專利名稱：高速電吸收調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種高速多量子阱電吸收調(diào)制器的制作工藝，主要措施有采用本征的的多量子阱吸收區(qū)和較厚的波導(dǎo)層，增加本征層的厚度，減小吸收區(qū)電容；通過預(yù)先刻蝕出的深坑里填埋盡可能厚的聚酰亞胺電介質(zhì)作為墊層，減少壓焊電極寄生電容；兩步曝光顯影技術(shù)自對準(zhǔn)金屬電極條，減小脊波導(dǎo)電極條寬，進(jìn)一步降低有源區(qū)pn結(jié)電容，從而獲得盡可能高的調(diào)制速率。該器件可用作高速光通信系統(tǒng)中的光調(diào)制器，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，特別適宜于與分部反饋半導(dǎo)體激光器的單片集成，同時(shí)還可用作高速光開光器件和波長轉(zhuǎn)換器件等。
背景技術(shù)：
近年來，電吸收調(diào)制器廣泛應(yīng)用于波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中，這是由于其具有低啁啾、低工作電壓、易于集成、小尺寸和低成本等許多優(yōu)點(diǎn)。調(diào)制速率為2.5Gbit/s的電吸收調(diào)制器已經(jīng)大量的商品化，為了獲得更高的調(diào)制速率，常常采用的技術(shù)方法有1、行波電極結(jié)構(gòu)(見Electronics Letters，Vol.37，No.5，2001，pp.299-300和Electronics Letters，Vol.35，No.12，1999，pp.993-994)，但是該方法要求很高的設(shè)計(jì)難度和制作成本，而且成品率較低。
2、采用傳統(tǒng)的集中參數(shù)的電極結(jié)構(gòu)，盡可能的減小壓焊電極寄生電容和吸收區(qū)的pn結(jié)電容，主要措施有用聚酰亞胺材料掩埋深脊波導(dǎo)臺條(見IEEE Photonics Technology Letters，Vol.14，No.12，2002，pp.1647-1649)，盡量縮短調(diào)制器吸收區(qū)的腔長(見IEEE Journal of Selected Topicsin Quant微米Electronics，Vol.3，No.2，1997，pp.336-343)等。這些措施中，聚酰亞胺往往大面積掩埋在脊波導(dǎo)條兩側(cè)，厚度一般較薄，難于進(jìn)一步降低壓焊電極區(qū)域的寄生電容，而且不利于散熱，影響器件的工作壽命，吸收區(qū)長度過于縮短，常常會導(dǎo)致消光效率較低，為了獲得一定的消光比，只得以提高工作電壓作為代價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高速電吸收調(diào)制器的制作方法，其是關(guān)于改進(jìn)的集中參數(shù)電極結(jié)構(gòu)的電吸收調(diào)制器的制作工藝，特別是關(guān)于降低電容，提高調(diào)制速率的方法和具體的工藝步驟。采用淺脊波導(dǎo)和深溝填埋聚酰亞胺涂膠的雙脊型結(jié)構(gòu)和離子注入減小壓焊電極下寄生電容電容，以及自對準(zhǔn)金屬電極條的方法減小電極條下吸收區(qū)的pn結(jié)電容，可以獲得高10Gbit/s以上的調(diào)制速率。
本發(fā)明一種高速率電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用銦鎵砷磷應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)作為調(diào)制器的吸收有源區(qū)；(2)采用干法刻蝕和濕法刻蝕相結(jié)合的三步工藝同時(shí)腐蝕出脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和壓焊電極溝；(3)通過區(qū)域選擇濕法腐蝕方法刻蝕壓焊電極深溝；(4)采用氦離注入壓焊電極深溝的技術(shù)來增加高電阻層厚度；(5)壓焊電極溝填埋厚層聚酰亞胺作為電極墊層；(6)通過兩步曝光、顯影技術(shù)和控制顯影時(shí)間的方法制作自對準(zhǔn)的脊波導(dǎo)電極條。
