CN102638000A - 在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，包括如下步骤：在SOI片最上的硅层上刻蚀出硅波导和两侧的硅挡墙结构；在硅波导上横向刻蚀出多个沟槽；在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发金属层，形成SOI波导结构；在一衬底上生长III-V族半导体激光器结构；在N、P面制作金属电极；在形成的激光器结构N面金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口，形成键合激光器结构；将SOI波导结构和键合激光器结构键合到一起。本发明中通过采用普通光刻和反应离子刻蚀(RIE)方法在硅波导上制作一定尺寸的沟槽来实现单模激射，具有低成本、工艺简单、宽温度工作范围、高可靠性等优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种涉及低成本、工艺简单、宽温度工作范围、高可靠性的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法。
背景技术
在过去几年，SOI已经成为最有前景的光电子集成平台，这得益于硅材料的很多优点：1)硅具有很好的电学性质并且与目前已经非常成熟的微电子工艺兼容；2)硅相对于其他半导体材料具有成本较低和无毒环保的优势；3)硅具有较高的热导率；4)硅具有较高的光损伤阈值；5)硅对于1.1-7μm波长光的吸收系数很小。
近年来硅光子学的研究已经在硅基无源器件、硅基探测器、硅基调制器等方面取得了显著成果。但是缺少有效的硅基光源成为光电子器件集成道路上的最大障碍。原因是硅材料本身是间接带隙，发光效率低，因此必须寻求特殊结构或者结合其他材料来实现硅基光源。现在，硅基激光器的研究接连实现突破。虽然硅是间接带隙材料，发光效率极低，但利用硅中较强的Raman效应，或键合发光材料，或通过稀土掺杂，实现硅发光并非难以企及。2005年，Intel公司首次研制出了全硅Raman激光器。由于硅基Raman激光器需要较大功率的光泵浦，其在硅基光电集成中的应用也受到了严格限制。在2006年Intel与UCSB合作研究组报道了第一只电泵浦DFB硅基混合激光器，成功将III-V族发光材料键合到SOI衬底上，是目前为止最有可能实用化的硅基激光器。该器件通过在硅波导上制作带有λ/4相移的光栅得到单模，结构紧凑，不需要与光波导进行耦合对准，很容易和其他硅光子器件集成。这种方法采用电子束曝光制作光栅且其中还加入了λ/4相移，这无疑增加了制作成本和工艺难度。一种通过在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法被提出，采用普通光刻和反应离子刻蚀(RIE)方法在硅波导上制作一定尺寸的沟槽，通过槽的边墙对FP光谱的镜面损耗进行选模。这种技术具有低成本、工艺简单、宽温度工作范围、高可靠性等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，III-V族材料是一种很好的发光材料，Si是一种很好的波导材料，采用键合方法把它们结合起来解决了直接外延引入的材料晶格失配问题。本发明中通过采用普通光刻和反应离子刻蚀(RIE)方法在硅波导上制作一定尺寸的沟槽来实现单模激射，具有低成本、工艺简单、宽温度工作范围、高可靠性等优点。
本发明提供一种在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片最上的硅层上刻蚀出硅波导和两侧的硅挡墙结构；
步骤2：在所制作的硅波导上横向刻蚀出多个沟槽；
步骤3：采用金属剥离方法，在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发金属层，形成SOI波导结构；
步骤4：在一衬底上采用MOCVD的方法生长III-V族半导体激光器结构；
步骤5：在III-V族半导体激光器结构的N面制作金属电极，P面制作金属电极；
步骤6：在形成的激光器结构N面金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口，形成键合激光器结构；
步骤7：将SOI波导结构和键合激光器结构，采用选区金属键合的方法，键合到一起，完成硅基混合激光器的制备。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作详细的描述，其中：
图1为在SOI片上刻蚀出硅波导和两侧的硅挡墙结构示意图；
图2为在硅波导上刻蚀出沟槽结构示意图；
图3为在两个硅挡墙外面区域蒸发金属层结构示意图；
图4为所制备的III-V族激光器的结构示意图；
图5为键合激光器结构的示意图；
图6为SOI波导结构和键合激光器结构键合后的硅基混合激光器结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1-图6，本发明提供一种在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，包括如下步骤：
步骤1：采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀技术在SOI片上(由底层往上依次为硅晶体1、氧化硅层2、硅层3)刻蚀出硅波导5和两侧的硅挡墙4，硅挡墙在金属键合过程中用来挡住金属的流动，使其不会流到硅波导附近。硅波导5的宽度为2-5μm，高度为0.6-0.8μm；硅波导5两侧硅挡墙4的宽度为2-3μm，高度为0.6-0.8μm，硅波导5与硅挡墙4之间的距离为5-7μm。干法刻蚀气体采用SF6。
