一種InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括：在摻硫的InP磷化銦襯底上采用MOCVD外延生長技術依次生長緩沖層、下限制層、多量子阱有源區(qū)、上限制層和P型歐姆接觸層，構成一次外延片；對一次外延片進行刻蝕形成脊，在MOCVD反應室中采用高溫及有大流量PH3磷烷氣體保護條件下對一次外延片進行長時間的烘烤，再降到低溫條件下繼續(xù)采用MOCVD外延生長技術對脊的側(cè)面進行掩埋生長；繼續(xù)采用MOCVD外延生長技術生成高摻的覆蓋層和接觸層；通過光刻、刻蝕、濺射工藝、合金、劃片解理制作成超輻射發(fā)光二極管芯片。本發(fā)明所提供的制作方法的優(yōu)點在于：材料生長出的界面缺陷少，質(zhì)量可靠，制成的器件可靠性高，高功率，寬光譜及高溫工作表現(xiàn)。
【專利說明】
一種I nGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管芯片的制 作方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及光電技術領域，尤其涉及一種InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光 二極管芯片的制作方法。
【背景技術】
[0002] 超輻射發(fā)光二極管是一種自發(fā)將輻射光放大的器件，其發(fā)光機理是一種強激發(fā)狀 態(tài)下定向的輻射現(xiàn)象，其光電特性介于激光器與發(fā)光二極管之間，兼具激光器的高輸出功 率及發(fā)光二極管的寬光譜特性等優(yōu)點，在光纖陀螺(F0G)，光學相干層析(0CT)成像技術以 及光纖通信等領域具有著廣泛的應用。
[0003]而在超輻射發(fā)光管的波導結構設計上，通常采用脊型波導(RWG)結構，其優(yōu)點是工 藝簡單，可靠性好，但因為RWG結構是弱折射率波導，而在有源層側(cè)向，既沒有有效的光場限 制，在材料生長方向上較大的遠場發(fā)散角使得光纖耦合功率損耗較大，出纖功率較低。同時 也沒有注入電流的限制，因為泄漏電流無法控制，所以在閾值電流、遠場特性以及可靠性等 方面都沒有脊型掩埋波導結構好。
[0004] 然而，采用脊型掩埋結構，將光場模限制在掩埋發(fā)光區(qū)內(nèi)，可以較好地進行對電流 進行限制，同時形成側(cè)向的折射率導引的波導效果，制成的芯片具有更小的閾值電流、近圓 光斑、穩(wěn)定的模式和更小的熱阻，但是采用反應離子刻蝕技術及化學腐蝕方法濕法選擇性 腐蝕技術對一次外延片進行刻蝕形成脊的過程中，會刻過四元材料有源區(qū)，由于外延材料 橫向和縱向腐蝕速率的不同，且四元材料(InGaAsP)腐蝕速率相對二元材料（InP)更快;有 源區(qū)為四元材料區(qū)，隨著腐蝕深度的增加，沿脊的側(cè)面上會形成凹坑，因此造成脊的側(cè)面出 現(xiàn)不平，在對脊進行掩埋生長時很容易形成空洞，即存在缺陷，給二次外延生長質(zhì)量帶來了 困難。
[0005] 因此，提高脊型掩埋二次外延生長質(zhì)量，減少各種缺陷是提高芯片可靠性的最佳 途徑，因此脊型掩埋生長的質(zhì)量好壞最為關鍵。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種InGaAsP材料掩埋波導結 構超輻射發(fā)光二極管芯片的制作方法。該方法可應用于改進光通訊、CATV系統(tǒng)、光電技術中 掩埋結構光發(fā)射器件芯片可靠性的外延生長技術方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管 芯片的制作方法，其特征在于，包括:步驟一，采用M0CVD外延生長技術，在摻硫的InP磷化銦 襯底上依次生長N型InP緩沖層、下波導層、多量子阱發(fā)光區(qū)、上波導層和第一 P型接觸層，構 成一次外延片;步驟二，繼續(xù)采用反應離子刻蝕技術及化學腐蝕方法濕法選擇性腐蝕技術 對一次外延片進行刻蝕，蝕刻深度為1600~1800納米，形成脊的形狀;步驟三，在高溫及有 大流量PH3磷烷氣體保護條件下對一次外延片進行長時間的烘烤，再降到低溫條件下通過 