專利名稱：連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體光學(xué)放大器、半導(dǎo)體激光器、調(diào)制器、探測(cè)器和超輻射發(fā)光管等需要與單模光纖耦合的所有器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成。
本發(fā)明一種連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成方法，其特征在于，包括如下步驟1)利用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)在銦磷襯底上依次生長(zhǎng)銦磷緩沖層、銦鎵砷磷下波導(dǎo)限制層、銦磷隔離層、有源區(qū)結(jié)構(gòu)、薄層銦鎵砷磷上限制層和銦磷保護(hù)層；2)采用普通的光刻腐蝕技術(shù)將模斑轉(zhuǎn)換器部分刻蝕到銦磷下隔離層；3)采用等離子體氣相沉積技術(shù)在整個(gè)芯片上生長(zhǎng)二氧化硅介質(zhì)膜；4)采用普通的光刻腐蝕技術(shù)刻蝕出有源區(qū)和模斑轉(zhuǎn)換器需要生長(zhǎng)的區(qū)域；5)采用鹽酸腐蝕掉有源區(qū)的銦磷保護(hù)層和模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的銦磷隔離層；6)利用選擇生長(zhǎng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)依次生長(zhǎng)銦鎵砷磷層，P摻雜的銦磷蓋層和銦鎵砷磷保護(hù)層；7)采用等離子體氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)二氧化硅150nm；8)采用普通光刻腐蝕技術(shù)刻蝕出掩埋異質(zhì)結(jié)條型結(jié)構(gòu)；9)采用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)依次生長(zhǎng)p型銦磷、n型銦磷、p型銦磷電流阻擋層；10)采用氫氟酸腐蝕掉條上的SiO2，采用硫酸∶水∶雙氧水的混合溶液腐蝕掉銦鎵砷磷保護(hù)層；11)利用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)生長(zhǎng)p型銦磷蓋層和P+-銦鎵砷接觸層；12)作電極；13)解理，在器件的兩個(gè)端面上鍍光學(xué)介質(zhì)膜。
其步驟3中生長(zhǎng)的介質(zhì)膜可以是二氧化硅、氮化硅(SiN)也可以是氮氧化硅(SiNO)。
其步驟7中生長(zhǎng)的介質(zhì)膜可以是二氧化硅、氮化硅也可以是氮氧化硅。
其步驟9中，可以是p型銦磷結(jié)構(gòu)，也可以在這些有源區(qū)電流阻擋層兩側(cè)進(jìn)行離子注入，以減少漏電流。
其步驟10中電極制備在模斑轉(zhuǎn)換器一側(cè)可以利用帶膠剝離技術(shù)或刻蝕電極圖形技術(shù)將模斑轉(zhuǎn)換器一側(cè)的電極去掉，在與其集成的其他光電子器件一側(cè)可以根據(jù)光電子器件的需要來(lái)采用適當(dāng)?shù)碾姌O圖形和制備技術(shù)。
其步驟11中鍍光學(xué)介質(zhì)膜根據(jù)實(shí)際需要鍍?cè)鐾改?，高反膜等?br> 11)采用金屬有機(jī)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)p-InP蓋層和P+-InGaAs(銦鎵砷)接觸層；12)做電極13)在器件兩端鍍?cè)鐾改ぃ蛊淠Ｊ椒瓷渎蔬_(dá)到10-4以下。
這樣形成SOA與SSC的集成器件。實(shí)施例二電吸收調(diào)制器與SSC集成該種器件在電吸收調(diào)制器與SSC集成部分與特例一完全相同，只是在后面的工藝中根據(jù)電吸收調(diào)制器的特點(diǎn)需要采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及電極的制作需要填充低介電常數(shù)的介質(zhì)物和采用圖形電極。實(shí)施例三分布反饋激光器(DFB)與SSC的集成這種器件在DFB與SSC集成部分與特例一幾乎一樣，只是由于DFB是發(fā)光器件，因此只需單端與SSC集成。在完成選擇生長(zhǎng)SSC部分后，須采用如下的制備步驟1)將頂層InGaAsP、InP依次采用選擇性腐蝕液腐蝕掉；2)在DFB部分作光柵，如圖6(a)所示；3)在光柵和SSC上全面生長(zhǎng)p-InP蓋層和InGaAsP保護(hù)層，如圖6(b)所示；4)之后同特例一制備BH條型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
