專利名稱：水汽探測用激光芯片的制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體激光檢測器技術領域，具體為在量子阱結構中采用大導帶能量差的InGaAlAs材料做壘，結合常規的濕法腐蝕和光刻工藝的一種水汽探測用激光芯片的制造方法。
背景技術：
我國幅員廣闊，氣象現象比較復雜，自然災害(如凍雨雪、夏季的大暴雨)時有發生，一旦發生將使國家損失慘重，氣象預報的重要性不言而喻。水汽是大氣探測的四大要素之一，如果能對其進行實時準確的探測，對天氣預報的準確性具有重要意義。目前，國內外主要采用電濕度計測量大氣濕度，如芬蘭Vaisala公司的Humicap型濕度計。電濕度計，包括濕敏電阻和濕敏電容等，雖然響應速度快、受環境溫度影響小，線性度好；但對濕度測量有很大的滯后效應，在高溫高濕環境下退濕困難的問題尤其嚴重，甚至會導致觀測數據錯誤。而且壽命短(3-6個月)。另外，像稱重法等高精度的濕度計，雖然測量范圍寬，但反應慢，操作繁瑣，需要人工操作，也不能適應苛刻的環境條件，無法在線實時監測。由此可見， 傳統的氣象傳感器存在許多問題。近年來可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAQ技術在氣體分析中逐漸成熟起來，其單線光譜分析技術具有許多獨特的優點，如高光譜分辨率、高靈敏度、高選擇性、快速實時等。TDLAS技術中最主要的部件就是作為光源的可調諧分布反饋半導體(DFB)激光器。DFB 激光器可以保證系統以某一精確的波長為目標，避免背景氣體的交叉干擾，并且其波長可以被溫度和電流調諧，是一個非常可靠的組件。水汽的吸收譜線主要分布在1. 8-1. 9微米的近紅外波段，水汽探測用DFB激光芯片的激射波長對應于水汽的吸收峰。DFB激光器隨著波長的增加，由俄歇復合、帶間吸收等導致的光損耗也增加，這導致激光器性能下降。當高溫工作時，激光器性能下降更快，即激光器的特征溫度較低，因此提高長波長激光器的特征溫度成為制備高性能器件的關鍵。若給激光器量子阱中的電子以更強的束縛能力，更大的限制載流子從量子阱中的泄露，可顯著減小激光器的溫度依賴性，即提高器件的特征溫度。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種水汽探測用激光芯片的制造方法。本發明采用導帶能量差較大的^GaAlAs材料做壘，對電子具有更強的限制能力，減小漏電流，提高了器件的特征溫度。同時，上下波導層采用與InP襯底晶格匹配的InGaAsP材料，避免在完成光柵工藝之后的二次生長中出現Al氧化問題。本發明提供一種水汽探測用激光芯片的制造方法，包括如下步驟步驟1 在η型InP襯底上依次外延生長InP緩沖層、下波導層、多量子阱結構、上波導層和ρ-η反型層；步驟2 采用全息曝光法在ρ-η反型層和上波導層上制作復耦合光柵；
步驟3 在復耦合型光柵上二次外延生長出第一 P-InP蓋層、刻蝕停止層、第二 P-InP蓋層和p-hGaAs接觸層；步驟4 在第二 p-InP蓋層和p-InGaAs接觸層上腐蝕出脊型波導結構，并大面積
淀積二氧化硅層；步驟5 刻蝕掉中間的脊型波導結構上面的二氧化硅層，形成窗口 ；步驟6 在脊型波導結構和窗口的表面濺射出P面電極并蒸發出N面電極。其中所述多量子阱結構中壓應變的量子阱材料為InGaAs，應變量為2.0_2.4%， 壘材料為與η型InP襯底晶格匹配，帶隙波長為1. 23 μ m的InGaAlAs。其中壘材料InGaAlAs與阱材料InGaAs的導帶能量差比InGaAsP與阱材料InGaAs 的導帶能量差大。其中所述下波導層以及上波導層所采用的材料為帶隙波長為1.3μπι的hGaAsP。
為了進一步說明本發明的技術內容，以下結合說明書附圖對本發明作詳細的描述，其中圖1為在n-InP襯底上一次外延后的端面結構示意圖；圖2為制備光柵后的側面結構示意圖；圖3為二次外延后的端面結構示意圖；圖4為制備脊型波導結構并在其上大面積淀積二氧化硅層后的端面結構示意圖；圖5為刻制出脊型波導窗口后的端面結構示意圖；圖6為濺射P面電極和蒸發N面電極后的端面結構示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1至圖6，本發明水汽探測用激光芯片的制造方法，具體的實施步驟如下步驟1 采用低壓金屬有機物化學氣相沉積法(LP-MOCVD)，在n_InP襯底1的 (001)面上同一次外延中依次生長InP緩沖層2、下波導層3、多量子阱結構4、上波導層5 和p-n反型層6 ；其中，低壓金屬有機金屬有機物化學氣相外延生長所采用的生長溫度為655°C，生長壓力為22毫巴，該方法成本低，適于大規模生產；其中，所述hP緩沖層2的厚度為1 μ m，摻雜濃度為IX 1018/cm3 ；其中，所述多量子阱結構4中壓應變的量子阱材料為InGaAs，應變量為 2. 0-2. 4%，厚度為8-lOnm。所述多量子阱結構4中壘材料為與η型hP襯底1晶格匹配， 帶隙波長為1. 23 μ m的InGaAlAs,厚度為18_20nm ；其中，所述多量子阱結構4中壘材料InGaAlAs與阱材料InGaAs的導帶能量差 (Δ Ec/ Δ E產 0. 7/0. 3)比 InGaAsP 與阱材料 InGaAs 的導帶能量差(Δ Ec/ Δ Ev ^ 0. 4/0. 6) 大，因此對^iGaAs量子阱中的電子具有更大的限制作用，限制載流子從量子阱中的泄露， 從而提高器件的溫度穩定性。InGaAlAs作為壘材料對長波長激光芯片(激射波長大于1.8 微米)的特征溫度具有很大的改善，由此可以有效的增長激光芯片的使用壽命；