選擇性生長技術在脊結構是依次生長I-InP包覆層，P-INP包覆層，N-INP包覆層，高摻的P-INP層以及高摻的P-InGaAsP層和重摻雜接觸層P+InGaAs層;步驟四，繼續(xù)采用MOCVD外延生 長技術生成高摻的覆蓋層和接觸層，完成整個外延片材料的全結構制作；以及步驟五，依次 采用光刻、刻蝕、濺射工藝形成P面電極，再磨片和濺射工藝形成N面電極，合金后劃片解理， 并對所述芯片的出光端面鍍增透膜形成1310nm超輻射發(fā)光二極管芯片，其中所述襯底為摻 S的銦化磷InP襯底;所述銦化磷InP的緩沖層的厚度為800納米;所述下波導層為InGaAsP， 厚度為80納米;所述覆蓋層為P型INP覆蓋層，厚度為180納米;所述InGaAsP覆蓋層為高摻組 份漸變的P型InGaAsP覆蓋層，厚度為180納米;所述接觸層為高摻的P型InGaAs歐姆接觸層， 厚度為350納米。
[0008] 進一步地，在步驟三中，采用M0CVD外延生長技術，其中對脊進行掩埋生長過程中， 所述高溫烘烤是在720度~730度溫度下，所述大流量PH3磷烷氣體保護其流量為300~350 毫升每分鐘，經(jīng)過長時間烘烤后再降至低溫通過選擇性生長技術在脊結構是依次生長I-InP 層，P-INP 層，N-INP 層。
[0009] 進一步地，在步驟三中，所述長時間烘烤時間為15~25分鐘。
[0010] 進一步地，在步驟三中，低溫生長I-InP包覆層，P-INP包覆層，N-INP包覆層是在 660~680度進行，其中所述I-InP包覆層為本征磷化銦INP層，厚度為200納米;所述P型包覆 層為P型磷化銦INP層，厚度為500納米;所述η型包覆層為η型INP層，厚度為750納米。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所提供的InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管 芯片的制作方法的有益效果在于:通過高溫熱處理適當?shù)丶斑^飽和的氣體保護，同時增加 處理時間的疊加，使得半導體材料表面發(fā)生更有利的質(zhì)量輸運效應，采用本發(fā)明化優(yōu)化后 的參數(shù)可以填平刻蝕形成的凹坑，使得在掩埋時脊梁側(cè)壁界面較為光滑，缺陷少。此外，發(fā) 光二極管芯片的制造工藝過程重復性好且能保證精確控制，從而可靠好并且穩(wěn)定性強。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的1310nm InGaAsP材料超福射發(fā)光二極管一次外延結構示意圖。
[0013] 圖2是本發(fā)明的按常規(guī)條件掩埋生長結構示意圖。
[0014] 圖3是本發(fā)明的優(yōu)化工藝參數(shù)后的掩埋生長完整結構示意圖。
[0015]元件說明：
[0016] 圖1:1.襯底、2.緩沖層、3.U-型層、4.多量子阱、41.量子阱、42.量子皇、5.U型層、 6.P型層；
[0017] 圖 2:7·Ι-ΙηΡ 包覆層、8.P-INP 包覆層、9.N-INP 包覆層；
[0018]圖3 :1.摻S的ΙΝΡ襯底、2. ΙΝΡ緩沖層、3. InGaAsP下限制層、4.多量子阱層、 5.1甙348?上限制層、6上型11^層、7.1-11^包覆層、8.?-1陬包覆層、9』-1陬包覆層、10.高 摻P型InP覆蓋層、11.高摻的P-InGaAsP層及重摻P-InGaAs歐姆接觸層、12.出光端、13.背光 端。
[0019] 本發(fā)明的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結合實施例，參照附圖作進一步說明。
【具體實施方式】
[0020] 以下結合說明書附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的 優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明，并且在不沖突的情況下，本發(fā) 明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0021]圖1是本發(fā)明的1310nm InGaAsP材料超輻射發(fā)光二極管一次外延結構示意圖。如 圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管芯片的制作方 法包括以下步驟：