5)根據(jù)高頻特性需要在DFB一側(cè)做圖形電極；6)在DFB一端鍍高反膜，在SSC一端鍍?cè)鐾改?。?shí)施例四電吸收調(diào)制DFB激光器(EML)與SSC集成這種集成器件的制備雷同于實(shí)施例三，只是在生長(zhǎng)激光器有源區(qū)同時(shí)生長(zhǎng)電吸收調(diào)制器的吸收層，然后在電吸收調(diào)制器一端選擇腐蝕出SSC區(qū)(如圖7所示)，采用選擇生長(zhǎng)的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)同時(shí)生長(zhǎng)激光器的上波導(dǎo)層、電吸收調(diào)制器的上波導(dǎo)層和SSC區(qū)(如圖8所示)；之后在激光器部分制備光柵，以及生長(zhǎng)p-InP蓋層和InGaAsP保護(hù)層以制備BH波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(或生長(zhǎng)p-InP和p+-InGaAs接觸層制備脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu))；根據(jù)需要，在DFB和電吸收調(diào)制器一側(cè)制備相應(yīng)的電極圖形和完成低介電常數(shù)介質(zhì)物的填充。最后在DFB一端鍍高反膜，在SSC一端鍍?cè)鐾改?。?shí)施例五探測(cè)器與SSC的集成其制備步驟雷同與特例三。


圖1幾乎是一般光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器自對(duì)準(zhǔn)集成器件一次外延的共用結(jié)構(gòu)圖。即在InP襯底(substrate)上依次生長(zhǎng)n-InP緩沖層1、InGaAsP下波導(dǎo)層2、InP隔離層3、有源器件的有源區(qū)(無(wú)源器件的吸收區(qū))4、InP隔離層3和InGaAsP保護(hù)層。這里，下波導(dǎo)層2在一般光電子器件一側(cè)是為了提供光學(xué)限制層，增加光電子器件芯層的光學(xué)限制因子，在SSC一側(cè)則可以增加SSC區(qū)的厚度，同樣也可以增加光學(xué)限制因子，避免光在經(jīng)由SSC時(shí)輻射和散射損耗太大；InP隔離層3主要是為選擇腐蝕提供停止層；4是該結(jié)構(gòu)的核心層，根據(jù)與模斑轉(zhuǎn)換器集成器件的不同選擇不同的層結(jié)構(gòu)，如果是SOA和DFB則生長(zhǎng)二者的有源區(qū)，對(duì)于EA和探測(cè)器則生長(zhǎng)吸收區(qū)；圖2SOA(EA)+SSC一次光刻腐蝕后的結(jié)構(gòu)圖，其中數(shù)字所指與圖1完全一致。圖3是實(shí)現(xiàn)SOA(EA)+SSC自對(duì)準(zhǔn)集成時(shí)的光刻版圖，也是本發(fā)明的核心所在。由于在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)材料時(shí)，化合物半導(dǎo)體在介質(zhì)膜上不生長(zhǎng)，同時(shí)不同介質(zhì)膜掩膜寬度可以獲得生長(zhǎng)區(qū)域不同的生長(zhǎng)厚度，而對(duì)于InGaAsP材料，還可以同時(shí)獲得不同波長(zhǎng)的材料。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖3的掩膜圖形，在SOA的有源區(qū)(或EA的吸收區(qū)部分)，SiO2最寬，在SSC區(qū)，SiO2漸變窄，且在光電子器件與SSC對(duì)接部位，兩側(cè)的SiO2寬度是連續(xù)變化的，這就保證了自對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中對(duì)接部位的應(yīng)變、波長(zhǎng)和厚度變化都是連續(xù)的，有效的保證了對(duì)接部位的質(zhì)量。