且通過在低 入射強度下具有吸收行為的SESAM而保持很高。在該栗浦期間，增益值增加直到其接近損失 值。直到這點起，激光發(fā)射仍被人為地放大腔的損失的SESAM阻擋。然后，增益的增加導致腔 中光強度的增加，這引起可飽和吸收材料在激光發(fā)射波長處發(fā)生白化(whitening)。因此， 損失降低。一旦增益變得比損失高，激光脈沖就誕生了，導致增益迅速下降。因此，得到非常 短的脈沖(持續(xù)時間~ps，f s)。
[0006] 為了使SESAM在該環(huán)境下有效率(換言之，為了使它們能夠與顯著的激光功率(通 常大約lmW至幾 W級別)相互作用），有必要使它們滿足幾個條件，特別地包括高吸收系數(shù)、可 飽和吸收材料的短壽命激發(fā)載流子(通常大約皮秒級別)和良好的散熱。
[0007] 已經(jīng)研發(fā)了用于制作SESAM的幾種方法。具體地，存在有兩種用于SESAM生長的方 法:稱作"晶格失配"的生長和稱作"晶格匹配"的生長。在稱作"晶格失配"的生長中，襯底的 晶格參數(shù)與待外延的層的晶格參數(shù)不同，這給待外延的材料留下更多的選擇。原子根據(jù)襯 底的晶體結(jié)構(gòu)沉積在第一級中。因此，被沉積的材料被襯底限制。然而，當外延層的厚度增 加時，原子根據(jù)無應力材料的結(jié)構(gòu)沉積，并且晶格參數(shù)的調(diào)節(jié)(accommodation)導致位錯的 產(chǎn)生。這具有以下優(yōu)點：自然地將缺陷引入外延層，這將使得激發(fā)載流子的壽命減少。然而， 由于位錯的原因，用這種方法得到的設(shè)備不是十分穩(wěn)健。另一方面，稱作"晶格匹配"的生長 允許在襯底與待外延的層之間的界面處得到原子間鍵的連續(xù)性。由此制作的設(shè)備具有優(yōu)異 的晶體質(zhì)量并且更加穩(wěn)健;然而，該方法取決于所使用的襯底的類型，限制了材料的選擇并 因此限制了使用波長范圍的選擇。具體地，對于大于1. Ιμπι的波長，有必要使用InP(磷化銦） 襯底。然而，包括InP的半導體化合物具有差的熱性能并且難以疏散熱量;這限制了 SESAM在 激光設(shè)備中的使用性能。對于該技術(shù)問題的一個有效方案是使用散熱器。
[0008] 在專利FR2835065中描述了通過插入散熱器在InP襯底上使用半導體可飽和吸收 體制作元件的一種技術(shù)。圖3A至圖3D示出該制作方法。該技術(shù)包括在襯底115(例如由InP制 成）上形成包括層的堆疊的第一結(jié)構(gòu)（圖3A)，所述層的堆疊特別地包括可飽和吸收材料 109、用于形成鏡體的金屬層111和旨在形成釬焊接頭的第一金屬層116。所描述的技術(shù)還包 括形成通過在導熱襯底113上沉積旨在形成釬焊接頭的第二金屬層117所得到的第二結(jié)構(gòu) (圖3B)。然后，使第一金屬層116和第二金屬層117接觸并組裝，以通過固液間互擴散形成釬 焊接頭112 (圖3C)。該元件的制作以去除InP襯底115結(jié)束（圖3D)。然后，導熱襯底113在如此 形成的元件內(nèi)起到散熱器的作用。
[0009] 該技術(shù)允許制作與使用基于InP的半導體可飽和吸收體的元件相比具有更好的熱 性能的具有半導體可飽和吸收體的元件。然而，此技術(shù)本身不適合于大量元件的批量制作。 事實上，用于將第一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至第二結(jié)構(gòu)上的技術(shù)(諸如在前述段落中描述的）在最大lcm 2 的面積內(nèi)是可完成的，除非釬焊接頭形成在為此需要特別開發(fā)的具有大的表面積的壓床 (press)中。這導致與外延的價格相關(guān)或與開發(fā)在大表面積中釬焊相配的壓床的研發(fā)的價 格相關(guān)的高成本。此外，在后者情況下，一旦進行了襯底的去除，就必須鋸成單個組件。