[0022]步驟一，采用M0CVD外延生長技術，在摻硫的InP磷化銦襯底上依次生長N型InP緩 沖層、下波導層、多量子阱發(fā)光區(qū)、上波導層和第一 P型接觸層，構成一次外延片。在一個實 施例中，步驟一具體包括:先在M0CVD反應腔中將襯底1在740 °C進行烘烤，除去襯1底表面異 物。在690°C在襯底上依次生長0.8um的N型INP緩沖層(buffer)、下波導層、多量子阱發(fā)光 區(qū)、上波導層和第一 P型接觸層，構成一次外延片。
[0023]步驟二，繼續(xù)采用反應離子刻蝕技術及化學腐蝕方法濕法選擇性腐蝕技術對一次 外延片進行刻蝕，蝕刻深度為1600~1800納米，形成脊的形狀。
[0024]步驟三，在高溫及有大流量PH3磷烷氣體保護條件下對一次外延片進行長時間的 烘烤，再降到低溫條件下通過選擇性生長技術在脊結構是依次生長Ι-InP包覆層，P-INP包 覆層，N-INP包覆層，高摻的P-INP層以及高摻的P-InGaAsP層和重摻雜接觸層P+InGaAs層。 [0025]進一步地，在一個實施例中的步驟三中，采用M0CVD外延生長技術，其中對脊進行 掩埋生長過程中，所述高溫烘烤是在720度~730度溫度下，所述大流量PH3磷烷氣體保護其 流量為300~350毫升每分鐘，經(jīng)過長時間烘烤后再降至低溫通過選擇性生長技術在脊結構 是依次生長Ι-InP層，P-INP層，N-INP層。
[0026]進一步地，在一個實施例中的步驟三中，所述長時間烘烤時間為15~25分鐘。
[0027] 進一步地，在一個實施例中的步驟三中，低溫生長Ι-InP包覆層，P-INP包覆層，N-INP包覆層是在660~680度進行，其中所述Ι-InP包覆層為本征磷化銦INP層，厚度為200納 米;所述P型包覆層為P型磷化銦INP層，厚度為500納米;所述η型包覆層為η型INP層，厚度為 750納米。
[0028]請注意，對比圖2和圖3可明顯看到進行本發(fā)明的優(yōu)化工藝參數(shù)的效果，其中圖2是 本發(fā)明的按常規(guī)條件掩埋生長結構示意圖，而圖3是本發(fā)明的優(yōu)化工藝參數(shù)后的掩埋生長 完整結構不意圖。
[0029]由圖2可以看出：通過SEM(掃描電子顯微鏡）查側(cè)壁狀態(tài)，按常規(guī)條件進行掩埋生 長（即外延片清洗完畢后放置在M0CVD反應腔上升至設定溫度后直接開始生長），脊的側(cè)面 邊界仍然凹凸不平，特別是在四元材料區(qū)域有凹坑存在，平側(cè)壁沒有完全被ΙΝΡ包覆層填 平。相對地，如圖3所示，重新選用完整的一次外延片后進行脊的制作后，清洗干凈氮氣吹干 繼續(xù)放置到M0CVD反應室中，在掩埋生長前，在720度~730度高溫及有大流量ΡΗ3磷烷(300 ~350毫升/分鐘)保護條件下對一次外延片進行15~25分鐘的烘烤，再降到低溫(660~680 度)條件下材料通過選擇性生長技術依次生長Ι-InP包覆層、Ρ-ΙΝΡ包覆層、Ν-ΙΝΡ包覆層。通 過烘烤時間的不同進行多次實驗對比，如圖2、圖3和下表1所示，在優(yōu)化工藝參數(shù)后，掃描電 子顯微鏡(SEM)查看側(cè)壁狀態(tài)，脊梁側(cè)壁界面較為光滑，缺陷少。
[0030]表1在735°C時及大流量磷烷氣體保護下，側(cè)壁狀態(tài)與烘烤時間的比較
[0031]
[0032] 步驟四，繼續(xù)采用M0CVD外延生長技術生成高摻的覆蓋層(例如，高摻的P-INP層以 及高摻的P-InGaAsP層)和接觸層(例如，重摻雜接觸層P+InGaAs層），從而完成整個外延片 材料的全結構制作。
[0033] 步驟五，依次采用光刻、刻蝕、濺射工藝形成P面電極，再磨片和濺射工藝形成N面 電極，合金后劃片解理，并對所述芯片的出光端面鍍增透膜形成1310nm超輻射發(fā)光二極管 芯片。
