高可靠性的蝕刻小面光子器件的制作方法
【專利說明】高可靠性的蝕刻小面光子器件
[0001]本申請是國際申請日為2006年2月17日、國際申請號為PCT/US2006/005668、2007年10月15日進入中國的國家申請號為200680012475.6、且名為“高可靠性的蝕刻小面光子器件”申請的分案申請。
[0002]本申請要求提交于2005年2月18日的題為“高可靠性的蝕刻小面光子器件”的60/653984號美國臨時申請的優先權，其整個內容被包含援引于此。
技術領域
[0003]本發明總地涉及蝕刻小面的光子器件，更具體地涉及具有密封的觸點開口的改進型蝕刻小面激光器件及其制造方法。
【背景技術】
[0004]半導體激光器典型地通過在基板上以金屬有機化學蒸鍍沉積(MOCVD)或分子束外延生長(MBE)方式生長適當的分層半導體材料以形成具有平行于基板表面的有源層的外延生長結構而制造于晶片上。然后用各種半導體加工工具加工晶片以制造出含有源層和連接于半導體材料的金屬觸點的激光器光諧振腔。激光鏡面典型地通過沿晶質結構切割半導體金屬而形成在激光器諧振腔的端部以界定激光器光學諧振腔的邊或端部，從而當偏置電壓被施加于觸點兩側時，所產生的流過有源層的電流使光子沿垂直于電流的方向射出有源層的形成有小面的邊。由于半導體材料被切割以形成激光刻面，因此這些刻面的位置和取向受到限制；此外，一旦晶片經切割，它一般以小片形式出現，因此無法方便地使用傳統平版印刷技術進一步加工激光器。
[0005]由于使用切割小面引起的前述和其它的困難導致通過蝕刻形成半導體激光器的鏡面的工藝的發展。如4851368號美國專利所述，這種工藝也允許激光器以平版印刷方式與其它光子器件形成在同一基板上。這種工藝被進一步擴展并且在1992年5月出版的IEEE量子電子學期刊卷28第5部分1227-1231頁中公開基于蝕刻小面的脊形激光器工藝。然而，已發現由于該工藝導致其中在有源區的激光小面附近的不受保護的半導體材料直接暴露在周圍大氣下的結構，通過這些工藝產生的蝕刻小面的可靠性低，尤其是在非密封環境下。這種暴露使得小面隨時間流逝而劣化，降低這些蝕刻小面光子器件的可靠性。
【發明內容】
[0006]由于極為需要蝕刻小面器件的高可靠性，因此提供根據本發明的改進的制造蝕刻小面半導體光子器件的工藝和方法。在這種工藝中，具有蝕刻小面的諸如激光器的光子器件被涂敷以電介質，較佳的是通過PECVD (等離子體增強化學蒸鍍沉積)沉積二氧化硅。僅在必須為金屬觸點提供開口的那些區域中將電介質從光子器件除去。然后通過金屬觸點完全密封這些觸點開口。所得到的器件表現出高穩定的工作性能，即使在非密封環境中也是如此。
【附圖說明】
[0007]本領域內技術人員通過參照附圖細閱下面對其實施例的詳細說明將更清楚地理解本發明的前述和附加的目的、特征和優點，在附圖中:
[0008]圖1示出在晶片上制造諸如激光器的光子器件的傳統切割小面工序；
[0009]圖2示出在晶片上制造諸如激光器的光子器件的傳統蝕刻小面工序；
[0010]圖3示出根據現有技術的晶片上的結構的立體圖；
[0011]圖4(a)、4(b)至圖8(a)、8(b)以橫截面形式示出根據現有技術的在晶片上制造固態蝕刻小面激光器的制造步驟；
[0012]圖9示出根據本發明的晶片上的結構的立體圖；
[0013]圖10(a)、10(b)至圖14(a)、14(b)以橫截面形式示出根據本發明的制造固態蝕刻小面激光器的制造步驟。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示的那樣，半導體覆蓋晶片12的機械切割是在邊緣發射二極管激光器的腔末端界定反射鏡或小面的常規工序。在該工序中，在晶片基板上制造多個波導14，涂覆金屬接觸層，并沿切割線16以機械方式切割晶片以形成激光器20的樣條18。隨后如22處所示的那樣堆疊樣條18，并涂覆激光器件的切割端面以提供合需的反射和發射特性。然后可如24處那樣通過將偏置電壓26施加于各激光器兩側并檢測所獲得的輸入光束28而測試各激光器件20。隨后在30處分離或單片化激光器件的樣條，從而如34處所示的那樣以已知方式制造各自包括一個或多個激光器件、可被適當封裝的芯片32。
