專利名稱：高可靠性的蝕刻小面光子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(diǎn)開口的 改進(jìn)型蝕刻小面激光器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器典型地通過在基板上以金屬有機(jī)化學(xué)蒸鍍沉積(MOCVD)或分 子束外延生長(MBE)方式生長適當(dāng)?shù)姆謱影雽?dǎo)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(jié)構(gòu)而制造于晶片上。然后用各種半導(dǎo)體加工工具加工晶片 以制造出含有源層和連接于半導(dǎo)體材料的金屬觸點(diǎn)的激光器光諧振腔。激光鏡面典 型地通過沿晶質(zhì)結(jié)構(gòu)切割半導(dǎo)體金屬而形成在激光器諧振腔的端部以界定激光器 光學(xué)諧振腔的邊或端部，從而當(dāng)偏置電壓被施加于觸點(diǎn)兩側(cè)時，所產(chǎn)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(dǎo)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(jīng)切割，它一般以小片形式出現(xiàn)，因此無法方便地使用傳統(tǒng)平版印刷技術(shù)進(jìn)-一步加 工激光器。由于使用切割小面引起的前述和其它的困難導(dǎo)致通過蝕刻形成半導(dǎo)體激光器 的鏡面的工藝的發(fā)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(jìn)一步擴(kuò)展并且在1992 年5月出版的IEEE量子電子學(xué)期刊巻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(fā)現(xiàn)由于該工藝導(dǎo)致其中在有源區(qū)的激光小面附近 的不受保護(hù)的半導(dǎo)體材料直接暴露在周圍大氣下的結(jié)構(gòu)，通過這些工藝產(chǎn)生的蝕刻 小面的可靠性低，尤其是在非密封環(huán)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(fā)明內(nèi)容由于極為需要蝕刻小面器件的高可靠性，因此提供根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)的制造 蝕刻小面半導(dǎo)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(zhì)，較佳的是通過PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)蒸鍍沉積)沉積二氧化硅。僅在必須為金屬觸點(diǎn)提供開口的那些區(qū)域中將電介質(zhì)從光子器 件除去。然后通過金屬觸點(diǎn)完全密封這些觸點(diǎn)開口。所得到的器件表現(xiàn)出高穩(wěn)定的 工作性能，即使在非密封環(huán)境中也是如此。


本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員通過參照附圖細(xì)閱下面對其實(shí)施例的詳細(xì)說明將更清楚地理解本發(fā)明的前述和附加的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中圖1示出在晶片上制造諸如激光器的光子器件的傳統(tǒng)切割小面工序； 圖2示出在晶片上制造諸如激光器的光子器件的傳統(tǒng)蝕刻小面工序； 圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的晶片上的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖4(a)、 4(b)至圖8(a)、 8(b)以橫截面形式示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的在晶片上制造 固態(tài)蝕刻小面激光器的制造步驟；圖9示出根據(jù)本發(fā)明的晶片上的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖10(a)、 10(b)至圖14(a)、 14(b)以橫截面形式示出根據(jù)本發(fā)明的制造固態(tài)蝕 刻小面激光器的制造步驟。
具體實(shí)施方式
