掩埋异质结激光器的Mesa制备工艺_张奇.pdf
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1、电子工艺技术Electronics Process Technology142023年1月第44卷第1期摘要:掩埋异质结结构的半导体激光器具有阈值低、光束质量好的优点。台面(Mesa)制作是掩埋结激光器加工过程中的一步关键工艺,采用传统的全湿法腐蚀工艺制作台面,3英寸圆片内腐蚀深度和器件输出功率水平差异较大。而采用干法刻蚀加湿法腐蚀工艺技术,制备出的台面表面光滑、侧壁连续,腐蚀深度差异为6%,最终器件输出功率水平的差异仅为2%。利用该掩埋结技术制备的1 550 nm大功率激光器均匀性有了较大提升,900 m腔长单管的阈值电流约12 mA,300 mA工作电流时功率输出100 mW。关键词:Me
2、sa;掩埋结;干法刻蚀;均匀性中图分类号:TN405文献标识码:文章编号:1001-3474(2023)01-0014-04Abstract:Buried heterojunction semiconductor lasers have the advantages of low threshold and good beam quality.Mesa fabrication is one of the key processes in the process of buried junction lasers.Using the traditional wet etching process
3、 to make mesa,the difference of the corrosion depth and output power in the 3-inch wafer is very big.However,using the dry etching and wet corrosion to make mesa,the surface is smooth and the sidewall is continuous.The difference of the depth is 6%,and the difference of the devices output power leve
4、l is only 2%.The uniformity of 1 550 nm high-power laser fabricated by the buried junction technique is improved greatly,and the threshold current of 900 m cavity single tube is about 12 mA,and the power output is 100 mW at 300 mA operating current.Keywords:Mesa;BH;dry etching;uniformity Document Co
5、de:A Article ID:1001-3474(2023)01-0014-04掩埋异质结激光器的Mesa制备工艺Mesa Preparation Process for Buried Heterojunction张奇,武艳青,刘浩,商庆杰,宋洁晶ZHANG Qi,WU Yanqing,LIU Hao,SHANG Qingjie,SONG Jiejing(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051)(The 13th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050051,China)0 引言掩埋异质结结构的半导体激光器因其良好的载流子限制和
6、光波导限制,使其具有低阈值电流、高效率、高可靠性,同时具有良好的光场模式特性和高的光纤耦合效率1。目前很多文献报道的掩埋结的制备多是选用全湿法腐蚀的方式2,湿法腐蚀虽然操作简单、成本低廉、散射损伤小,能够制备出相对平滑的波导,但是其腐蚀深度均匀性、波导宽度均匀性和重复性较差,从而可能导致器件的均匀性差,尤其是扩大圆片尺寸后全湿法工艺的这些缺点更为明显。而干法刻蚀工艺本身稳定性高,均匀性好,但是其线条平直性一般,且会带来一定的离子损伤,所以可以将二者的优势结合起来应用于掩埋结的制备。本文采用等离子体干法刻蚀加湿法腐蚀的工艺,制备出了线条平滑连续的掩埋结形貌,同时3英寸(1英寸=25.4 mm)圆
7、片的腐蚀深度和掩埋结有源区宽度的均匀性都得到了提升。作者简介:张奇(1 9 8 9-),男,硕士,毕业于中国科学院大学,工程师,主要从事半导体器件设计与工艺的研发工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.004第44卷第1期151 Me s a 制备采用金属有机物气相沉积(MOCVD)在InP衬底上外延有源材料层,依次外延生长了0.06 m的InGaAsP下限制层、InGaAs和InGaAsP的量子阱结构、0.06 m的InGaAsP上限制层、0.3 m的InP覆盖层和0.2 m的InGaAsP牺牲层。然后进行SiO2淀积,并通过光刻得到Mesa线条,选
8、择干法刻蚀加湿法腐蚀的工艺流程,制作出满足要求的Mesa结构。1.1 干法刻蚀工艺调试InP体系材料的刻蚀剂一般选择氯气或者氯化物,而相对于Cl2/N2(Ar),Cl2/CH4/H2的气体组合能使InP和InGaAs层在同种刻蚀条件下得到更好的刻蚀形貌和更小的粗糙度3。根据文献和经验首先选择刻蚀气体及其他工艺参数见表1,本文中干法刻蚀所用设备为感应耦合离子刻蚀机(Inductive Coupling Plasma,ICP),通过线圈状的天线电极将射频功率耦合至等离子中,下电极直径为205 mm,腔室高约300 mm,腔体直径约180 mm。表1 初始工艺所用气体及参数表2 干法刻蚀后Me s
9、a 深度均匀性图1 干法刻蚀后的剖面S E M图图2 高温刻蚀后的剖面S E M图图3 调整刻蚀工艺后的剖面S E M图图4 H C l:H3P O4腐蚀后的剖面S E M图项目参数项目参数刻蚀气体C l2/C H4/H2I C P 功率/W1 2 5 0流速(标况)/mL mi n-1)1 0/8/5R F 功率/W1 2 0压强/P a0.5 3温度/2 0项目上侧下侧中间左侧右侧深度/m1.1 6 21.1 6 81.1 8 41.1 6 41.1 6 8深度均匀性/%0.9 4宽度/m3.5 73.5 23.3 23.4 63.4 3宽度均匀性/%3.6 0扫描电镜(SEM)检测刻蚀形
10、貌如图1所示。刻蚀深度约1 m,在不同材料分界处线条平滑,没有明显的凹凸痕迹,同时底部相对光滑,满足多种材料干法刻蚀的要求。但是在刻蚀槽边缘有一个明显的凹槽,并且凹槽里比较粗糙,同时对于半导体材料和掩膜(SiO2)的刻蚀选择比只有2左右,相对较低。为了提高选择比,将刻蚀温度调整至200 4,刻蚀后形貌如图2所示。面的夹角为58左右,InGaAs层侧壁比较陡直,与文献4和文献5中比较类似。降低Cl2比例,Cl2流量在标况下从10 mL/min降至4 mL/min,同时调整掩膜厚度,继续刻蚀实验。刻蚀速率约0.8 m/min,刻蚀后截面如图3所示,线条连续,不同材料的侧壁陡直性都很好,角度为81,
11、上层是未刻蚀完的掩膜。3英寸圆片的深度均匀性(均匀性为最大值、最小值的差与最大值、最小值的和的比)约1%,脊宽度均匀性为3.6%,见表2。1.2 湿法腐蚀工艺调试按照干法刻蚀深度计算,已经刻蚀到了InP衬底,后续湿法腐蚀主要目的是产生横向腐蚀,实现设计台面宽度的同时,产生光滑的台面侧壁形貌。首先尝试InP选择腐蚀液HCl:H3PO4,腐蚀后使用电镜观测,形貌如图4所示。在有源区附近有一个明显的不平直区域,同时底部线条不太平滑,不利于下一步的填充物的生长,容易产生外延缺陷。下面使用非选择性腐蚀液进行湿法腐蚀。经过对比实验,使用特定配比的HBr:H2O2:H2O腐蚀液腐蚀后线条平滑且对于不同材料的
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