掩埋异质结激光器的Mesa制备工艺_张奇.pdf

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：Mesa；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 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 level 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 Code: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 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，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腐蚀速率相当，腐蚀后的形貌如图5所示。通过干法刻蚀加湿法腐蚀的方法制备出了表面光滑平整、侧壁连续的掩埋结形貌，深度见表3。同时也对比列出了只使用HBr:H2O2:H2O腐蚀液做出的掩埋结深度均匀性数据。3英寸圆片只采用湿法腐蚀制备的Mesa深度波动高温干法刻蚀，选择比虽然有了明显提升（由2提高到了10），但是在刻蚀InP和InGaAs材料时，刻蚀侧壁不连续，其中InP层侧壁向里倾斜，与样品表张奇，等：掩埋异质结激光器的Me s a 制备工艺2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology16表3 两种工艺下Me s a 深度均匀性对比表4 两种工艺做出掩埋结圆片均匀性对比图5 H B r:H2O2:H2O 腐蚀液腐蚀后的剖面S E M图图7 制备完成的激光器剖面及掩埋结截面S E M图图6 外延后掩埋结结构S E M图（a）圆片中间 （b）圆片下侧图8 全湿法腐蚀圆片不同位置B a r 条的功率和阈值电流工艺名称项目上侧 下侧 中间 左侧 右侧纯湿法腐蚀Me s a 深度/m3.4 8 2.5 6 1.8 9 3.3 8 2.5 7有源区宽度/m 0.9 7 1.9 9 2.4 3 1.2 0 1.2 1深度均匀性/%2 9.6宽度均匀性/%4 2.9干法加湿法腐蚀Me s a 深度/m1.9 3 1.7 1 1.7 7 1.8 0 1.7 3有源区宽度/m 1.5 0 1.7 7 1.5 3 1.6 8 1.6 4深度均匀性/%6.0宽度均匀性/%8.2工艺名称指标上侧下侧中间左侧右侧全湿法腐蚀制备圆片阈值电流/mA1 6.6 81 9.3 51 3.3 21 2.2 31 2.6 7功率/mW1 0.8 73 2.7 74 7.0 45 0.3 54 9.5 4阈值电流均匀性/%2 2.5功率均匀性/%6 4.5本工艺制备圆片阈值电流/mA1 0.8 4 1 0.9 1 1.1 21 0.6 91 1.3 8功率/mW5 3.9 4 5 3.9 5 2.6 85 4.2 65 2.0 5阈值电流均匀性/%3.1功率均匀性/%2.0约30%，有源区宽度均匀性为40%,而采用干法刻蚀加湿法腐蚀制备出的掩埋结深度均匀性仅为6%，掩埋结有源区宽度均匀性约8%，可控性有了较大幅度的提升，满足设计及后续工艺要求。2 激光器的制备与测试Mesa结构制备完成后，外延InP反向PN结填充层，完成后就形成了一个完整的掩埋结结构，如图6所示。外延层形成的反向PN结，提高了对载流子的阻挡作用，降低了载流子的侧向扩展。外延工艺完成后，在p面进行隔离槽腐蚀；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；将圆片解理成900 m腔长的芯片条（Bar）进行初步测试。接着对Bar进行镀膜，出光面蒸镀发射率为20%的增透膜，另一腔面蒸镀反射率为85%的高反膜，最后进行芯片测试。制作完成的激光器及掩埋结剖面SEM检测情况如图7所示。参数，来表征圆片内工艺对芯片的影响，测试结果见表4。图8为未镀膜器件的阈值电流和在300 mA工作电流时的输出功率，全湿法制备Mesa的圆片深度均匀性较差。阈值为零芯片的LI曲线异常芯片按照通常的阈值计算算法为零，而不是真实的阈值数值。该圆片内不同位置Bar条的阈值电流和功率稳定性都较差，阈值均匀性为20%，功率均匀性只有60%。图9为采用本文工艺制备的圆片的相关数据，其深度均匀性较好，整个区域的测试参数都比较稳定，圆片内所有位置的阈值电流测试相差都不大，均匀性为3%，而功率均匀性提升到了2%。芯片数/个芯片数/个功率/mW阈值电流/mA阈值电流/mA功率/mW镀膜后器件测试的阈值电流为12 mA，300 mA注入电流下输出功率为100 mW。