行波电极电吸收调制器和模斑转换器集成器件的制作方法

摘要

一种行波电吸收调制器和模斑转换器集成器件的制作方法，包括：在衬底上依次生长铟磷应力缓冲层、n－1.2Q四元层、n－铟磷空间层、下分别限制层、多量子阱、上分别限制层、缺陷扩散层；生长刻蚀出氧化硅掩膜保护电吸收调制器区，磷离子注入，退火，去掉氧化硅掩膜和缺陷扩散层；在模板转换器材料区刻蚀锥形上波导和下波导；依次外延p型磷化铟薄层、p型铟镓砷磷停止层、p型磷化铟盖层和p型铟镓砷接触层；刻蚀EA区的脊结构；刻蚀EA区的绝缘平面；制作氮化钽薄膜电阻；制作p型金属欧姆接触；制作N型金属欧姆接触；制作聚酰亚胺桥；在电吸收调制器材料区上制作钛金电极结构；减薄解理，完成制作。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及行波电极结构的电吸收调制器的制作方法，特别涉及到行波电吸收调制器和模斑转换器集成器件的制作方法。

背景技术

近些年来，信息产业迅速发展，人们对网络的高速化需求越来越强烈，高频带宽度的调制器是实现系统高速化的关键器件，提高调制器的调制带宽是近年来的研究热点。采用集总型电极结构的电吸收调制器(EAM)，由于它受到了RC限制，频带宽度可能太高，一般在20GHz左右，为了得到更高的频宽，可以采用行波电极结构的电吸收调制器(以下简称TEAM)，它不同于集总式的EAM，没有电阻·电容(RC)限制，经过科学的设计可以达到40GHz或更高的带宽。

电吸收调制器是双端耦合器件，它需要有较低的插入损耗和较高的偏调容差。为了提高电吸收调制器和光纤的耦合效率有效的降低器件的插入损耗，目前主要有两种方法：1)采用分别限制层大光腔结构，在有源区的两侧或者单侧生长很厚的四元材料，并且进行重掺杂，这样电场被限制在薄的有源层中，而光场则限制在四元层和有源层中，从而提高了电吸收调制器和光纤的耦合效率。(见文献：IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS.2004.16(2)，pp.440-442.)2)集成模斑转换器。半导体模斑转换器可以几乎绝热地将有源器件的不对称的近场分布转换为对称的输入或者输出近场，这样既可以提高有源器件和光纤的耦合效率，又可以提高其偏调容差。(见文献：Semicond.Sci.Technol.，Vol.20，No.9，2005，pp.912-916)。

发明内容

本发明的目的是提供一种行波电吸收调制器和模斑转换器集成器件的制作方法，它集成了终端负载薄膜电阻，可以优化负载电阻阻值提高调制带宽。采用行波电极结构获得较高的调制带宽，集成模斑转换器提高了有源器件和光纤的耦合效率。

本发明提供一种行波电吸收调制器和模斑转换器集成器件的制作方法，其特征在于，制作过程包括如下步骤：

步骤1：在一衬底上采用金属有机气相沉积的方法依次生长铟磷应力缓冲层、n-1.2Q四元层、n-铟磷空间层、下分别限制层、多量子阱、上分别限制层、缺陷扩散层；

步骤2：在缺陷扩散层上生长一层氧化硅掩膜，用湿法刻蚀掉模板转换器材料区的氧化硅掩膜，中间形成出氧化硅图形保护电吸收调制器材料区，进行磷离子注入，退火，实现量子阱混杂，使材料带隙波长蓝移，最后用化学试剂去掉氧化硅掩膜和缺陷扩散层；

