專利名稱：用于制造光子器件的工藝的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及端面蝕刻的光子器件，更具體地涉及2006年2月17日提交且轉讓給本發明的受讓人的題為“高可靠性的端面蝕刻光子器件(High Reliability Etched Facet Photonic Devices) ”(律師案號BIN 20)的公共待審的美國專利申請 No. 11/356，203中公開的端面蝕刻脊型激光器件的改進型，還涉及制造此類器件的工藝。
背景技術：
通常通過金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)在襯底上生長適當層疊的半導體材料以形成具有平行于襯底表面的有源層的外延結構而在晶片上制造半導體激光器。然后利用多種半導體加工工具處理該晶片以制造包括有源層且包括附著到半導體材料的金屬接觸的激光光學腔。通常通過沿半導體材料的晶體結構解理它以限定激光光學腔的邊緣或末端而在激光腔的末端形成激光反射端面，因此當在接觸上施加偏置電壓時，所產生的流過有源層的電流使光子按照垂直于電流流動的方向從有源層的成端面的邊緣出射。然而，對于大多數半導體器件，上述解理工藝是不精確的，因為它依賴于半導體材料的晶面的位置和角度。例如，在某些材料的情況下，可能存在約相等強度的彼此成銳角取向的解理面，因此在解理期間出現的微擾會使斷裂面從一個解理面變成另一個解理面。而且，解理過程產生在測試期間難以操作的易碎的條狀物和極小的芯片。此外，機械解理傾向于與單個芯片的稍后處理不兼容，而這對于在芯片上提供組件的單片集成是必需的，例如， 因為在物理上必須使晶片分解以獲得全功能的激光器，而一旦晶片被解理通常就成為小塊，因此不容易用常規的光刻技術來進一步處理這些激光器。由使用解理端面造成的上述和其它困難導致通過蝕刻形成半導體激光器的反射端面的工藝的開發。例如，在美國專利No. 4，851，368中描述的此工藝還允許激光器與其它光子器件單片集成在同一襯底上。在此專利中描述的工藝被擴展以提供用于制造具有蝕刻端面的脊型激光器的工藝，如在1992年5月的IEEE量子電子學期刊(IEEE Journal of Quantum Electronics)的第 28 卷，第 5 期，1227-1231 頁的 A. Behfar-Rad 和 S. S. Wong 發表的“具有干法蝕刻的端面和脊條的單片AlGaAs-GaAs單量子阱脊型激光器(Monolithic AlGaAs-GaAs Single Quantum-Well Ridge Lasers Fabricated with Dry-Etched Facets and Ridges) ”中所公開的和在上述美國專利No. 11/356，203中進一步描述的。然而已經發現，如果想要在制造過程中獲得一致的結果，則此類器件中脊條的深度以及它在激光器結構中相對于有源區的最終位置必須精確，而充分控制干法蝕刻工藝以產生一致的脊條深度是非常困難的。因為在干法蝕刻中控制脊條蝕刻深度是困難的，所以已經發現通過現有技術工藝制造的蝕刻端面脊型激光器件具有低單橫模輸出和閾值電流方面的大范圍分布。為了利用這些工藝獲得30-40%生產率的可用器件，必須使用多步蝕刻程序來防止脊條蝕刻向外延結構中延伸太深。這需要將干法蝕刻重復三或四次并在每次蝕刻之后測量脊條蝕刻深度以獲得適當的尺寸，而且此工作浪費時間并明顯提高了這些器件的成本。
發明內容
因為極其期望蝕刻端面脊型器件的高度一致性和生產率，所以根據本發明提供了一種制造蝕刻端面脊型激光器件的改進工藝。在此工藝中，在外延結構中形成具有蝕刻端面的脊型激光器，所述外延結構在脊條的底部所在的位置處包括濕法蝕刻停止層。利用現有光刻技術和干法蝕刻工藝部分地形成此脊條，但干法蝕刻在不到脊條底部即停止。光刻技術限定濕法蝕刻窗口，該窗口與部分蝕刻的脊條交迭，同時通過光刻膠層保護其末端部分和其端面。然后對該結構進行濕法蝕刻以完成脊條的形成和從蝕刻停止層上面去除殘余材料。外延結構中的停止層使濕法蝕刻在脊條結構的底部所需的深度處精確地和可靠地停止，從而將制造工藝的生產率提高至約98-99. 8%。