一种窄脊条型GaAs基GaInP量子阱结构半导体激光器的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种窄脊条型GaAs基GaInP量子阱结构半导体激光器的制备方法，属 于半导体技术领域。
【背景技术】
[0002] 半导体激光器自问世以来，作为一种新型的光源，由于其体积小、功率高、寿命长、 使用方便等优点，在光存储、光通信以及国防、医疗等领域备受青睐。尤其是高功率单模激 光器有着重要的应用。在半导体激光器的生产工艺中，想要制备出侧面垂直形貌良好的 脊型结构，尤其是脊条宽度为2 μ m-5 μ m的激光器，一般采用干法刻蚀的方式。但是制备 出P型电极与脊条具有良好的欧姆接触的脊型结构，是非常的困难。为了解决这一技术难 题，一种方法是可以使用二次光刻进行套刻的方式实现，这种方式的光刻工艺窗口比较小， 而且需要的设备比较昂贵，对于线条宽度比较小的图形依然比较难实现，一般只能使电流 阻挡层的窗口宽度大于脊条的宽度；另外一种方式是光刻胶的微缩技术，先借助于光刻胶 以及预定尺寸的光刻版，利用光刻技术在衬底上面形成与掩膜版对应的第一线宽的光刻胶 图形，通过一定的方式将光刻胶的尺寸减小为第二线宽，再通过化学或者物理方法，将未有 光刻胶掩蔽的材料层有选择的移除，采用此种方式可以使电流阻挡层覆盖到第二线宽的边 缘，而不需要再次光刻，但是对于高端窄脊条激光器来说，采用干法刻蚀光刻胶很难满足刻 蚀掩膜的需要。
[0003] 在前期大线宽的半导体激光器制备工艺中，脊形结构的制备都是由传统的湿法工 艺进行的。湿法腐蚀具有腐蚀速率快，选择比高等显著优点，但同时具有各向同性的特点。 对于窄条单模激光器而言，由于特征尺寸较小，各向同性腐蚀引起的上下线宽的不一致及 特征线宽的可控性差就显得尤为突出。由于外延材料的复杂性，针对各层材料选用不同性 质的腐蚀液进行分层腐蚀，极易引起脊条盖帽的出现。
[0004] 干法刻蚀可以获得小线宽、健壁陡直的脊形波导结构。在含In材料的刻蚀中，一 般都选取较高的衬底温度或者高的射频轰击功率以利于刻蚀产物中含In卤化物的挥发及 去除，以得到较高的刻蚀速率和光滑表面。由于一般光胶难以抵受等离子轰击作用产生的 芯片表面高温，边缘线条易发生变形，甚至碳化。因此含In材料的刻蚀多选取金属或者 Si02/SiNx掩膜。为了得到好的脊形结构及脊区电流的有效注入，可采用干法结合二次光刻 进行套刻的方式实现，但这种方法却难以保证脊条两侧靠近脊条区域的阻挡层覆盖。
[0005] 中国专利CN101042536A提供了一种在半导体器件的光刻过程中缩小用于形成接 触孔的光刻胶图案的临界尺寸，从而得到临界尺寸在90nm以下的接触孔图案的方法，该专 利的主要技术是在曝光后的图形光刻胶上涂布光酸抑制剂，通过二次曝光、烘烤、显影得到 临界尺寸缩小的接触孔图案。但是，其需要在第一次曝光未显影之前进行，无法首先在衬底 上面形成与光刻版图形尺寸一致的图形。
[0006] 中国专利CN1288719C讲述了在具有第一线宽的图形光刻胶上面旋涂一化学扩散 层，扩散层内的化学物质与图形光刻胶进行化学反应，在光刻胶的表层形成一反应层，然后 将该化学反应层移除以修正图形光刻胶得到第二线宽，实现缩小图形尺寸的效果。
[0007] 上述两种方式都是通过对第一次曝光后的图形光刻胶旋涂化学物质后二次曝光、 显影达到缩小光刻胶尺寸的目的。在半导体工艺中，有些工艺步骤中需要光刻胶作为掩膜 进行一些湿法腐蚀以后，在衬底上面得到与光刻版图形尺寸一致的图形以后，再缩小掩膜 光刻胶的尺寸进行后面的工艺。如果在去除不需要的材料层以形成所需要图形的衬底上面 再旋涂其它的化学物质，可能会对没有光刻胶保护处的材料形成一定的损伤。另外，使用光 刻胶做掩膜，进行湿法腐蚀，无法形成侧面垂直形貌良好脊型结构，而且容易出现脊条的盖 帽现象。
[0008] Soohaeng Cho J. Vac. Sci. Technol.在 B23, (5)，1873，Sep/0ct2005 发表的 "Formation of vertical ridge structure in660nm laser diodes for high power single mode operation讲述了一种制备出侧面垂直形貌良好的脊型结构的方法，但是没 有讲述怎么样在脊条的上面形成一个良好的电流注入区。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术不足，本发明提供了一种窄脊条型GaAs基GaInP量子阱结构半导 体激光器的制备方法，利用本方法既可以制备出侧面垂直形貌良好的脊型结构，同时保证P 型电极与脊条形成良好的欧姆接触，尤其适用于脊型比较窄（2_5μπι)的半导体激光器。
[0010] 本发明提供了一种在外延片上面旋涂光刻胶后利用PECVD生长干法刻蚀的掩膜， 然后再选用合适的光刻版通过光刻制备需要的掩膜图形，采用干法刻蚀的方式刻蚀掉没有 保护处的掩膜和光刻胶，制备出所需要的掩膜图形以及与掩膜图形一致的光刻胶图形，而 且光刻胶图形在掩膜图形的下面，再利用干法刻蚀的方式制备出侧面垂直且形貌比较好的 脊型结构，最后生长电流阻挡层，剥离光刻胶去掉脊条上面的电流阻挡层，制备出侧面垂直 形貌良好的脊型结构。
