CN102545047A - 一种多量子阱波导对接耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多量子阱波导对接耦合方法，包括：A、在衬底上一次外延第一多量子阱结构；B、待淀积介质膜后，进行掩膜光刻，采用三步蚀刻法去掉需进行二次外延的第一区域的波导部分；C、将外延片置入金属有机化学气相淀积设备中进行高温热处理；D、进行二次外延生长第二多量子阱结构。采用该方法具有良好的界面腐蚀形貌，能够避免生长时空洞的产生，可有效提高对接质量，降低耦合损耗，并且重复性好，可用于各种光电子集成芯片的制作及批量生产中。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件集成技术，尤其涉及一种多量子阱波导对接耦合方法，其用于半导体光电集成芯片的制作工艺中。
背景技术
目前光纤通信系统中使用了的大量分立器件，这些分立器件不仅需要单独进行封装，而且还需要与输入/输出光纤进行精密耦合对准，器件与光纤的耦合对准不仅费时耗力，还常常由于光纤模场与器件模场的不匹配导致极大的耦合损耗，同时大量的输入/输出光纤与器件耦合连接点的存在还会带来可靠性的隐患，独立的器件封装也导致成本增加。
单片集成光子器件将至少两种功能的器件单片集成在一起，例如有源器件之间的单片集成，无源器件之间的单片集成，或有源器件与无源器件的单片集成等，这样不同功能的器件之间不再需要通过与光纤的耦合对准来实现互连，因此避免了各功能器件之间的耦合损耗，简化了器件的耦合封装，减小了器件尺寸，提高了器件的稳定性和可靠性，并且降低了器件成本。
现有实现光电器件集成的技术主要有：选择区域生长法（Selective Area Growth，SAG）、量子阱混杂法（Quantum Well Intermixing）以及对接耦合方法（Butt-Joint）等。其中：
选择区域生长法是在外延生长前，通过SiO2或SiNx掩膜，使外延片某些区域不能成核生长，不同功能的区域具有不同的生长速度，从而达到各区域生长的量子阱材料具有不同厚度，亦即不同带隙波长的目的。选择区域生长法具有工艺简单，成品率高的优点，但是不能独立优化不同功能区域材料的性能。
量子阱混杂法是在外延生长多量子阱结构后，通过后续的离子注入、杂质热扩散以及光吸收诱导等方法，实现同一外延片的不同区域具有不同的带隙结构，从而达到光子集成的目的。量子阱混杂方法的优点是材料外延生长次数少，制作工艺简单，但是其退火过程将降低多量子阱材料的性能，且工艺重复性较差。
对接耦合方法是在外延片进行一次外延后，通过光刻及腐蚀，去除某些区域的部分外延材料，然后再生长具有不同厚度、不同带隙波长的材料，从而达到光子集成的目的。对接耦合方法能够对具有不同功能的区域进行独立优化，因此可制作出高性能的光子集成器件，但是其方法通常外延次数较多，且工艺复杂。
目前国际上对接耦合工艺主要是采用干法刻蚀与湿法腐蚀相结合的方法来实现，即先用干法刻蚀掉需再生长区域的部分材料后，再用选择性或非选择性腐蚀液继续腐蚀去除一部分材料，然后进行对接耦合生长。采用非选择性腐蚀液虽然可得到理想的界面腐蚀形貌，但存在腐蚀深度难以精确控制的问题，工艺重复性较差；另一方面，采用选择性腐蚀液，虽然在腐蚀深度上可以很好控制，但是不同材料的侧向腐蚀深度不一致，易导致对接耦合生长时界面出现空洞，耦合效率不高。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多量子阱波导对接耦合方法，以使其工艺简单易重复，对接耦合损耗小，并适用于规模化批量生产的半导体光电集成芯片制作工艺。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种多量子阱波导对接耦合方法，包括：
A、在衬底上一次外延第一多量子阱结构；
B、待淀积介质膜后，进行掩膜光刻，采用三步蚀刻法去掉需进行二次外延的第一区域的波导部分；
C、将外延片置入金属有机化学气相淀积设备中进行高温热处理；
D、进行二次外延生长第二多量子阱结构。
其中，所述衬底为N型衬底。
所述的第一多量子阱结构包括第一下波导层、第一多量子阱层和第一上波导层。
所述的介质膜为二氧化硅或氮化硅。
所述三步蚀刻法，具体为：依次采用RIE干法刻蚀，非选择性湿法腐蚀以及选择性湿法腐蚀对需要进行二次外延的第一区域的波导部分进行蚀刻。
所述高温热处理的温度为680摄氏度，时间为15分钟。
所述第二多量子阱结构包括第二下波导层，第二多量子阱层和第二上波导层。
所述进行二次外延生长第二多量子阱结构，利用金属有机化学气相淀积设备热处理后降温进行二次外延生长。
本发明所提供的多量子阱波导对接耦合方法，具有以下优点：
1）结合了非选择性与选择性湿法腐蚀工艺的特点，即先采用非选择性湿法腐蚀工艺，以得到较好的界面腐蚀形貌，然后采用选择性腐蚀工艺来精确控制腐蚀深度。
2）采用了高温热处理方法来平滑湿法腐蚀后的界面形貌，由于选择性湿法腐蚀会导致侧向不同材料的腐蚀速度不一致，因此侧壁不平滑，对接生长时易出现空洞，而采用高温热处理方法，由于表面原子的迁移，可使得表面更平滑，避免了生长时界面处产生空洞，提高了对接耦合质量。此外，在金属有机化学气相淀积设备中进行高温热处理，由于可通入磷烷来保护表面，因此减少了热处理过程中表面磷原子的脱附，提高了材料质量，避免因材料表面质量劣化带来的插入损耗。
附图说明
图1为本发明的一次外延多量子阱的结构示意图；
图2为本发明三步蚀刻法后的截面示意图；
图3为本发明采用金属有机化学气相淀积设备高温热处理后的截面示意图；
图4为本发明二次外延后的多量子阱结构截面示意图。