簡言之，根據本發明，襯底或晶片例如由適當摻雜的III-V族化合物或其合金組成。通過諸如金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)之類的外延沉積工藝在襯底的上表面上沉積連續的多層。在橫向形成光波導的這些層通常包括由AlInGaAs基量子阱和勢壘層組成的有源區以及毗鄰的上和下包覆區。在一個示例中，可以在InP襯底上通過外延來形成半導體激光器光子器件結構層，其中上下包覆區由折射率低于有源區折射率的諸如InP之類的半導體材料形成。在上包覆層的上表面上設置InGaAs帽層以允許歐姆接觸。根據本發明，在將在結構中形成的脊條底部的平面處在襯底上外延地沉積濕法蝕刻停止層。因此，例如，砷化銦鎵磷化物(GaInAsP)的停止層正好沉積在上包覆層之上的帽層中。此停止層約20nm厚，而且與InP包覆層晶格匹配。利用標準光刻技術和化學輔助的離子束蝕刻(CAIBE)干法蝕刻步驟對所得的晶片進行加工以形成一個或多個激光腔和端面。此后，利用二次光刻步驟在先前形成的腔體上限定一個或多個脊條，并且使用CAIBE來蝕刻這些脊條。因為CAIBE工藝難以精確地控制因而不是非常精確的，所以此干法蝕刻步驟被設計成不完全，即被設計成不到脊條的期望深度和在它到達停止層之前即結束。之后， 執行另一光刻步驟以利用保護性光刻膠覆蓋脊條和端面的末端部分，并利用選擇性濕法蝕刻劑執行濕法蝕刻步驟。例如HCl和H3PO4的混合物之類的選擇性濕法蝕刻劑去除殘余的上包覆材料并在蝕刻停止層上停止或只能非常緩慢地蝕刻。因此，濕法蝕刻完成脊條的形成并在停止層處停止。雖然它在脊條的底部處橫向蝕刻少量，但這容易解決，而且此工藝用來形成具有精確的所需尺寸的脊條。此濕法蝕刻還去除由干法蝕刻步驟留下的任意殘余產物，并制造具有聞精確度的脊結構，從而導致聞的器件生廣率。雖然上述示例基于在InP襯底上提供包括激光器件的光子器件，但應當理解，利用干法和濕法蝕刻的組合可制造具有有源區的其它光子器件的蝕刻部件，其中濕法蝕刻停止層限定蝕刻步驟的范圍，而且可在其它襯底上形成這些器件。此類光子器件的示例是電吸收調制器(electroabsorption modulator)和半導體光放大器。通過解理形成端面的常規脊型激光器與蝕刻停止層的使用兼容。
根據本發明的優選實施例的以下詳細描述以及附圖，本發明的上述和附加的目的、特征和優點對于本領域普通技術人員將會顯而易見，其中圖I示出用于在晶片上制造諸如激光器之類的多個光子器件的現有技術解理端面工藝；圖2示出用于在晶片上制造諸如激光器之類的多個光子器件的現有技術蝕刻端面工藝；圖3以部分立體視圖示出晶片上的多個現有技術蝕刻端面激光器；圖4以截面示出根據本發明的形成晶片的連續多層；圖5以立體圖示出根據本發明制造的、在鍍電接觸之前的具有蝕刻停止層的蝕刻端面脊型激光器；以及圖6(a和b)到12(a和b)以x和y方向截面圖示出根據本發明的利用圖4的晶片制造具有蝕刻停止層的蝕刻端面脊型激光器的制造步驟。
具體實施例方式如圖I中在10處一般示出，半導體外延晶片12的機械解理是用來限定在晶片上制造的、在邊發射二極管激光器的腔體端面處的反射鏡的常見工藝。在此工藝中，在晶片襯底上制造多個波導14，并鍍金屬接觸層，而且晶片沿解理線16機械地解理以形成激光器件 20的長條18。長條18然后如22處所示地堆疊，而且對激光器件的解理端面進行涂覆以提供需要的反射和發射特性。然后如24處，通過在單個激光器上施加偏置電壓26并檢測所得的輸出光束28來測試單個激光器件20。然后可如30處地使激光器件的長條分離或單片化，以制造單個芯片32，其中每一個包括可如34處地以已知方式適當地封裝的一個或多個激光器件。如上所述，對大多數半導體器件而言，上述解理工藝是不精確的，因為它依賴半導體材料的晶面的位置和角度以在波導上對激光器端面定位。例如，在某些材料的情況下，可能存在約相等強度的彼此成銳角取向的解理面，因此在解理期間出現的微擾會使斷裂面從一個解理面變成另一個解理面，從而使端面定位在錯誤的角度或錯誤的平面處，使激光器不工作。而且，如圖I所示的解理工藝產生在反射鏡涂覆和測試期間難以操作的易碎的長條18。此外，機械解理傾向于與單個芯片的稍后處理不兼容，例如，諸如可能需要用來在芯片上提供組件單片集成的處理步驟，因為必須使晶片物理地分解以制造激光器端面和獲得全功能的激光器。