电吸收调制激光器EML的结对准工艺研究.pdf

8 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 Research and Design 研究与设计摘要：阐述关键工序结对准工艺的实验研究，制备1 310nm的EML器件。先使用电感耦合等离子体（ICP）进行表层材料刻蚀，通过优化刻蚀气体比例和功率等工艺参数，得到垂直度较高，表面光滑的刻蚀条件。接着使用InGaAsP选择腐蚀液，通过改变湿法腐蚀工艺的浓度配比和腐蚀条件，最终得到侧壁平滑的结构，为多次外延提供了基础。采用该结对准工艺制备的1 310nm EML器件，室温下阈值电流为12mA，斜率效率为0.25W/A,100mA下的输出功率为22mW，消光比为13dB。关键词：电吸收调制激光器，结对准，干法刻蚀。中图分类号：TN248 文章编号：1674-2583(2023)07-0008-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.07.004文献引用格式：宋洁晶，张奇，李亮.电吸收调制激光器EML的结对准工艺研究J.集成电路应用,2023,40(07):8-10.而国内清华大学罗毅研究组通过同一外延层集成方案，实现了EML的调制。本文就对准工艺进行了系统研究，并取得了较大的进展2。1 掩埋结工艺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0.12m的InGaAsP下限制层，InGaAsP的量子阱结构，0.12m的InGaAsP上限制层，0.1m的InP覆盖层，0.02m的InGaAsP光栅层和0.005m的InP帽层。然后进行SiO2淀积，并通过光刻得到掩埋结图形，掩膜的刻蚀采用反应离子刻蚀机（RIE），然后使用SiO2作为掩膜进行干法刻蚀加湿法腐蚀，制作出满足要求的掩埋结构。刻蚀实验均在Oxford Instruments公司的Plasmalab System100型ICP感应耦合离子刻蚀机（ICP）上进行。采用Cl2/N2作为刻蚀气体，研究RF功率、ICP功率及不同Cl2组分的工艺条件下对InGaAsP刻蚀端面和底面的影响。根据文献和经验0 引言随着用户对虚拟现实、视频会议、智能家居、无人驾驶、网络电视等业务的需求持续高速增长，推动着我国光通信行业朝着高速、大容量和长距离的方向发展。为了提高光纤传输的容量，波分复用（WDM）系统已被广泛应用，对于低速率的WDM，激光器芯片、光纤的色散和非线性效应能够克服，但是对于40Gbps、100Gbps及更高速率的WDM技术，直接调制的半导体激光器的啁啾效应将会明显呈现，这时电吸收调制激光器由于其带宽更大、啁啾更小，更适合应用于长距离传输光纤通信系统中1。电吸收调制激光器（Electro-absorptionmodulatedLaser，EML）是将电吸收调制器（EAM）和分布反馈激光器（DFB）集成在单片芯片上，大大降低了光发射组件封装工艺的难度。但是由于实现单片集成的工艺复杂，器件的成品率和可靠性在国际上也一直是个难题，只有少数几个较大的公司掌握了该技术。例如日本的NTT公司和德国的HHI等，电吸收调制激光器EML的结对准工艺研究宋洁晶，张奇，李亮（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 050051）Abstract This paper expounds the experimental research on the key process of junction alignment technology and the preparation of 1 310nm EML devices.First,Inductively coupled plasma(ICP)was used to etch the surface material.By optimizing the etching gas ratio and power and other process parameters,the etching conditions with high perpendicularity and smooth surface were obtained.Next,InGaAsP was used to select the corrosion solution,and by changing the concentration ratio and corrosion conditions of the wet corrosion process,a smooth sidewall structure was ultimately obtained,providing a foundation for multiple epitaxy.The 1 310nm EML device fabricated by this junction alignment process has a threshold current of 12mA at room temperature,a Slope efficiency of 0.25W/A,an output power of 22mW and an extinction ratio of 13dB at 100mA.Index Terms electric absorption modulated laser,junction alignment,dry etching.Study on Junction Alignment Technology of Electroabsorption Modulation Laser EMLSONG Jiejing,ZHANG Qi,LI Liang(The 13th Research Institute of CETC,Hebei 050051,China.)