如圖1所示的那樣，半導(dǎo)體覆蓋晶片12的機(jī)械切割是在邊緣發(fā)射二極管激光 器的腔末端界定反射鏡或小面的常規(guī)工序。在該工序中，在晶片基板上制造多個波 導(dǎo)14，涂覆金屬接觸層，并沿切割線16以機(jī)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(fā)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(cè)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(dāng)封裝的芯片32。然而，對大多數(shù)半導(dǎo)體器件而言，前面的切割工序是不精確的，因?yàn)樗蕾?半導(dǎo)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(qiáng)度的切割面，以致在切割時產(chǎn)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l所示的切割工序產(chǎn)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。另外，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(jī)械切割往往不相容于各芯片的后續(xù)處理，正如在芯片上提供器件的單 片集成所需要的。另 一種制造諸如激光器的光子器件的技術(shù)示出于圖2中的40處，其中第一步將多個波導(dǎo)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(dǎo)。然后使用基于照相平版印刷術(shù)和化學(xué)輔助離子束蝕刻(CAIBE)的工 序沿波導(dǎo)在合需位置形成小面以形成激光波導(dǎo)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(zhì)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(chǎn)量和低成本，并且允許制造具有選定長度的腔的激光器。圖2的現(xiàn)有技術(shù)制造工序更詳細(xì)地記載于1992年5月IEEE量子電子期刊28 巻1227-1231頁Behfar-Rad和S.S Wong的名為"Monolithic AIGaAs-GaAs Single Quantum-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)。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(dǎo)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(cè)向(邊一邊)和 橫向(垂直)的光學(xué)界限。橫向界限是下面的半導(dǎo)體層(將要說明)的直接結(jié) 果，而側(cè)向界限源自界定脊的蝕刻。脊附近的區(qū)域被向下蝕刻至接近半導(dǎo)體層 的有源區(qū)，這使這些區(qū)中的折射率下降并增加了側(cè)向界限?，F(xiàn)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(jìn)行說明。 在這些附圖中，沿圖3的脊60的x — x線的側(cè)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(shù)布圖步驟，附圖中示出其關(guān)鍵制造步驟。如圖4(a)、 4(b) 所示，通常是Si02層的500nm厚介電層64例如通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)蒸鍍沉積 (PECVD)被沉積在外延生長激光器結(jié)構(gòu)66上。該激光器結(jié)構(gòu)包括平行于基板44 的頂表面69的有源區(qū)68并在有源區(qū)上方和下方具有上、下被覆區(qū)70、 71。使用
