阅读说明：本技术 一种分布式布拉格反射镜及其制作方法和设计方法 (Distributed Bragg reflector and manufacturing method and design method thereof ) 是由 曾磊 王肇中 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种分布式布拉格反射镜及其制作方法和设计方法,所述分布式布拉格反射镜的制作方法包括步骤：通过非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式,在反射镜层内形成N组高折射率对比度的两层薄膜,其中,折射率对比度大于2。相对于现有的低折射率对比度分布式布拉格反射镜采用十组甚至更多组薄膜组合实现高反射率的技术,本申请提供的分布式布拉格反射镜的制作方法,采用少量组数的薄膜即可实现高反射率,使得制造成本较低、外延工艺控制难度小。(The application relates to a distributed Bragg reflector and a manufacturing method and a design method thereof, wherein the manufacturing method of the distributed Bragg reflector comprises the following steps: and N groups of two films with high refractive index contrast are formed in the reflector layer in a mode of combining non-selective dry etching and selective wet etching, wherein the refractive index contrast is more than 2. Compared with the technology that ten groups of films or even more groups of films are combined to realize high reflectivity of the existing low-refractive-index-contrast distributed Bragg reflector, the manufacturing method of the distributed Bragg reflector provided by the application can realize high reflectivity by adopting a small number of groups of films, so that the manufacturing cost is low, and the control difficulty of an epitaxial process is small.)

一种分布式布拉格反射镜及其制作方法和设计方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种分布式布拉格反射镜及其制作方法和设计方法。

背景技术

分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflection，DBR)是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。

在平面型光电器件中，由两种折射率不同的薄膜交替构成的DBR反射镜是一种常用结构，DBR反射镜由两种折射率不同的材料构成，一般通过外延生长制造，需采用与衬底晶格匹配的材料，例如对于磷化铟(InP)衬底，可用材料有InGaAsP、InAlGaAs等。

然而，InP材料体系的折射率系数差异较小，即折射率对比度低,在制造DBR反射镜时通常需要采用数十组以上周期性四分之一波长薄膜，且高反射率薄膜与低反射率薄膜交替，才能获得高反射率的DBR反射镜，导致制造成本较高、外延工艺控制难度大。

以In_0.624Ga_0.376As_0.8P_0.2/InP组成的DBR为例，由于折射率对比度低，约为0.3，达到90％反射率需要30组In_0.624Ga_0.376As_0.8P_0.2/InP薄膜，总厚度约7μm，制造成本较高、难度大，这也是1550nm波段InP基VCSEL激光器的主要瓶颈之一。

发明内容

本申请实施例提供一种分布式布拉格反射镜的制作方法，以解决相关技术中需要采用数十组以上周期性四分之一波长薄膜才能达到高反射率的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种分布式布拉格反射镜的制作方法，其包括步骤：通过非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式，在反射镜层内形成N组高折射率对比度的两层薄膜，其中，折射率对比度大于2。

一些实施例中，所述的分布式布拉格反射镜的制作方法具体包括步骤：

在衬底上交替生长N个牺牲层和N个反射层，形成外延结构；

采用非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构进行刻蚀，直至刻蚀深度覆盖所有的牺牲层，形成腐蚀窗口；

采用选择性湿法腐蚀工艺，腐蚀所述腐蚀窗口内及周围的牺牲层，形成一填充空间；

在所述填充空间和反射层之间形成N组高折射率对比度的两层薄膜。

一些实施例中，所述在所述填充空间和反射层之间形成N组高折射率对比度的两层薄膜之前还包括步骤：在所述填充空间内填充空气、液体或凝胶中的一种。

一些实施例中，所述采用非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构进行刻蚀，直至刻蚀深度覆盖所有的牺牲层，形成腐蚀窗口的具体步骤包括：

采用光刻和非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构自上而下刻蚀至最下层的牺牲层，形成腐蚀窗口。

一些实施例中，所述采用非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构进行刻蚀，直至刻蚀深度覆盖所有的牺牲层，形成腐蚀窗口的具体步骤包括：

采用研磨和选择性湿法腐蚀工艺，去除衬底；

采用光刻和非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构自下而上刻蚀至最上层的牺牲层，形成腐蚀窗口。