[0010] 本發(fā)明提供用于制造具有半導體可飽和吸收體的鏡體的方法，其特別地允許大量 制造具有優(yōu)異品質(zhì)的具有半導體可飽和吸收體的鏡體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于制造具有半導體可飽和吸收體的鏡體 (SESAM)的方法，包括:將半導體可飽和吸收材料沉積在用于生長的襯底上，從而形成結(jié)構(gòu)； 將至少一個金屬層沉積在所述結(jié)構(gòu)上，從而形成第一鏡體；通過電絕緣掩模 (electrically-insulating mask)的電沉積將導熱襯底沉積在所述金屬層上，使得所述導 熱襯底被選擇性沉積，所述導熱襯底的選擇性沉積預定義所述SESAM的邊界。
[0012]因此，一方面，可以在控制SESAM的最終厚度的情況下沉積致密且均勻的金屬層， 并且另一方面，可以批量的方式以低成本從單個外延晶片開始制作具有相同特性的半導體 可飽和吸收體的大量的SESAM。
[0013] 根據(jù)變型例，所述方法包括:將晶體缺陷引入所述半導體可飽和吸收材料中的步 驟，以調(diào)整下面的半導體可飽和吸收材料中的載流子的壽命?？娠柡臀詹牧现芯w缺陷 的存在有利地使得吸收的弛豫過程加速而不會使后者性能退化，所述缺陷起到作為電子-空穴對的有效俘獲中心的作用。
[0014] 根據(jù)變型例，引入晶體缺陷包括用于在所述可飽和吸收材料中的離子輻射的步 驟。在離子輻射的方法下，可以在兩個生長步驟之間的制作中的任何給定時刻引入晶體缺 陷并可以調(diào)整被輻射層的深度。
[0015] 根據(jù)變型例，所述第一鏡體用作所述電沉積的陰極。因此，所述沉積直接在設(shè)備上 發(fā)生而無需任何中間步驟或中間層。
[0016] 根據(jù)變型例，所述電絕緣掩模具有包括絕緣區(qū)域和開放區(qū)域的結(jié)構(gòu)形成圖案，從 而限定了具有半導體可飽和吸收體的鏡體的邊界。確定待結(jié)構(gòu)化的圖案的絕緣結(jié)構(gòu)和開放 區(qū)域特別地允許形成用于單個SESAM的切割的優(yōu)選路徑和電沉積金屬層的可能應力的馳 豫。
[0017] 根據(jù)變型例，所述制作方法還包括：用于將第二鏡體沉積在所述可飽和吸收材料 上的步驟，用以形成法布里-珀羅微腔。
[0018] 根據(jù)變型例，結(jié)構(gòu)的形成包括：用于將第一相層沉積在所述第一鏡體與所述可飽 和吸收材料之間的步驟;和用于將第二相層沉積在所述第二鏡體與所述可飽和吸收材料之 間的步驟。特別地，通過調(diào)整相層的厚度，可以適當?shù)貙⒂性磳又糜谇粌?nèi)波的最大強度處。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的變型例，所述方法還包括:用于將所述鏡體分離的步驟，從而從單個 外延晶片開始得到大量SESAM。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明涉及通過諸如根據(jù)第一方面以及其變型例所描述 的方法獲得的具有半導體可飽和吸收體的鏡體，包括:半導體可飽和吸收材料;置于所述可 飽和吸收材料上的包括金屬層的第一鏡體;和導熱襯底，其通過電解沉積形成在所述第一 鏡體上。有利地，第一鏡體由Au或Cu制成，從而得到高反射率和高熱導率。
[0021] 根據(jù)變型例，所述材料的載流子在激發(fā)態(tài)具有小于loops的壽命，從而使得SESAM 的響應時間減少。載流子如此短的壽命允許優(yōu)化(也就是，減少)具有半導體可飽和吸收體 的鏡體的響應時間，并因此增加 SESAM的動態(tài)響應(諸如在現(xiàn)有技術(shù)中描述的SESAM的關(guān)鍵 參數(shù)）。
