CN102340097A

CN102340097A - 一种硅基激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN102340097A
Application number: CN2011102785169A
Authority: CN
Inventors: 李艳平; 冉广照; 洪涛; 陈娓兮; 秦国刚
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-09-19
Also published as: CN102340097B

Abstract

本发明公开了一种硅基激光器及其制备方法，属于硅基光电子器件领域。本发明的激光器包括刻蚀有波导结构的SOI，化合物半导体激光器结构；所述激光器结构的键合面上依次设有周期分布的条形SiO₂结构，相互导通的透明导电层；所述激光器结构通过透明导电层与SOI键合。本方法为：1)在SOI硅片的硅膜上刻蚀出硅波导和键合区；2)制备化合物半导体激光器结构；3)在所述激光器结构键合面上制备条形绝缘层；然后溅射透明导电氧化物薄膜；4)通过透明导电层将上述激光器结构键合在SOI硅片上。本发明降低了硅基激光器的工艺难度，缩短了制备周期，提高了器件效率和成品率。

Description

一种硅基激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体混合材料的基本制备方法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，特别是涉及一类以透明导电氧化物薄膜为媒介的硅基键合激光器及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，人们对计算机的运算速度和信息存储量的要求也越来越高。而光子具有传播速度快，传输容量大，响应速度快，处理速度快，集成化以及高度抗电磁干扰性，带宽比电子大好几个量级等优点。因此人们希望把光子作为信息载体与成熟的硅微电子技术相结合，实现硅基光电集成。而在硅基光电集成技术中，关键问题就是实现硅基电泵激光。

近来，人们发展了一种键合方法，即将目前已经发展成熟的化合物半导体激光器利用直接键合(金属键合或聚合物键合)方法键合在硅波导上，并将化合物半导体激光器中的激光耦合到硅波导中，从而实现硅基电泵激光。然而，直接键合方法存在操作复杂，对环境要求极高的缺点，绝缘键合无法导电且导热性能不好，而金属键合的缺点是金属会强烈的吸收光，如果采用选区金属键合，则需要精确对准，产率较低。

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新颖的以透明导电材料为媒介的硅基键合激光器及其制备方法。该方法可以有效地降低工艺难度和周期，提高器件的成品率和效率，而且能够方便地应用到集成工艺上。

本发明的特色在于：首先可实现一种混合半导体材料：在一种半导体材料A上沉积一层透明导电材料C，利用它作为键合面的欧姆接触和电极，然后将半导体材料A倒置，通过透明导电材料C键合到另一种半导体材料B上，B可能有图形化的结构。这样，半导体材料A和B之间可通过C实现导电，透光。

其次可直接用于器件制作：在外延生长的化合物半导体激光器上溅射(蒸发或旋涂)上一层透明导电材料，如氧化物薄膜，利用透明导电氧化物薄膜作为键合面的欧姆接触和电极，然后将此化合物半导体激光器倒扣键合到已刻好波导结构的SOI上。光通过隐失波的方式耦合到硅波导中，实现硅基电泵激光。

透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)薄膜主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜。目前研究较多的是ITO(In₂O₃:Sn)，FTO(SnO₂:F)和ZAO(ZnO:Al)，此外还有IWO(In₂O₃:W)、ZNO(ZnO:Ni)、ZANO(ZnO:Al:Ni)等氧化物薄膜，以及一些新型的多元透明导电氧化物薄膜材料，如CdIn₂O₄、MgIn₂O₄、Zn₂SnO₄等。这些氧化物均为重掺杂、高简并半导体。半导化机理为化学计量比偏移和掺杂，其禁带宽度一般大于3eV，并随组分不同而变化。它们的光电性质依赖于金属的氧化状态以及掺杂剂的特性与数量，一般具有高载流子浓度(10¹⁸～10²¹cm^-3)，电阻率可达10^-4Ωcm量级，可见光透射率为80％以上，近红外光的透射率基本上都在60％以上，有的甚至达到90％。因此，TCO薄膜材料在太阳能电池、平面显示、气敏元件、特殊功能窗口涂层及其它光电器件领域均有着广泛的应用。

本发明的技术方案是：

混合半导体材料的实现：在一种半导体材料A上沉积一层透明导电材料C，利用它作为键合面的欧姆接触和电极，然后将半导体材料A倒置，通过透明导电材料C键合到另一种半导体材料B上，B可能有图形化的结构。这样，半导体材料A和B之间可通过C实现导电，透光。

本发明的激光器结构如图1所示，包括刻蚀有波导结构的SOI，化合物半导体激光器结构；所述化合物半导体激光器结构的键合面上设有周期分布的条形SiO₂结构，未分布所述条形SiO₂结构的键合面以及所述条形SiO₂结构的表面上设有相互导通的透明导电层；所述化合物半导体激光器结构中，与所述键合面相对的底面设有导电层；所述化合物半导体激光器结构通过所述透明导电层与所述SOI键合，其中，所述条形SiO₂结构表面的所述透明导电层与所述SOI的键合区对应，未分布所述条形SiO₂结构的键合面上所述透明导电层与所述SOI的耦合区对应。