其中所說的多量子阱吸收區(qū)，其是采用低壓有機(jī)金屬化學(xué)汽相外延生長方法，材料為銦鎵砷磷四元半導(dǎo)體化合物，阱層厚8～15納米，波長為1.58微米，張應(yīng)變量為0.7％，壘層厚為4～8納米，波長為1.0～1.5微米，壓應(yīng)變量為0.5％，多量子阱共5～10個周期，其綜合光熒光譜峰值波長為1.48～1.52微米，上下波導(dǎo)層厚度為100～150納米，不攙雜。
其中所說的光刻脊波導(dǎo)三步光刻工藝，用氫氟酸腐蝕頂層二氧化硅，形成寬度可以精確控制和條寬均勻的的脊波導(dǎo)圖形；再用甲烷和氫氣混合氣體反應(yīng)離子干法刻蝕下面的銦鎵砷電接觸層；接著，用鹽酸系列腐蝕劑組分選擇刻蝕磷化銦光限制層，自動到上波導(dǎo)層停止，脊波導(dǎo)條寬為1.5～3微米，深度為1.5～2.5微米。
其中所說的光刻壓焊電極深溝技術(shù)，用光刻膠掩膜保護(hù)脊波導(dǎo)和兩側(cè)的溝槽，除了壓焊電極溝里，其它區(qū)域又被頂層二氧化硅保護(hù)，因此只有壓焊電極溝里被氫溴酸系列腐蝕劑刻蝕厚度為1～3微米深的有源層，總深度達(dá)到4～6微米。
其中所說的氦離子注入壓焊電極深溝的技術(shù)，采用多種能量和劑度的氦離子組合注入，使其注入離子分布較均勻，注入深度達(dá)到1～2微米。
其中所說的填埋聚酰亞胺壓焊電極墊層的技術(shù)，聚酰亞胺涂膠自動填埋進(jìn)預(yù)先腐蝕而成的深溝里，可以獲得4～6微米厚的聚酰亞胺介電層，同時(shí)在通氮?dú)獾母邷貭t中固化，固化條件經(jīng)過優(yōu)化選取，防止固化后的聚酰亞胺產(chǎn)生裂痕，并去掉其中的水分。
其中所說的兩步曝光顯影帶膠剝離電極圖形的技術(shù)，首先曝光顯影出壓焊電極圖形窗口，并且保證與脊波導(dǎo)條之間的引線相通，第二次曝光顯影脊波導(dǎo)條電極窗口，掩膜版中對應(yīng)的條寬為8微米～15微米，易于套刻在脊波導(dǎo)上，顯影時(shí)，控制顯影時(shí)間，去掉脊波導(dǎo)上的膠膜，同時(shí)保留兩側(cè)的膠膜，帶膠剝離時(shí)濺射的鈦/鉑/金剛好粘附在脊波導(dǎo)條頂上，這樣可以減小電極條寬，降低結(jié)電容，提高調(diào)制速率。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)例對本發(fā)明作詳細(xì)的描述，其中圖1是外延后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是光刻脊形波導(dǎo)后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是光刻深溝和氦離子注入后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是聚酰亞胺填埋后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是光刻腐蝕出電極窗口后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是光刻出p面電極壓焊區(qū)窗口后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是光刻出脊波導(dǎo)條上的電極窗口后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8A是本發(fā)明電吸收調(diào)制器外觀示意圖；
圖8B是本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明專利器件的具體制作過程如下所述(1)、在清洗干凈的n型磷化銦(n-InP)襯底1上外延生長n型磷化銦緩沖層2、下波導(dǎo)層3、多量子阱(MQWs)吸收層4、上波導(dǎo)層5、光限制層6和電接觸層7，各層的生長次序見圖1中所示。吸收層4為本征的銦鎵砷磷(InGaAsP)多量子阱結(jié)構(gòu)，阱層厚8～15納米，波長為1.58微米，壘層厚為4～8納米，波長為1.0～1.5微米，共5～10個周期，該多量子阱的光熒光譜(PL譜)峰值波長為1.50微米。緩沖層和光限制層均為磷化銦材料，厚度為1～3微米，攙雜濃度為1×1017～1×1018cm-3。上波導(dǎo)層5和下波導(dǎo)層3均為銦鎵砷磷材料，0.05～0.15微米厚，不攙雜。接觸層為銦鎵砷(InGaAs)材料，厚度0.1～0.5微米，p型攙雜，攙雜濃度為1×1018～1×1020cm-3。