[0022] 根據(jù)變型例，所述可飽和吸收材料包括形成量子阱和勢皇的半導體層的堆疊。量 子阱和將量子阱分離的勢皇的厚度尺寸允許得到在使用波長處尤其顯著的激子吸收。有利 地，可飽和吸收材料包括形成量子阱的InGaAs層的堆疊和形成用于大約1.5μπι的SESAM的操 作的勢皇的InP層的堆疊，或允許操作波長達到2μπι或2.5μπι的量子阱的其他組成(例如用于 講的InGaAsN和用于勢皇的InGaAs或InP)。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的變型例，導熱襯底由Cu制成，從而以低成本進行沉積并得到具有高 熱導率的SESAM。
【附圖說明】
[0024] 當閱讀通過附圖示出的描述時，本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征將變得明顯，所述附圖 如下：
[0025]圖1(已經(jīng)描述)是示出可飽和吸收材料的吸收系數(shù)α作從其穿過的入射光束強度I 的函數(shù)的變化圖；
[0026]圖2A和2B(已經(jīng)描述)是包括腔和被插入激光腔的使用可飽和吸收材料的鏡體的 激光設(shè)備圖；
[0027]圖3A-3D(已經(jīng)描述)是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于制作具有可飽和吸收材料的元件 的方法的步驟的圖；
[0028] 圖4A-4H是示出根據(jù)本發(fā)明的用于制作具有半導體可飽和吸收體的鏡體的方法的 第一不例的圖；
[0029] 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的用于形成具有半導體可飽和吸收體的鏡體的電解沉積原 理的圖；
[0030] 圖6A至圖6J是示出根據(jù)本發(fā)明的用于制作具有半導體可飽和吸收體的鏡體的方 法的第二示例的圖；
[0031] 圖7是示出在用根據(jù)本發(fā)明的制作方法的一個示例制作的SESAM上測定的響應時 間的圖；
[0032] 圖8是示出用根據(jù)本發(fā)明的制作方法的一個示例制作的SESAM的非線性特性的圖。
【具體實施方式】
[0033] 在附圖中，相同的元件用相同的附圖標記表示。
[0034] 圖4A-4H示出根據(jù)本發(fā)明的用于從單個外延生長晶片開始得到具有半導體可飽和 吸收體的數(shù)個鏡體的制作方法的示例的各個步驟。
[0035] 第一步（圖4A、圖4B和圖4C)包括在生長襯底200(例如，InP(磷化銦)襯底）上生長 半導體層202。根據(jù)一個示例，在襯底上生長的半導體層依次為止擋層201(例如，例如400nm 厚的InGaAs(砷化銦鎵)層）、然后是量子阱和將量子阱分隔的勢皇的交替堆疊 205,該組裝 被設(shè)計成在使用波長(例如，1.55μπι)處具有所需的激子吸收性能。
[0036] 例如通過外延M0VPE (金屬有機氣相外延）或通過分子噴射外延(MJE)進行半導體 層202在襯底上的生長。在MJE的情況下，材料的生長由分子噴射與被加熱襯底的表面在超 高真空下的相互作用引起。M0VPE的原理基于氣態(tài)混合物與襯底的相互作用。M0VPE不是在 超高真空下發(fā)生。氣相由包含期望被結(jié)合到襯底上的金屬元素的分子和允許反應器中的壓 力保持不變并允許前驅(qū)物的流出朝向襯底的矢量氣體組成。
[0037]有利地遵守層與襯底的晶體點陣之間的晶格匹配。為此，在InP襯底而不是在例如 硅(Si)襯底上進行層的生長。調(diào)整止擋層的組成從而得到處于例如1.41μπι周圍的吸收帶， 然后調(diào)整量子阱和量子阱之間的勢皇的厚度從而得到1.55μπι周圍的顯著的激子吸收。 [0038]優(yōu)選地，諸如在本發(fā)明中描述的SESAM的可飽和吸收材料在使用波長處具有良好 的吸收飽和性能。吸收飽和性能取決于材料的能帶(材料狀態(tài)集合），換言之，例如材料的基 態(tài)的能量與激發(fā)態(tài)的能量之間的差。優(yōu)選地，吸收材料借助于量子阱(通常厚度為7至12nm) 形成，但更厚的層也是適合的。然后，調(diào)整量子阱和分隔量子阱的勢皇的組成從而得到在使 用波長處尤其顯著的激子吸收。
