[发明专利]一种半导体器件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有锥度外延层的半导体器件的制造方法。

背景技术

光电系统包括光纤和光电半导体器件，如激光器、放大器、调制器、检测器和开关。由光纤支撑的光学模的大小和形状和光电半导体器件中的光学模有很大的不同，当在所述器件和光纤之间耦合光辐射时会导致模式不匹配，还会造成很高的光损耗。

一种可以减小这种光损耗的技术是在光电半导体器件和光纤之间设置微透镜。微透镜可以改变光电半导体器件或光纤的光学模输出的大小，但不会改变光学模的形状。另一种技术是在光电半导体器件和光纤之间设置光学模转换波导。这两种技术都要求非常高的对准公差，使得在光电系统的整个成本中对准各元件的成本占了最大的部分。

第三种可以减小耦合损耗的技术使用在光电半导体器件的有源部分和输出面之间设置具有两维带锥度的厚度形状的输出波导的光电半导体器件。输出波导的锥度可以使光电半导体器件的有源部分的较小(0.5到2.0μm)且有时十分不对称的光学模与由光纤支撑的较大(6到10μm)且圆形对称的光学模能很接近地匹配。

可以采用已知的半导体加工技术，例如光刻术或化学蚀刻来实现光电半导体器件的输出波导的侧向锥度，即在平行于基片表面的平面内的锥度。这可以在所制作器件中的晶片的外延生长后进行。在正交于所生长的外延层平面内使波导的芯层形成锥度是很困难的，需要在晶片生长过程中控制芯层的厚度。

Moerman在IEEE量子电子学精选论题第3卷第6期第1308-1320页中描述了当前采用的生产垂直的锥形和喇叭形的半导体光学波导的方法，其可以分成以下三大类：

蚀刻和再生长技术：

在这些技术中，在波导芯层沉积后晶片的外延生长停止。然后晶片从晶片生长装置中脱离，芯层进行蚀刻以形成所需的锥度外形。再将晶片置于生长装置中，在蚀刻芯层上生长出上导向层。这些技术具有如下缺点。首先，整个工艺复杂且耗时。第二，从生长装置取下部分生长的晶片以及蚀刻波导芯层会给波导带来污染，从而增加了光损耗并减小了产量。第三，这些方法的可重复性很低。在一种这样的方法例如浸蚀法中，无法对晶片的整个表面进行处理。

感应杂质无序化：

这是一种从具有均匀厚度的芯层的波导开始生产垂直锥度的波导的技术。这种技术局限在初始的均匀波导必须具有由多个量子井区域形成的芯层。锌通过上导向层扩散到波导中，穿过芯层进入到侧向位置不同的深度，即外延层平面中的位置。在锌扩散的区域，芯层的折射率降低到和导向层的折射率一样，从而可生产出垂直锥度的波导。这种技术的重复性很低，所得的波导在锌扩散的区域内具有明显的光损耗。它还受到所使用的材料系统的限制。

外延技术：

存在波导的锥度芯层和上导向层中可以在一个单一步骤中完成的多种技术。例如在芯层的生长中过程中，通过分子束外延(MBE)在由基片和下导向层组成的晶片平面内引入温度梯度，用此温度梯度来控制芯层的厚度。在此技术中很难控制三元和四元化合物在温度梯度上的组成均匀性，具有较低熔点或需要较高生长温度的所用材料具有较窄的适宜生长的温度范围。这就限制了所采用的温度梯度。

另一种外延技术是“脊部生长”。通过标准蚀刻方法在包括基片和下导向层的晶片上得到具有不同宽度的脊部。由于金属-有机物气相外延法(MOVPE)的表面扩散特性，随着脊部宽度的减小，其余波导层的生长速度提高，从而生产出具有锥度的波导。这种技术在芯层和上导向层的外延生长发生之前需要进行复杂且耗时的晶片处理。

还有一种外延技术是采用电介质孔板的孔板(shadow mask)MOVPE生长技术。在此技术中，在晶片上涂上一层带有图案的介质孔板。在MOVPE外延生长过程中，通过孔板上的孔发生沉积。沉积在孔板下方的层的侧向厚度可以通过改变孔的侧向尺寸、孔板和基片的距离以及反应器的压力来控制。这种技术包括电介质孔板生长的附加生长步骤和去除电介质孔板的附加处理工序，还包括在孔板上刻图案的处理工序，这会带来很大的延误，并可能污染表面。虽然可以用机械孔板来代替电介质孔板，但由于在MOVPE生长中反应气体的扩散长度不同，因此MOVPE生长不可避免会在锥度层中导致组成不均匀。这就使得锥度层内的折射率不均匀，对在该层内光导向有不利影响。而且，在孔板插入和取下的过程中晶片暴露在空气中，导致污染晶片。另一个缺点是在孔板上有材料沉积，孔板需要清洗或更换。

发明内容

本发明的目的是提供另外一种半导体条形光波导的制造方法。