CN101997270A

CN101997270A - 硅基化合物半导体激光器的制作方法

Info

Publication number: CN101997270A
Application number: CN2009100914030A
Authority: CN
Inventors: 于丽娟; 杜云; 赵烘泉; 黄永箴
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-03-30

Abstract

一种硅基化合物半导体激光器的制作方法，包括：在N型磷化铟衬底上形成磷化铟激光器基片；将一N型硅片与上述激光器基片键合、退火，去掉N型磷化铟衬底及P型缓冲层，形成复合片；刻蚀P型欧姆接触层、第一P型覆盖层和腐蚀停止层的两侧，形成脊形波导；在脊形波导两侧制备绝缘隔离层；在脊形波导的顶部制备P型金属电极；刻蚀距脊形波导一侧部分的绝缘隔离层、第二P型覆盖层、本证波导层、有源区本证量子阱、本证波导层和N型波导层，露出N型覆盖层，形成N电极窗口；在N电极窗口上制备N型金属电极；将N型硅片减薄；解理形成单个管芯；将管芯焊接到铜热沉上，在热沉上制备一微晶玻璃，并连线；完成硅基化合物半导体激光器的制作。

Description

硅基化合物半导体激光器的制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指硅基化合物半导体激光器的制作方法。

背景技术

硅基光电子集成为光通讯和光互连的发展提供了一种低成本的解决方案，Si为间接带隙材料，带间载流子复合发光效率要比直接带隙III-V族化合物材料低三个数量级，不能由Si直接作出高效的发光器件。磷化铟(InP)基激光器是非常有吸引力的光源.因为它的的光发射波长对Si材料是透明的，因此实现硅与InP材料的集成对于实现高效光电集成有着特别重要的意义。

InP基激光器与Si的集成可用金属键合、异质结外延和直接键合技术等几种方法来实现：用金属键合虽然是最直接的方法，但是它不适合垂直光互连，因为金属干扰了光的传播.晶格失配异质外延也有广泛的研究，而且已经制备出室温连续工作的InP激光器，但是，硅和InP的晶格间存在8.1％的失配，对于生长出好的材料造成很大的困难，而且，由于外延温度过高(550℃以上)，将对集成芯片的性能产生影响，因而直接键合技术是最有希望的选择，这种技术就是使两种不同材料的晶片在中间不添加任何材料的情况下粘贴起来.难点在于：InP与Si的热膨胀系数不同，通过键合不易得到质量较好的材料，在薄膜上制作激光器具有一定困难，另外InP与Si在键合过程中晶相很难对准，解理出好的腔面也是一个关键技术问题。

发明内容

本发明目的是提供一种硅基化合物半导体激光器的制作方法，这种方法有利于制备高质量的硅基化合物半导体激光器，提高了激光器的散热能力，改善了激光器的性能，增加了激光器的寿命，直接键合特别是低温直接键合因为较低的退火温度，克服了材料热膨胀系数不匹配的问题，极大地拓展了光电子集成的自由度。

本发明一种硅基化合物半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在N型磷化铟衬底上用有机金属气相淀积方法依次外延形成P型缓冲层、P型欧姆接触层、第一P型覆盖层、腐蚀停止层、第二P型覆盖层、本证波导层、有源区本证量子阱、本证波导层、N型波导层、N型覆盖层和N高掺杂磷化铟，形成磷化铟激光器基片；

步骤2：将一N型硅片与上述激光器基片，在水中直接键合、退火，机械减薄与化学减薄结合，去掉N型磷化铟衬底及P型缓冲层，形成复合片；

步骤3：采用湿法刻蚀，刻蚀P型欧姆接触层、第一P型覆盖层和腐蚀停止层的两侧，形成脊形波导；

步骤4：在脊形波导两侧制备绝缘隔离层；

步骤5：在脊形波导的顶部制备P型金属电极；

步骤6：采用湿法刻蚀，刻蚀距脊形波导一侧部分的绝缘隔离层、第二P型覆盖层、本证波导层、有源区本证量子阱、本证波导层和N型波导层，露出N型覆盖层，形成N电极窗口；

步骤7：在N电极窗口露出的N型覆盖层上制备N型金属电极；

步骤8：将N型硅片减薄；

步骤9：解理形成单个管芯；

步骤10：将管芯焊接到铜热沉上，在热沉上制备一微晶玻璃；

步骤11：将N型金属电极用金线引到热沉上的微晶玻璃上，将P型金属电极引出引线，完成硅基化合物半导体激光器的制作。

其中所述退火的温度为50-300℃。

其中P型金属电极的材料为Au、Zn、Ti和Pt的合金。

其中绝缘隔离层的材料为SiO₂、SiON或SiN_x。

其中N型金属电极的材料为Au、Ge、Ni和Pt的合金。

其中所述的减薄N型硅片是采用金刚砂或砂纸机械减薄，厚度为60-80μm。

其中所述的解理管芯，是从磷化铟面向Si分层解理，以便形成好的激光器腔面。

其中热沉采用表面镀金的无氧铜或铜金属。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施方式及附图对本发明做一详细描述，其中：