而在光電子器件一側(cè)介質(zhì)膜最寬，也就是說(shuō)在選擇生長(zhǎng)過(guò)程中，這個(gè)區(qū)域的InGaAsP層最厚，在生長(zhǎng)過(guò)程中，我們調(diào)整該區(qū)為無(wú)應(yīng)變區(qū)，這樣，該區(qū)的生長(zhǎng)厚度對(duì)晶體質(zhì)量的影響較小，同時(shí)適當(dāng)?shù)暮穸扔直ＷC了足夠大的光學(xué)限制因子，而隨著介質(zhì)膜厚度變薄，InGaAsP層的張應(yīng)變漸增，同時(shí)，材料的厚度也變薄，這樣一方面形成了厚度漸變薄的模斑轉(zhuǎn)換器，同時(shí)又能保證生長(zhǎng)各層的晶體質(zhì)量，不至于由于晶體質(zhì)量差而帶來(lái)大的非輻射復(fù)合，增加傳輸損耗。圖4中1，2，3，4所指同前面圖1、圖2完全一樣，數(shù)字5是指SiO2介質(zhì)膜，提供選擇性生長(zhǎng)。此圖是用于半導(dǎo)體光學(xué)放大器、電吸收調(diào)制器等需要雙端與光纖耦合的光電子器件。圖5是該類器件與模斑轉(zhuǎn)換器集成后的結(jié)構(gòu)圖，其中，1，2，3，4和5與圖4所指相同，6是指對(duì)接外延后模斑轉(zhuǎn)換器部分，是模斑轉(zhuǎn)換器的核心層，屬于厚度漸變薄的模斑轉(zhuǎn)換器。7是指對(duì)接外延后光電子器件部分，在這里充當(dāng)上限制層，增加光學(xué)限制因子，這樣對(duì)接保證模斑轉(zhuǎn)換器的芯層正好與光電子器件的芯層對(duì)接，起到自對(duì)準(zhǔn)的作用。8是InP蓋層，形成光電子器件的pn結(jié)。9是InGaAsP保護(hù)層。圖6(a)各項(xiàng)數(shù)字所指與圖5相同，所不同的是這里是單端光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器集成，其中對(duì)接波導(dǎo)外延好后，在DFB部分波導(dǎo)上作了光柵。圖6(b)各項(xiàng)數(shù)字所指與圖五相同。圖7中1，2，3所指與前面的完全相同，這里4是指SiO2，在選擇外延中起掩膜作用，5是指電吸收調(diào)制器的吸收層，6是指分布反饋激光器的有源層，5和6時(shí)該光電子器件的核心層。圖8中，1-6所指與圖7中完全相同，這里，7是指對(duì)接外延后模斑轉(zhuǎn)換器部分，是模斑轉(zhuǎn)換器的核心層，屬于厚度漸變薄的模斑轉(zhuǎn)換器。8所指是對(duì)接外延后分布反饋激光器和電吸收調(diào)制器部分，這部分對(duì)接波導(dǎo)充當(dāng)分布反饋激光器和電吸收調(diào)制器的上光學(xué)限制層，增加光學(xué)限制因子，同時(shí)也保證分布反饋激光器和電吸收調(diào)制器的核心層正好與模斑轉(zhuǎn)換器的芯層相協(xié)接，起到自對(duì)準(zhǔn)的作用。
該發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于a)實(shí)現(xiàn)了一般需要與單模光纖耦合的光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成，提高了光電子器件的耦合效率和耦合容差，有效的降低了光電子模塊的成本。
b)將光電子器件的上波導(dǎo)區(qū)與SSC芯區(qū)同時(shí)生長(zhǎng)的方式有利于實(shí)現(xiàn)光電子器件與SSC區(qū)的對(duì)接，可以有效地避免波導(dǎo)對(duì)接錯(cuò)位；c)將光電子器件的上波導(dǎo)區(qū)置于選擇生長(zhǎng)區(qū)域，從而避免了光電子器件與SSC區(qū)對(duì)接部分的應(yīng)變和厚度的突變，可以更好的控制對(duì)接部分的晶體質(zhì)量，簡(jiǎn)單高效地實(shí)現(xiàn)光電子器件與SSC的對(duì)接。減少對(duì)接部分的光損耗。
d)SSC部分采用雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，有效的增加了波導(dǎo)厚度，增加了光學(xué)限制因子，從而減少光損失，增加輸出(或接收的光功率)。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成方法，其特征在于，包括如下步驟1)利用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)在銦磷襯底上依次生長(zhǎng)銦磷緩沖層、銦鎵砷磷下波導(dǎo)限制層、銦磷隔離層、有源區(qū)結(jié)構(gòu)、薄層銦鎵砷磷上限制層和銦磷保護(hù)層；2)采用普通的光刻腐蝕技術(shù)將模斑轉(zhuǎn)換器部分刻蝕到銦磷下隔離層；3)采用等離子體氣相沉積技術(shù)在整個(gè)芯片上生長(zhǎng)二氧化硅介質(zhì)膜；4)采用普通的光刻腐蝕技術(shù)刻蝕出有源區(qū)和模斑轉(zhuǎn)換器需要生長(zhǎng