(2)在外延片表面熱氧化淀積一層厚度為0.1～0.5微米的二氧化硅層(SiO2)8，然后，掩膜光刻出如圖2所示的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中11為脊形光波導(dǎo)條，10為構(gòu)成脊波導(dǎo)所需的溝槽，9為以后填埋聚酰亞胺所用的坑洞。脊形光波導(dǎo)條11的寬度為1.5～3微米，脊波導(dǎo)所需的溝槽10的寬度為2～5微米，坑洞9的面積為100×100微米2。本發(fā)明采用干法刻蝕和濕法腐蝕相結(jié)合的方法，先用氫氟酸(HF)腐蝕掉坑洞9和脊波導(dǎo)所需的溝槽10里的頂層二氧化硅層8，再用反應(yīng)離子干法刻蝕法(RIE Etch)去掉下面的銦鎵砷(InGaAs)電接觸層7，然后利用鹽酸系列腐蝕劑(HCl∶H2O＝4∶1)的選擇腐蝕特性，腐掉下面的磷化銦光限制層6，直到上波導(dǎo)層5停止。對比傳統(tǒng)的全濕法和全干法刻蝕脊波導(dǎo)的方法，本發(fā)明所用的方法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)可以保證脊波導(dǎo)條形寬度具有很好的均勻性，同時(shí)，可利用腐蝕時(shí)間的長短來控制脊形光波導(dǎo)條11頂層SiO2的寬度，從而控制整個脊形光波導(dǎo)條11的寬度。
(3)甩膠(厚約5微米)，曝光、顯影成圖3的圖形，脊形光波導(dǎo)條11上和波導(dǎo)溝槽10里光刻膠12保留，防止脊波導(dǎo)被注入導(dǎo)致p面電極不通。然后，用氫溴(HBr)系列酸腐蝕劑腐蝕掉壓焊區(qū)坑洞9里厚約3微米的頂層，穿透上波導(dǎo)層5、多量子阱吸收層4、下波導(dǎo)層3和緩沖層2。接著，用氦離子垂直轟擊外延片的表面，其目的是為了使壓焊電極坑洞9底部表層約1～3微米深度區(qū)變成高電阻層，可以增加電極的電隔離度，同時(shí)降低壓焊區(qū)電容，提高調(diào)制器的調(diào)制速率；(4)將氦離子轟擊后的芯片表面的掩蔽光刻膠12去掉，再用氫氟酸腐蝕掉頂層二氧化硅層(SiO2)13，然后，重新生長0.1～0.5微米厚的SiO2作為電極隔離層。
(5)將聚酰亞胺(Polyimide)涂甩在外延片表面，用勻膠機(jī)甩勻，連續(xù)兩次，以便粘附在深坑洞9里的膠膜盡可能厚，然后曝光、顯影去掉壓焊電極區(qū)坑洞9以外區(qū)域的聚酰亞胺，形成厚約2～6微米厚的聚酰亞胺電極電層14。繼而，在通有氮?dú)獾母邷貭t中烘烤，使聚酰亞胺固化，所得結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。
(6)曝光、顯影、腐蝕(用HF)去掉脊形光波導(dǎo)條11頂上的二氧化硅(SiO2)，開出電極窗口15，如圖5所示。
(7)光刻高頻電極圖形窗口。將芯片清洗干凈后，甩厚膠16，曝光、顯影去掉電極壓焊區(qū)以及和脊波導(dǎo)電極條之間的連線區(qū)的掩膜膠，形成壓焊電極窗口17，如圖6所示。接著，用條寬為10微米的掩膜版套刻脊波導(dǎo)電極，將調(diào)制器脊波導(dǎo)條套刻在掩膜版條的中間，曝光、顯影掉脊形光波導(dǎo)條11頂上的掩膜膠，通過控制顯影時(shí)間，保留脊波導(dǎo)條兩側(cè)溝槽10里的掩膜膠18，如圖7所示。
(8)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0.1～0.5微米厚，然后帶膠剝離出p面電極結(jié)構(gòu)，如圖8中的19和20。由于脊波導(dǎo)條兩側(cè)的溝槽10里保留有較厚的掩膜膠，經(jīng)過丙酮去膠后，溝槽里的鈦/鉑/金層也會隨著膠膜一起去掉，這樣電極剛好粘附在很窄的脊波導(dǎo)條上，形成自對準(zhǔn)的電極條20。最后，打磨芯片背面，使芯片減薄到厚度為100微米左右，并在背面蒸發(fā)金/鍺/鎳(Au/Ge/Ni)作為n面電極21。
(9)將外延片解理成尺寸為150×250微米2的單個調(diào)制器管芯，制作完成。
權(quán)利要求