图1表示本发明中InP衬底上外延InGaAsP激光器的结构图。

图2表示本发明中N型硅片与图1外延结构键合后去掉衬底后的剖面图。

图3表示本发明中制备硅基InGaAsP激光器的P型脊形后的剖面图。

图4表示本发明中制备硅基InGaAsP激光器的N电极后的剖面图。

图5表示本发明中管芯焊接到热沉上，形成硅基InGaAsP化合物半导体激光器的剖面图。

具体实施方式

请参阅图1-图5，本发明一种硅基化合物半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在N型磷化铟衬底1上用有机金属气相淀积方法依次外延形成P型缓冲层2、P型欧姆接触层3、第一P型覆盖层4a、腐蚀停止层5、第二P型覆盖层4b、本证波导层6、有源区本证量子阱7、本证波导层8、N型波导层9、N型覆盖层10和N高掺杂磷化铟11，形成磷化铟激光器基片100(图1中)；为了键合而设计的激光器结构，采用N型衬底上倒生长的方法，从P型缓冲层-P型欧姆接触层-第一P型覆盖层4a-腐蚀停止层-P型覆盖层-本证波导层-有源区本证量子阱-本证波导层-N型波导层-型覆盖层-N高掺杂磷化铟，形成N朝上激光器结构，这样使得键合后所形成的共面电极激光器串联电阻小，激光器性能更好；

步骤2：将一N型硅片12与上述激光器基片100，在水中直接键合、退火，机械减薄与化学减薄结合，去掉N型磷化铟衬底1及P型缓冲层2，形成复合片200(图2中)；其中所述退火分两步进行，首先低温退火温度为25-160℃，然后取出减薄N型磷化铟衬底至100-150μm，重新放到退火炉中，高温退火温度160-300℃；不同厚度下，分段退火，减小两种不同材料键合界面之间的应力，所形成的复合片具有很好的机械性能而且键合界面气泡少、键合质量高；

步骤3：采用湿法刻蚀，刻蚀P型欧姆接触层3、第一P型覆盖层4a和腐蚀停止层5的两侧，形成脊形波导(图3中)；采用6-20μm光刻板光刻，然后用选择性腐蚀液分层腐蚀，易于控制腐蚀深度，侧面陡直、底面光滑，得到非常好的脊型波导。

步骤4：在脊形波导两侧制备绝缘隔离层13；在上述整个表面用PECVD的方法高温下淀积绝缘隔离层13(图3中)，其中绝缘隔离层13的材料为SiO₂、SiON或SiN_x，厚度在280-300nm；

步骤5：在脊形波导的顶部制备P型金属电极14；采用条宽20μm的阴板光刻，开P电极窗口，腐蚀去掉P电极窗口上的绝缘层，露出P型欧姆接触层，窗口两边保留绝缘层做隔离，再一次光刻带胶蒸镀电极，然后超声剥离绝缘隔离层上的金属，只在P电极窗口上留有金属，其中P型金属电极14的材料为Au、Zn、Ti和Pt的合金；

步骤6：采用湿法刻蚀，刻蚀距脊形波导一侧部分的绝缘隔离层13、第二P型覆盖层4b、本证波导层6、有源区本证量子阱7、本证波导层8、N型波导层9和N型覆盖层10，形成N电极窗口15(图4中)；N电极距离P电极10-20μm，这一距离保证共面P、N电极分开，实验中尽量减小这个距离，降低串联电阻，减小阈值电流，增加激光器的寿命，提高激光器的性能；

步骤7：在N电极窗口15上制备N型金属电极16；再一次阴板光刻，带胶蒸镀N电极，然后超声剥离去掉N电极窗口之外的金属，其中N型金属电极16的材料为Au、Ge、Ni和Pt的合金；

步骤8：将N型硅片12减薄；其中所述的减薄N型硅片12是采用金刚砂或砂纸机械减薄，厚度为60-80μm；减薄后的硅片方便解理；

步骤9：解理形成单个管芯；其中所述的解理管芯，因为Si和磷化铟(InP)的晶相不同，很难解理出腔面，而采用分层解理的方法，先解理InP面，再解Si面，这样解理我们得到了非常好的解理面，形成了非常好的边发射激光器腔面；

步骤10：将管芯焊接到铜热沉17上，在热沉17上制备一微晶玻璃20(图5中)；

步骤11：将N型金属电极16用金线18引到热沉17上的微晶玻璃20上，将N型金属电极16用金线18引到热沉17上，将P型金属电极14引出引线19，完成硅基化合物半导体激光器的制作；其中热沉17采用表面镀金的无氧铜或铜金属，导热性能好。硅基化合物半导体激光器，底部通过键合的方法直接与硅结合，激光器的导热性能更好，寿命也相应增加，目前6μm窄条形激光器已经能够室温连续工作，最大功率超过15mw，阈值在48mA。

本发明是一种硅基化合物半导体InGaAsP激光器的制作方法，其具体过程如下：

如图1所示，InP衬底上外延InGaAsP激光器的结构图：在磷化铟衬底1上利用有机金属气相淀积依次外延形成P型缓冲层2、P型欧姆接触层3、第一P型覆盖层4a、腐蚀停止层5、第二P型覆盖层4b、本证波导层6、有源区本证量子阱7、本证波导层8、N型波导9、N型覆盖层10和N高掺杂磷化铟11，形成磷化铟激光器结构。我们设计的这种激光器倒生长结构，在键合时，使得N型InP向下与硅片接触，而在去掉衬底后P型向上，有利于制备性能良好的共面激光器。

如图2所示，N型硅片12与图1外延结构键合后去掉衬底后的剖面图首先利用直接键合将硅片与图1的结构片贴起来，然后用腐蚀液将磷化铟衬底1及P型缓冲层2去掉形成硅基化合物半导体InGaAsP激光器的结构。

如图3所示，制备硅基InGaAsP激光器的P型脊形后的剖面图，首先甩胶、光刻、湿法腐蚀P型欧姆接触层3、第一P型覆盖层4a、腐蚀停止层5形成脊形，然后用PECVD的方法淀积一层SiO₂、SiON或SiN_x的单层或复合层13，再甩胶、光刻，湿法腐蚀去掉脊形上的绝缘层，形成P电极窗口，用磁控溅射低温下，带胶淀积金属电极，去胶剥离后，在P电极的顶部形成金属Ti/Pt/Au单层或合金14，这样便形成了图3所示的结构。

如图4所示，制备硅基InGaAsP激光器的N电极后的剖面图，在图3的基础上再甩胶、光刻，湿法腐蚀去掉绝缘层13、第二P型覆盖层4b、本证波导层6、有源区本证量子阱7、本证波导层8、N型波导层层9和N型覆盖层10形成N电极出口，用PECVD或磁控溅射的方法，在整个表面带胶沉积金属，剥离去掉多余的金属，只在N电极的顶端保留Au/Ge/Ni的单层或合金16，这样便形成了图4所示的结构。

如图5所示，硅基InGaAsP化合物半导体激光器的剖面图，图4的工艺完成后，将硅片用金刚砂进行减薄至60-80μm，解理成300*400μm单个管芯，然后将硅10朝下，用焊料粘接在铜热沉17上，并P电极和N电极分别引线19、18，将其中N电极线用微晶玻璃20从热沉上引出，这样便形成了图5的结构了。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。

Claims

1.一种硅基化合物半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：

步骤4：在脊形波导两侧制备绝缘隔离层；

步骤5：在脊形波导的顶部制备P型金属电极；

步骤7：在N电极窗口露出的N型覆盖层上制备N型金属电极；

步骤8：将N型硅片减薄；

步骤9：解理形成单个管芯；

2.根据权利要求1所述的硅基化合物半导体激光器的制作方法，其中所述退火的温度为50-300℃。

3.根据权利要求1所述的硅基化合物半导体激光器的制作方法，其中P型金属电极的材料为Au、Zn、Ti和Pt的合金。

4.根据权利要求1所述的硅基化合物半导体激光器的制作方法，其中绝缘隔离层的材料为SiO₂、SiON或SiN_x。

5.根据权利要求1所述的硅基化合物半导体激光器的制作方法，其中N型金属电极的材料为Au、Ge、Ni和Pt的合金。

6.根据权利要求1所述的硅基化合物半导体激光器的制作方法，其中所述的减薄N型硅片是采用金刚砂或砂纸机械减薄，厚度为60-80μm。

7.根据权利要求1所述的硅基化合物半导体激光器的制作方法，其中所述的解理管芯，是从磷化铟面向Si分层解理，以便形成好的激光器腔面。

8.根据权利要求1所述的硅基化合物半导体激光器的制作方法，其中热沉采用表面镀金的无氧铜或铜金属。