[0015]然而，對大多數半導體器件而言，前面的切割工序是不精確的，因為它依賴半導體材料的晶面的位置和角度。通過某些材料，例如可能存在位于彼此成銳角的近乎相等的強度的切割面，以致在切割時產生的微擾能從一個切割面向另一個地重定向破裂界面。此外，圖1所示的切割工序產生易碎的樣條和極小的芯片，它們在測試和封裝期間難以處理。另夕卜，例如由于必須從物理上打碎晶片以獲得完整功能的激光器，機械切割往往不相容于各芯片的后續處理，正如在芯片上提供器件的單片集成所需要的。
[0016]另一種制造諸如激光器的光子器件的技術示出于圖2中的40處，其中第一步將多個波導42制造在適宜的晶片基板44上。它們較佳為如圖所示的跨過晶片延伸的平行波導。然后使用基于照相平版印刷術和化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)的工序沿波導在合需位置形成小面以形成激光波導腔。這些小面被精確定位并具有與通過切割獲得的小面等同的質量和反射率。由于激光器腔和小面以與在硅片上制造集成電路很大程度上相同的方法制造于晶片上，因此該工序允許激光器整塊地與其它光子器件集成在單個芯片上，并允許使器件在晶片上的同時低成本地測試器件，如46所示。此后，在48處晶片被單片化以分離芯片50，并隨后如52處所示那樣封裝芯片。該工序具有高產量和低成本，并且允許制造具有選定長度的腔的激光器。
[0017]圖2的現有技術制造工序更詳細地記載于1992年5月IEEE量子電子期刊28卷 1227-1231 頁 Behfar-Rad 和 S.S Wong 的名為“Monolithic AIGaAs-GaAs SingleQuantum-Well Ridge Lasers Fabricated with DryEtched Facets and Ridges，，中，并且在本文中圖示為圖3-圖8(a) ,8(b) ο在該例中，諸如激光器60和62的多個脊形激光器被形成于晶片44的波導42上。這些激光器用于要求單空間模式輸出束的多種場合，其中脊形激光器如圖3所示提供沿側向(邊一邊)和橫向(垂直)的光學界限。橫向界限是下面的半導體層(將要說明)的直接結果，而側向界限源自界定脊的蝕刻。脊附近的區域被向下蝕刻至接近半導體層的有源區，這使這些區中的折射率下降并增加了側向界限。
[0018]現在對制造圖4(a)、4(b) -8(a),8(b)所示的脊形激光器的工序進行說明。在這些附圖中，沿圖3的脊60的X — X線的側向截面被示出于圖4(a)、5(a)、6(a)、7(a)和8 (a)，而沿圖3的脊60的y — y線的縱向截面被示出于圖4 (b)、5 (b)、6 (b)、7 (b)和8 (b)中。可以理解這些附圖中的尺寸不一定按比例繪制。所述工序包括四個照相平版印刷術布圖步驟，附圖中示出其關鍵制造步驟。如圖4(a)、4(b)所示，通常是S1Jl的500nm厚介電層64例如通過等離子體增強化學蒸鍍沉積(PECVD)被沉積在外延生長激光器結構66上。該激光器結構包括平行于基板44的頂表面69的有源區68并在有源區上方和下方具有上、下被覆區70、71。使用旋涂(spun-on)光阻層和照相平版印刷術執行第一平版印刷步驟以在光阻材料中形成圖案以界定具有端面74和76的激光器本體72。光阻圖案通過CHF3K應離子蝕刻(RIE)被轉移至下面的S1Jl 64以形成掩模。在用氧等離子體去除光阻材料后，S12掩模圖案通過基于Cl 2的化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)被轉移至激光器結構66。CAIBE參數可以是下列參數:在0.1mA/cm2電流密度下500eV Ar +，30ml/min的CV流速，室溫下或室溫附近的基板溫度，AlGaAs的90nm/min的蝕刻速率，以及S1j^ 4.5nm/min的噴濺速率。
[0019]如圖5 (a)和5 (b)所示，隨后通過PECVD按順序沉積7.5nm厚Si3N4層77、25nm厚無定形Si ( α -Si)層78