波导对接结构生长方法、铝量子阱激光器及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种波导对接结构生长方法、铝量子阱激光器及其制备方法，属于半导体激光器芯片制备技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着5g商用化和高速通信的发展，对通信用的激光器提出的要求越来越高，改进用于光通信系统的半导体光器件的需求也在不断增加。为了实现非制冷运行和高速调制等高性能器件，新材料和集成技术得到了应用。如使用了无源波导对接结构的dml激光器(直接调制激光器)，集成了ld光源、ea调制器、soa光放大器的eml激光器(外调激光器)。在材料方面，相对于传统的ingaasp/inp材料，alingaas/inp在高温操作方面优势明显，这是由于较大的导带偏移和较小的价带偏移，这分别改善了qw中的电子限制和空穴密度均匀性。此外，algainas仅存在一种v元素砷，具有获得突变界面的明显优势。
3.然而，alingaas包括具有高反应性的铝。铝与空气中的氧反应强烈，alingaas表面容易氧化，因此在氧化的alingaas层上生长的界面会产生很多缺陷。同时铝还会与介电掩模(例如sin)发生反应，并在选择性生长过程中在掩模上诱导多晶。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种波导对接结构生长方法、铝量子阱激光器及其制备方法，能够解决刻蚀后alingaas有源区暴露在空气中表面容易氧化、且掩模上容易形成多晶的问题。
5.一方面，本发明提供了一种波导对接结构生长方法，所述方法包括：
6.s11、将经过刻蚀后有源层端部暴露在空气中的含铝晶片放入mocvd反应腔内部，并在所述反应腔温度达到第一温度时通入含p元素的化合物；
7.s12、将所述反应腔温度升温至第二温度，并持续烘烤所述晶片第一时长；
8.s13、向所述反应腔内以第一流量通入含卤素的化合物气体，以刻蚀掉所述有源层端部的氧化物，并向所述反应腔内通入含in元素的金属有机化合物，以在所述有源层刻蚀区域对应的缓冲层上生长inp平直层；
9.s14、将所述含卤素的化合物气体的流量减小至第三流量，并向所述反应腔内通入含ga元素的金属有机化合物和含as元素的化合物，以在所述inp平直层上生长ingaasp波导层，所述ingaasp波导层覆盖所述晶片的有源层端部。
10.可选的，所述s13具体包括：
11.s131、向所述反应腔内以第一流量通入含卤素的化合物气体，以刻蚀掉所述有源层端部的氧化物，并将所述有源层刻蚀区域对应的缓冲层底部刻蚀出凸形结构；
12.s132、将所述含卤素的化合物气体的流量减小至第二流量，并向所述反应腔内通入含in元素的金属有机化合物，以在所述凸形结构上生长inp平直层。
13.可选的，在所述s14之后，所述方法还包括：
14.s15、继续向所述反应腔内通入所述含in元素的金属有机化合物和所述含p元素的
化合物，并停止通入所述含卤素的化合物气体、所述含ga元素的金属有机化合物和所述含as元素的化合物，以在所述ingaasp波导层上生长inp盖子。
15.可选的，所述含卤素的化合物气体为含卤素的化合物悬浮在十六烷中形成的混合物，其中，含卤素的化合物为cbr4、hbr、pcl3、ascl3、hcl、ccl4和ch3cl中的任一种；
16.所述含p元素的化合物为ph3或叔丁基二氢磷；
17.所述含in元素的金属有机化合物为三甲基铟、三乙基铟和二甲基乙基铟中的任一种；
18.所述含ga元素的金属有机化合物为三甲基镓、三乙基镓和三丙基镓中的任一种；
19.所述含as元素的化合物为ash3或叔丁基二氢砷。
20.可选的，所述第一温度为300-450℃；所述第二温度为650-750℃；所述第一时长为10-30min；
