CN1238937C - 连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成 - Google Patents
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Abstract
一种连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，包括如下步骤：利用金属有机气相化学沉积技术在铟磷衬底上生长铟磷缓冲层、铟镓砷磷下波导限制层、铟磷隔离层、半导体光电子器件的有源区结构和铟磷保护层；采用普通的光刻腐蚀技术将模斑转换器部分刻蚀到铟磷隔离层；采用等离子体气相沉积技术生长二氧化硅；光刻腐蚀出半导体光电子器件和模斑转换器生长区域；然后利用盐酸腐蚀掉半导体光电子器件区的铟磷保护层和模斑转换器区域的铟磷隔离层；利用选择金属有机气相化学沉积技术依次生长铟镓砷磷层，P掺杂的铟磷盖层和铟镓砷磷保护层；生长二氧化硅；光刻出掩埋异质结条型结构；采用金属有机气相化学沉积技术生长p-n-p型铟磷电流阻挡层；腐蚀掉二氧化硅和铟镓砷磷保护层；生长p型铟磷盖层和P+-铟镓砷接触层；做电极；解理，镀膜。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及半导体光学放大器、半导体激光器、调制器、探测器和超辐射发光管等需要与单模光纤耦合的所有器件与模斑转换器的集成。
背景技术
随着光纤通信的迅猛发展，半导体光电子器件在光通信领域的地位和作用越来越重要(而且成为光通信价格昂贵的主要原因)。但是通常的半导体光电子器件的光场模式与单模光纤光场模式的不匹配，使得二者的耦合效率非常低，提高二者的耦合效率成为光电子模块制备的难题，也是光电子模块价格居高不下，光通信价格昂贵的重要原因。半导体模斑转换器与半导体光电子器件的集成是提高光纤与半导体器件的耦合效率的有效途径。目前，制作模式转换器的方式有两种：横向波导宽度渐变窄及纵向波导厚度渐变薄。在采用横向波导宽度渐变窄的模斑转换器中，采用的是刻蚀技术形成横向的尖劈，为了使模式转换效率高，其刻蚀的条宽必须《0.35μm，这对刻蚀的要求非常苛刻，几乎不可能在制备BH条型之前形成，而三次外延之前的刻蚀又会造成有源区电流泄漏；在纵向波导厚度渐变薄的模斑转换器中，通常采用的是选择区域外延技术，利用生长速率在选择区内外的不同，在垂直方向形成厚度的楔形，通常选择生长模斑转换器与光电子器件集成有两种方式：(1)在选择生长过程中，将与其集成的光电子器件部分用二氧化硅(SiO2)覆盖，只单单选择生长模斑转换器一侧；但是由于通常模斑转换器的长度较短，而与其集成的光电子器件较长，这样在模斑转换器生长过程中就有绝大部分为SiO2覆盖，非常影响选择生长材料的质量，特别是在两种器件对接部分，很难得到高质量的材料，这样极大的影响了两种器件的耦合效率和器件整体的输出功率。而且完全实现模斑转换器与光电子器件有源区部分的对接也非常困难。(2)在选择生长模斑转换器(SSC)时，不把光电子器件一侧用SiO2覆盖，而是同时生长，并将其作为光电子器件的上波导层，这样实现了光电子器件与SSC之间的自对准对接，但由于在选择生长过程中，同时存在着厚度调制效应和应变调制效应，由于光电子器件一侧没有SiO2覆盖，而与其协接的SSC处两侧的SiO2宽度最宽，因此导致光电子器件与SSC对接部位的应变差最大，二者对接部位很难获得高的晶体质量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种模斑转换器与光电子器件集成方法，采用选择外延方式实现使得模斑转换器可以与光电子器件实现连续自对准对接，避免对接部分应变和厚度的突变，同时可以获得高的对接部分晶体质量，获得高的模式转换效率和大的光输出功率。