【主要部件及符号说明】
1：N型衬底
2：缓冲层
3：第一下波导层
4：第一多量子阱层
5：第一上波导层
6：第一P型层
7：介质膜
8：第一区域
9：第二区域
10：第二下波导层
11：第二多量子阱层
12：第二上波导层
13：第二P型层。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
本发明的主要思想：利用非选择性腐蚀来控制界面腐蚀形貌，而利用选择性腐蚀来精确控制腐蚀深度，并采用金属有机物化学气相淀积（MOCVD）高温热处理方法来优化界面腐蚀形貌，从而达到对接界面光损耗小，工艺简单可重复的目的。
图1为本发明的一次外延多量子阱结构示意图，参照图2～图4，该多量子阱波导对接耦合方法主要包括如下步骤：
步骤1：在N型衬底上一次外延第一多量子阱结构。
在N型衬底1上，采用金属有机物化学气相淀积（MOCVD）法依次生长缓冲层2，晶格匹配的第一下波导层3，应变第一多量子阱层4，晶格匹配的第一上波导层5以及P型层6。
其中，缓冲层2厚500nm，第一下波导层3厚100nm，第一多量子阱层4厚度为115nm，第一上波导层5厚度为90nm，P型层6厚度为50nm。
这里，缓冲层厚度通常为300-1000nm，第一下波导层厚度通常为60-150nm，第一多量子阱层厚度通常为60-130nm，上波导层厚度通常为60-150nm。
这里，该N型衬底1、缓冲层2、P型层6、通常选用磷化铟（InP）材料；
第一下波导层3、第一上波导层5，通常选用铟镓砷磷（InGaAsP）材料。
一次外延生长完后，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法在外延片表面生长200nm的二氧化硅（SiO2）材质的掩膜层7，并采用光刻及刻蚀技术制作掩膜图形，形成第一区域8和第二区域9，制作的SiO2掩膜图形为长650μm，宽25μm的周期条形，沿条长方向的图形周期为1000μm，条宽方向的图形周期为250μm。
步骤2：淀积介质膜7后，进行掩膜光刻，采用三步蚀刻方法去掉需要二次外延的区域的波导部分。具体为：
采用三步蚀刻法将第二区域9的第一下波导层3，多量子阱层4，第一上波导层5以及第一P型层6去除：
首先，用反应离子刻蚀技术刻蚀掉第二区域9的P型层6，第一上波导层5，多量子阱层4，以及20nm的下波导层3；
然后，用氢溴酸（HBr）：双氧水（H2O2）：去离子水（H2O）（体积比为5：1：20）的非选择性腐蚀液在零摄氏度温度下腐蚀去掉60nm的第一下波导层3；
再用硫酸（H2SO4）：双氧水（H2O2）：去离子水（H2O）（体积比为1：1：100）的选择性腐蚀液腐蚀去除第二区域9余下的第一下波导层3，腐蚀完后的界面，如图2所示。
步骤3：将外延片置入金属有机化学气相淀积设备中进行高温热处理。具体为：
将腐蚀后的外延片进行严格清洗后放入金属有机化学气相淀积设备（MOCVD）中进行高温热处理。热处理在磷烷（PH3）保护下进行，温度约为680摄氏度，时间为15分钟，热处理后的界面，如图3所示。
步骤4：二次外延生长第二多量子阱结构。具体为：
利用MOCVD设备热处理后降温进行二次外延生长，生长材料依次为80nm的铟镓砷磷（InGaAsP）材质的第二下波导层10，156nm的第二多量子阱层11，90nm的铟镓砷磷（InGaAsP）材质的第二上波导层12以及29nm的P型层13。
如图4的二次外延后的多量子阱结构的截面图所示。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种多量子阱波导对接耦合方法，其特征在于，包括：
A、在衬底上一次外延第一多量子阱结构；
B、待淀积介质膜后，进行掩膜光刻，采用三步蚀刻法去掉需进行二次外延的第一区域的波导部分；
C、将外延片置入金属有机化学气相淀积设备中进行高温热处理；
D、进行二次外延生长第二多量子阱结构。
2. 根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法，其特征在于，其中所述衬底为N型衬底。
3.根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法，其特征在于，所述的第一多量子阱结构包括第一下波导层、第一多量子阱层和第一上波导层。
4.根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法，其特征在于，所述的介质膜为二氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法，其特征在于，所述三步蚀刻法，具体为：依次采用RIE干法刻蚀，非选择性湿法腐蚀以及选择性湿法腐蚀对需要进行二次外延的第一区域的波导部分进行蚀刻。
6.根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法，其特征在于，所述高温热处理的温度为680摄氏度，时间为15分钟。
7.根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法，其特征在于，所述第二多量子阱结构，生成有第二下波导层，第二多量子阱层和第二上波导层。
8.根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法，其特征在于，所述进行二次外延生长第二多量子阱结构，利用金属有机化学气相淀积设备热处理后降温进行二次外延生长。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |