CN102904159A - 一种基于bcb键合工艺的混合集成激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于BCB（苯并环丁烯）键合工艺的混合集成激光器及其制作方法，所述混合集成激光器包括具有硅衬底、埋氧层及硅波导结构的SOI基光波导芯片、BCB覆层、具有底接触层、有源层、隧道结及顶接触层的Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、BCB覆层及埋氧层的热沉通孔、填充于所述热沉通孔内的多晶硅热沉；结合于所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层表面且具有电极通孔的氮化硅隔离层以及电极结构。本发明采用BCB键合工艺实现了SOI硅基光波导芯片与Ⅲ-Ⅴ族激光器的单片集成，并且引入多晶硅热沉结构以提高激光器的性能。本发明可作为硅基光源器件，为硅基光集成芯片提供片上光源。

Description

一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种激光器及其制作方法，特别是涉及一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器及其制作方法。

背景技术

硅基光互连技术旨在采用CMOS技术生产开发硅光子器件，将硅基光子器件和电路集成在同一硅片上，是发展大容量、高性能并行处理计算机系统和通信设备的必然途径。将微电子技术和光子技术结合起来，开发光电混合的集成电路。在集成电路内部和芯片间引入集成光路，既能发挥光互连速度快、无干扰、密度高、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低等特点，是最有可能代替金属互连的方案之一。单片集成方案由于集成度高，成本低，是硅基光互连的发展方向。

但由于硅是间接带隙材料，难以制作发光器件，目前的单片集成硅基光互连方案大多采用键合技术将三五族外延片与SOI片键合后进行加工，制作半导体激光器。

在众多结构的激光器中，微盘激光器以其面积小、易加工而被广泛关注，但由于散热性能差及谐振结构特殊，故光输出功率较低。本发明提出了一种新的结构设计，能有效地提高散热效率和提高光输出功率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器及其制作方法，用于解决现有技术中的微盘激光器输出功率低、散热效率低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

1）提供一包括硅衬底、埋氧层及硅波导结构的SOI基光波导芯片及一包括底接触层、有源层、隧道结及顶接触层的Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，于所述SOI基光波导芯片表面形成BCB覆层，并通过该BCB覆层键合所述SOI光波导芯片及所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层；

2）采用干法刻蚀工艺制作贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、BCB覆层及埋氧层的热沉通孔，于所述热沉通孔内淀积多晶硅热沉并采用化学机械抛光方法去掉多余的多晶硅；

3）采用干法刻蚀工艺刻蚀所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，去除部分顶接触层、隧道结及有源层，制作微盘谐振腔；

4）采用湿法刻蚀工艺刻蚀底接触层获得底接触平台；

5）于上述结构表面形成隔离层，刻蚀所述隔离层，形成与所述多晶硅及顶接触层对应的第一通孔及与所述底接触层平台对应的第二通孔，最后于所述第一通孔内制作与所述多晶硅热沉及顶接触层连接的顶电极，并同时于所述第二通孔内制作与所述底接触层连接的底电极。

作为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法的一个优选方案，所述硅波导结构为条形硅波导结构。

作为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法的一个优选方案，所述有源层包括依次层叠的P型结、第一限制层、多量子阱以及第二限制层。

作为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法的一个优选方案，步骤2）中采用增强型等离子气相沉积工艺及化学机械抛光工艺于所述热沉通孔内填充多晶硅热沉。

作为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法的一个优选方案，步骤5）所述的隔离层为氮化硅层，采用增强型等离子气相沉积法形成所述氮化硅层。

本发明还提供一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器，所述混合集成激光器至少包括：

SOI基光波导芯片，包括硅衬底、结合于所述硅衬底表面的埋氧层及制作于所述埋氧层表面的硅波导结构；

BCB覆层，覆盖于所述埋氧层及硅波导结构表面；

Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，包括结合于所述BCB覆层表面底接触层、部分结合于所述底接触层的有源层、结合于所述有源层的隧道结及结合于所述隧道结的顶接触层；

热沉通孔，贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、BCB覆层及埋氧层；

多晶硅热沉，填充于所述热沉通孔内；

隔离层，结合于所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层表面，且具有用于制作连接所述顶接触层及多晶硅热沉的顶电极的第一通孔、以及用于制作底电极的第二通孔；

电极结构，包括形成于所述第一通孔内且与所述顶接触层及多晶硅热沉相连的顶电极以及形成于所述第二通孔内且与所述底接触层相连的底电极。

作为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的一个优选方案，所述硅波导结构为条形硅波导结构。

作为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的一个优选方案，所述有源层包括依次层叠的第一限制层、多量子阱、第二限制层以及P型结。

作为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的一个优选方案，所述热沉通孔为圆柱形腔体。

作为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的一个优选方案，所述隔离层为氮化硅层。

如上所述，本发明提供一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器及其制作方法，所述混合集成激光器包括具有硅衬底、埋氧层及硅波导结构的SOI基光波导芯片、BCB覆层、具有底接触层、有源层、隧道结及顶接触层的Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、BCB覆层及埋氧层的多晶硅热沉；结合于所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层表面且具有电极通孔的氮化硅隔离层以及电极结构。本发明的有益效果为：