本发明一种连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用金属有机气相化学沉积技术在铟磷衬底上依次生长铟磷缓冲层、铟镓砷磷下波导限制层、铟磷隔离层、半导体光电子器件的有源区结构和铟磷保护层；
2)采用普通的光刻腐蚀技术将模斑转换器部分刻蚀到铟磷隔离层；
3)采用等离子体气相沉积技术在整个芯片上生长二氧化硅介质膜；
4)采用普通的光刻腐蚀技术刻蚀出半导体光电子器件和模斑转换器需要生长的区域；
5)采用盐酸腐蚀掉半导体光电子器件的铟磷保护层和模斑转换器区的铟磷隔离层；
6)利用选择生长金属有机化学气相沉积技术依次生长铟镓砷磷层，P掺杂的铟磷盖层和铟镓砷磷保护层；
7)采用等离子体气相沉积技术生长二氧化硅150nm；
8)采用普通光刻腐蚀技术刻蚀出掩埋异质结条型结构；
9)采用金属有机气相化学沉积技术依次生长p型铟磷、n型铟磷、p型铟磷电流阻挡层；
10)采用氢氟酸腐蚀掉条上的二氧化硅，采用硫酸、水、双氧水的混合溶液腐蚀掉铟镓砷磷保护层；
11)利用金属有机气相化学沉积技术生长p型铟磷盖层和P+-铟镓砷接触层；
12)做电极；
13)解理，在器件的两个端面上镀光学介质膜。
其步骤3中生长的介质膜是二氧化硅、氮化硅或是氮氧化硅。
其步骤9中是p型铟磷结构，或在这些有源区电流阻挡层两侧进行离子注入，以减少漏电流。
其步骤12制备电极过程中，模斑转换器一侧利用带胶剥离技术或刻蚀电极图形技术将模斑转换器一侧的电极去掉，在与其集成的其他光电子器件一侧根据光电子器件的需要来采用适当的电极图形和制备技术。
其步骤13中镀光学介质膜根据实际需要镀增透膜或高反膜。
附图说明
为进一步说明本发明的技术特征，以下结合实施例及附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是半导体光电子器件与模斑转换器集成器件一次外延结构图；
图2是SOA(EA)+SSC一次光刻腐蚀后结构图；
图3是连续自对准光电子器件与SSC集成的光刻版图；
图4是SOA(EA)+SSC二次光刻腐蚀后结构图；
图5是SOA(EA)+SSC集成器件自对准外延后结构图；
图6(a)是分布反馈激光器(DFB)和SSC集成器件做好光栅后的结构图；
图6(b)是DFB+SSC光栅掩埋后结构图；
图7是电吸收调制分布反馈激光器与SSC集成器件自对准波导和SSC生长前的结构图；
图8是电吸收调制分布反馈激光器与SSC集成器件自对准波导和SSC生长后的结构图。
具体实施方式
实施例一：偏振不灵敏半导体光学放大器SOA+SSC集成
本发明所制备的偏振不灵敏半导体光学放大器与SSC集成，其制备步骤包括如下：
1)在n型铟磷(InP)衬底上采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)依次生长InP缓冲层、铟镓砷磷(InGaAsP)下波导层、InP隔离层、SOA有源区以及InP保护层(如图1所示)；
2)采用普通光刻腐蚀技术光刻腐蚀SSC区直到InP隔离层，如图2所示；
3)采用等离子体化学沉积技术生长SiO2150nm；
4)采用如图3光刻板，光刻腐蚀出图4图形；
5)采用盐酸腐蚀掉SOA部分的InP保护层和SSC区的铟磷隔离层；
6)采用选择生长金属有机气相沉积技术生长波长为1.2微米的不掺杂InGaAsP波导层、p掺杂的InP盖层和p掺杂的波长为1.2微米的InGaAsP保护层，如图5所示；
7)用氢氟酸腐蚀掉SiO2图形，清洗干净，然后再采用等离子体化学气相沉积技术生长SiO2；
8)光刻腐蚀出BH条型结构；
9)采用金属有机化学气相沉积技术生长p-InP、n-InP、p-InP电流阻挡层结构
10)用氢氟酸腐蚀掉SiO2，再用硫酸、双氧水和水的混合溶液腐蚀掉顶层的InGaAsP保护层。
11)采用金属有机气相沉积技术生长p-InP盖层和P+-InGaAs(铟镓砷)接触层；
12)做电极
13)在器件两端镀增透膜，使其模式反射率达到10-4以下。
这样形成SOA与SSC的集成器件。
实施例二：电吸收调制器与SSC集成