[0039]根據(jù)激光器有源介質(zhì)的增益值，可以使用單個或數(shù)個量子阱。在使用數(shù)個量子阱 的情況下，量子阱的數(shù)目可以例如等于8,每個量子阱具有9nm的厚度并且在量子阱之間用 于分隔的每個勢皇具有7nm的厚度。該低的吸收厚度有利地使得減少熱效應并得到與激光 功率兼容的飽和功率。
[0040]根據(jù)本申請的方法的實施方式，用于在生長襯底上生長材料的步驟后面可以跟著 用于離子輻射的步驟（圖4D)。然而，這一步驟可以在各生長步驟之間的制作中的任何給定 時刻進行。離子(例如，Ni+6離子)被引至第二相層上。然后，它們經(jīng)過由連續(xù)層組成的結(jié)構(gòu)， 結(jié)束于生長襯底中。在它們的經(jīng)過期間，離子在吸收材料內(nèi)造成晶體缺陷。吸收材料內(nèi)缺陷 的存在有利地允許吸收的弛豫過程被加速而不會使后者的性能退化。缺陷實際上起到電 子-空穴對的有效俘獲中心的作用。調(diào)整輻射的能量使得離子經(jīng)過整個結(jié)構(gòu)并且在生長襯 底中結(jié)束它們的行程。接下來，將去除后者從而避免由離子引起的任何殘余吸收。
[0041 ]吸收的弛豫時間（SESAM的響應時間）的減少直接與輻射量相關(guān)，換言之直接與每 單位面積的離子的數(shù)量相關(guān)。該技術(shù)有利地允許在半導體層的外延生長步驟之后調(diào)整 SESAM的響應時間?？梢缘玫叫∮谄っ氲捻憫獣r間而不會使激子吸收退化。Ni+6離子的輻射 量可以例如等于2*10 n個離子/cm2,其產(chǎn)生了響應時間基本上等于6ps的SESAM。離子的能量 可以等于llMeV，這引起止擋距離基本等于2μπι。
[0042]根據(jù)一個實施方式，可以特別地通過實施低溫下的生長或通過進行由等離子體輔 助的生長而在半導體層的生長步驟過程中引入晶體缺陷。
[0043]根據(jù)一個實施方式，如圖4Ε所示，方法的下一步包括將金屬層211沉積在半導體結(jié) 構(gòu)202上的步驟。此金屬層在SESAM中起到鏡體的作用并且在用于電解沉積的下一步驟期間 將有利地起到電極的作用。金屬層211的沉積例如通過真空(壓力基本上等于l(T 7mbar)下的 蒸發(fā)進行。用于制作鏡體的材料是選自具有良好的光學性能和熱性能(換言之，為了表現(xiàn)出 高反射率和高熱導率)的金屬。銀(Ag)或金(Au)的沉積充分滿足這兩個條件。經(jīng)由非限定性 的示例，通過使用稀釋至10%的鹽酸(HCL)對第二相層的表面進行化學侵蝕以去氧化之后， 由金制成的300nm厚的鏡體可以形成在該第二相層上。鏡體211的反射率約等于95%。
[0044] 有利地，鏡體211可以具有接近1的反射率。為了得到這樣的反射，鏡體可以是以下 類型：金屬鏡體(如前述段落中描述)或混合鏡體?；旌乡R體是金屬鏡體與Bragg鏡體的組 合。Bragg鏡體由具有交替高低折射率的、若干周期的電介質(zhì)或半導體層組成。由于金屬層 本來的高反射率，低指數(shù)和高指數(shù)交替的少量層的添加使得混合鏡體獲得比金屬鏡體更好 的反射率。然而，由于電介質(zhì)和半導體材料具有比金屬低得多的熱導率，根據(jù)配置和應用領(lǐng) 域，可以期望金屬鏡體單獨允許更好的散熱。
[0045] 根據(jù)一個實施方式，方法包括通過電沉積(潛在地通過絕緣掩模312)將金屬導熱 襯底212沉積在金屬層211上的步驟。此步驟在圖4F、圖4G和圖5中示出。