步骤3：在模板转换器材料区刻蚀模斑转换器的锥形上波导和下波导结构；

步骤4：采用金属有机气相沉积的方法在器件上依次外延p型磷化铟薄层、p型铟镓砷磷选择化学停止层、p型磷化铟盖层和p型铟镓砷接触层；

步骤5：采用化学湿法和反应离子干法刻蚀相结合的方法在电吸收调制器材料区处刻蚀脊结构；

步骤6：在电吸收调制器材料区采用湿法刻蚀到衬底，形成绝缘平面，作为行波电极微波传输线输入、输出部分绝缘介质；

步骤7：在衬底的绝缘平面的一侧边上采用带胶剥离的方法制作氮化钽薄膜电阻；

步骤8：在脊结构上采用带胶剥离的方法制作p型金属欧姆接触；

步骤9：在电吸收调制器材料区上的脊结构的两侧采用带胶剥离的方法制作N型金属欧姆接触；

步骤10：在电吸收调制器材料区上制作聚酰亚胺桥；

步骤11：在电吸收调制器材料区上制作钛金行波电极结构；

步骤12：减薄解理，完成整个器件的制作。

其中所述的衬底为半绝缘磷化铟衬底。

其中所述的i-铟磷缺陷扩散层的厚度为200nm。

其中所述的多量子阱的材料为铟镓砷磷。

其中所述的锥形上波导是采用反应离子干法刻蚀的方法，该锥形上波导的宽度从3μm线性减少到0μm；下波导采用湿法刻蚀的方法，其宽度为6μm。

其中所述的氮化钽薄膜电阻，其面电阻值为50Ω/□，通过调节薄膜电阻的宽度，可以实现50、40、30、20欧姆不同阻值的负载电阻。

其中所述的缺陷扩散层的材料为i-磷化铟。

附图说明

为了进一步说明本发明的方法，下面结合附图和具体实施例对本发明具体说明，其中：

图1是一次外延后的截面图；

图2是P离子注入的立体示意图；

图3是光斑模式转换器的双波导结构的立体示意图；

图4是二次外延后的截面图；

图5是调制器区脊刻蚀示意图；

图6是P、N欧姆接触和薄膜电阻以及聚酰亚胺桥制作俯视图；

图7是器件制作完成后的俯视图。

具体实施方式

图1是一次外延后的截面图。采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法在衬底1上生长500nm厚的InP应力缓冲层2，它主要是调节晶格失配，然后在其上依次生长：n-1.2Q四元层3的厚度为50nm，该n-1.2Q四元层3做为模斑转换器的下波导的高折射率层；n-InP空间层4的厚度为0.25μm，该层需要重掺杂，因为N欧姆接触层要在其上制作；下分别限制层5的厚度为100nm，该层为了限制光场；InGaAsP多量子阱6；上分别限制层7的厚度为100nm，该层的作用和上分别限制层一样；缺陷扩散层8的厚度为200nm。采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)，生长4000的二氧化硅(SiO₂)掩膜9。

图2是P离子注入的立体示意图。刻蚀掉模板转换器材料区10的SiO₂，只留下电吸收调制器材料区11的SiO₂掩膜9，它的作用是在离子注入过程中保护电吸收调制器材料区11，使得此区材料表面不会被离子注入引入缺陷，而模板转换器材料区10则由于没有SiO₂掩膜9的保护，能量为50KeV，剂量为1×10¹⁴cm^-2的P离子注入到材料表面，缺陷扩散层8被离子注入引入缺陷，在随后的快速退火过程中，缺陷从缺陷扩散层8扩散到上分别限制层7和多量子阱6，改变了多量子阱6的能带结构，使模板转换器材料区10的材料带隙波长相对于电吸收调制器材料区11发生了“蓝移”现象，这就是离子注入诱导的量子阱混杂效应。这样做的目的是使模板转换器材料区10的材料带隙能大于电吸收调制器材料区11材料，这样波长略长于电吸收调制器材料区11材料带隙波长的输入光在模板转换器材料区10中传播时有很小的吸收，降低器件的插入损耗，最后用氢氟酸去掉氧化硅掩膜9，用盐酸和水的4∶1溶液腐蚀掉缺陷扩散层8。

图3是光斑模式转换器的的双波导结构立体示意图。利用反应离子刻蚀刻出锥形上波导结构12，刻蚀条件为：Ar∶CH4∶H2＝5∶18∶45，100W，6分钟，刻蚀深度为300nm，然后湿法腐蚀出下波导结构13，刻蚀条件为：液溴，10秒，刻蚀深度为800nm，双波导结构的光斑模式转换器可以几乎绝热的将有源器件的不对称的近场分布转换为对称的输入或者输出近场，有效地提高有源器件和光纤的耦合效率。

图4是随后进行二次外延，依次是p型磷化铟薄层14、p型铟镓砷磷选择化学停止层15、p型磷化铟盖层16和p型铟镓砷接触层17。为了有效的控制刻蚀调制器脊结构18的深度，刻蚀需要两步进行，首先采用选择性的腐蚀液腐蚀到p型铟镓砷磷选择化学停止层15，选择化学停止层15的作用是阻挡选择性的腐蚀液继续腐蚀，控制调制器脊结构18的深度。p型磷化铟薄层14和p型磷化铟盖层16起到了电流通路和对多量子阱6的折射率限制作用。p型铟镓砷接触层17的作用是降低金属和器件的接触电阻。