该种器件在电吸收调制器与SSC集成部分与特例一完全相同，只是在后面的工艺中根据电吸收调制器的特点需要采用脊型波导结构以及电极的制作需要填充低介电常数的介质物和采用图形电极。
实施例三：分布反馈激光器(DFB)与SSC的集成：
这种器件在DFB与SSC集成部分与特例一几乎一样，只是由于DFB是发光器件，因此只需单端与SSC集成。在完成选择生长SSC部分后，须采用如下的制备步骤：
1)将保护层InGaAsP和盖层InP依次采用选择性腐蚀液腐蚀掉；
2)在DFB部分作光栅，如图6(a)所示；
3)在光栅和SSC上全面生长p-InP盖层和InGaAsP保护层，如图6(b)所示；
4)之后同特例一制备BH条型波导结构。
5)根据高频特性需要在DFB一侧做图形电极；
6)在DFB一端镀高反膜，在SSC一端镀增透膜。
实施例四：电吸收调制DFB激光器(EML)与SSC集成：
这种集成器件的制备雷同于实施例三，只是在生长激光器有源区同时生长电吸收调制器的吸收层，然后在电吸收调制器一端选择腐蚀出SSC区(如图7所示)，采用选择生长的金属有机化学气相沉积技术同时生长激光器的上波导层、电吸收调制器的上波导层和SSC区(如图8所示)；之后在激光器部分制备光栅，以及生长p-InP盖层和InGaAsP保护层以制备BH波导结构(或生长p-InP和p+-InGaAs接触层制备脊形波导结构)；根据需要，在DFB和电吸收调制器一侧制备相应的电极图形和完成低介电常数介质物的填充。最后在DFB一端镀高反膜，在SSC一端镀增透膜。
实施例五：探测器与SSC的集成：
其制备步骤雷同与特例三。
图1几乎是一般光电子器件与模斑转换器自对准集成器件一次外延的共用结构图。即在InP衬底(substrate)上依次生长n-InP缓冲层1、InGaAsP下波导层2、InP隔离层3、有源器件的有源区(无源器件的吸收区)4、InP保护层5。这里，下波导层2在一般光电子器件一侧是为了提供光学限制层，增加光电子器件芯层的光学限制因子，在SSC一侧则可以增加SSC区的厚度，同样也可以增加光学限制因子，避免光在经由SSC时辐射和散射损耗太大；InP隔离层3主要是为选择腐蚀提供停止层；4是该结构的核心层，根据与模斑转换器集成器件的不同选择不同的层结构，如果是SOA和DFB则生长二者的有源区，对于EA和探测器则生长吸收区；图2SOA(EA)+SSC一次光刻腐蚀后的结构图，其中数字所指与图1完全一致。图3是实现SOA(EA)+SSC自对准集成时的光刻版图，也是本发明的核心所在。由于在金属有机化学气相沉积技术生长材料时，化合物半导体在介质膜上不生长，同时不同介质膜掩膜宽度可以获得生长区域不同的生长厚度，而对于InGaAsP材料，还可以同时获得不同波长的材料。根据这一特点，我们设计了图3的掩膜图形，在SOA的有源区(或EA的吸收区部分)，SiO2最宽，在SSC区，SiO2渐变窄，且在光电子器件与SSC对接部位，两侧的SiO2宽度是连续变化的，这就保证了自对准过程中对接部位的应变、波长和厚度变化都是连续的，有效的保证了对接部位的质量。而在光电子器件一侧介质膜最宽，也就是说在选择生长过程中，这个区域的InGaAsP层最厚，在生长过程中，我们调整该区为无应变区，这样，该区的生长厚度对晶体质量的影响较小，同时适当的厚度又保证了足够大的光学限制因子，而随着介质膜厚度变薄，InGaAsP层的张应变渐增，同时，材料的厚度也变薄，这样一方面形成了厚度渐变薄的模斑转换器，同时又能保证生长各层的晶体质量，不至于由于晶体质量差而带来大的非辐射复合，增加传输损耗。图4中1，2，3，4所指同前面图1、图2完全一样，数字5是指SiO2介质膜，提供选择性生长。此图是用于半导体光学放大器、电吸收调制器等需要双端与光纤耦合的光电子器件。图5是该类器件与模斑转换器集成后的结构图，其中，1，2，3，4和5与图4所指相同，6是指对接外延后模斑转换器部分，是模斑转换器的核心层，属于厚度渐变薄的模斑转换器。