CN102244367B - 一种选区聚合物键合硅基混合激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选区聚合物键合硅基混合激光器及其制备方法，属于硅基光电子器件领域。本激光器包括刻蚀有键合区和光耦合区的SOI层；SOI层上设有一多区层，多区层从左到右依次为键合用聚合物、硅阻挡墙、空气隙、硅波导、空气隙、硅阻挡墙、键合用聚合物；多区层上设有n型III-V族材料层；n型III-V族材料层上与硅波导对应部位设有一多层结构，多层结构从下至上依次为第一SCH层、MQW层、第二SCH层、p型III-V族材料层、p型腐蚀阻挡层、p型欧盟接触层；在n型III-V族材料层上多层结构左右两侧分别有一n型III-V族材料的欧姆接触层。本激光器可作为硅基光源应用于单片硅基光电集成，易于制备、成本低。

Description

一种选区聚合物键合硅基混合激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及硅基光电子器件领域中混合硅基激光器件及其制备方法，特别是涉及一种选区聚合物键合硅基混合激光器及其制备方法。

背景技术

当今的信息社会，人们为进一步提高电子计算机的运算速度和信息存储量，设想用光子代替电子作为信息载体。光子的传播速度快，带宽比电子大好几个量级，且具有响应速度快，传输容量大，处理速度快，集成化以及高度抗电磁干扰性等优点，因此人们希望把光子技术与硅微电子技术相结合，实现硅基光电集成。其中关键问题就是实现电泵硅基激光。

虽然近几年硅光子学取得了长足的发展，例如硅上外延III-V族半导体材料、硅与半导体纳米线形成发光异质结、受激拉曼激光等等。但是，这些方法尚无法实现实用化的硅基电泵激光。最近，人们提出了一种操作简单，对环境要求低的聚合物键合方法，能将目前已经发展成熟的化合物半导体激光器键合在硅波导上，并将化合物半导体激光器中的激光耦合到硅波导中，从而实现了硅基电泵激光，如图1所示的器件，其制作方法为在刻蚀出Si波导的SOI面上甩一层BCB，然后将去除衬底的III-V族微盘激光器键合在SOI上。InP基微盘激光器与Si波导之间通过隐失波的方式进行光耦合。InP基微盘激光器与Si波导之间具有一定厚度的BCB使得此二者间的光耦合效率较低。因此，该方案存在输出功率小，实用性不强的缺点。

因此，目前的聚合物键合硅基混合激光器存在耦合效率较低，输出功率小，实用性不强的缺点。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种可实现集成化生产的选区聚合物键合硅基混合激光器及其制备方法，该方法可以较大地提高激光器和硅波导之间的耦合效率，而且可以方便地在激光器和硅波导之间添加各种不同于键合所用的聚合物的材料，实现多种光学功能。

本发明的特色在于：在刻好图形的硅衬底SOI(Silicon On Insulator)上旋涂上聚合物层作为键合材料，将化合物半导体激光器、增益结构或者材料键合在硅材料(或结构)上。化合物半导体增益结构的光通过隐逝波的方式，或端面对端面的方式，或耦合器等方式耦合到硅波导中，形成电泵硅基混合激光器。

本发明的结构示意图如图2所示，自下而上依次为SOI，键合聚合物和InP激光器。我们所选择的化合物半导体激光器为特殊设计的InP激光器。它与目前市场上的普通InP激光器结构不同在于：我们所外延的InP基激光器是在InP衬底上先外延一层100nm～1μm厚的腐蚀阻挡层p-InGaAs(它同时可以提高电注入能力，然后再生长一层1μm～10μm厚的p-InP，之后再依次外延p-SCH(100nm)、MQW(100nm)和n-SCH(100nm)层。最后外延一层100nm～1μm厚的n-InP。所选择的键合聚合物的主要成分为BCB，厚度在220nm～10μm之间，BCB的优点在于键合温度低(键合温度只需250℃)，粘附性很好(折射率n＝1.55)，具有光敏特性(直接用作光刻刻出需要的图案)。键合时，在SOI上刻好波导结构，旋涂一层BCB，并对BCB做光刻，在Si波导附近留出空的区域。同时，外延好的激光器倒扣键合在旋涂了BCB的SOI上。本结构中在聚合物旁边设计了一个与聚合物等厚度的Si挡墙，目的是防止在键合过程中，聚合物流向Si波导，影响光从激光器耦合到Si波导中。