图5调制器区脊刻蚀示意图，为了有效的控制刻蚀调制器脊结构18的深度，刻蚀需要两步进行，首先采用选择性的腐蚀液腐蚀到p型铟镓砷磷选择化学停止层15，然后采用反应离子刻蚀刻到n-InP空间层4，刻蚀条件为：Ar∶CH4∶H2＝5∶18∶45，100W，8分钟30秒，刻蚀深度为500nm以上，必须保证刻蚀到n-InP空间层4，因为N金属欧姆接触层22必须作在电导通的n-InP空间层4，这样才能使器件能够正常工作。

图6是P、N欧姆接触和薄膜电阻以及聚酰亚胺桥制作俯视图，首先在电吸收调制器材料区11区采用湿法刻蚀到衬底1，形成绝缘平面20，作为行波电极微波传输线输入、输出部分绝缘介质；然后采用带胶剥离(lift-off)方法制做出氮化钽薄膜电阻19，氮化钽的厚度为1000其面电阻值为50Ω/□，通过调节薄膜电阻的宽度，可以实现50、40、30、20Q等不同阻值的负载电阻，这样可以通过改变负载电阻阻值来优化调制带宽。同样采用带胶剥离(lift-off)方法在调制器脊结构18上制作厚度为1000的p型Au/Zn欧姆接触层21，在调制器脊结构18的两侧制作厚度2000的N型Au/Ge/Ni欧姆接触层22。它们的作用是减小金属电极和材料的接触电阻。接下来在调制器脊结构18上作聚酰亚胺桥23，注意一定要露出调制器脊结构18上的p型Au/Zn欧姆接触层21，聚酰亚胺需要360℃高温固化50分钟，聚酰亚胺桥23的作用是为后来的钛金电极24提供电绝缘，同时缓和了调制器脊结构18的高度差，使得钛金电极24在脊台上平滑、连续。

图7是器件制作完成后的俯视图，整个电极图形如图所示，采用溅射方法生长5000钛金电极17，然后刻蚀出行波电极图形。该电极在输入输出的部分设计的特征阻抗为50Ω，一端直接在绝缘平面20上，作为微波输入端，一端压在氮化钽薄膜电阻19上，形成负载电阻电路。

综上所述，本发明的制作方法为：

1)在一衬底1上采用金属有机气相沉积的方法依次生长铟磷应力缓冲层2、n-1.2Q四元层3、n-铟磷空间层4、下分别限制层5、多量子阱6、上分别限制层7、缺陷扩散层8；

2)生长一层氧化硅掩膜9，用湿法刻蚀掉模板转换器材料区10的氧化硅掩膜，中间形成出氧化硅图形保护电吸收调制器材料区11，进行磷离子注入，退火，实现量子阱混杂，使材料带隙波长蓝移，最后用化学试剂去掉氧化硅掩膜9和缺陷扩散层8；

3)在模板转换器材料区10刻蚀模斑转换器的锥形上波导12和下波导13结构；

4)采用金属有机气相沉积的方法在器件上依次外延p型磷化铟薄层14、p型铟镓砷磷选择化学停止层15、p型磷化铟盖层16和p型铟镓砷接触层17；

5)采用化学湿法和反应离子干法刻蚀相结合的方法在处刻蚀脊结构18；

6)在电吸收调制器材料区11区采用湿法刻蚀到衬底1，形成绝缘平面20，作为行波电极微波传输线输入、输出部分绝缘介质；

7)在衬底1的绝缘平面的一侧边上采用带胶剥离的方法制作氮化钽薄膜电阻19；

8)在脊结构18上采用带胶剥离的方法制作p型金属欧姆接触21；

9)在电吸收调制器材料区11上的脊结构18的两侧采用带胶剥离的方法制作N型金属欧姆接触22；

10)在电吸收调制器材料区11上制作聚酰亚胺桥23；

11)在电吸收调制器材料11上制作钛金行波电极结构24；

12)减薄解理，完成整个器件的制作。

本发明的优点在于：

采用行波电极结构，电吸收调制器的调制带宽没有RC限制，可以实现40GHz或更高的调制带宽。电极结构经过模拟计算，有效的降低的器件的微波传输损耗和反射损耗。

电吸收调制器的两端集成了模斑转换器可以几乎绝热地将有源器件的不对称的近场分布转换为对称的输入或者输出近场，这样既可以提高有源器件和光纤的耦合效率，又可以提高其偏调容差，从而有效的减小器件的插入损耗。

器件把微波输出端的负载电阻集成到器件上，可以通过改变薄膜电阻的条宽改变阻值，因此，可以通过降低负载电阻阻值来优化调制器调制带宽。

器件制作只需要两次外延、工艺简单可行，制作成本低。