一些实施例中，所述腐蚀窗口包括多个扇形区域，且相邻两个扇形区域间隔一定距离。

一些实施例中，所述在所述填充空间和反射层之间形成N组高折射率对比度的两层薄膜的具体过程为：

所述反射层形成InP薄膜，相邻两个反射层之间的填充空间形成反衬膜，N个反射层和所有的填充空间形成N组交替层叠的两层薄膜。

第二方面，本申请提供了一种分布式布拉格反射镜，使用上述分布式布拉格反射镜的制作方法制作而成。

第三方面，本申请提供了一种分布式布拉格反射镜，其包括反射镜层，所述反射镜层内形成有N组高折射率对比度的两层薄膜，其中，高折射率对比度大于2。

一些实施例中，所述反射镜层包括交替层叠设置的N个牺牲层和N个反射层，且相邻两个反射层之间形成有填充空间，所述填充空间内填充有介质，所述反射层和介质形成N组折射率对比度高的两层薄膜。

一些实施例中，所述填充空间为所述分布式布拉格反射镜的外延结构通过非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式形成。

一些实施例中，两层薄膜分别为InP薄膜和反衬膜。

一些实施例中，所述反衬膜为空气、液体或凝胶中的一种。

一些实施例中，所述分布式布拉格反射镜还包括衬底和功能层，所述反射镜层设于所述衬底和功能层之间，且所述填充空间的入口在靠近功能层的一侧。

一些实施例中，所述分布式布拉格反射镜还包括功能层，所述功能层设于所述反射镜层上，且所述填充空间的入口在远离功能层的一侧。

第四方面，本申请还提供了一种所述分布式布拉格反射镜的设计方法，包括步骤：

根据应用场景及器件设计需求，确定分布式布拉格反射镜的中心波长λ_c、以及两层薄膜在该中心波长的折射率；

根据中心波长λ_c、以及两层薄膜在该中心波长的折射率确定两层薄膜的厚度；

通过传输函数法计算得到两层薄膜的组数和反射率之间的关系，并根据反射率的需求，得到对应的两层薄膜的组数。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：采用少量组数的薄膜即可实现高反射率，使得制造成本较低、外延工艺控制难度小。

本申请实施例提供了一种分布式布拉格反射镜的制作方法，通过非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式，在反射镜层内形成N组高折射率对比度的薄膜组合，且N的数值较小，即采用少量组数的薄膜即可实现高反射率，使得制造成本较低、外延工艺控制难度小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的分布式布拉格反射镜的制作方法流程图；

图2为本申请实施例提供的第一种分布式布拉格反射镜的制作方法流程图；

图3为本申请实施例提供的第一种分布式布拉格反射镜的制作方法中外延结构的示意图；

图4为本申请实施例提供的第一种分布式布拉格反射镜的制作方法中腐蚀后的功能层的示意图；

图5为本申请实施例提供的第一种分布式布拉格反射镜的制作方法中保护膜的示意图；

图6为本申请实施例提供的第一种分布式布拉格反射镜的制作方法中腐蚀窗口的侧视图；

图7为本申请实施例提供的第一种分布式布拉格反射镜的制作方法中腐蚀窗口的俯视图；

图8为本申请实施例提供的第一种分布式布拉格反射镜的制作方法中填充空间的示意图；

图9为本申请实施例提供的第一种分布式布拉格反射镜的制作方法中填充介质的示意图；

图10为本申请实施例提供的第二种分布式布拉格反射镜的制作方法的流程图；

图11为本申请实施例提供的第二种分布式布拉格反射镜的制作方法中去除衬底后的外延结构的示意图；

图12为本申请实施例提供的第二种分布式布拉格反射镜的制作方法中腐蚀窗口的示意图；

图13为本申请实施例提供的第二种分布式布拉格反射镜的制作方法中填充空间的示意图；

图14为本申请实施例提供的第二种分布式布拉格反射镜的制作方法中填充介质的示意图；

图15为本申请实施例提供的分布式布拉格反射镜的设计方法流程图；

图16为本申请实施例提供的InP/空气组合时的反射光谱示意图。

图中：1、衬底；2、牺牲层；3、反射层；4、腐蚀窗口；5、填充空间；6、功能层；61、保护膜。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种分布式布拉格反射镜的制作方法，其包括步骤：通过非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式，在反射镜层内形成N组高折射率对比度的两层薄膜，其中，折射率对比度大于2。在本申请实施例中，由于折射率对比度大于2，N≤3，即可使所述分布式布拉格反射镜的反射率不低于90％。