21.第一流量为5.8-6.4μmol/min；第二流量为2.5-3.2μmol/min；第三流量为2.0-2.8μmol/min。
22.可选的，所述ingaasp波导层的材料为in
1-x
ga
x
asyp
1-y
，其中，0.24≤x≤0.6，0.15≤y≤0.4。
23.可选的，当所述含in元素的金属有机化合物为三甲基铟，且所述含p元素的化合物为ph3时，
24.在所述s13中，所述三甲基铟的流量为125-225ml/min；所述ph3的流量为350-700ml/min；
25.在所述s14和所述s15中，所述三甲基铟的流量为100-115ml/min；所述ph3的流量为350-700ml/min。
26.另一方面，本发明提供了一种铝量子阱激光器制备方法，所述方法包括：
27.s01、在基板上依次叠层设置缓冲层、有源层、分隔层、光栅层和光栅盖子；
28.s02、利用光刻技术将所述光栅层刻蚀成光栅结构，并形成第一刻蚀区域；
29.s03、在所述光栅盖子上设置填平层，以填平所述第一刻蚀区域；
30.s04、在所述填平层上设置第一掩膜层，并利用光刻技术对所述填平层、所述光栅盖子、所述光栅结构和所述分隔层进行刻蚀，以形成第二刻蚀区域；
31.s05、利用第一溶液对所述第二刻蚀区域对应的有源层区域进行湿法刻蚀，以形成第三刻蚀区域；
32.s06、利用第二溶液对所述第三刻蚀区域对应的缓冲层区域的上半层结构进行湿法刻蚀，至此形成有源区暴露在空气中的晶片；
33.s07、利用上述任一种所述的波导对接结构生长方法对所述晶片进行刻蚀界面氧化物去除和波导层生长，至此形成铝量子阱激光器结构。
34.可选的，所述第一溶液为硫酸双氧水溶液，其中，溶液浓度比为硫酸:双氧水:水＝1:1:5；
35.所述第二溶液为浓盐酸溶液，其中，溶液浓度比为浓盐酸:水＝3:1。
36.再一方面，本发明提供了一种铝量子阱激光器，所述铝量子阱激光器采用上述任一种所述的铝量子阱激光器制备方法制备而成。
37.本发明能产生的有益效果包括：
38.1)本发明提供的波导对接结构生长方法，在mocvd沉积前使用cbr4可以去除刻蚀界面的al氧化物，只需要控制mocvd设备升温，通气即可，操作方便，且反应全在mocvd反应腔内，全程不与空气接触。
39.2)本发明提供的波导对接结构生长方法，通过对cbr4刻蚀的研究，刻蚀结果为掩膜边缘刻蚀深度深，掩膜中间刻蚀深度浅而形成的凸字结构，通过再生长inp，可以得到平直的再生长界面，从而生长平直的波导pq，仿真模拟显示，此种方式生长的波导形状可以提高耦光功率20％以上。
40.3)本发明提供的波导对接结构生长方法，cbr4只刻蚀inp，不刻蚀al、ga和as。生成的inbr和pbr等升华去除，不会残留杂质。通过实验证明，刻蚀和再生长界面不会产生c污染，cbr4不会对光学性能产生影响；并且引入cbr4刻蚀后，掩膜上很难形成多晶。
41.4)本发明提供的波导对接结构生长方法，由于sag效应影响，in品种的增强是ga和al的2.5倍，且in的迁移时间比ga和al长，因此，通过再生长通入cbr4，可以很好的反应掉掩膜上方的in品种，使由于sag效应在掩膜边缘大量沉积的in品种被刻蚀掉，只留下参与生长波导pq的适合的量，从而生长的波导pq在掩膜边缘不会因大量的in产生大的应力和波长偏移，提高了结构的可靠性。
附图说明
42.图1为本发明实施例提供的波导对接结构生长方法流程图；
43.图2为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图一；
44.图3为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图二；
45.图4为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图三；