)的區(qū)域；5)采用鹽酸腐蝕掉有源區(qū)的銦磷保護(hù)層和模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)的銦磷隔離層；6)利用選擇生長(zhǎng)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)依次生長(zhǎng)銦鎵砷磷層，P摻雜的銦磷蓋層和銦鎵砷磷保護(hù)層；7)采用等離子體氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)二氧化硅150nm；8)采用普通光刻腐蝕技術(shù)刻蝕出掩埋異質(zhì)結(jié)條型結(jié)構(gòu)；9)采用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)依次生長(zhǎng)p型銦磷、n型銦磷、p型銦磷電流阻擋層；10)采用氫氟酸腐蝕掉條上的二氧化硅，采用硫酸∶水∶雙氧水的混合溶液腐蝕掉銦鎵砷磷保護(hù)層；11)利用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)生長(zhǎng)p型銦磷蓋層和P+-銦鎵砷接觸層；12)作電極；13)解理，在器件的兩個(gè)端面上鍍光學(xué)介質(zhì)膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成方法，其特征在于，其步驟3中生長(zhǎng)的介質(zhì)膜可以是二氧化硅、氮化硅也可以是氮氧化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成方法，其特征在于，其步驟7中生長(zhǎng)的介質(zhì)膜可以是二氧化硅、氮化硅也可以是氮氧化硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成方法，其特征在于，其步驟9中，可以是p型銦磷結(jié)構(gòu)，也可以在這些有源區(qū)電流阻擋層兩側(cè)進(jìn)行離子注入，以減少漏電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成方法，其特征在于，其步驟10中電極制備在模斑轉(zhuǎn)換器一側(cè)可以利用帶膠剝離技術(shù)或刻蝕電極圖形技術(shù)將模斑轉(zhuǎn)換器一側(cè)的電極去掉，在與其集成的其他光電子器件一側(cè)可以根據(jù)光電子器件的需要來(lái)采用適當(dāng)?shù)碾姌O圖形和制備技術(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成方法，其特征在于，其步驟11中鍍光學(xué)介質(zhì)膜根據(jù)實(shí)際需要鍍?cè)鐾改ぃ叻茨さ取?br> 全文摘要
一種連續(xù)自對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體光電子器件與模斑轉(zhuǎn)換器的集成方法，包括如下步驟利用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)在銦磷襯底上生長(zhǎng)銦磷緩沖層、銦鎵砷磷下波導(dǎo)限制層、銦磷隔離層、有源區(qū)結(jié)構(gòu)、薄層銦鎵砷磷上限制層和銦磷保護(hù)層；光刻腐蝕出模斑轉(zhuǎn)換器部分；采用等離子體氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)二氧化硅；光刻腐蝕出有源區(qū)和模斑轉(zhuǎn)換器區(qū)域；利用選擇金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)依次生長(zhǎng)銦鎵砷磷層，P摻雜的銦磷蓋層和銦鎵砷磷保護(hù)層；生長(zhǎng)二氧化硅；光刻出掩埋異質(zhì)結(jié)條型結(jié)構(gòu)；采用金屬有機(jī)氣相化學(xué)沉積技術(shù)生長(zhǎng)p－n－p型銦磷電流阻擋層；腐蝕掉二氧化硅和銦鎵砷磷層；生長(zhǎng)p型銦磷蓋層和P
文檔編號(hào)G02B6/00GK1437289SQ0210349
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2002年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月6日
發(fā)明者張瑞英, 王圩, 董杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所