[0046] 通過電沉積的金屬沉積包括將兩個電極（陽極和陰極)放在包含溶液中的金屬鹽 的浴液(電解液）中。這兩個電極之間的電流的通過使這些金屬粒子迀移并導致金屬薄層沉 積在陰極上。因此，電解沉積的方法需要施加外部電勢，這需要與其上沉積金屬的表面的電 接觸。在本發(fā)明的情況下，在進行電沉積之前，樣品的表面有利地起到涂覆導電層(第一鏡 體211)的陰極的作用。
[0047] 有利地，用銅進行電解沉積，銅的導熱系數(shù)(kCu~400W/(mXK))高并允許以降低 的成本沉積。然而，可以設(shè)想其他金屬的使用，諸如例如金。
[0048]在圖5中示出通過電沉積的沉積步驟的設(shè)備的配置的示例。
[0049] 特別地通過控制溶液的組成的穩(wěn)定性，確保電極表面上電勢以及質(zhì)量傳輸?shù)木鶆?性，利用最小化邊緣效應的低電壓，電沉積技術(shù)允許沉積致密和均勻的材料。
[0050] 為此，使用具有兩個電極(連接至電流產(chǎn)生器301的陽極300(正極端子)和陰極302 (負極端子））的槽320。待涂覆的元件306被放在電解槽中。待涂覆的元件306起到其上將沉 積金屬離子(正離子)的陰極的作用。根據(jù)所期望的沉積來選擇填充槽并包含金屬離子的電 解液308。當電流流動(其可以是連續(xù)或脈沖電流)時，電極吸引相反電荷的離子，流體流動 的動力將粒子引至陰極表面并防止其沉淀。包含銅或金的商購溶液可以用作電解質(zhì)，例如， 來自ROHM?公司的產(chǎn)品可以用于通常以IOOmi/小時的沉積速率使金屬層的厚度和均勻 度最優(yōu)化。此外，電解溶液的溫度是對沉積特性有影響的參數(shù)，因此，在整個沉積中通過溫 度計310監(jiān)控所述溫度。
[00511電解沉積允許通過改變時間和產(chǎn)生的電流的參數(shù)來控制SESAM的最終厚度。因此， 可以根據(jù)被沉積的金屬的厚度(通常在~Ιμπι至>100μπι之間)得到剛性的或柔性的SESAM。 [0052] 因此，例如，可以使用包括水合硫酸銅(CuS〇4 · 5Η20-0.075)和硫酸(H2S〇4_0.196) 的電解溶液，在60mA. cnf2的電流密度、溫度20°C和大約90min下在7 X 7mm2的表面面積上沉 積厚度為100μπι的銅層。可以使用電解溶液(例如，來自METAKEM?公司的Gold-SF溶液） 在3〇11^.〇^ 2的電流密度、溫度45°(：和大約751^11下沉積厚度為8(^111的金層。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的變型例，通過先前已經(jīng)布置在沉積表面上的電絕緣掩模312來實施 電解沉積（圖4E)。如圖5所示，該掩?？梢杂赏ㄟ^光學光刻(微電子學的常規(guī)方法)形成的光 致抗蝕劑制成。該掩模具有結(jié)構(gòu)形成圖案，該結(jié)構(gòu)形成圖案包括決定待結(jié)構(gòu)化的圖案的絕 緣結(jié)構(gòu)316和開放區(qū)域314。在絕緣結(jié)構(gòu)上，電流不流動并且不存在沉積。在開放區(qū)域上，電 流流動并且存在金屬層的沉積。結(jié)構(gòu)形成圖案可以特別地是以矩陣布置的矩形圖案，例如 20 X 20的具有2 X 2mm2尺寸的正方形SESAM。絕緣掩模的使用允許從外延晶片中得到大量的 SESAM〇
[0054] 不存在沉積的區(qū)域起到兩個作用。一方面，其形成用于單個SESAM切割的優(yōu)選軌 道，另一方面，其允許被電沉積的金屬層的可能應力的馳豫。事實上，在大的區(qū)域中，這些應 力能夠通過"雙金屬"效應導致SESAM的彎曲，這將對它們的光學效率不利。
[0055] 因此，該方法使得能夠根據(jù)掩模的幾何結(jié)構(gòu)以具有適用于每種特定需求的尺寸的 可飽和吸收材料來形成鏡體。