46.图5为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图四；
47.图6为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图五；
48.图7为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图六；
49.图8为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图七；
50.图9为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图八；
51.图10为本发明实施例提供的铝量子阱激光器制备工艺示意图九。
52.部件和附图标记列表：
53.21、基板；22、缓冲层；23、有源层；24、分隔层；25、光栅层；26、光栅盖子；27、第二掩膜层；28、第一刻蚀区域；29、填平层；30、第一掩膜层；31、第二刻蚀区域；32、第三刻蚀区域；33、第五刻蚀区域；34、第四刻蚀区域；35、凸形结构；36、inp平直层；37、波导层；38、inp盖子。
具体实施方式
54.下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
55.本发明实施例提供了波导对接结构生长方法，如图1至图10所示，所述方法包括：
56.s11、将经过刻蚀后有源层23端部暴露在空气中的含铝晶片放入mocvd反应腔内部，并在反应腔温度达到第一温度时通入含p元素的化合物。在本发明实施例中，该含p元素的化合物可以为气态的ph3，也可以为液态的叔丁基二氢磷；当选用叔丁基二氢磷时，需使
用载气(如氢气)将叔丁基二氢磷送入反应腔内。为了简单清楚的描述本发明原理，下面以气态的ph3作为含p元素的化合物为例进行说明。
57.通入ph3用于保护inp界面，防止因v/iii小导致inp解析附。
58.其中，第一温度可以为300-450℃。
59.s12、将反应腔温度升温至第二温度，并持续烘烤晶片第一时长。
60.该步骤可以使表面原子活化，为下一步的刻蚀和再生长做准备。
61.其中，第二温度可以为650-750℃；第一时长可以为10-30min。
62.s13、向反应腔内以第一流量通入含卤素的化合物气体，以刻蚀掉有源层23端部的氧化物，并向反应腔内通入含in元素的金属有机化合物，以在有源层23刻蚀区域对应的缓冲层22上生长inp平直层36。
63.本发明实施例对于含卤素的化合物气体中具体化合物类型不做限定，示例的，含卤素的化合物可以是cbr4、hbr、pcl3、ascl3、hcl、ccl4和ch3cl中的任一种。
64.所述含in元素的金属有机化合物可以为三甲基铟、三乙基铟和二甲基乙基铟中的任一种，本发明实施例对此亦不做限定。为了简单清楚的描述本发明原理，下面以cbr4作为含卤素的化合物、以三甲基铟作为含in元素的金属有机化合物为例进行说明。
65.所述s13具体包括：
66.s131、向反应腔内以第一流量通入含卤素的化合物气体，以刻蚀掉有源层23端部的氧化物，并将有源层23刻蚀区域对应的缓冲层22底部刻蚀出凸形结构35。
67.cbr4与界面的氧化物(主要为alxoy)反应，形成co2和albr3；由于cbr4存在原位选择性区域蚀刻(sae效应)，即两个掩膜边缘的间隙蚀刻速率比生长区大，因此形成掩膜边缘刻蚀深度深，生长区中间浅的凸字形inp刻蚀界面(即凸形结构35)。刻蚀时间为38-60秒。
68.其中，含卤素的化合物气体为cbr4悬浮在十六烷中形成的混合物；第一流量可以为5.8-6.4μmol/min。