7是指对接外延后光电子器件部分，在这里充当上限制层，增加光学限制因子，这样对接保证模斑转换器的芯层正好与光电子器件的芯层对接，起到自对准的作用。8是InP盖层，形成光电子器件的pn结。9是InGaAsP保护层。图6(a)各项数字所指与图5相同，所不同的是这里是单端光电子器件与模斑转换器集成，其中对接波导外延好后，在DFB部分波导上作了光栅。图6(b)各项数字所指与图五相同。图7中1，2，3所指与前面的完全相同，这里4是指SiO2，在选择外延中起掩膜作用，5是指电吸收调制器的吸收层，6是指分布反馈激光器的有源层，5和6时该光电子器件的核心层。图8中，1-6所指与图7中完全相同，这里，7是指对接外延后模斑转换器部分，是模斑转换器的核心层，属于厚度渐变薄的模斑转换器。8所指是对接外延后分布反馈激光器和电吸收调制器部分，这部分对接波导充当分布反馈激光器和电吸收调制器的上光学限制层，增加光学限制因子，同时也保证分布反馈激光器和电吸收调制器的核心层正好与模斑转换器的芯层相协接，起到自对准的作用。
该发明的优点在于：
a)实现了一般需要与单模光纤耦合的光电子器件与模斑转换器的集成，提高了光电子器件的耦合效率和耦合容差，有效的降低了光电子模块的成本。
b)将光电子器件的上波导区与SSC芯区同时生长的方式有利于实现光电子器件与SSC区的对接，可以有效地避免波导对接错位；
c)将光电子器件的上波导区置于选择生长区域，从而避免了光电子器件与SSC区对接部分的应变和厚度的突变，可以更好的控制对接部分的晶体质量，简单高效地实现光电子器件与SSC的对接。减少对接部分的光损耗。
d)SSC部分采用双波导结构，有效的增加了波导厚度，增加了光学限制因子，从而减少光损失，增加输出(或接收的光功率)。
Claims (5)
1、一种连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用金属有机气相化学沉积技术在铟磷衬底上依次生长铟磷缓冲层、铟镓砷磷下波导限制层、铟磷隔离层、半导体光电子器件的有源区结构和铟磷保护层；
2)采用普通的光刻腐蚀技术将模斑转换器部分刻蚀到铟磷隔离层；
3)采用等离子体气相沉积技术在整个芯片上生长二氧化硅介质膜；
4)采用普通的光刻腐蚀技术刻蚀出半导体光电子器件和模斑转换器需要生长的区域；
5)采用盐酸腐蚀掉半导体光电子器件的铟磷保护层和模斑转换器区的铟磷隔离层；
6)利用选择生长金属有机化学气相沉积技术依次生长铟镓砷磷层，P掺杂的铟磷盖层和铟镓砷磷保护层；
7)采用等离子体气相沉积技术生长二氧化硅150nm；
8)采用普通光刻腐蚀技术刻蚀出掩埋异质结条型结构；
9)采用金属有机气相化学沉积技术依次生长p型铟磷、n型铟磷、p型铟磷电流阻挡层；
10)采用氢氟酸腐蚀掉条上的二氧化硅，采用硫酸、水、双氧水的混合溶液腐蚀掉铟镓砷磷保护层；
11)利用金属有机气相化学沉积技术生长p型铟磷盖层和P+-铟镓砷接触层；
12)做电极；
13)解理，在器件的两个端面上镀光学介质膜。
2、根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤3中生长的介质膜是二氧化硅、氮化硅或是氮氧化硅。
3、根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤9中是p型铟磷结构，或在这些有源区电流阻挡层两侧进行离子注入，以减少漏电流。
4、根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤12制备电极过程中，模斑转换器一侧利用带胶剥离技术或刻蚀电极图形技术将模斑转换器一侧的电极去掉，在与其集成的其他光电子器件一侧根据光电子器件的需要来采用适当的电极图形和制备技术。
5、根据权利要求1所述的连续自对准半导体光电子器件与模斑转换器的集成方法，其特征在于，其步骤13中镀光学介质膜根据实际需要镀增透膜或高反膜。
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