旋涂(spun-on)光阻層和照相平版印刷術(shù)執(zhí)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CHF3反應(yīng)離子 蝕刻(RIE)被轉(zhuǎn)移至下面的Si02層64以形成掩模。在用氧等離子體去除光阻材 料后，Si02掩模圖案通過基于Cl2的化學(xué)輔助離子束蝕刻(CAIBE)被轉(zhuǎn)移至激光 器結(jié)構(gòu)66。 CAIBE參數(shù)可以是下列參數(shù)在0.1mA/cm2電流密度下500eV Ar+， 30ml/min的(312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Si02的4.5nm/min的噴濺速率。如圖5(a)和5(b)所示，隨后通過PECVD按順序沉積7.5nm厚SbN4層77、25nm 厚無定形Si(a -Si)層78和15nm厚Si02層79。這些層的厚度保持較小以避免面反 射率的改變。執(zhí)行制造例如圖3的脊60和62的脊圖案的第二平版印刷術(shù)，脊60示出于圖 6(a)和6(b)中。此后，CF4 RIE被用于將脊圖案轉(zhuǎn)移至PECVD Si02層64。如圖6(a) 和6(b)所示，該RIE步驟蝕穿結(jié)構(gòu)的頂上的Si3N4和a-Si層77、 78而不將這些層 從結(jié)構(gòu)的側(cè)面去除，并去除外延生長激光器結(jié)構(gòu)66的一些較小部分。在用氧等離 f體去除光阻材料后，使用另 - CAIBE步驟以在激光器結(jié)構(gòu)中形成脊60。接著沉積300nm厚的PECVD介電層84，例如Si02 (圖6(a)和6(b))并執(zhí)行 界定諸如孔86的p觸點(diǎn)孔的第三平版印刷術(shù)(圖7(a)和7(b)) 。 CF4 RIE和緩沖 HF溶劑的組合用來在Si02層64和84上開觸點(diǎn)孔；緩沖HF還從小面74和76上 i除氧化物，同時25誰厚的a -Si 78層能夠保護(hù)這些小面(緩沖HF侵蝕AlGaAs 被覆層)。下面的7.5nmSi3N4層77足夠厚以防止a-Si層78與激光器結(jié)構(gòu)的小面 直接接觸。在沒有Si3N4層的情況下，a-Si會與激光器結(jié)構(gòu)的小面形成n型摻雜并 沿這些小面形成電流泄漏路徑。然后用氧等離子體去除光阻層。然后，將晶片面朝下地放置在具有光阻層的 Si載體上，并作用氧等離子體以將任何不想要的有機(jī)材料從樣品的背側(cè)或底表面 88去除。在這之后，將其浸入HC1:H20(1: l)以露出用于金屬化的清潔表面。然后 使用熱蒸鍍以沉積含75nm的AuGeNi、 100nmAg、 150nmAu的層90以在晶片底 部形成n觸點(diǎn)。通過將其浸入丙酮而從載體去除晶片44,并在氬氛圍中以45(TC在 快速加溫退火(RTA)中退火n觸點(diǎn)1分鐘。然后執(zhí)行在晶片頂部上的p觸點(diǎn)金屬 化的單版印刷。在短暫的氧等離子體處理并將其浸入HC1: H20 (1: 1)溶劑后， 將15nmCr然后是500nm的Au的金屬層92被熱蒸鍍到激光器光腔的頂表面上。 使用丙酮除去光阻材料上不想要的金屬，并且在35(TC下在氬氣氛中使用RTA —
分鐘以退火p型觸點(diǎn)。在第一 CAIBE蝕刻中界定小面的同一電介質(zhì)掩模同樣界定第二 CAIBE步驟 中的脊并因此激光器自行對準(zhǔn)，即在小面和脊端部之間沒有失位。電介質(zhì)的布圖是 通過延伸過兩個激光器小面的脊形高度光阻材料實(shí)現(xiàn)的。這樣，任何較小的照相平 版印刷失位不會對激光器的自對準(zhǔn)產(chǎn)生不利的影響。如圖7(a)所示，在脊60的頂表面上的電介質(zhì)絕緣層84中開啟觸點(diǎn)窗86的工 序容易在蝕刻小面74和76附近從半導(dǎo)體除去保護(hù)性絕緣材料84，留下完整的光 子器件的一個區(qū)域94作為露出的半導(dǎo)體。這使未經(jīng)保護(hù)的區(qū)域受到傷害并降低最 終產(chǎn)品的可靠性。如圖9-圖14(a)、14(b)所示的本發(fā)明克服了前面的問題，其中示出了在基板102 上制造高度可靠的光子器件100的工序。如上所述，這些圖中的尺寸不必按比例繪 制。盡管本發(fā)明是針對例如圖9所示脊形激光器104描述的，然而應(yīng)當(dāng)理解也可制 造其它類型的激光器或其它光子器件。傳統(tǒng)地，基板102可以是由例如m—v類化合物或其適當(dāng)摻雜的合金形成的晶片。如作為圖9器件沿線x — x、 y — y的截面圖的圖10(a)和10(b)所示， 一系列 M 106例如通過諸如有機(jī)金屬化學(xué)蒸鍍沉積(MOCVD)或分子束外延生長(MBE) 的外延沉積被沉積在基板102的頂表面108上。這些層沿一般包括有源區(qū)112和上、 下被覆區(qū)114、 116的橫向方向形成光波導(dǎo)，如圖10(a)和10(b)所示。圖10(a)是沿 圖9的波導(dǎo)100的x — x軸得到的截面圖，而圖10(b)是沿圖9的y — y軸得到波導(dǎo) 處的截面圖。在一個例子中，半導(dǎo)體激光器光子器件結(jié)構(gòu)層106被外延生長地形成在InP 基板102上。