其中，其中所述下波導層3以及上波導層5所采用的材料為與hP襯底1晶格匹配，帶隙波長為1. 3 μ m的InGaAsP,厚度都是100-120nm。使用此材料可以避免在完成復耦合光柵7之后的二次外延生長中出現Al氧化問題；其中，所述p-n反型層6依次包括在所述上波導層5上外延生長的12nm的p-InP 層、9nm的n-InP層以及9nm的帶隙波長為1. 3 μ m的InGaAsP材料；步驟2 依次采用全息曝光方法以及RIE (Reactive Ion Kching，反應離子刻蝕) 干法刻蝕與濕法腐蝕相結合的方法在所述P-n反型層6與所述上波導層5上制作出深度為 70nm左右的復耦合型光柵7;步驟3 外延片經過嚴格清洗處理后，進行二次外延生長，在復耦合型光柵7上依次生長出厚度為IOOnm摻雜濃度為lX1018/cm3的第一 p-InP蓋層8、厚度為20nm的 1.2Q(與hP晶格匹配，帶隙波長為1.2μπι的InGaAsP)刻蝕停止層9、厚度為1.8μπι摻雜濃度為IX IOnVcm3的第二 p-InP蓋層8，和厚度為200nm且摻雜濃度為8X 1018/cm3的 P-InGaAs 接觸層 10 ；步驟4 沿著倒臺方向，光刻出3微米寬的光刻膠圖形作為腐蝕掩膜，然后依次用溴基非選擇性腐蝕液腐蝕6-8秒鐘頂層的hGaAs接觸層10、用9 1的稀鹽酸腐蝕3分鐘第二 p-InP蓋層8’，腐蝕操作停止在所述刻蝕停止層9上，制備寬3 μ m，高1. 8 μ m的脊型波導結構。然后去膠，清洗外延片，利用熱氧化法在脊型波導結構上大面積淀積二氧化硅層 11，生長溫度為350°C，生長厚度為400nm;步驟5 涂光刻膠，利用自對準曝光顯影工藝去除中間的脊型波導結構頂層的膠， 然后用HF酸腐蝕掉中間的脊型波導結構上面的二氧化硅層11，形成窗口 12 ；步驟6 外延片去膠清洗后在正面濺射出P面TiPtAu (鈦/鉬/金)電極13，厚度約為500nm。芯片減薄到100 μ m左右后，并在背面蒸發出N面AuGeNi (金/鍺/鎳)電極 14；解理出單個水汽檢測用激光器管芯，完成整個器件制作。所制作的水汽探測用激光芯片的激射波長為1. 826-1. 870微米，對應于水汽的吸收譜線，用于水汽探測。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1.一種水汽探測用激光芯片的制造方法，包括如下步驟步驟1 在η型InP襯底上依次外延生長InP緩沖層、下波導層、多量子阱結構、上波導層和ρ-η反型層；步驟2 采用全息曝光法在ρ-η反型層和上波導層上制作復耦合光柵；步驟3 在復耦合型光柵上二次外延生長出第一 P-InP蓋層、刻蝕停止層、第二 p-hP 蓋層和PdnGaAs接觸層；步驟4 在第二 p-InP蓋層和ρ-InGaAs接觸層上腐蝕出脊型波導結構，并大面積淀積二氧化硅層；步驟5 刻蝕掉中間的脊型波導結構上面的二氧化硅層，形成窗口 ；步驟6 在脊型波導結構和窗口的表面濺射出P面電極并蒸發出N面電極。
2.根據權利要求1所述的水汽探測用激光芯片的制造方法，其中所述多量子阱結構中壓應變的量子阱材料為InGaAs，應變量為2. 0-2. 4%，壘材料為與η型InP襯底晶格匹配， 帶隙波長為1. 23 μ m的InGaAlAs。
3.根據權利要求1所述的水汽探測用激光芯片的制造方法，其中壘材料InGaAlAs與阱材料InGaAs的導帶能量差比InGaAsP與阱材料InGaAs的導帶能量差大。
4.根據權利要求1所述的水汽探測用激光芯片的制造方法，其中所述下波導層以及上波導層所采用的材料為帶隙波長為1. 3 μ m的InGaAsP。
全文摘要
一種水汽探測用激光芯片的制造方法，包括如下步驟步驟1在n型InP襯底上依次外延生長InP緩沖層、下波導層、多量子阱結構、上波導層和p-n反型層；步驟2采用全息曝光法在p-n反型層和上波導層上制作復耦合光柵；步驟3在復耦合型光柵上二次外延生長出第一p-InP蓋層、刻蝕停止層、第二p-InP蓋層和p-InGaAs接觸層；步驟4在第二p-InP蓋層和p-InGaAs接觸層上腐蝕出脊型波導結構，并大面積淀積二氧化硅層；步驟5刻蝕掉中間的脊型波導結構上面的二氧化硅層，形成窗口；步驟6在脊型波導結構和窗口的表面濺射出P面電極并蒸發出N面電極。
文檔編號H01S5/343GK102364771SQ201110355379
公開日2012年2月29日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者于紅艷, 周旭亮, 潘教青, 王圩, 王寶軍, 邵永波 申請人:中國科學院半導體研究所