[0034] 在上述InGaAsP材料掩埋波導結構超福射發(fā)光二極管芯片的制作方法中，所述襯 底為摻S的銦化磷InP襯底；所述銦化磷InP的緩沖層的厚度為800納米;所述下波導層為 InGaAsP，厚度為80納米;所述覆蓋層為P型INP覆蓋層，厚度為180納米;所述InGaAsP覆蓋層 為高摻組份漸變的P型InGaAsP覆蓋層，厚度為180納米;所述接觸層為高摻的P型InGaAs歐 姆接觸層，厚度為350納米。
[0035] 有利地，本發(fā)明所提供的InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管芯片的制 作方法的有益效果在于:通過高溫熱處理適當?shù)丶斑^飽和的氣體保護，同時增加處理時間 的疊加，使得半導體材料表面發(fā)生更有利的質(zhì)量輸運效應，采用本發(fā)明化優(yōu)化后的參數(shù)可 以填平刻蝕形成的凹坑，使得在掩埋時脊梁側(cè)壁界面較為光滑，缺陷少。此外，發(fā)光二極管 芯片的制造工藝過程重復性好且能保證精確控制，從而可靠好并且穩(wěn)定性強。
[0036] 以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技 術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 一種InGaAsP材料掩埋波導結構超福射發(fā)光二極管芯片的制作方法，其特征在于，包 括： 步驟一，采用MOCVD外延生長技術，在摻硫的InP磷化銦襯底上依次生長N型InP緩沖層、 下波導層、多量子阱發(fā)光區(qū)、上波導層和第一 P型接觸層，構成一次外延片； 步驟二，繼續(xù)采用反應離子刻蝕技術及化學腐蝕方法濕法選擇性腐蝕技術對一次外延 片進行刻蝕，蝕刻深度為1600~1800納米，形成脊的形狀； 步驟三，在高溫及有大流量PH3磷烷氣體保護條件下對一次外延片進行長時間的烘烤， 再降到低溫條件下通過選擇性生長技術在脊結構是依次生長I-InP包覆層，P-INP包覆層， N-INP包覆層，高摻的P-INP層以及高摻的P-InGaAsP層和重摻雜接觸層P+InGaAs層； 步驟四，繼續(xù)采用MOCVD外延生長技術生成高摻的覆蓋層和接觸層，完成整個外延片材 料的全結構制作；以及 步驟五，依次采用光刻、刻蝕、濺射工藝形成P面電極，再磨片和濺射工藝形成N面電極， 合金后劃片解理，并對所述芯片的出光端面鍍增透膜形成1310nm超輻射發(fā)光二極管芯片， 其中所述襯底為摻S的銦化磷InP襯底;所述銦化磷InP的緩沖層的厚度為800納米;所 述下波導層為InGaAsP，厚度為80納米;所述覆蓋層為P型INP覆蓋層，厚度為180納米;所述 InGaAsP覆蓋層為高摻組份漸變的P型InGaAsP覆蓋層，厚度為180納米;所述接觸層為高摻 的P型InGaAs歐姆接觸層，厚度為350納米。2. 根據(jù)權利要求1所述的InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管芯片的制作方 法，其特征在于，在步驟三中，采用MOCVD外延生長技術，其中對脊進行掩埋生長過程中，所 述高溫烘烤是在720度~730度溫度下，所述大流量PH3磷烷氣體保護其流量為300~350毫 升每分鐘，經(jīng)過長時間烘烤后再降至低溫通過選擇性生長技術在脊結構是依次生長I-InP 層，P-INP 層，N-INP 層。3. 根據(jù)權利要求2所述的InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管芯片的制作方 法，其特征在于，在步驟三中，所述長時間烘烤時間為15~25分鐘。4. 根據(jù)權利要求2所述的InGaAsP材料掩埋波導結構超輻射發(fā)光二極管芯片的制作方 法，其特征在于，在步驟三中，低溫生長I-InP包覆層，P-INP包覆層，N-INP包覆層是在660~ 680度進行，其中所述I-InP包覆層為本征磷化銦INP層，厚度為200納米;所述P型包覆層為P 型磷化銦INP層，厚度為500納米;所述η型包覆層為η型INP層，厚度為750納米。
【文檔編號】H01L33/00GK105895754SQ201610286233
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】吳瑞華, 唐琦
【申請人】武漢光安倫光電技術有限公司