光子結(jié)構(gòu)的上、下被覆區(qū)114、 116分別由比有源區(qū)112的系數(shù)更低 的系數(shù)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，例如InP。這些被覆區(qū)在有源區(qū)附近，它們可形成有基 于AlInGaAs的量子阱和壘勢。在上包覆層114上提供有InGaAs覆蓋層118以實(shí) 現(xiàn)歐姆接觸。盡管本例基于在InP基板上提供由激光裝置構(gòu)成的光子器件，但應(yīng)當(dāng) 理解可制造其它具有有源區(qū)的光子器件，并且可在諸如GaAs和GaN的其它基板 上形成這些器件。這些光子器件的例子是電吸附調(diào)制器和半導(dǎo)體光學(xué)放大器。在本發(fā)明的工序中，電介質(zhì)掩模層一一例如200nm厚的Si02層120——如圖 10(a)和10(b)所示那樣通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)蒸鍍沉積(PECVD)沉積在外延生長 激光器結(jié)構(gòu)106上。在圖2的晶片44上執(zhí)行例如在光阻層中界定激光器本體和小 面的第一平版印刷步驟，并釆用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)將光阻圖案轉(zhuǎn)移至下面的Si02
掩模層120。將光阻層旋涂于掩模層120、通過平版印刷掩模露出光阻材料以形成 圖案、以及隨后將圖案轉(zhuǎn)移至掩模層120的照相平版印刷步驟未予以說明，因?yàn)樗?們是傳統(tǒng)方法并且在業(yè)內(nèi)是公知的。在通過氧等離子體去除光阻材料后，層120 中的Si02圖案通過化學(xué)輔助離子束蝕刻(CABIE)被轉(zhuǎn)移至激光器結(jié)構(gòu)以形成激 光器波導(dǎo)42 (圖2)并形成具有側(cè)壁122、 124和端部小面126、 128的獨(dú)立激光器 腔100 (圖9)。執(zhí)行第二光阻平版印刷術(shù)以形成在基板上的前述激光器本體上界定一個或多 個例如脊104的脊的圖案，并且利用RIE將光阻圖案轉(zhuǎn)移至PECVD Si02掩模層 120。在用氧等離子體去除光阻材料后，使用CABIE如圖ll(a)、 ll(b)所示那樣為 激光器結(jié)構(gòu)中的每個激光器本體形成脊104。盡管僅示出一個脊104，然而應(yīng)當(dāng)理 解可較佳地在一塊基板上制造多個光子器件。例如圖2所示那樣， 一般將各自包括 多個脊形激光器的多個間隔開的波導(dǎo)42制造在晶片上，并在下面描述的加工步驟 結(jié)束后，如上所述那樣通過單片化或切割程序?qū)⑦@些波導(dǎo)分離以封裝，從而形成單 獨(dú)的光子器件。在結(jié)合圖ll(a)、 ll(b)描述形成激光器本體、小面和脊后，并且在圖2的單片 化步驟之前，如圖12(a)和12(b)所示那樣，使用PECVD沉積諸如Si02的電介質(zhì) 材料的120nm厚的鈍化層130以覆蓋包括光子器件的整個晶片。這是針對圖12(a) 中的單脊進(jìn)行說明的。此后，執(zhí)行第三平版印刷術(shù)以在光子結(jié)構(gòu)上界定p型觸點(diǎn)并 使用RIE在Si02層120和130中開啟接觸孔132，如圖13(a)和13(b)所示。隨后 使用氧等離子體去除光阻材料。執(zhí)行第四平版印刷術(shù)以為p型觸點(diǎn)界定金屬剝離圖案134,其中剝離結(jié)構(gòu)134 以平版印刷方式被界定以形成包圍觸點(diǎn)窗132的觸點(diǎn)開口 136。典型剝離結(jié)構(gòu)具有 的底切未被明顯地示出于金屬剝離圖案134中，但應(yīng)當(dāng)理解它是存在的。P型觸點(diǎn) 140隨后通過電子束蒸鍍裝置被蒸鍍到金屬剝離圖案134上并通過開口 136覆蓋觸 點(diǎn)窗132。通過去除金屬剝離圖案134的剝離步驟，不想要的金屬被去除，留下器 件的p型觸點(diǎn)140。 p觸點(diǎn)延伸過觸點(diǎn)窗132的邊并密封Si02層120、 130中的觸 點(diǎn)開口，如圖14(a)和14(b)所示。如上所述，激光器的n型觸點(diǎn)142也通過電子束 蒸鍍方法被蒸鍍在晶片的背面。應(yīng)當(dāng)理解一般在基板上制造多個光子器件。使用現(xiàn)有技術(shù)工序制造的光子器件具有低可靠性并且這些器件的性能明顯降 低，尤其是在非密封環(huán)境下數(shù)天。以本發(fā)明的工序制成的光子器件即使在非密封環(huán) 境下也表現(xiàn)為異常的可靠，并且具有可多年正常使用的突出可靠性。