[0011] 术语解释：
[0012] UGaAs基激光器：以AlGaAs/GaAs、GaInAsP/InP等III-V族化合物半导体及其某 些固溶体等直接带隙化合物半导体材料制备的半导体激光器。1962年9月通用电气公司 的霍尔观察到正向偏置的GaAs的相光发射，标志着世界上第一台半导体激光器的诞生。半 导体激光器的激射波长取决于材料的带隙，并且只有直接带隙的材料才能产生激射，它可 使注入的电子-空穴直接发生辐射复合，从而得到较高的电光转换效率，并且能够提供足 够大的光增益而达到激光阈值。发射波长为660nm的GalnAsP/InP激光二极管是最先取得 突破的可见激光二极管，与InP晶格匹配的异质结GalnAsP/InP、GalnAs/InP激光器覆盖 了 1. 3-1. 5 μ m近红外波段的光通信窗口。现已制出发射波长3. 5-5 μ m、8-19 μ m的InP基 GalnAs/InAlAs量子阱激光器。
[0013] 2、干法刻蚀：干法刻蚀是用等离子体进行刻蚀的技术。当气体以等离子体形式 存在时，它具备两个特点，一方面等离子体中的这些气体化学活性比常态下时要强很多，根 据被刻蚀材料的不同，选择合适的气体，就可以更快地与材料进行反应，实现刻蚀去除的目 的；另一方面，还可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使其具备一定能量，当其轰击 被刻蚀物的表面时，会将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实 现刻蚀的目的。
[0014] 3、ICP刻蚀：即感应耦合等离子体刻蚀，利用高密度等离子体引起的化学反应和 反应气体离子轰击产生的物理作用进行刻蚀，属于干法刻蚀的一种。
[0015] 4、RIE刻蚀：一种米用化学反应和物理离子轰击去除晶片表面材料的技术，属于 干法刻蚀的一种。
[0016] 5、PECVD :Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体化学气相沉 积。
[0017] 6、MOCVD :Metal_organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积。
[0018] 本发明的技术方案如下：
[0019] 一种窄脊条型GaAs基GaInP量子阱结构半导体激光器的制备方法，包括步骤如 下：
[0020] (1)生长外延层
[0021] 在GaAs衬底上利用MOCVD法自下而上依次生长η限制层、波导层、GaInP量子阱 有源区、波导层、P限制层、GaAs接触层结构，得到GaAs基外延片；
[0022] (2)旋涂光刻胶
[0023] 在外延片上面旋涂正性光刻胶形成光刻胶层，厚度为10000Α-15000Α;
[0024] (3)生长干法刻蚀掩膜
[0025] 在旋涂有光刻胶的外延片上利用PECVD工艺生长一层干法刻蚀所需要的SiO2掩 膜，厚度为3000 Α-5000Α;
[0026] (4)光刻、刻蚀图形
[0027] 在上述掩膜上旋涂一层光刻胶，光刻胶厚度为30000Α-35000Α;利用预定尺寸的 光刻版对光刻胶进行光刻得到所需要的图形，并进行坚膜或烘烤，然后采用干法刻蚀的方 法刻蚀掉没有光刻胶保护的掩膜，制备出所需要的掩膜图形以及与掩膜图形一致的光刻胶 图形，然后去掉掩膜上面的光刻胶；
[0028] (5)干法刻蚀
[0029] 采用干法刻蚀的方法，利用SiO2作为掩膜，刻蚀掉GaAs、GaInP以及AlGaInP ;
[0030] (6)生长电流阻挡层
[0031] 在制备好的样品上，利用PECVD法生长一层电流阻挡层SiO2，厚度为 1000A -2000 A;
[0032] (7)剥离电流阻挡层
[0033] 采用现有工艺剥离脊条上面光刻胶位置处的电流阻挡层，在脊条上面形成电流注 入区；
[0034] (8)最后将制备好的样品再经过沉积电极、减薄、退火以及封装等步骤制备得到 GaAs基激光器。
[0035] 根据本发明优选的，所述步骤（2)中在烘箱内90°C -IKTC下烘烤15-30min或者 热板90°C -IKTC烘烤l_4min去除光刻胶中的溶剂；
[0036] 根据本发明优选的，所述步骤（4)中对光刻得到的图形在烘箱内98°C下坚膜 20-30min 或者热板 90°C -IKTC烘烤 l_4min ;
[0037] 根据本发明优选的，所述步骤（4)、（5)中干法刻蚀方法为ICP或RIE干法刻蚀。
[0038] 本发明上述技术方案中未作详细说明和限定的，均按照半导体激光器制作的现有 技术。
[0039] 本发明的有益效果：
[0040] 1、本发明利用干法刻蚀的方法可以制备出侧面垂直形貌良好无盖帽的脊型结 构；
[0041] 2、本发明还采用剥离生长电流阻挡层的方式，能在脊条上面形