在圖2中的40處示出用于制造激光器的替代技術，其中作為第一步驟，在合適的晶片襯底44上制造多個波導42。優選地，這些波導是如所示地橫跨晶片延伸的平行波導。 然后使用基于光刻技術和化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)的工藝以在沿波導的需要位置處形成端面以制造單個激光器波導腔。這些端面被精確地定位而與材料的晶體結構無關，而且具有與通過解理獲得的那些端面相同的質量和反射率。因為激光腔和端面按照在硅上制造集成電路的幾乎相同的方式在晶片上制造，所以此工藝允許激光器與其它光子器件一起單片集成在單個芯片上，并允許這些器件如46處所示地被廉價地測試，同時仍在晶片上。 此后，可如48處地使晶片單片化以分離芯片50，然后可如52處所示地封裝這些芯片。與上述解理工藝相比，此工藝具有相對高的生產率和低成本，并允許具有多種形式的腔的激光器的制造與晶片材料中的解理面無關。在以上引用的IEEE量子電子學期刊中的文章中更詳細地描述了圖2的現有技術制造工藝。在這樣的蝕刻端面脊型激光器的邊發射版本的制造中，需要四個光刻形成圖案的步驟，第一步驟產生限定一個或多個激光器主體的圖案掩模，每個激光器主體具有分開的端面。通過蝕刻把此圖案傳遞到晶片結構中。此后，第二光刻步驟產生用于在結構上形成脊條的圖案，而且再通過蝕刻利用CAIBE工藝把此圖案傳遞到該結構中。第三次光刻提供接觸孔，而第四次光刻提供用于P型接觸金屬化的圖案。所得的邊發射脊型激光器結構在圖3中示出，其中在相應的激光器波導42上形成脊條60和62，而且其中制造諸如例如腔 72之類的各個激光腔，使之具有蝕刻端面74和76。如上所述，通過上述程序制造的蝕刻端面脊型激光器件的生產率會低于所需的生產率，而且會產生用于產生激射的閾值電流的大范圍變化和低單橫模輸出。已經發現這些問題起因于在制造過程期間出現的激光器脊條高度的差異。如果想要在制造過程中獲得一致的結果，則在激光器結構中脊條的底部相對于有源區的各個脊條蝕刻深度和最終位置必須精確。然而，已經發現充分地控制干法蝕刻工藝以產生一致的脊條蝕刻深度是非常困難的。本發明已解決了上述問題，如圖4和5中圖解說明地，通過提供在其中制造光子器件100的層疊的晶片98 ;以及如示出了用于在襯底102上制造光子器件的工藝的圖6 (a和 b)到12(a和b)中圖解說明地中。應當理解，在這些附圖中示出的尺寸和比例不一定按比例，但用來清楚地示出該結構和工藝的顯著特征。雖然本發明將根據如圖5中所示出的具有蝕刻脊條104的邊發射脊型激光器來描述，但應當理解，也可利用本發明的蝕刻控制工藝來制造諸如在共同待審的美國專利申請No. 10/958, 069和10/963，739中描述的脊型水平腔面發射激光器或HCSEL之類的其它類型的激光器或其它光子器件。與常規情況一樣，晶片98包括，例如，由適當摻雜的III-V族化合物或其合金組成的襯底102。如圖4所示，通過諸如有機金屬化學汽相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)之類的外延沉積工藝在襯底102的上表面108上沉積連續多層106。這些層106組成包括有源區112和上下包覆區114和116的橫向的激光器結構或光波導。在一個示例中，在InP襯底102上外延地形成半導體激光器或其它光子器件、結構層106。光子結構的上下包覆區114和116分別由諸如InP之類的折射率低于有源區112 的折射率的半導體材料形成。這些包覆層毗鄰有源區，該有源區可由AlInGaAs基量子阱和勢壘組成。在上包覆層114的上表面上設置InGaAs帽層118以允許歐姆接觸。如圖5所示，包覆層114中包括濕法蝕刻停止層119，它位于當制造工藝完成時脊條的底部120要處的平面上。停止層119是將上包覆層114劃分成下部分段114(a)和上部分段114(b)的約20nm厚的GaInAsP外延沉積層。停止層119靠近上包覆層114的下表面121但在其之上，該下表面121同時也是有源區112的上表面。