金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法
【專利摘要】一種金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，包括：在SOI片上刻蝕出周期性的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；在p型InP襯底上外延生長(zhǎng)III/V激光器外延片；清洗；將III/V激光器外延片和SOI片鍵合到一起，形成鍵合片；在鍵合片上表面生長(zhǎng)一SiO2層，在SiO2層表面光刻出激光器圖形，刻蝕掉圖形外的SiO2層；在制作完成后的III/V激光器外延片的表面生長(zhǎng)一層隔離層，并且在激光器諧振腔隔離層表面生長(zhǎng)一金屬覆蓋層；在底部接觸層上制作出圖形化的N型電極，使之包圍在激光器諧振腔的周圍；在底部接觸層的部分表面及III/V激光器諧振腔的表面蒸發(fā)一P型接觸電極Ti/Pt/Au，完成制備。
【專利說(shuō)明】金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，特別涉及了一種金屬完全限制的硅基混合激光器及其制備方法，該方法用于硅基光電集成領(lǐng)域，該結(jié)構(gòu)通過(guò)諧振腔端面金屬對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)反射作用，從而可以研制具有高光限制因子的鍵合III/V激光器，降低鍵合激光器的閾值，并實(shí)現(xiàn)激光從Si光波導(dǎo)輸出。
【背景技術(shù)】
[0002]光子作為信號(hào)的載體，有著帶寬高，損耗低以及抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，光子集成和光電子集成受到人們的極大重視。由于SOI波導(dǎo)對(duì)通信波長(zhǎng)的光吸收少，折射率差大以及與CMOS工藝的兼容性，已經(jīng)成為光子集成的一大平臺(tái)。
[0003]硅基光電子器件是硅基光子集成的基礎(chǔ)，目前硅基的探測(cè)器、調(diào)制器和無(wú)源器件已經(jīng)得到了極其深入的發(fā)展。然而，要完整地實(shí)現(xiàn)硅基光電集成，一個(gè)電注入室溫工作的硅基激光器是必不可少的。由于硅是一種間接帶隙材料，發(fā)光效率極低，人們寄希望于將III/
V族半導(dǎo)體材料與SOI結(jié)合起來(lái)，這樣既可以發(fā)揮半導(dǎo)體材料發(fā)光效率高的優(yōu)勢(shì)，又可以發(fā)揮SOI與CMOS工藝兼容的優(yōu)勢(shì)。由于III/V族半導(dǎo)體與硅的晶格常數(shù)不匹配，在硅上生長(zhǎng)出光學(xué)性能好的III/V族半導(dǎo)體材料難度很大。為此人們提出了鍵合技術(shù)，即將III/V族半導(dǎo)體材料與SOI材料鍵合在一起。目前主要的鍵合方法有直接鍵合法、DVS-BCB鍵合法和金屬鍵合方法。直接鍵合技術(shù)條件要求苛刻，但鍵合強(qiáng)度高，并且器件的散熱性好；金屬鍵合技術(shù)一般要求對(duì)準(zhǔn)精度高；以DVS-BCB為代表的聚合物鍵合技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于鍵合條件要求低，并且不需要對(duì)準(zhǔn)設(shè)備，容易實(shí)現(xiàn)?；谶@些鍵合技術(shù)，硅基鍵合FP腔激光器、硅基鍵合DFB和DBR單模激光器、硅基鍵合微盤(pán)和微環(huán)激光器都已經(jīng)問(wèn)世。
[0004]目前，硅基混合激光器的基本原理都是通過(guò)光場(chǎng)擴(kuò)展到SOI波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)，鍵合激光器從SOI波導(dǎo)中光輸出，但對(duì)應(yīng)的模式光限制因子就會(huì)降低,不利于實(shí)現(xiàn)低閾值激光器。本發(fā)明提出了一種金屬完全限制的硅基混合激光器結(jié)構(gòu)，并且利用鍵合技術(shù)和半導(dǎo)體激光器制作工藝制作了金屬完全限制的硅基混合激光器，該種結(jié)構(gòu)的鍵合激光器優(yōu)點(diǎn)是光場(chǎng)可以得到完全的限制，提高了鍵合激光器的光限制因子，降低了閾值，從而使得激光器性能更優(yōu)異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種金屬完全限制的硅基混合激光器結(jié)構(gòu)及其制備方法。