本发明的结构如图2所示，其中，最下一层是SOI的底硅层，其上是SOI的二氧化硅层。在二氧化硅层之上的这一层中，从左至右分别包含以下几个结构：键合所用的聚合物、硅阻挡墙、空气隙、硅波导、空气隙、硅阻挡墙和键合所用的聚合物。在这一层之上是n型III-V族材料层。在这一层之上的结构中，左右分别有一层是n型III-V族材料的欧姆接触层，正中间是一个多层结构，从下至上分别是SCH层(分别限制层)、MQW层(多量子阱层)、SCH层、p型III-V族材料层、p型腐蚀阻挡层(在InP基激光器中，为InGaAs层，它同时可以提高电注入能力)和p型欧盟接触层。为了防止短路，在n型III-V族材料的欧姆接触层与中间的多层结构之间留有空隙，空隙大约5-10μm。

n型和p型欧姆接触层是通过热蒸发的方式沉积上去的。n型III-V族材料层以上的SCH层、MQW层、SCH层、p型III-V族材料层和p型腐蚀阻挡层是通过MOCVD的方法外延生长的。n型III-V族材料层以上所有结构是通过键合的方式与该层以下的结构结合在一起。

本发明的技术方案是：

一种选区聚合物键合硅基激光器的制备方法，其步骤包括：

1)在SOI上刻蚀出硅波导以及两旁的硅挡墙(厚度约100nm-2μm)；

2)涂上键合用聚合物；

3)外延带有腐蚀阻挡层的半导体激光器；

4)将激光器键合在SOI上；

5)腐蚀InP衬底；

6)刻蚀出台形；

7)蒸发n型和p型电极。

所用的设备包括：MOCVD、ICP、光刻机、真空蒸发设备、倒装焊设备、旋涂机、显微镜等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明选区聚合物键合硅基激光器可以作为有效的硅基光源应用于单片硅基光电集成，光互联等众多领域。更为重要的是该激光器可以用于集成化生产。与直接键合混合硅基激光器的方法相比，该键合方法具有操作简单，对环境要求不高，成本较低，便于集成化生产等优点。与普通的聚合物键合方法相比，该键合方法具有能够提高光耦合效率，可以方便地在硅波导上生长特殊用途的材料层，以制备包括非线性光学器件、表面等离激元器件等器件的优点。另外，该方法也能用于键合光探测器和光放大器等器件，实现光互联。

附图说明

图1为现有硅基电泵激光器结构图；

图2为本发明的结构示意图；

图3(a)～(r)为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合图3，以InP激光器为例对本发明作进一步详细描述：

1、在SOI硅片上甩一层光刻胶，并用具有周期结构的光刻板做光刻，显影，定影。如图3(a)所示。

2、利用ICP刻蚀将未被光刻胶盖住的Si刻掉，直到刻出Si波导、键合区和Si阻挡墙，在硅波导和键合区之间刻蚀一硅阻挡墙，其目的是防止在键压的过程中，聚合物流向硅波导，影响光从激光器耦合到硅波导中。Si波导和阻挡墙的高度均为800nm，波导宽3μm，阻挡墙宽1μm，如图3(b)所示。

3、去光刻胶，如图3(c)所示。

4、在SOI上旋涂一层与Si波导等厚的BCB，如图3(d)所示。

5、利用套刻方法，将硅波导及其两边的挡墙内的BCB去除，如图3(e)所示。

6、利用MOCVD外延InP激光器结构，在衬底上依次外延p-InGaAs(腐蚀阻挡层)、p-InP、下SCH、MQW、上SCH和n-InP层，如图3(f)所示。

7、将外延好的InP激光器结构倒扣键合在旋涂好BCB的SOI上，如图3(g)所示。

8、用机械的方法将InP基激光器的InP衬底磨掉50μm左右，再用盐酸溶液将剩余的InP衬底腐蚀掉，如图3(h)所示。

9、在腐蚀掉衬底的键合激光器的p-InGaAs(腐蚀阻挡层)上甩一层光刻胶，用一个曝光区域宽度为5μm的光刻版对硅波导进行套刻，并显影、定影，使得曝光区域在硅波导正上方，即硅波导正上方及其左右宽度各为1μm的范围内无光刻胶，，如图3(i)所示。

10、在光刻好的键合激光器的p-InGaAs(腐蚀阻挡层)上沉积一层SiN，并剥离光刻胶及其上的SiN，如图3(j)所示。

11、用ICP对键合的样品进行刻蚀，将SiN掩蔽层以外的区域的p-InGaAs、p-InP、下SCH、MQW和上SCH全部刻蚀掉，只留下n-InP层，SiN层下面未被刻蚀的部分形成一个台面，如图3(k)所示。