本发明提供的激光器制备方法，其步骤包括：

1)在SOI硅片的硅膜上刻蚀出硅波导和键合区；

2)利用外延生长的方法制备化合物半导体激光器结构；

3)在激光器结构键合面上进行氧化，光刻，形成条形SiO₂绝缘层；

4)在条形激光器结构上溅射(蒸发或旋涂)一层透明导电氧化物薄膜，作为键合面的欧姆接触；

5)将上述化合物半导体激光器和SOI硅片对准，并将化合物半导体激光器键合在SOI硅片的波导和键合区上，将化合物半导体激光器中的激光耦合到硅波导中，实现硅基电泵激光，从而形成以透明导电氧化物薄膜为媒介的硅基键合激光器。

所述步骤1)中键合区位于SOI上硅波导两侧5μm以外，键合区的宽度范围可为30μm～300μm，波导的宽度范围为2～9μm。

所述步骤2)中化合物半导体激光器结构为InP基激光器结构或GaAs基激光器结构。

所述步骤3)中条形SiO₂绝缘层的厚度范围可为100～200nm，宽度范围可为30μm～350μm，周期间隔范围可为4μm～12μm。

所述步骤4)中透明导电氧化物薄膜可为ITO、ZAO、FTO、IWO、ZNO、ZANO等氧化物薄膜，以及一些新型的多元透明导电氧化物薄膜材料，如CdIn₂O₄、MgIn₂O₄、Zn₂SnO₄等。

所述透明导电氧化物薄膜的厚度范围可为100～150nm。

所述透明导电氧化物薄膜的制备方法可为磁控溅射法、蒸发法或旋涂法。

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

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

以透明导电氧化物薄膜为媒介的硅基键合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和光互联等众多领域。更为重要的是该激光器可以用于集成化生产。与普通的选区金属键合方法相比，引入透明导电氧化物薄膜作为欧姆接触和电极这一方法能够降低工艺难度，缩短制备周期，提高器件效率和成品率等优点。并且以透明导电氧化物薄膜作为欧姆接触和电极的方法也可应用到聚合物键合或直接键合方法中。

附图说明

图1为本发明激光器的一结构图；

图2(a)～(n)为本发明实施例的流程图。

图3为金属层结构示意图；

图4为本发明激光器的另一结构图。

具体实施方式

下面结合图2，以ITO透明导电薄膜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2(a)所示。

2、用ICP刻蚀机将未被光刻胶盖住的Si刻掉，直到刻出Si波导和键合区。Si波导高为800nm，宽为3μm，如图2(b)所示。

3、去除光刻胶，如图2(c)所示。

4、再次甩胶，用一个曝光区域宽度为13μm的光刻版对硅波导进行反转套刻，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5μm的范围内有光刻胶，如图2(d)所示。

5、从下到上依次蒸发用以粘附SiO₂的金属层Cr/Au(10nm)和键合金属层AuSn(690nm)，如图2(e)所示。其中，金属层实际上包含了二层，如图3所示，键合金属层除AuSn外，还可以是PdIn或In。

6、剥离，去除Si波导上的光刻胶和金属层，如图2(f)所示，则具有波导结构和键合金属的SOI已做好。

7、利用MOCVD外延InP激光器结构，在p衬底上依次外延p-InP缓冲层、InGaAsP下SCH层、MQW、InGaAsP上SCH层和n-InP层，如图2(g)所示。

8、在激光器结构的n-InP层上沉积一层100nm厚的SiO₂绝缘层，如图2(h)所示。

9、在InP激光器结构的SiO₂层上甩一层光刻胶，并用具有周期结构的光刻板做光刻，显影，定影，如图2(i)所示。

10、用HF酸腐蚀掉未被光刻胶盖住的SiO₂，形成条形的SiO₂结构，如图2(j)所示。

11、去除光刻胶，如图2(k)所示。

12、在InP激光器的条形SiO₂结构上磁控溅射一层100nm厚的ITO透明导电薄膜(即n型透明导电氧化物薄膜)，作为n-InP的欧姆接触和电极，如图2(l)所示。

13、在p衬底上蒸发一层AuZn作为P型欧姆接触和电极，如图2(m)所示，则激光器结构已做好。

14、将上述InP激光器结构倒扣键合在SOI上，如图2(n)所示，得到最终器件。

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：

本实施例中透明导电薄膜除ITO外，还可以用其它n型的透明导电氧化物薄膜。若激光器是在n衬底上生长的，可将本实施例中的ITO用p型透明导电氧化物薄膜取代，如，ZAO等。