[0056]在電解沉積之后，所沉積的銅被拋光至例如為150μπι的厚度。該拋光顯著地使得能 夠消除邊緣效應并得到平坦的下表面以與下面的載體良好接觸。此載體使得更容易操縱設(shè) 備并且經(jīng)由例如熱電元件(Pe 11 i er元件)控制設(shè)備的溫度。
[0057] InP襯底在該拋光步驟之后通常被去除（圖4H)。襯底的去除可以通過機械減薄然 后選擇性化學蝕刻(干蝕刻或(優(yōu)選)濕蝕刻)來進行。減薄使得襯底的厚度被減少例如大約 90%，并且化學蝕刻步驟使得剩余的襯底被去除。襯底的去除還可以完全通過選擇性化學 蝕刻(干蝕刻或濕蝕刻）來進行。蝕刻工藝的選擇性應當很高(通常大于100)從而保護剩余 的結(jié)構(gòu)。止擋層完美地履行該作用。接下來，其也將通過選擇性化學蝕刻來去除。
[0058]應注意，金屬沉積的厚度可以適于特定的需求。如上文的示例提到的厚度150μηι使 得一旦去除了 InP襯底也能確保SESAM的良好的機械剛度和平整度。然而，在一些情況下，可 以期望形成柔性的SESAM，例如為了將SESAM與非平面表面(諸如光纖連接器的末端)接觸。 在這種情況下，金屬沉積的厚度可以限制為?ομπι級別的典型值。更普遍地，厚度可以在lorn 與200μπι之間的范圍內(nèi)。
[0059]然后，通過劈開將單個SESAM彼此分離。此分離可以例如在InP的蝕刻之后或第二 鏡體的沉積之后進行。
[0060]因此，可以從單個外延晶片開始以批量的方式以低成本制作具有相同特性的半導 體可飽和吸收體的大量的SESAM，通常對于直徑為5cm的晶片為300至400個SESAM。
[0061 ]因此，由于在本發(fā)明說明書中描述的方法，與現(xiàn)有技術(shù)的方法(諸如例如在專利申 請FR2835065中描述的）相比，可以生產(chǎn)多于10倍的元件。
[0062]事實上，該方法更快在于其不需要根據(jù)專利申請FR2835065的實施方式的為了分 離元件而切割主襯底(113，圖3C)的任何步驟。
[0063]圖6A至6J示出用于形成具有半導體可飽和吸收體的鏡體的方法的變型例，所述鏡 體用于制作形成法布里-珀羅腔的SESAM。步驟6A，6B，6D，6F，6G，6H，6 J分別與前面在圖4A， 4B，4D，4E，4F，4G中描述的步驟相似。
[0064]根據(jù)該變型例，所述方法包括在去除InP襯底的步驟之后，沉積第二鏡體207的步 驟（圖6J)。該鏡體可以特別地是由電介質(zhì)材料組成的Bragg鏡體。因此，得到形成微法布里-珀羅腔的具有可飽和吸收材料的鏡體。
[0065]有利地，根據(jù)該變型例，在止擋層201的生長步驟（圖6B)與結(jié)構(gòu)的生長步驟（圖6D) 之間，第一相層203(例如通常厚度為250nm的InP材料層)被插入止擋層201與由量子阱和量 子阱勢皇組成的組件205之間（圖6C)。
[0066]然后，在結(jié)構(gòu)的生長步驟（圖6D)與止擋層的生長步驟（圖6F)之間，第二相層206 (例如通常厚度為75nm的InP材料層)被添加至由量子阱和將量子阱分離的勢皇組成的組件 (圖 6E)。
[0067]通過調(diào)整相層的厚度，可以適當?shù)貙⒂性磳又糜谇粌?nèi)波的最大強度處。
[0068]這些步驟之后跟著用于通過劈開(諸如以前描述的）將SESAM彼此分離的步驟。