本發(fā)明的導(dǎo)致光子器件可靠工作的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有技術(shù)之間的關(guān)鍵區(qū)別在于在結(jié)合圖2描述的單片化步驟前，所有半導(dǎo)體表面如圖14(a)、 14(b)所示那樣通過Si02 或金屬鈍化，并且在器件的有源區(qū)的小面附近存在不裸露或未經(jīng)保護(hù)的半導(dǎo)體。當(dāng) 稍后基板被單片化時，例如沿圖14(a)、 14(b)的單片化線144，為了分離附近的光 子結(jié)構(gòu)，在單片化線處的結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生裸露的半導(dǎo)體表面。然而，這些裸露表面一 般遠(yuǎn)離(例如離開750nm以上)設(shè)置在結(jié)構(gòu)的有源區(qū)的蝕刻小面，如單片化線144 所示。作為本工序的結(jié)果和所形成的結(jié)構(gòu)，環(huán)境中的腐蝕性和破壞性物質(zhì)無法以現(xiàn) 有技術(shù)中導(dǎo)致快速劣化的方式透過光子器件。盡管已結(jié)合較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，然而應(yīng)當(dāng)理解可根據(jù)下面權(quán)利 要求書所述那樣作出多種變化和修改而不脫離其真實(shí)精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種光子器件，包括基板；包含有源層的至少第一外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；制造于所述結(jié)構(gòu)中的至少第一蝕刻小面；在所述結(jié)構(gòu)上的至少第一電極；以及覆蓋所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在所述有源區(qū)處的所述小面的750nm范圍內(nèi)的所有表面的保護(hù)層。
2. 如權(quán)利要求l所述的器件，其特征在于，所述保護(hù)層是電介質(zhì)或金屬。
3. 如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述小面是通過諸如化學(xué)輔助離 子束蝕刻的干蝕工序形成。
4.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述基板是InP。
5.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述基板是GaAs。
6.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述基板是GaN。
7.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述器件是激光器。
8.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述器件是電吸附調(diào)制器。
9.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述器件是半導(dǎo)體光學(xué)放大器。
10,,如權(quán)利要求7所述的器件，其特征在于，所述激光器是脊形激光器。
11..一種制造光子器件的工序，包括在基板上形成包含有源層的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；干蝕所述結(jié)構(gòu)以形成具有至少一個小面的激光器；用保護(hù)性共形層覆蓋所述激光器和所述小面；在所述保護(hù)層中開啟一觸點(diǎn)窗；以及沉積一金屬層以覆蓋所述窗口并電氣接觸所述激光器。
全文摘要
半導(dǎo)體光子器件表面被覆蓋以電介質(zhì)或金屬保護(hù)層。保護(hù)層覆蓋整個器件，包括在有源區(qū)小面附近的區(qū)域，以保護(hù)裸露或未經(jīng)保護(hù)的半導(dǎo)體區(qū)，由此形成非常高可靠性蝕刻小面的光子器件。
文檔編號H01S5/00GK101160699SQ200680012475
公開日2008年4月9日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月18日
發(fā)明者A·A·貝希爾 申請人:賓奧普迪克斯股份有限公司