作者简介：宋洁晶，中国电子科技集团公司第十三研究所，高级工程师；研究方向：微波芯片。收稿日期：2023-05-21；修回日期：2023-06-22。集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 9Research and Design 研究与设计首先选择刻蚀气体及其他工艺参数如表1所示。刻蚀后表面特别粗糙，针对不同工艺参数进行调试，当调整Cl2占整个工艺气体不同比例时，速率变化曲线如图1所示，刻蚀形貌如图2所示。随着Cl2含量增加，刻蚀速率是单调增加的，这主要是因为Cl2提供了主要的反应离子Cl+,随着Cl+的持续增加，化学反应持续进行。但是当Cl2含量过大时，物理轰击的方向性变差，导致侧壁和底面变得粗糙，产生大量“草”，所以将Cl2:N2流量比例定为10sccm:60sccm。接着验证ICP功率对刻蚀的影响，RF功率为120W，Cl2:N2=10sccm:60sccm，压强为4mTorr，温度240，不同ICP功率下的刻蚀速率基本变化不大，粗糙度也变化不大。图3所示为不同ICP功率时的刻蚀速率。该条件下，ICP功率对刻蚀速率和刻蚀相貌影响不大，说明此时腔室内的离子已经接近于理想离化状态，等离子体密度几乎不随着ICP功率的变化而变化了。接着在ICP功率为350W时，Cl2:N2=10sccm:60sccm，压强为4mTorr，温度240的工艺条件下验证RF功率能不能有效改善刻蚀形貌，取得较好的效果。图4所示为不同RF功率时的刻蚀速率。刻蚀速率随着RF功率的增加，刻蚀速率不断增加，当增加到120W以上后速率基本稳定。当RF功率由小增大时，腔室内的气体的离化、分解加速，促进表面化学反应。同时，自由电子的能量也不断增加，物理轰击作用也增强，加快了InClx等反应产物的解吸附，所以刻蚀速率不断增加，但刻蚀损伤等也同样增加，导致圆片表面粗糙度提升。当RF功率增加到一定程度以后，气体离化率稳定，这时刻蚀速率就逐渐稳定了。为了保证刻蚀侧壁和底面的形貌较好，同时兼顾刻蚀效率，将RF功率确认为40W，最佳工艺条件见表2所示。此时，刻蚀速率为200nm/min，刻蚀选择比为20，刻蚀后形貌如图5所示，侧壁陡直，底面较平滑，接着进行湿法图1 不同Cl2比例下的刻蚀速率表1 初始工艺所用气体及参数（a）Cl2:N2=10:60，Cl2占比0.14（b）Cl2:N2=10:50，Cl2占比0.17（c）Cl2:N2=10:30，Cl2占比0.25（d）Cl2:N2=10:10，Cl2占比0.5图2 不同Cl2比例刻蚀后形貌图3 不同ICP功率时的刻蚀速率 图4 不同RF功率时的刻蚀速率 表2 优化后工艺所用气体及参数10 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 Research and Design 研究与设计腐蚀。湿法腐蚀采用的是H2SO4-H2O2-H2O混合溶液，其中H2SO4为反应剂，H2O2起络合作用，H2O起缓冲作用，该腐蚀液对InGaAsP选择腐蚀，停止层为InP材料。腐蚀的作用是形成一个对接处和腐蚀面相对平滑，且重复可控3。通过对不同配比和腐蚀方式的实验验证，得到了一个最佳比例，即H2SO4:H2O2:H2O=3:1:1，最终腐蚀形貌如图6所示。2 EAM的二次外延以及器件的制备和测试EAM是一种通过半导体材料的电吸收来对光强进行调制的结构，其原理是基于Franz-Keldysh效应和量子约束Stark效应，即在调制器上加上反偏电压后其带隙能量发生改变，导带和价带的能量差变小，从而引起吸收光谱的改变。而EAM制作的关键点在于对接是否良好，量子阱是否能完成完全对接。EAM外延完成后使用InGaAsP选择腐蚀进行适当处理，SEM图如图7。对接处平滑无空洞，量子阱高度一致。接着重复上述工艺，进行隔断区填充，填充完成后，进行一阶全息光栅制作，占空比约0.5，最后进行TOP层外延，包括0.42m的InP层，0.2m的InGaAsP和0.2m的InGaAs帽层。外延工艺完成后，在P面进行脊波导制作；然后将DFB和EAM区表层材料进行电隔断，刻蚀厚度约0.5m；淀积一层SiO2，光刻、刻蚀制作出条形接触区；通过溅射方法做出P面Ti/Pt/Au，然后电镀金加厚；经减薄抛光后，N面真空蒸镀Au/Ge/Ni；接着对bar进行镀膜，出光面蒸镀发射率小于1%的增透膜，另一腔面蒸镀反射率为87%的高反膜，最后进行芯片测试。芯片外观图如图8。在工作电流为100mA时，器件稳定输出功率为22mW，阈值电流仅12mA。在EAM加电压-1.5V时，消光比约13dB，如图9所示。3 结语本文通过优化Cl2/N2刻蚀体系，包括感应耦合功率、射频功率、刻蚀气体组分等工艺参数，得到了一种InGaAsP的刻蚀方法，利用该刻蚀制备出表面平整、侧壁连续的结构。再通过特定的湿法腐蚀液进行腐蚀，外延后发现结对准缺陷较少，实现了降低损耗的目的。采用该结对准工艺制备的1 310nm EML器件，室温下阈值电流为12mA，斜率效率为0.25W/A，100mA下的输出功率为22mW，消光比为13dB。参考文献1 张亮.10Gb/sEML同轴激光发射组件的设计与实现D.辽宁:大连理工大学,2018.2孙长征,杨舒涵,熊兵等.高速电吸收调制激光器研究进展J.中国激光,2020,47(07):30-38.3晏宏洲.延伸波长InGaAs探测器台面刻蚀工艺研究D.上海:中国科学院研究生院(上海技术物理研究所),2015.图7 外延后结对准形貌图8 EML外观图图5 干法刻蚀后SEM图图图6 湿法腐蚀后SEM图（a）EAM不加电时P-I-V曲线 （b）EAM加电后P-I-V曲线图9 器件P-I-V曲线