該方法能比較簡(jiǎn)單的制作出金屬完全限制的硅基混合激光器，并且通過(guò)金屬層的限制作用，能夠使得硅基混合激光器的性能得到顯著的改善，并且能夠方便的應(yīng)用在光電集成領(lǐng)域。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為，III/V族激光器外延片生長(zhǎng)在P型InP襯底上，SOI片上刻蝕出周期性的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)鍵合技術(shù)將III/V族激光器外延片鍵合到帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI片上，再利用半導(dǎo)體制作工藝在鍵合好的鍵合片上制作出金屬完全限制的硅基混合激光器結(jié)構(gòu)。[0007]金屬完全限制的硅基混合激光器主要工作原理是激光器諧振腔兩個(gè)端面的金屬覆蓋層能夠?qū)鈭?chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)的反射作用，從而使得模式光強(qiáng)基本限制在SOI片上方的III/V激光器諧振腔中，提高了激光器的光限制因子和品質(zhì)因子，由于鍵合層的厚度很薄，光場(chǎng)完全可以通過(guò)垂直消逝波耦合的方式耦合到下方的SOI硅波導(dǎo)中，從而實(shí)現(xiàn)激光從硅波導(dǎo)中輸出。
[0008]本發(fā)明涉及到的半導(dǎo)體制作工藝主要包括鍵合技術(shù)、MOCVD技術(shù)、光刻技術(shù)、PECVD技術(shù)、ICP刻蝕技術(shù)、剝尚技術(shù)、電子束蒸發(fā)技術(shù)和濕法腐蝕技術(shù)等。
[0009]本發(fā)明提供一種金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，包括如下步驟:
[0010]步驟1:在SOI片上刻蝕出周期性的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0011]步驟2:在P型InP襯底上外延生長(zhǎng)III/V激光器外延片；
[0012]步驟3:清洗III/V激光器外延片和SOI片；
[0013]步驟4:將III/V激光器外延片和SOI片鍵合到一起，形成鍵合片，固化，并去除P型InP襯底；
[0014]步驟5:在鍵合片上表面生長(zhǎng)一 SiO2層，在SiO2層表面光刻出激光器圖形，該激光器圖形與SOI片上的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，刻蝕掉圖形外的SiO2層，刻蝕出III/V激光器諧振腔的結(jié)構(gòu)，保留III/V激光器外延片下部的部分作為底部接觸層；
[0015]步驟6:在制作完成后的III/V激光器外延片的表面生長(zhǎng)一層隔離層，并且在激光器諧振腔隔離層表面生長(zhǎng)一金屬覆蓋層，使之金屬覆蓋層完全包裹住激光器諧振腔；
[0016]步驟7:在底部接觸層上制作出圖形化的N型電極，使之包圍在激光器諧振腔的周圍；
[0017]步驟8:在底部接觸層的部分表面及III/V激光器諧振腔的表面蒸發(fā)一 P型接觸電極Ti/Pt/Au，完成制備。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于，與普通的硅基混合FP腔激光器相比，金屬完全限制的硅基混合激光器，由于激光器諧振腔的側(cè)面完全被金屬層覆蓋，光場(chǎng)通過(guò)隔離層到達(dá)金屬層上完全被反射和吸收，避免了激光從激光器諧振腔端面的散射，保證了激光完全從激光器諧振腔下方的硅波導(dǎo)中輸出；同時(shí)，金屬完全限制結(jié)構(gòu)將光場(chǎng)限制在了激光器諧振腔內(nèi)，由于金屬端面對(duì)光場(chǎng)具有強(qiáng)反射作用，從而提高了鍵合激光器的光限制因子和品質(zhì)因子，降低了工作閾值；此外，熱阻大、散熱性差是目前硅基混合激光器面臨的主要難題，本發(fā)明提出的金屬完全限制的硅基混合激光器，