69.s132、将含卤素的化合物气体的流量减小至第二流量，并向反应腔内通入含in元素的金属有机化合物，以在凸形结构35上生长inp平直层36。
70.减小cbr4流量为2.5-3.2μmol/min，只通入三甲基铟和ph3，cbr4一边刻蚀inp，其余未反应的三甲基铟和ph3生长inp平直层36，由于掩膜上方的进行表面迁移的in品种减少，sag效应减弱，掩膜边缘的inp生长速率略高于生长区(不至于过高而形成尖突)；由于步骤13形成的掩膜边缘深度深，生长区中间浅的凸形结构35，因此inp正好可以将凸形结构35刻蚀区填平。宏观观察结果为inp的生长速率略高于cbr4的刻蚀速率，因此形成光滑的、平直的面。
71.其中，三甲基铟的流量为125-225ml/min；ph3的流量为350-700ml/min。
72.s14、将含卤素的化合物气体的流量减小至第三流量，并向反应腔内通入含ga元素的金属有机化合物和含as元素的化合物，以在inp平直层36上生长ingaasp波导层37，ingaasp波导层37覆盖晶片的有源层23端部。其中，第二流量大于第三流量。
73.所述含ga元素的金属有机化合物可以为三甲基镓、三乙基镓和三丙基镓中的任一种；本发明实施例对此不做限定。
74.所述含as元素的化合物可以为气态的ash3，也可以为液态的叔丁基二氢砷；当选用叔丁基二氢砷时，需使用载气(如氢气)将叔丁基二氢砷送入反应腔内。
75.为了简单清楚的描述本发明原理，下面以三甲基镓作为含ga元素的金属有机化合物、以气态的ash3作为含as元素的化合物为例进行说明。
76.再次减小cbr4流量为2.0-2.8μmol/min，通入三甲基铟和三甲基镓、ash3，生长波导ingaasp。cbr4继续刻蚀三甲基铟，使进行表面迁移的in品种减少，sag效应减弱，只留下参与波导pq适合的量，可以生长出几乎没有尖突的ingaasp。由于没有多余的in品种并入，掩膜边缘的ingaasp不会因大量的in产生大的应力和波长偏移。
77.其中，三甲基铟的流量为100-115ml/min；ph3的流量为350-700ml/min；ingaasp波导层37的材料为in1-xgaxasyp1-y，0.24≤x≤0.6，0.15≤y≤0.4。
78.生长ingaasp波导层37所需材料为磷烷、三甲基铟、三甲基镓和砷烷，其中，
ⅴ
族元素与ⅲ族元素摩尔比为200-300。
79.在本发明实施例中，当alingaas有源区经过刻蚀暴露在空气后被氧化，随后放入mocvd反应器中，经过升温后温度稳定，高温烘烤一段时间，使界面原子活化，在v族源ph3的保护下，此时通入cbr4气体，cbr4将氧化物反应干净，生成br化物并升华，氧化物中的氧原子与c形成co2气体；cbr4的br自由基与inp的in和p结合形成可挥发的inbr3和pbr3，即cbr4将inp刻蚀。
80.其中cbr4的原位蚀刻在掩模空间限定区域(间隙)中得到增强，即sae效应。靠近掩膜的区域刻蚀速率增强，远离掩膜的区域刻蚀速率减弱。该过程类似于众所周知的sag效应(靠近掩膜区的生长速率增强，远离掩膜区的生长速率减弱)，其中蚀刻剂物质以气相和表面扩散传输到相邻的inp表面。因此会形成掩膜边缘inp深度深，其他区域深度浅的凸形结构35。
81.随后再生长inp，由于从掩膜表面到生长区转移有两种方式，表面迁移和气象扩散，表面迁移影响掩膜附近的区域，气象扩散影响更大的区域。由于in品种的表面迁移是ga品种的2.5倍左右，因此掩膜附近的in品种含量很高，生长速率很快，容易形成尖突。此时减小cbr4流量，主要用于反应掉掩膜上方迁移的in品种，使掩膜附近的sag效应减弱(只能减弱，不能完全消除)，从而使生长的inp速率减慢，但掩膜边缘的inp生长速率仍稍高于中心区域，正好将刻蚀出来的边缘深中心浅的凸形刻蚀面填平直。同理，随后继续生长ingaasp波导层37，cbr4流量再次减小，使ingaasp生长时的掩膜附近的in品种被反应掉一部分，sag效应减弱，使生长出平直无尖突的ingaasp波导层37，隔绝了易被氧化的含al材料与空气接触。