具体地，本申请实施例中，所述高折射率对比度的两层薄膜由折射率大于1的半导体材料与折射率为1的空气形成，两层薄膜的折射率对比度接近于分布式反射镜膜组的上限，以InP/空气为例，折射率为3.2/1，折射率对比度Δn＝2.2；而已有的半导体分布式反射镜的膜组折射率对比度较低，以InP/InGaAs组合为例，折射率分别为3.2/3.6，折射率对比度为Δn＝0.4，需要数十组薄膜组合才能够实现90％以上的高反射率。

因此，本申请实施例中，通过非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式，在反射镜层内形成N组高折射率对比度的薄膜组合，且N的数值较小，即采用少量组数的薄膜即可实现高反射率，使得制造成本较低、外延工艺控制难度小。

参见图1所示，分布式布拉格反射镜的制作方法具体包括步骤：

S1：在衬底1上交替生长N个牺牲层2和N个反射层3，形成外延结构；

S2：采用非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构进行刻蚀，直至刻蚀深度覆盖所有的牺牲层2，形成腐蚀窗口4；

S3：采用选择性湿法腐蚀工艺，腐蚀所述腐蚀窗口4内及周围的牺牲层2，形成一填充空间5；

S4：在所述填充空间5和反射层3之间形成N组高折射率对比度的两层薄膜。

在本申请实施例中，只需在反射镜层内形成N组高折射率对比度的两层薄膜即可，在上述步骤S1～S4中，形成腐蚀窗口4和填充空间5的方式多种多样，根据实际情况进行选择即可。

更进一步地，步骤S6中在所述填充空间5和反射层3之间形成N组高折射率对比度的两层薄膜之前还包括步骤：在所述填充空间5内填充空气、液体或凝胶中的一种。采用液体或凝胶填充空隙，可以提高导热效率和机械强度，相较于空气而言可提高DBR的鲁棒性。

更进一步地，在本申请实施例中，所述采用非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构进行刻蚀，直至刻蚀深度覆盖所有的牺牲层2，形成腐蚀窗口4的具体步骤包括：

采用光刻和非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构自上而下刻蚀至最下层的牺牲层2，形成腐蚀窗口4。

对应地，参见图2所示，本申请实施例提供了第一种分布式布拉格反射镜的制作方法，其为正面工艺，具体包括步骤：

S101：在衬底1上交替生长N个牺牲层2和N个反射层3，并在最上层的反射层3上生长功能层6，形成外延结构，如图3所示，其中，N＝3；

S102：采用非选择性干法刻蚀工艺，对所述外延结构的功能层6进行刻蚀，如图4所示；

S103：在刻蚀后的功能层6上镀保护膜61，如图5所示；具体为，在功能层6的侧壁及顶部采用PECVD技术沉积一层SiO2，形成保护膜61；

S104：采用非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构进行垂直刻蚀，直至刻蚀深度覆盖所有的牺牲层2，形成腐蚀窗口4，如图6和图7所示；采用的非选择性干法刻蚀工艺可以为ICP；

S105：采用选择性湿法腐蚀工艺，腐蚀所述腐蚀窗口4内及周围的牺牲层2，形成一填充空间5，如图8所示；并在所述填充空间5和反射层3之间形成N组高折射率对比度的两层薄膜；

S106:在所述填充空间5内填充介质，所述介质为空气、液体或凝胶中的一种，如图9所示。

具体地，步骤S105中，采用的选择性湿法腐蚀工艺可以H₃PO₃：H₂O₂溶液或H₂SO₄：H₂O₂溶液可选择性腐蚀InGaAs，而不腐蚀InP。

参见图7所示，本申请实施例中，所述腐蚀窗口4包括多个扇形区域，且相邻两个扇形区域间隔一定距离。其中，腐蚀窗口4对应的区域为待腐蚀区域，相邻两个扇形区域之间为非腐蚀区域，这个非腐蚀区域为悬空支撑区。

所述扇形区域的数量可以为如图7所示的三个，也可以为多个，可以提高机械强度即可，数量在此不做限定。

更进一步地，在本申请实施例中，所述采用非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构进行刻蚀，直至刻蚀完所有的牺牲层2，形成一腐蚀窗口4的具体步骤包括：

采用研磨和选择性湿法腐蚀工艺，去除衬底1；

采用光刻和非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构自下而上刻蚀至最上层的牺牲层2，形成腐蚀窗口4。

对应地，参见图10所示，本申请实施例提供了第二种分布式布拉格反射镜的制作方法，其为背面工艺，具体包括步骤：

S201：在衬底1上交替生长N个低折射率的牺牲层2和N个高折射率的反射层3，并在最上层的反射层3上生长功能层6，形成外延结构，如图3所示，其中，N＝3；

S202：采用研磨和选择性湿法腐蚀工艺，去除衬底1，如图11所示；具体为，先通过研磨工艺将衬底1的厚度减薄至100μm以下，再采用选择性湿法腐蚀工艺，如盐酸，可以快速腐蚀InP而不腐蚀InGaAs，进而去除衬底1；