1.一種高速率電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用銦鎵砷磷應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)作為調(diào)制器的吸收有源區(qū)；(2)采用干法刻蝕和濕法刻蝕相結(jié)合的三步工藝同時(shí)腐蝕出脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和壓焊電極溝；(3)通過區(qū)域選擇濕法腐蝕方法刻蝕壓焊電極深溝；(4)采用氦離注入壓焊電極深溝的技術(shù)來增加高電阻層厚度；(5)壓焊電極溝填埋厚層聚酰亞胺作為電極墊層；(6)通過兩步曝光、顯影技術(shù)和控制顯影時(shí)間的方法制作自對準(zhǔn)的脊波導(dǎo)電極條。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于，其中所說的多量子阱吸收區(qū)，其是采用低壓有機(jī)金屬化學(xué)汽相外延生長方法，材料為銦鎵砷磷四元半導(dǎo)體化合物，阱層厚8～15納米，波長為1.58微米，張應(yīng)變量為0.7％，壘層厚為4～8納米，波長為1.0～1.5微米，壓應(yīng)變量為0.5％，多量子阱共5～10個周期，其綜合光熒光譜峰值波長為1.48～1.52微米，上下波導(dǎo)層厚度為100～150納米，不攙雜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于，其中所說的光刻脊波導(dǎo)三步光刻工藝，用氫氟酸腐蝕頂層二氧化硅，形成寬度可以精確控制和條寬均勻的的脊波導(dǎo)圖形；再用甲烷和氫氣混合氣體反應(yīng)離子干法刻蝕下面的銦鎵砷電接觸層；接著，用鹽酸系列腐蝕劑組分選擇刻蝕磷化銦光限制層，自動到上波導(dǎo)層停止，脊波導(dǎo)條寬為1.5～3微米，深度為1.5～2.5微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于，其中所說的光刻壓焊電極深溝技術(shù)，用光刻膠掩膜保護(hù)脊波導(dǎo)和兩側(cè)的溝槽，除了壓焊電極溝里，其它區(qū)域又被頂層二氧化硅保護(hù)，因此只有壓焊電極溝里被氫溴酸系列腐蝕劑刻蝕厚度為1～3微米深的有源層，總深度達(dá)到4～6微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于，其中所說的氦離子注入壓焊電極深溝的技術(shù)，采用多種能量和劑度的氦離子組合注入，使其注入離子分布較均勻，注入深度達(dá)到1～2微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于，其中所說的填埋聚酰亞胺壓焊電極墊層的技術(shù)，聚酰亞胺涂膠自動填埋進(jìn)預(yù)先腐蝕而成的深溝里，可以獲得4～6微米厚的聚酰亞胺介電層，同時(shí)在通氮?dú)獾母邷貭t中固化，固化條件經(jīng)過優(yōu)化選取，防止固化后的聚酰亞胺產(chǎn)生裂痕，并去掉其中的水分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于，其中所說的兩步曝光顯影帶膠剝離電極圖形的技術(shù)，首先曝光顯影出壓焊電極圖形窗口，并且保證與脊波導(dǎo)條之間的引線相通，第二次曝光顯影脊波導(dǎo)條電極窗口，掩膜版中對應(yīng)的條寬為8微米～15微米，易于套刻在脊波導(dǎo)上，顯影時(shí)，控制顯影時(shí)間，去掉脊波導(dǎo)上的膠膜，同時(shí)保留兩側(cè)的膠膜，帶膠剝離時(shí)濺射的鈦/鉑/金剛好粘附在脊波導(dǎo)條頂上，這樣可以減小電極條寬，降低結(jié)電容，提高調(diào)制速率。
全文摘要
一種高速率電吸收調(diào)制器的制作方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用銦鎵砷磷應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)作為調(diào)制器的吸收有源區(qū)；(2)采用干法刻蝕和濕法刻蝕相結(jié)合的三步工藝同時(shí)腐蝕出脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和壓焊電極溝；(3)通過區(qū)域選擇濕法腐蝕方法刻蝕壓焊電極深溝；(4)采用氦離注入壓焊電極深溝的技術(shù)來增加高電阻層厚度；(5)壓焊電極溝填埋厚層聚酰亞胺作為電極墊層；(6)通過兩步曝光、顯影技術(shù)和控制顯影時(shí)間的方法制作自對準(zhǔn)的脊波導(dǎo)電極條。
文檔編號H01S5/00GK1536722SQ0310921
公開日2004年10月13日 申請日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者胡小華, 王寶軍, 王圩, 朱洪亮 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所