12、采取套刻的办法，用光刻胶盖住SiN台面及其两边各5μm的区域，如图3(l)所示。

13、蒸发一层AuGeNi作为N型欧姆接触电极，如图3(m)所示。

14、剥离光刻胶及其上面的金属，如图3(n)所示。

15、去除SiN掩蔽层，如图3(o)所示。

16、采取套刻的办法，用光刻胶盖住台面以外的部分，如图3(p)所示。

17、蒸发一层AuZn作为P型欧姆接触电极，如图3(q)所示。

18、剥离光刻胶及其上面的金属，如图3(r)所示。

本发明中，上述实施例提供了一种优化了的硅基InP激光器的制备方案，本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改，例如：

键合聚合物除BCB外，还可以是SOG.。

此外，本发明化合物半导体激光器还可以是GaAs基激光器等其它化合物半导体激光器。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的金属键合硅基激光器的制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (10)

1.一种选区聚合物键合硅基混合激光器，其特征在于包括刻蚀有键合区和光耦合区的SOI层；所述SOI层上设有一多区层，所述多区层从左到右依次为键合用聚合物、硅阻挡墙、空气隙、硅波导、空气隙、硅阻挡墙、键合用聚合物；所述多区层上设有n型III-V族材料层；所述n型III-V族材料层上与所述硅波导对应部位设有一多层结构，所述多层结构从下至上依次为第一SCH层、MQW层、第二SCH层、p型III-V族材料层、p型腐蚀阻挡层、p型欧盟接触层；在所述n型III-V族材料层上所述多层结构左右两侧间隔设定距离处分别有一n型III-V族材料的欧姆接触层。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述多区层中的键合用聚合物、硅阻挡墙、空气隙、硅波导厚度均相等。

3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于所述硅波导两侧的空气隙宽度相等。

4.如权利要求1或2或3所述的激光器，其特征在于所述p型腐蚀阻挡层为InGaAs层，所述第一SCH层为n型SCH层、第二SCH层为p型SCH层，所述p型III-V族材料层的材料为InP。

5.如权利要求1或2或3所述的激光器，其特征在于所述键合用聚合物为BCB或SOG。

6.一种选区聚合物键合硅基混合激光器制备方法，其步骤为：

1)在SOI硅片的硅膜上刻蚀出硅波导和键合区，并在硅波导与键合区之间刻蚀一硅阻挡墙；

2)在SOI上旋涂一层键合用聚合物，然后将硅波导与其两边硅阻挡墙内的键合用聚合物去除；

3)外延生长方法在一衬底上依次外延p型腐蚀阻挡层、p型III-V族材料层、第二SCH层、MQW层、第一SCH层、n型III-V族材料层，制备半导体激光器结构；

4)将半导体激光器结构以n型III-V族材料层为键合面键合到步骤2)处理后的SOI硅片硅波导区和键合区上；

5)去除半导体激光器结构的衬底，然后刻蚀所述半导体激光器结构的p型腐蚀阻挡层、p型III-V族材料层、第二SCH层、MQW层、第一SCH层，得到一多层结构；所述多层结构位于在所述n型III-V族材料层上与所述硅波导对应部位；

6)在所述多层结构左右两侧间隔设定距离处分别制备一n型III-V族材料的欧姆接触层，在所述多层结构上方制备一p型欧姆接触层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述多层结构的制备方法为：

1)在所述p型腐蚀阻挡层上甩一层光刻胶，在光刻机下对硅波导和挡墙套刻，并显影、定影；

2)在光刻好的所述p型腐蚀阻挡层上沉积一掩蔽层，并剥离掩蔽层两侧的光刻胶；

3)将掩蔽层以外区域的p型腐蚀阻挡层、p型III-V族材料层、第二SCH层、MQW层、第一SCH层全部刻蚀掉，得到所述多层结构。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述步骤6)的实现方法为：

1)采取套刻的办法，用光刻胶盖住所述多层结构上的掩蔽层及所述多层结构两侧的设定区域；

2)在所述n型III-V族材料层以及光刻胶上蒸发一层n型III-V族材料的欧姆接触层；

3)剥离光刻胶及其上面的n型欧姆接触层，去除所述掩蔽层；

4)采取套刻的办法，用光刻胶盖住所述多层结构以外的部分；

5)在所述多层结构顶部以及光刻胶上蒸发一层P型欧姆接触层；

6)剥离光刻胶及其上面的P型欧姆接触层。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述键合用聚合物为BCB或SOG；所述掩蔽层为SiN层。

10.如权利要求6或7或8所述的方法，其特征在于所述p型腐蚀阻挡层为InGaAs层，所述第一SCH层为n型SCH层、第二SCH层为p型SCH层，所述p型III-V族材料层的材料为InP。

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