激光器諧振腔表面完全被金屬覆蓋，與側(cè)向只用二氧化硅隔離層或BCB限制相比，因?yàn)榻饘賹拥臒釋?dǎo)率很大，可以作為很好的熱導(dǎo)層，使得金屬完全限制的硅基混合激光器的散熱性得到改善，進(jìn)一步提高了激光器的工作溫度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]為了更加清楚的說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和【具體實(shí)施方式】來(lái)對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的描述，其中:
[0020]圖1為本發(fā)明的制備方法流程圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)截面示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)立體示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合圖1，并結(jié)合參閱圖2及圖3所示，對(duì)本發(fā)明提出的金屬完全限制的硅基混合激光器作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，包括如下步驟:
[0024]步驟1:在SOI片上刻蝕出周期性的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且該周期與制作III/V激光器的光刻版的周期對(duì)應(yīng)，以便于后期光刻時(shí)硅波導(dǎo)與III/V激光器諧振腔對(duì)準(zhǔn)，所述的SOI片結(jié)構(gòu)有三部分組成:下方的娃襯底I ;Si02層2,其位于娃襯底上方,作用是防止娃波導(dǎo)中的光從娃襯底泄露出去；頂部的娃波導(dǎo)層3,位于SiO2層2的上方,該層用于激光的低損耗傳輸，高度介于50nm_5 μ m,寬度介于50nm_10 μ m,對(duì)于不同高度和寬度的娃波導(dǎo),其對(duì)應(yīng)的激光從III/V激光器諧振腔耦合到下方的硅波導(dǎo)中的耦合效率也不同。
[0025]步驟2:利用MOCVD技術(shù)在P型InP襯底上外延生長(zhǎng)III/V激光器外延片，該III/V激光器外延片包括但不限于以下六層，P型歐姆接觸層4、上限制層5、分別限制異質(zhì)結(jié)層
6、多量子阱或體材料有源區(qū)7、分別限制異質(zhì)結(jié)層8和下限制層9，其中，歐姆接觸層4用于沉積電極，上限值層5和下限值層7對(duì)光場(chǎng)起限制作用，二者的厚度對(duì)激光器的模式分布、品質(zhì)因子和稱合效率影響很大，上限制層厚度介于200nm_3 μ m,下限制層9厚度應(yīng)在I μ m以下，有源區(qū)7用于提供光增益，產(chǎn)生激光。
[0026]步驟3:清洗III/V激光器外延片和SOI片，用有機(jī)和無(wú)機(jī)溶劑清洗，去除表面的有機(jī)物和雜志顆粒，提高鍵合片的質(zhì)量。
[0027]步驟4:利用鍵合技術(shù)將III/V激光器外延片和SOI片通過(guò)一 BCB鍵合層10鍵合在一起，形成鍵合片，在250°C的N2環(huán)境中固化一小時(shí)，并去除P型InP襯底，該BCB鍵合層4的厚度與光從III/V激光器諧振腔耦合到硅波導(dǎo)中的耦合效率和硅波導(dǎo)中激光輸出功率有關(guān)，BCB鍵合層4的厚度越大，耦合效率越低，對(duì)應(yīng)的激光輸出功率也越低，為了保證激光器產(chǎn)生的光可以高效率耦合到下方的SOI硅波導(dǎo)中，提高鍵合激光器的工作性能，SOI片硅波導(dǎo)上方的BCB厚度介于500nm以下。
[0028]步驟5:利用PECVD技術(shù)在鍵合片上表面生長(zhǎng)一 SiO2層，在SiO2層表面光刻出激光器圖形，該激光器圖形與SOI片上的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)ICP技術(shù)刻蝕掉圖形外的SiO2層，刻蝕出III/V激光器諧振腔結(jié)構(gòu)，保留III/V激光器外延片下部的部分作為底部接觸層11，再利用濕法腐蝕技術(shù)去掉剩余的SiO2 ；