82.由于在掩模上的iii族物质从表面重新蒸发或通过迁移和扩散的方式在表面上移动。iii族原子的一部分，尤其是al，在表面与介电膜(掩膜)反应，从而在表面形成多晶核。在没有像cbr4这样的蚀刻气体的情况下，核用额外的源生长成多晶。另一方面，当引入cbr4时，掩模上的核与从cbr4分解的br自由基反应，形成iii-br化合物。因此引入cbr4刻蚀后，掩膜上很难形成多晶，从而也保证了晶片外观质量，提高了量产良率。
83.进一步的，在s14之后，所述方法还包括：
84.s15、继续向反应腔内通入含in元素的金属有机化合物和含p元素的化合物，并停止通入含卤素的化合物气体、含ga元素的金属有机化合物和含as元素的化合物，以在ingaasp波导层37上生长inp盖子38。
85.停止通入cbr4、三甲基镓和ash3，正常通入三家基铟和ph3，生长inp盖子38，完成波
导对接结构生长。其中，三甲基铟的流量为100-115ml/min；ph3的流量为350-700ml/min。
86.本发明另一实施例提供一种铝量子阱激光器制备方法，参考图2至图10所示，所述方法包括：
87.s01、在基板21上依次叠层设置缓冲层22、有源层23、分隔层24、光栅层25和光栅盖子26。
88.在硫掺杂的inp基板21上设置n型掺杂的inp缓冲层22 1000-1800nm和有源区、inp分隔层24，ingaasp光栅层25和inp光栅盖子26；其中，有源层23包括n型alingaas sch层(分离限制异质结构)80-100nm，不掺杂alingaas势垒层10-12nm和不掺杂alingaas势阱层6-8nm交替生长8-10个循环，以及p型alingaas sch层。势垒层波长为1200-1300nm，厚度10-12nm，应力为-0.15％到-0.30％，势阱层波长为1550-1650nm，厚度4-5nm，应力为 0.8％到 1.0％；有源层23的两侧边缘均为势垒层。
89.该步骤中所使用的设备为金属有机气象外延沉积设备，生长温度为750度。所使用mo源为三甲基铟、三甲基镓、三甲基铝、砷烷、磷烷，并使用氢气作为载气。
90.s02、利用光刻技术将光栅层25刻蚀成光栅结构，并形成第一刻蚀区域28。
91.使用光刻技术将需要刻蚀的区域漏出，然后采用干刻刻蚀至inp分隔层24的上方(形成第一刻蚀区域28)，形成ingaasp材料的光栅结构。
92.该步骤中所使用的光刻技术掩膜为光刻胶，厚度为2um。干刻刻蚀使用icp设备刻蚀，刻蚀时间为30秒，干刻的刻蚀气源为ch4和h2，流量分别为25-20sccm和15-20sccm。
93.s03、在光栅盖子26上设置填平层29，以填平第一刻蚀区域28。
94.使用金属有机气相外延沉积在光栅结构上沉积inp填平层29；沉积温度680-780度；inp填平层29厚度为0.30-0.35um。
95.s04、在填平层29上设置第一掩膜层30，并利用光刻技术对填平层29、光栅盖子26、光栅结构和分隔层24进行刻蚀，以形成第二刻蚀区域31。
96.使用pecvd(等离子体增强化学的气相沉积)沉积第一掩膜层30，使用光刻技术制作长方形掩膜，使用干刻技术将无掩膜区域刻蚀至alingaas材料上表面。
97.该步骤中，第一掩膜层30的材料为光刻胶和si3n4或sio
x
；使用的设备为pecvd，使用的气源为sih4和n2o，沉积温度350度，沉积厚度200-400nm。
98.该步骤中采用干刻刻蚀，使用icp设备刻蚀，刻蚀时间为5min，使用气源为ch4，h2，流量分别为25-20sccm和15-20sccm。