[0069] 圖7和圖8示出根據(jù)諸如在本發(fā)明中描述的制作方法的示例得到的SESAM的特性曲 線。這些特性使得根據(jù)本發(fā)明方法制作的SESAM的性能被證實。用諸如在圖4A至41中描述的 方法已經(jīng)得到了 SESAM。其包括通過晶格匹配外延而在InP的襯底(200，圖4A)上沉積:350nm 的InGaAs層(確切組成是與InP的襯底晶格匹配的Ino.53Gao.47As)，用作選擇性化學侵蝕的止 擋層；270nm的InP的相層;然后是355nm的InGaAs的可飽和吸收層；最后是187nm的InP的相 層。接下來，通過電沉積來沉積350nm的Au層(第一鏡體211)和80μηι的Cu層。為了得到量子講 中載流子弛豫時間的足夠速率，半導體結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)受具有400keV能量的鐵離子、以1.5*10 14 個離子/cm2的劑量的離子注入，然后經(jīng)受在700 °C下的快速熱退火15秒，旨在使可飽和吸收 材料的特性穩(wěn)定，并限制不飽和損失的大小。所述注入和退火是在金層的沉積之前進行的， 從而避免金在退火期間擴散至半導體晶體中。
[0070] 圖7示出此SESAM的時域特性(換言之，SESAM的響應時間的測定）。該響應時間與從 入射光的反射狀態(tài)到吸收狀態(tài)的SESAM的弛豫時間對應。其與材料中自由載流子的壽命相 關(guān)。此測定可以借助于栗浦一探測型的具有非常高的時間分辨率的測量站來進行。此技術(shù) 包括將高強度的第一脈沖(栗浦脈沖)發(fā)送到樣品上。此脈沖將被吸收并且在反應中產(chǎn)生一 定密度的自由載流子。然后，所述自由載流子將占據(jù)可用狀態(tài)并因此減少樣品的吸收。在栗 浦脈沖之后以已知延遲St發(fā)送強度低得多的第二脈沖(探測脈沖）。由于可用狀態(tài)的數(shù)目已 經(jīng)通過在前的栗浦脈沖而被減少，所以探測脈沖的吸收將被改性并因此將取決于兩個脈沖 之間的延遲。對于非常短的延遲，探測的吸收將是弱的，然而，對于與載流子的弛豫時間相 比的足夠長的延遲，探測的吸收將是最大量。通過測定作為探測脈沖相對于栗浦脈沖的延 遲Μ的函數(shù)的反射信號(其直接與材料的吸收相關(guān)），因此可以測定載流子的密度隨時間的 變化并因此可以恢復樣品的響應時間。
[0071]在圖7中，能夠觀察到當延遲δ?為負（換言之，在栗浦脈沖使可飽和吸收材料的吸 收飽和之前)時，歸一化反射信號為0。當延遲變?yōu)椹?換言之，當栗浦脈沖與探測脈沖在時域 中重疊時)時，那么歸一化反射信號變?yōu)樽畲罅?，因為載流子的密度并因此吸收的變化為最 大值。然后，如所預期的那樣，當St變?yōu)檎龝r，歸一化反射信號以指數(shù)方式降低至0。使用這 些測定，從中可以推斷出SESAM的響應時間等于7ps。應注意，補充測定已經(jīng)示出能夠通過改 變離子植入步驟之后的快速熱退火的溫度（從450°C至750°C)來調(diào)整此響應時間（0.5至 15ps的典型值）。
[0072]圖8示出先前描述的SESAM的非線性性能的表征。通過測定作為入射在SESAM上的 脈沖的平均功率的函數(shù)的反射率(反射功率與入射功率之比）而得到所述表征。使用這些測 定，可以從中推斷出與白化SESAM所需的入射功率對應的切換功率I。還可以確定由C = 101og(RmaX/Rmin)定義的對比度，其中Rmin為在低入射功率處的最小反射率(在圖8中用附 圖標記III表示）以及Rmax為在高入射功率處的最大反射率(在圖8中用附圖標記II表示）。 在圖8中，能夠清晰地觀察到作為平均入射功率的函數(shù)的反射率R明顯的非線性變化，同時， 反射率向非常高的入射功率處的最大值收斂，這是吸收飽和的證明。對于該SESAM，從圖8中 示出的曲線中，用27%的最小反射率和65 %的最大反射率連同25yW的切換功率，得到3.8dB 的對比度。