在本發明的工藝中，如圖4所示，通過等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)在外延生長的激光器結構106上沉積諸如200nm厚的SiO2層之類的掩模層122。在與圖2和3中所示的晶片44相同的晶片98上執行在光刻膠層中限定例如至少一個激光器主體和端面的第一光刻步驟，而且利用反應離子蝕刻(RIE)把光刻膠圖案傳遞到下面的SiO2掩模層122。未示出往掩模層122上旋涂光刻膠、使光刻膠通過光刻掩模曝光以產生圖案、以及此后將圖案傳遞到掩模層122的光刻步驟，因為它們在本領域中是常規而且公知的。在通過氧等離子體去除光刻膠之后，利用化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)使層122中的SiO2圖案傳遞到激光器結構以形成圖6(a)和6(b)中所示的、諸如圖3中的42處一般示出的激光器波導之類的光子器件的主體123，并沿那些波導形成多個分立的激光器腔，根據這些激光器腔可形成諸如圖5中在100處不出的激光器之類的激光器。如圖6(a)和6(b)所不,主體123形成有蝕刻側壁124和125以及蝕刻端面126和128。在HCSEL的情況下，可使用兩個單獨的光刻步驟和兩個單獨的CAIBE步驟代替此處示出的用于邊發射激光器的單個步驟。圖6(a)是沿圖5的波導100的x_x軸處的箭頭方向所取的截面，而圖6 (b)是沿圖5的y_y軸處的箭頭方向所取的波導的截面。如圖7(a)和7(b)所示，執行第二次光刻膠光刻以在晶片上先前限定的激光器主體123上產生限定諸如脊條104之類的一個或多個脊條的圖案，而且使用RIE來將該光刻膠圖案傳遞到PECVD沉積的SiO2掩模層122上。在利用氧等離子體去除光刻膠之后，如圖所示，利用CAIBE在激光器結構中形成各個激光器主體123的脊條104。與用于脊型蝕刻端面器件的現有技術制造工藝相反，此脊條CAIBE干法蝕刻步驟被設計成在不到需要完成脊條104的蝕刻深度處即停止，以確保此蝕刻不會無意地繼續而超過脊條底部120的所需深度。此外，干法蝕刻還會留下粗糙處或草皮狀層形式的殘余材料，這會阻礙實現高生產率所必需的精確深度控制。因此，如圖7(a)和7(b)所示，此蝕刻工藝被設計成在包覆層114(b) 中的蝕刻基面130處結束，該蝕刻基面130始終在層119的上表面132處或之上。如圖5 所示，這防止CAIBE蝕刻在脊條104的底部120的所需平面之下延伸。如圖8(a)和8(b)所示，為完成脊結構，以有光刻膠的掩膜層136覆蓋器件的上表面，接著通過光刻使掩膜層136形成圖案，在顯影之后，暴露濕法蝕刻窗口 137，該蝕刻窗口 137包括脊條104以及在脊條104兩側并沿脊條104長度方向的區域138和139。光刻膠掩模層136在脊條的末端140和142上以及端面126和128上延伸以保護它們免遭接下來的濕法蝕刻，優選地，還與蝕刻基面130的外邊緣144和146有小部分交迭，以應對濕法蝕刻步驟產生的橫向蝕刻。向例如HCl和H3PO4的混合物之類的選擇性濕法蝕刻劑暴露濕法蝕刻窗口 137， 以去除層119上的殘余上包覆材料。濕法蝕刻在停止層119的上表面132 (即脊條的底部 120的所需位置)處停止或有效地停止，從而將脊條留置為其所需的高度，然后如圖9(a)和 9(b)所示地使用氧等離子體來去除光刻膠掩模136。可通過允許精確深度控制的濕法蝕刻工藝消除可能存在的任意粗糙處或草皮狀的特征。雖然在圖5_12(a)和(b)中示出了具有單個脊條104的單激光腔，但應當理解，在單個晶片上可優選地制造多個光子器件。例如，在圖2中，如圖所示，分別包括多個脊型激光器的多個分開的波導42通常在單個晶片上來制造，而且在完成如下所述的余下工藝步驟之后，它們通過如上所述的單片化或切割被分離以便封裝以制造單獨的光子器件。如以上關于圖5和6(a)和(b) _9 (a)和(b)所述，在激光器主體、端面、以及脊條形成之后、以及在圖2的單片化步驟之前，利用PECVD沉積諸如SiO2之類的介電材料的120nm 厚的鈍化層150以覆蓋包括光子器件的整個晶片，如在圖10(a)和10(b)中針對單個脊條 104所描述。此后，如圖11(a)和11(b)所示，執行用于在光子結構的光刻膠掩膜層中限定P型接觸開口的第三次光刻，并通過該掩模利用RIE在SiO2層150和122中開接觸窗口 152。 