99.s05、利用第一溶液对第二刻蚀区域31对应的有源层23区域进行湿法刻蚀，以形成第三刻蚀区域32。
100.其中，第一溶液为硫酸双氧水溶液，其中，溶液浓度比为硫酸:双氧水:水＝1:1:5；使用硫酸双氧水溶液浸泡15秒，将有源层23刻蚀干净，露出刻蚀界面。
101.s06、利用第二溶液对第三刻蚀区域32对应的缓冲层22区域的上半层结构进行湿法刻蚀，至此形成有源区暴露在空气中的晶片。
102.再使用湿法刻蚀技术，继续向下刻蚀inp缓冲层22 200-300nm。
103.其中，第二溶液为浓盐酸溶液，其中，溶液浓度比为浓盐酸:水＝3:1，刻蚀时间为1-2min；或者，第二溶液还可以为盐酸：磷酸＝1：8。
104.s07、利用上述任一种所述的波导对接结构生长方法对所述晶片进行刻蚀界面氧
化物去除和波导层37生长，至此形成铝量子阱激光器结构。
105.以下结合附图和具体工艺步骤对本发明的具体制备方法进行详细说明。
106.本发明又一实施例提供一种铝量子阱激光器制备方法，所述方法包括：
107.工序一：如图2，在硫掺杂基板21上使用金属有机气象外延沉积生长inp缓冲层22，再生长有源层23，包括sch层，势阱层，势垒层。有源层23上再生长inp分隔层24，光栅层25和光栅盖子26。
108.工序二：如图3，使用光刻的方法，将光栅层25刻蚀成光栅结构。首先沉积第二掩膜层27，使用光刻方式将第二掩膜层27做成相应间隔的长条形，即光栅掩膜，随后进行刻蚀，使用干刻技术将第一刻蚀区域28刻蚀干净形成光栅结构。
109.工序三：如图4，使用金属有机气相外延沉积，生长inp填平层29，将工序二形成的第一刻蚀区域28填平，生长厚度0.30-0.35um。主要作用是将光栅结构固定，防止后期在反应腔内高温导致光栅结构变形。
110.工序四：如图5，首先在工序三的最上层使用pecvd生长整层siox，即第一掩膜层30，再使用光刻技术，将siox刻蚀成长条状，即siox掩膜，并漏出生长区域。再使用干刻技术，将掩膜区外的第二刻蚀区域31刻蚀干净，刻蚀到有源区顶部。
111.工序五：如图6，使用硫酸：双氧水湿法刻蚀第三刻蚀区域32，刻蚀时间15秒，漏出inp缓冲层22顶部。
112.工序六：如图7，使用盐酸：水湿法刻蚀第五刻蚀区域33，刻蚀时间1-2min，刻蚀到inp缓冲层22内部。
113.工序七：如图8，刻蚀好的晶片放入mocvd反应腔内部，升温后烘烤，随后通入cbr4，刻蚀有源区界面的氧化物，并将底面刻蚀成凸字形，刻蚀区域为第四刻蚀区域34。
114.工序八：如图9，通入三甲基铟生长inp，并减小流量继续通入cbr4，生长inp平直层36。
115.工序九：如图10，继续减少cbr4，通入三甲基铟、三甲基镓、砷烷、磷烷，生长ingaasp波导层37和inp盖子38。
116.本发明再一实施例提供一种铝量子阱激光器，所述铝量子阱激光器采用上述任一种所述的铝量子阱激光器制备方法制备而成。
117.本发明不仅解决了含铝量子阱激光器刻蚀面氧化问题，更通过对sae效应的研究，使cbr4对底部inp的刻蚀形成凸形结构35，再通过cbr4对inp sag效应的影响，成功将底面生长平直。仿真模拟显示，此种方式生长的波导形状可以提高耦光功率20％以上。
118.其次，cbr4只刻蚀inp，不刻蚀al、ga、as。生成的inbr和pbr等升华去除，不会残留杂质。刻蚀和再生长界面不会产生c污染，cbr4不会对光学性能产生影响。且沉积时，掩模上的核与从cbr4分解的br自由基反应，形成iii-br化合物。引入cbr4刻蚀后，掩膜上很难形成多晶，一定程度上保证了外观良率。最后，cbr4的sae效果，使生长的波导pq在掩膜边缘不会因大量的in产生大的应力和波长偏移，提高了结构的可靠性。
119.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。