步骤2：在硅波导5上依次采用普通光刻以及RIE干法刻蚀方法刻蚀出三个或三个以上沟槽6结构。沟槽6宽度为d0＝nλ/4neffn＝1，3，5...，其中neff为器件有效折射率，λ为激光器的目标波长，一般为光通讯波段1.31μm或1.55μm，沟槽宽度的设计保证槽两侧边墙的反射都是同相的。相邻沟槽间的距离为d＝nλ/4neff，aven＝2，4，6...，其中n决定镜面损耗最小的两个波长之间的间隔，neff，ave为相邻沟槽的平均有效折射率，d的大小决定了器件激射波长和单模工作温度范围。
步骤3：先在形成波导结构的SOI片上光刻出图形掩膜，大面积蒸发金属层后带胶剥离，只留下两个硅挡墙4远离硅波导5的外侧区域的金属7，作为键合金属。所蒸发的金属层为AuGeNi/In/Sn，其中AuGeNi的厚度为50-80nm、In的厚度为300-400nm、Sn的厚度为20nm。
步骤4：采用低压金属有机物化学气相沉积法(LP-MOCVD)，在p-InP衬底上生长并制作出III-V族激光器的结构，激光器结构包括P型金属电极(TiAu)8、p-InP材料9、有源区10、n-InP材料11、掺Fe的InP半绝缘掩埋层12、高掺杂n-InP接触层13、N型金属电极14。
其中，激光器结构总厚度为100-120μm，足以保证在加热加压的键合过程不碎裂，提高键合成品率。电流通道宽度为2-4μm，有源区之上的材料厚度为200-300nm，N型金属电极14和SOI片硅挡墙4外面区域金属7的总厚度与硅波导5的高度相同，由于在金属键合过程中，金属会熔化流动，有个自调节过程，金属厚度可以有5％的容差。另外，先在激光器结构上做N型金属电极14再键合，可以减小串联电阻和热阻，金属对金属键合还可以增大键合强度。
步骤5：在激光器N型金属电极14上光刻腐蚀出光耦合窗口，只留下窗口两边的金属，光耦合窗口的宽度等于SOI片上两个硅挡墙4之间的宽度。所用腐蚀液为碘、碘化钾和水的混合液。
步骤6：将SOI波导结构和键合激光器结构，采用选区金属键合的方法，倒装键合到一起，完成硅基混合激光器的制备，如图6所示。键合温度为150-210℃，压力大约为0.1N，时间只需要两分钟。键合使用专业的金属键合机完成。
以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片最上的硅层上刻蚀出硅波导和两侧的硅挡墙结构；
步骤2：在所制作的硅波导上横向刻蚀出多个沟槽；
步骤3：采用金属剥离方法，在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发金属层，形成SOI波导结构；
步骤4：在一衬底上采用MOCVD的方法生长III-V族半导体激光器结构；
步骤5：在III-V族半导体激光器结构的N面制作金属电极，P面制作金属电极；
步骤6：在形成的激光器结构N面金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口，形成键合激光器结构；
步骤7：将SOI波导结构和键合激光器结构，采用选区金属键合的方法，键合到一起，完成硅基混合激光器的制备。
2.根据权利要求1所述的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，其中SOI片依次包括硅晶体、氧化硅层和硅层。
3.根据权利要求1所述的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，其中所述硅波导的宽度为2-5μm，高度为0.6-0.8μm；硅波导两侧的硅挡墙的宽度为2-3μm，高度为0.6-0.8μm；硅波导与硅挡墙之间的距离为5-7μm。
4.根据权利要求3所述的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，其中在硅波导上刻蚀沟槽的数量为三个或三个以上。
5.根据权利要求4所述的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，其中在两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发的金属层为AuGeNi/In/Sn。
6.根据权利要求1所述的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，其中衬底的材料为p型(100)InP。
7.根据权利要求1所述的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，其中的III-V族激光器的结构为掺Fe半绝缘掩埋异质结构，电流通道宽度为2-4μm，多量子阱之上的材料厚度为200-300nm。
8.根据权利要求1所述的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，其中激光器结构N面金属电极的材料为AuGeNi，厚度为230-430nm。
9.根据权利要求8所述的在硅波导上刻槽制备硅基混合激光器的方法，其中激光器N面金属电极上光耦合窗口的宽度等于SOI片上两个硅挡墙之间的宽度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120815 |