[0029]步驟6:在制作完成后的III/V激光器外延片的表面利用PECVD技術(shù)生長(zhǎng)一層隔離層12，并且利用電子束蒸發(fā)技術(shù)和剝離技術(shù)在激光器諧振腔隔離層表面生長(zhǎng)一金屬覆蓋層13，使之金屬覆蓋層13完全包裹住III/V激光器諧振腔14 ;其中，所述隔離層的材料為SiO2,厚度為20nm-2 μ m，其作用是將III/V激光器諧振腔14與激光器諧振腔側(cè)面覆蓋的金屬覆蓋層7隔離開(kāi)，避免金屬覆蓋層7對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)烈吸收，該金屬覆蓋層7的厚度介于IOnm-1O μ m,該層的作用是金屬對(duì)光場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)反射作用，使得激光器的品質(zhì)因子變大，從而降低閾值；此外，III/V激光器諧振腔14兩個(gè)端面外的底部接觸層可以保留或者完全刻蝕掉，暴露出BCB鍵合層4，再覆蓋上隔離層12和金屬覆蓋層13，該種結(jié)構(gòu)的金屬覆蓋層13對(duì)可以對(duì)光場(chǎng)起到完全的限制作用，從而對(duì)光場(chǎng)的反射作用得到進(jìn)一步的提高，閾值得到更大的降低。
[0030]步驟7:利用光刻技術(shù)、電子束蒸發(fā)技術(shù)和剝離技術(shù)在底部接觸層5上制作出圖形化的N型電極15，N型電極15材料為Au/Ge/Ni，該N型電極15環(huán)繞在III/V諧振腔的周圍，并且距離諧振腔的距離小于20 μ n，從而可以使得電流較高的注入效率，同時(shí)降低了器件的電阻；
[0031]步驟8:利用光刻技術(shù)、電子束蒸發(fā)技術(shù)和剝離技術(shù)在底部接觸層5上的部分表面及III/V激光器諧振腔14的表面蒸發(fā)一 P型接觸電極16，用于電流注入，該P(yáng)型接觸電極16的材料為T(mén)i/Pt/Au。
[0032]本發(fā)明中，以上所述的【具體實(shí)施方式】中提供了一種基于DVS-BCB鍵合技術(shù)制作的金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方案，但本發(fā)明不僅局限于此，可以根據(jù)實(shí)際需求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)本發(fā)明闡述的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的更改，只要保證激光器諧振腔兩個(gè)端面完全被金屬覆蓋層覆蓋住即可。比如:
[0033]本實(shí)施案例中應(yīng)用的是DVS-BCB鍵合技術(shù)，實(shí)際也可以利用直接鍵合方式、金屬鍵合方式或其他聚合物鍵合方法將激光器外延片鍵合到圖形化的SOI片上。
[0034]本實(shí)施案例中闡述的是InP基的金屬完全限制的FP腔激光器，實(shí)際也可以是GaAs基或其他材料的半導(dǎo)體激光器。
[0035]本實(shí)施案例中闡述的是金屬完全限制的硅基FP腔混合激光器的結(jié)構(gòu)及制備方法，在案例中FP激光器諧振腔在腔長(zhǎng)方向的兩個(gè)端面和激光器諧振腔的兩個(gè)側(cè)面完全被金屬覆蓋層覆蓋，由于起主要作用的是FP腔激光器諧振腔腔長(zhǎng)方向的兩個(gè)端面，所以，在實(shí)際制作中，也可以使得只有FP腔激光器諧振腔腔長(zhǎng)方向的兩個(gè)端面被金屬覆蓋層覆蓋，兩個(gè)側(cè)面沒(méi)有金屬層覆蓋。
[0036]本實(shí)施案例中闡述的金屬完全限制的娃基混合激光器的結(jié)構(gòu)及制備方法，在激光器諧振腔表面覆蓋的隔離層和金屬覆蓋層，采用了均勻統(tǒng)一的厚度，也可以采用不同的厚度，則使得激光器諧振腔的側(cè)面和端面的隔離層厚度不同或金屬覆蓋層厚度不同，從而在激光器諧振腔兩個(gè)端面處，金屬覆蓋層對(duì)光場(chǎng)的反射作用也不同，對(duì)激光器的光限制因子、品質(zhì)因子和閾值等性能的影響也不同。
[0037]本實(shí)施案例中利用ICP技術(shù)刻蝕出腔體圖形，也可以利用半導(dǎo)體濕法腐蝕技術(shù)或二者結(jié)合的方法刻蝕出腔體。