S203：采用光刻和非选择性干法刻蚀工艺，将所述外延结构自下而上垂直刻蚀至最上层的牺牲层2，形成腐蚀窗口4，如图12所示；

S204：采用选择性湿法腐蚀工艺，腐蚀所述腐蚀窗口4内及周围的的牺牲层2，形成一填充空间5，如图13所示；并在所述填充空间5和反射层3之间形成N组高折射率对比度的两层薄膜组合；

S205:在所述填充空间5内填充介质，所述介质为空气、液体或凝胶中的一种，如图14所示。

更进一步地，在本申请实施例中，在所述填充空间和反射层3之间形成N组高折射率对比度的两层薄膜的具体过程为：

所述反射层3形成InP薄膜，相邻两个反射层3之间的填充空间5形成反衬膜，N个反射层和所有的填充空间5形成N组交替层叠的两层薄膜。

本申请实施例还提供了一种分布式布拉格反射镜，使用上述分布式布拉格反射镜的制作方法制作而成。

本申请实施例还提供了一种分布式布拉格反射镜，其包括反射镜层，所述反射镜层内形成有N组高折射率对比度的两层薄膜，其中，N≤3，且所述分布式布拉格反射镜的反射率不低于90％。

更进一步地，在本申请实施例中，所述反射镜层包括交替层叠设置的N个牺牲层2和N个反射层3，且相邻两个反射层3之间形成有填充空间5，所述填充空间5内填充有介质，所述反射层3和介质形成N组折射率对比度高的两层薄膜。

更进一步地，在本申请实施例中，所述填充空间5为所述分布式布拉格反射镜的外延结构通过非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式形成。

在一些实施例中，两层薄膜分别为InP薄膜和反衬膜。所述反衬膜为空气、液体或凝胶中的一种。

参见图9所示，更进一步地，在本申请实施例中，所述分布式布拉格反射镜还包括衬底1和功能层6，所述反射镜层设于所述衬底1和功能层6之间，且所述填充空间5的入口在靠近功能层6的一侧。

参见图14所示，更进一步地，在本申请实施例中，所述的分布式布拉格反射镜，其特征在于：还包括功能层6，所述功能层6设于所述反射镜层上，且所述填充空间5的入口在远离功能层6的一侧。

本申请实施例提供的分布式布拉格反射镜，在反射镜层内形成N组高折射率对比度的两层薄膜，且N的数值较小，即采用少量组数的薄膜即可实现高反射率，使得制造成本较低、外延工艺控制难度小。

参见图15所示，本申请实施例还提供了一种分布式布拉格反射镜的设计方法，其包括步骤：

A1：根据应用场景及器件设计需求，确定分布式布拉格反射镜的中心波长λc、以及两层薄膜在该中心波长的折射率，两层薄膜在该中心波长的折射率分别记为n_InP和n_Ref；在本申请实施例中，反射层3为InP，牺牲层2为InGaAs；

A2：根据中心波长λc确定两层薄膜的厚度，两层薄膜的厚度分别为0.25λ_c/n_InP、0.25λ_c/n_Ref；两层薄膜分别为InP薄膜和反衬膜，对应地，InP薄膜的厚度为0.25λ_c/n_InP，反衬膜的厚度为0.25λ_c/n_Ref；牺牲层2的厚度和反衬膜的厚度相同，即可得到牺牲层2的厚度；

A3：通过传输函数法计算得到两层薄膜的组数和反射率之间的关系，并根据反射率的需求，得到对应的两层薄膜的组数，即得到N的参数值。

在本申请实施例中，以两层薄膜分别为InP和空气为例，设定中心波长为1.55μm，步骤A3中计算得到的两层薄膜的组数和反射率之间的关系如图16所示。

参见图16所示的1组、3组或5组InP/空气组合时的反射光谱计算结果，仅采用3组InP/空气组合即可实现90％以上的高反射率。

本申请实施例提供的分布式布拉格反射镜的设计方法，可以根据实际应用场景及器件设计需求，来确定该分布式布拉格反射镜的所有参数，其中涉及到的参数包括两层薄膜的厚度、以及两层薄膜的组数，设计方法简单，可以使得采用少量组数的薄膜即可实现高反射率。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。