然后使用氧等離子體來去除光刻膠。執行第四次光刻以在光刻膠掩膜層中限定用于P型接觸的敷金屬剝離圖案，其中通過光刻限定剝離結構154以制造包圍接觸窗口 152的接觸開口 156。在敷金屬剝離圖案 154中沒有明顯示地出典型的剝離結構所具有的底切，但應當理解它是存在的。然后利用電子束蒸鍍器將P型接觸金屬160 (圖12(a)和12(b))蒸鍍到敷金屬剝離圖案154上并通過開口 156，以覆蓋接觸窗口 152。通過去除敷金屬剝離圖案154的剝離步驟去除不需要的敷金屬，從而留下器件的P型接觸160。如圖所示，P型接觸延伸而超過接觸窗口 152的邊緣，并將SiO2層122和150中的接觸開口密封。也利用電子束蒸鍍將激光器的η型接觸162 蒸鍍到晶片的背面上。也可利用另一敷金屬剝離步驟把η型接觸鍍到晶片的正面。如上所述，將可理解，通常在襯底上制造多個光子器件。因為如上所述，必須在濕法蝕刻期間保護蝕刻端面(參見圖8(a)和(b))，所以在掩模延伸超過邊緣144和146的掩模136位置處，在濕法蝕刻停止層的上表面上形成諸如壁或側翼(shoulder) 163之類的余下部件。此壁引起端面處或靠近端面的脊條深度變化， 因此脊條在蝕刻端面處和其附近的深度淺于脊條底部處的深度。研究了通過此工藝制造的邊發射脊型激光器和脊型HCSEL的性能和模式特性，而未發現余下的部件163 (參見圖5) 導致任何不良影響，同時生產率被增大到98-99. 8%。雖然已經根據優選實施例說明了本發明，但應當理解，在不背離在所附權利要求書中陳述的本發明的真實精神和范圍的情況下可作出變化和修改。
權利要求
1.一種用于制造光子器件的工藝，包括在襯底上形成包括有源層的外延半導體結構；在所述外延結構中在所述有源層之上形成濕法蝕刻停止層；對所述結構進行干法蝕刻以形成具有至少一個端面的激光器；對所述結構進行干法蝕刻以部分地形成所述激光器的脊條；對所述結構進行濕法蝕刻以完成所述脊條的形成；利用保護共形層覆蓋所述激光器和所述端面；在所述保護層中開接觸窗口；以及沉積金屬層以覆蓋所述窗口并電接觸所述激光器。
2.如權利要求I所述的工藝，其特征在于，形成外延結構還包括在所述襯底上在所述有源層之下沉積下包覆層；以及在所述有源層上沉積上包覆層，其中所述濕法蝕刻停止層包括在所述上包覆層中。
3.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，形成所述外延結構還包括在所述上包覆層上沉積接觸層。
4.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，形成所述濕法蝕刻停止層包括在所述有源區上部分地沉積所述上包覆層；沉積所述濕法蝕刻停止層；以及此后在所述濕法蝕刻區上沉積所述上包覆層的剩余部分。
5.如權利要求I所述的工藝，其特征在于，所述濕法蝕刻所述結構的步驟包括形成所述脊條，使在所述端面處形成的脊條短于遠離所述端面處形成的脊條。
6.如權利要求I所述的工藝，其特征在于，所述蝕刻停止層是GalnAsP。
7.如權利要求I所述的工藝，其特征在于，所述襯底是InP。
8.如權利要求I所述的工藝，其特征在于，對所述外延結構進行干法蝕刻以形成具有至少一個端面的激光器的所述步驟還包括對所述外延結構進行干法蝕刻以形成具有至少第一和第二蝕刻端面的激光器。
9.如權利要求8所述的工藝，其特征在于，所述激光器是邊發射激光器。
10.如權利要求8所述的工藝，其特征在于，所述激光器是面發射激光器。
全文摘要
本發明涉及一種用于制造光子器件的工藝，該光子器件包括外延結構，該外延結構具有有源區且包括在有源區之上但靠近有源區的濕法蝕刻停止層。通過先干法蝕刻再濕法蝕刻在該外延結構上制造端面蝕刻脊型激光器。干法蝕刻被設計成在到達形成脊所需的深度之前停止。濕法蝕刻完成脊條的形成并在濕法蝕刻停止層處停止。
文檔編號H01S5/02GK102593709SQ20121004173
公開日2012年7月18日 申請日期2006年12月26日 優先權日2006年12月26日
發明者A·A·貝法, A·T·施雷默爾, C·B·斯塔蓋瑞斯庫 申請人:賓奧普迪克斯股份有限公司