[0038]本實(shí)施案例中是用Ti/Pt/Au作為P電極金屬，Au/Ge/Ni作為N電極金屬，也可以根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)用其他的金屬作為電極層。
[0039]本實(shí)施案例中用到的半導(dǎo)體制作加工工藝及技術(shù)，也可以利用相對(duì)應(yīng)的不同的技術(shù)，只要達(dá)到既定的要求即可。
[0040]本實(shí)施案例中隔離層和光刻掩膜層用的是SiO2，也可以用別的絕緣性材料代替，比如氮化硅等，只要使得絕緣層材料的折射率低即可。
[0041]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，包括如下步驟: 步驟1:在SOI片上刻蝕出周期性的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 步驟2:在P型InP襯底上外延生長(zhǎng)III/V激光器外延片； 步驟3:清洗III/V激光器外延片和SOI片； 步驟4:將III/V激光器外延片和SOI片鍵合到一起，形成鍵合片，固化，并去除P型InP襯底； 步驟5:在鍵合片上表面生長(zhǎng)一 SiO2層，在SiO2層表面光刻出激光器圖形，該激光器圖形與SOI片上的條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，刻蝕掉圖形外的SiO2層，刻蝕出III/V激光器諧振腔的結(jié)構(gòu)，保留ΙΙΙΛ激光器外延片下部的部分作為底部接觸層； 步驟6:在制作完成后的III/V激光器外延片的表面生長(zhǎng)一層隔離層，并且在激光器諧振腔隔離層表面生長(zhǎng)一金屬覆蓋層，使之金屬覆蓋層完全包裹住激光器諧振腔； 步驟7:在底部接觸層上制作出圖形化的N型電極，使之包圍在激光器諧振腔的周圍； 步驟8:在底部接觸層的部分表面及III/V激光器諧振腔的表面蒸發(fā)一 P型接觸電極Ti/Pt/Au，完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，其中III/V激光器外延片包括但不限于以下六層，P型歐姆接觸層、上限制層、分別限制異質(zhì)結(jié)層、多量子阱或體材料有源區(qū)、分別限制異質(zhì)結(jié)層和下限制層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，其中所述隔離層的材料為SiO2，其作用是將III/V激光器諧振腔與激光器諧振腔側(cè)面的金屬覆蓋層隔離開(kāi)，避免P型接觸電極對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)烈吸收，該P(yáng)型接觸電極對(duì)光場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)反射作用，使得激光器的品質(zhì)因子變大，從而降低閾值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，其中金屬覆蓋層的材料為T(mén)i/Pt/Au，或是Ag、Cu和Al。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，其中激光器諧振腔側(cè)面覆蓋的隔離層的厚度為20nm2 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，其中激光器諧振腔兩個(gè)端面外的底部接觸層完全刻蝕掉，再覆蓋上隔離層和金屬層，該種結(jié)構(gòu)的金屬層對(duì)光場(chǎng)起到完全的限制作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，其中所述的金屬覆蓋層的厚度為IOnm-1O μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬完全限制的硅基混合激光器的制備方法，其中N型電極環(huán)繞在諧振腔周圍，與諧振腔的距離小于20 μ m,以降低鍵合激光器的電阻。
【文檔編號(hào)】H01S5/024GK103887705SQ201410093103
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】隋少帥, 唐明英, 楊躍德, 肖金龍, 杜云, 黃永箴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所