器件的快轴和慢轴发（a）圆片中间 （b）圆片下侧图9 本文工艺制备的圆片不同位置B a r 条的功率和阈值电流图1 0 1 5 5 0 n m大功率激光器P-I-V 曲线和远场发散角芯片数/个电流/mA芯片数/个（）功率/mW功率/mW阈值电流/mA电压/V阈值电流/mA功率/mW归一化光强掩埋结线条平滑，满足设计需求。为了排除镀膜均匀性对芯片参数的影响，检验未镀膜芯片条的将图9中的芯片进行镀膜，然后对镀膜后的单管进行P-I-V和远场发散角测试，结果如图10所示。第44卷第1期17散角分别为273/213，远场光斑分布呈近圆形，圆形光斑有利于提高光纤的耦合效率，降低封装成本。3 结论本文通过干法刻蚀加湿法腐蚀的工艺，制备出了表面光滑平整、侧壁连续的MESA结构，再利用二次外延实现掩埋结结构，3英寸圆片的深度均匀性由30%改善到6%，掩埋结有源区宽度均匀性由40%改善到8%。使用该掩埋结技术制备出了1 550 nm大功率激光器，腔长900 m，阈值电流约12 mA，在300 mA工作电流下可达100 mW的功率输出，快轴发散角为27，慢轴发散角为21，整片区域内测试参数稳定性较高，光束质量良好。参考文献1江剑平.半导体激光器M.北京:电子工业出版社,2000:81.2段利华,方亮,周勇,等.双沟平面掩埋结构SLD的液相外延生长及漏电分析J.半导体光电,2012(3):342.3唐龙谷,田坤,黄晓峰,等.基于Cl2基气体的InP/InGaAs干法刻蚀研究J.半导体光电,2009(3):396.4FURUHATA N,MIYAMOTO H,OKAMOTO A,et al.Chemical dry etching of GaAs and InP by Cl2 using a new ultrahigh vacuum dry-etching molecular-beam-epitaxy system J.J.Appl.Phys.,1989,65(1):168.5FADL A A,COLLIS W,MAANAKI S,et al.Selective etch-back and growth of InGaAs on(100)Fe:InP by electroepitacyJ.J.Electron:Materials,1990,19(1):111.（收稿日期：2022-09-09）(a)主要态移相精度 (b)6 4 态移相R MS(c)全态附加调幅相移/（）频率/G H z移相R MS/（）频率/G H z附加调幅/d B频率/G H z4 结束语采用Win GaAs PE15工艺设计了一款618 GHz数控移相器，并将其应用到了多功能芯片设计中。结合工艺器件特性及工作频段要求，对不同的移相单元选取不同的拓扑结构，并对芯片进行了整版电磁仿真，最终实现了比较好的测试结果。本次设计的移相器面积小、结构紧凑，性能优越，在雷达及电子对抗领域有着巨大的应用前景。参 考 文 献1 LI H Y,FU J S.Analysis of magnetically coupled all-pass network for phase-shifter designJ.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2014(9):2025.2 HUANG J J,LI H Y,Fu J S.A 4-bit broadband CMOS phase shifter using magnetically coupled all-pass networksC/2016 11th European Microwave Integrated Circuits Conference(EuMIC).London,UK:IEEE,2016:117.3 MAURO F,LUCA P.0.88 GHz 4-bit MMIC phase shifter for T/R modulesJ.International Journal of Microwave and Wireless Technologies,2015,7:317.（收稿日期：2022-11-26）3 测试及分析对流片加工后的多功能芯片进行在片测试，其中移相器的在片测试结果如图9所示。由于各主要态移相量在1617 GHz处均偏小，导致移相RMS误差在1617.4 GHz频带内大于3，其余频点移相RMS误差均处于3以内，移相64态附加调幅范围介于-0.8 0.8 dB之间，移相精度可通过后仿进一步优化。开关选择型全通网络结构的参考态和移相态采用的开关为同一尺寸，开关模型有偏差也不会对移相精度造成很大影响，因此移相的偏差极有可能是互感网络的仿真偏差引起，本次设计中并未放置单独的互感网络子电路，所以难以进行验证，后续改版时可增加相应的验证电路，通过测试仿真对比，反过来指导仿真设置，提高电路仿真的准确度。（上接第8 页）张奇，等：掩埋异质结激光器的Me s a 制备工艺