透明导电氧化物薄膜的制备方法除磁控溅射法外，还可以根据薄膜制备特性采用蒸发法或旋涂法。

化合物半导体激光器除InP基激光器外，还可以是GaAs基激光器等其它化合物半导体激光器。

此外以透明导电氧化物薄膜作为欧姆接触和电极的方法也可应用到聚合物键合或直接键合方法中。

本发明的激光器的结构也可以是如图4所示的结构，包括刻蚀有波导结构的SOI，脊型化合物半导体激光器结构；脊型化合物半导体激光器结构的键合面上设有透明导电层；脊型化合物半导体激光器结构中，与键合面相对的底面设有导电层；脊型化合物半导体激光器结构通过透明导电层与SOI键合。其中，利用MOCVD外延方法制备的脊型激光器结构，能够限制载流子沿有源区侧向的扩散，能够将辐射场限制在谐振腔的更小区域内，获得良好的光束特性和稳定的工作模式；根据侧向限制作用的不同分为增益导引和折射率导引两类(脊波导激光器是折射率导引激光器，而氧化物条形激光器是增益导引激光器)；同时，在激光器结构的键合面不必制备周期分布的条形的SiO₂结构。将脊型结构的激光器结构键合面(图4中的n-Inp层)直接沉积透明导电层，通过透明导电层将激光器结构与SOI键合。

透明导电层的厚度范围为100～150nm；SOI的键合区为二层结构，从下到上为金属层Cr/Au和键合金属层AuSn，如图3所示。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的一种以透明导电氧化物薄膜为媒介的硅基键合激光器的制备方法，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

1.一种硅基激光器，其特征在于包括刻蚀有波导结构的SOI，化合物半导体激光器结构；所述化合物半导体激光器结构的键合面上设有周期分布的条形SiO₂结构，未分布所述条形SiO₂结构的键合面以及所述条形SiO₂结构上表面上设有相互导通的透明导电层；所述化合物半导体激光器结构中，与所述键合面相对的底面设有导电层；所述化合物半导体激光器结构通过所述透明导电层与所述SOI键合，其中，所述条形SiO₂结构表面的所述透明导电层与所述SOI的键合区对应，未分布所述条形SiO₂结构的键合面上所述透明导电层与所述SOI的耦合区对应。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述化合物半导体激光器结构为p衬底激光器结构，所述透明导电层为n型透明导电氧化物层。

3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于所述p衬底激光器结构为MOCVD外延方法制备的InP激光器结构，所述n型透明导电氧化物层为ITO透明导电膜。

4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于所述化合物半导体激光器结构为n衬底激光器结构，所述透明导电层为p型透明导电氧化物层。

5.如权利要求1或2或3或4所述的激光器，其特征在于所述透明导电层的厚度范围为100～150nm。

6.如权利要求5所述的激光器，其特征在于所述SOI的键合区为二层结构，从下到上为金属层Cr/Au和键合金属层AuSn。

7.一种硅基激光器，其特征在于包括刻蚀有波导结构的SOI，脊型化合物半导体激光器结构；所述脊型化合物半导体激光器结构的键合面上设有透明导电层；所述脊型化合物半导体激光器结构中，与所述键合面相对的底面设有导电层；所述脊型化合物半导体激光器结构通过所述透明导电层与所述SOI键合。

8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于所述透明导电层的厚度范围为100～150nm；所述SOI的键合区为二层结构，从下到上为金属层Cr/Au和键合金属层AuSn。

9.一种硅基激光器的制备方法，其步骤为：

1)在SOI硅片的硅膜上刻蚀出硅波导和键合区，得到有波导结构的SOI；

2)制备一化合物半导体激光器结构；

3)在所述化合物半导体激光器结构的键合面上制备周期分布的条形SiO₂结构；

4)在3)处理后的所述键合面上制备一透明导电层，其中，未分布所述条形SiO₂结构的键合面以及所述条形SiO₂结构上表面上透明导电层相互导通；

5)在所述化合物半导体激光器结构中，与所述键合面相对的底面制备一导电层；

6)将所述化合物半导体激光器结构通过所述透明导电层键合到所述SOI上；其中，所述条形SiO₂结构表面的所述透明导电层与所述SOI的键合区对应，未分布所述条形SiO₂结构的键合面上所述透明导电层与所述SOI的耦合区对应。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于利用外延生长的方法制备所述化合物半导体激光器结构；采用磁控溅射法、或蒸发法、或旋涂法制备所述透明导电层。

11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于所述透明导电层的厚度范围为100～150nm。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述化合物半导体激光器结构为p衬底激光器结构，所述透明导电层为n型透明导电氧化物层。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述化合物半导体激光器结构为n衬底激光器结构，所述透明导电层为p型透明导电氧化物层。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于在所述化合物半导体激光器结构的键合面上制备周期分布的条形SiO₂结构的方法为：

1)在所述化合物半导体激光器结构的键合面上沉积一层SiO₂绝缘层；

2)在所述SiO₂层上甩一层光刻胶，并用具有周期结构的光刻板做光刻，显影，定影；

3)用HF酸腐蚀掉未被光刻胶盖住的SiO₂，形成条形的SiO₂结构；去除光刻胶。