[0073]雖然經(jīng)由一定量的詳細的示例性實施方式進行了描述，但對本領(lǐng)域技術(shù)人員來 說，包括各種變型例、修改和改進的具有半導體可飽和吸收體的鏡體以及其制作方法將是 顯而易見的，應理解，這些各種變型例、修改和改進落入諸如由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范 圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于制造具有半導體可飽和吸收體的鏡體的方法，包括： -將半導體可飽和吸收材料(205)沉積在用于生長的襯底(200)上，從而形成結(jié)構(gòu)； -將至少一個金屬層沉積在所述結(jié)構(gòu)上，從而形成第一鏡體(211); -由通過電絕緣掩模(312)進行的電沉積將導熱襯底(212)沉積在所述金屬層上，以允 許選擇性地沉積所述導熱襯底，從而預定義所述具有半導體可飽和吸收體的鏡體的邊界。2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，包括：用于將晶體缺陷引入所述半導體可飽和吸收材 料中的步驟，從而將所述半導體可飽和吸收材料中的載流子的壽命限制到l〇〇ps。3. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其中，所述用于引入晶體缺陷的步驟包括用于在所述 可飽和吸收材料中進行離子輻射的步驟。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述第一鏡體(211)用作所述電沉積 的陰極(302)。5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述電絕緣掩模(312)具有包括絕緣 區(qū)域(316)和開放區(qū)域(314)的結(jié)構(gòu)形成圖案，從而預定義所述具有半導體可飽和吸收體的 鏡體的所述邊界。6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制造方法，還包括：用于將第二鏡體(207)沉積在 所述可飽和吸收材料上的步驟。7. 根據(jù)權(quán)利要求6中所述的方法，還包括：用于將第一相層(203)沉積在所述第一鏡體 與所述可飽和吸收材料之間的步驟，和用于將第二相層(206)沉積在所述第二鏡體(207)與 所述可飽和吸收材料(205)之間的步驟。8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括:用于將通過所述掩模(312)預定義 的所述具有半導體可飽和吸收體的鏡體分離的步驟。9. 一種具有半導體可飽和吸收體的鏡體，包括： -半導體可飽和吸收材料(205); -包括金屬層的第一鏡體(211 )，設(shè)置于所述可飽和吸收材料上； -導熱襯底(212)，所述導熱襯底通過電解沉積形成在所述第一鏡體(211)上。10. 根據(jù)權(quán)利要求9中所述的具有半導體可飽和吸收體的鏡體，其中，所述半導體可飽 和吸收材料(205)由形成量子阱和勢皇(barrier)的半導體層的堆疊構(gòu)成。11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10中所述的具有半導體可飽和吸收體的鏡體，其中，所述可飽和 吸收材料包括致使所述半導體可飽和吸收材料中的載流子的壽命小于l〇〇ps的晶體缺陷。12. 根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項所述的具有半導體可飽和吸收體的鏡體，其中，所述 導熱襯底(212)具有包括在5與200μπι之間的厚度。13. 根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項所述的具有半導體可飽和吸收體的鏡體，還包括在所 述可飽和吸收材料上的第二鏡體(207)。
【文檔編號】H01S5/40GK106030935SQ201580009536
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年1月19日
【發(fā)明人】J-L·烏達爾, S·布喬勒
【申請人】國家科學研究中心