1）本发明的混合集成激光器实现了硅基集成光路和Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器的单片集成，且具有键合对准要求低，器件尺寸小的优点。

2）在工艺上，采用BCB键合技术，实现了Ⅲ-Ⅴ族激光器外延片和硅基波导的混合集成，且不需要对准即可实现，降低了工艺复杂性及制作成本。

3）由于硅基波导、光栅耦合器输出结构和微盘激光器谐振腔结构制作于同一基底上，本发明的混合集成激光器有易于封装的优点。

4）在设计上引入多晶硅热沉以提高散热效率，使激光器性能得到提升。

5）引入隧道结可以将p型接触变为n型接触，降低电阻，本发明还使顶电极与底电极一步制作，降低工艺复杂性。

附图说明

图1~图3显示为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法步骤1）所呈现的结构示意图。

图4~图6显示为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法步骤2）所呈现的结构示意图。

图7显示为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法步骤3）所呈现的结构示意图。

图8显示为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法步骤4）所呈现的结构示意图。

图9~图11显示为本发明的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法步骤5）所呈现的结构示意图。

图12a显示为无热沉、采用BCB介质隔离层结构的混合集成激光器截面温度分布图。

图12b显示为有多晶硅热沉、采用氮化硅介质隔离层结构的混合集成激光器截面温度分布图。

图13显示为具有不同的热沉（无热沉、二氧化硅热沉及多晶硅热沉）及不同的隔离层（BCB隔离层、二氧化硅隔离层及氮化硅隔离层）的混合集成激光器在典型热功率下的热阻柱状示意图。

元件标号说明

101                       硅衬底

102                       埋氧层

103                       硅波导结构

104                       BCB覆层

105                       底接触层

105~106                   Ⅲ-Ⅴ激光器外延层

107                       底接触层平台

108                       热沉通孔

109                       多晶硅热沉

110                       隔离层

111                       第一通孔

112                       第二通孔

113                       顶电极

114                       底电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1~图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1~图11所示，本实施例提供一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：

如图1~图3所示，首先进行步骤1），提供一包括硅衬底101、埋氧层102及硅波导结构103的SOI基光波导芯片及一包括底接触层105、有源层、隧道结及顶接触层的Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106，于所述SOI基光波导芯片表面形成BCB覆层，并通过该BCB覆层104键合所述SOI光波导芯片及所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106。

所述硅波导结构103为条形硅波导结构103，所述条形硅波导结构103可以是但不限于直线形条形硅波导结构103、弧形条形硅波导结构103等。在本实施例中，所述条形硅波导结构103的截面为矩形。

所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106为圆片状的外延层。所述有源层包括依次层叠的P型结、第一限制层、多量子阱以及第二限制层，所述第二限制层结合于所述底接触层105。在本实施例中，所述底接触层105及顶接触层均为重掺杂的N型InP层，厚度均为80~120nm，所述第一限制层及第二限制层为Q1.2(InGaAsP)层，厚度为80~120nm，所述多量子阱为InGaAsP层，厚度为30~50nm，所述P型结为重掺杂的P型InP层，厚度为80~120nm，所述隧道结为P型重掺杂或N型重掺杂的Q1.2(InGaAsP)层，厚度为30~50nm。在一具体的实施过程中，所述底接触层105及顶接触层的厚度均为100nm，所述P型结的厚度为100nm，所述第一限制层及第二限制层的厚度为100nm，所述多量子阱的厚度为38nm，所述隧道结的厚度为40nm。

如图4~6所示，进行步骤2），采用干法刻蚀工艺刻蚀所述III-V族激光器外延层105~106、BCB覆层104及埋氧层102至底层硅层获得热沉所需的通孔，采用增强型等离子气相淀积工艺淀积多晶硅，再用化学机械抛光工艺去除多余的多晶硅获得多晶硅热沉109。

在本实施例中，采用干法刻蚀工艺贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106、BCB覆层104及埋氧层，获得一热沉通孔108，其横截面为圆型，并采用增强型等离子化学气相淀积工艺于所述热沉通孔108内淀积多晶硅，然后采用化学机械抛光工艺去除多余的多晶硅获得多晶硅热沉109，使所述多晶硅热沉109与所述硅衬底101接触，并使填充深度为与所述顶接触层表面相平。所述多晶硅热沉109可以有效降低器件的热阻比及温度。

如图7~8所示，然后进行步骤3）、步骤4），采用干法刻蚀工艺刻蚀所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106，去除部分的顶接触层、隧道结及有源层，形成微盘谐振腔，再通过湿法腐蚀去除部分底接触层105，获得一裸露的底接触层平台107。

在本实施例中，采用ICP干法刻蚀法刻蚀去除部分的顶接触层、隧道结及有源层，获得一裸露的底接触层平台107。ICP干法刻蚀后的Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106的截面为圆形，且刻蚀后所述底接触层105的面积大于所述顶接触层、隧道结及有源层的面积，以保证在后续制作底电极114时，该底电极114能与所述顶接触层、隧道结及有源层相绝缘。

如图9~图11所示，最后进行步骤5），于上述结构表面形成隔离层110，刻蚀所述隔离层110，形成于所述多晶硅及顶接触层对应的第一通孔111及与所述底接触层平台107对应的第二通孔112，最后于所述第一通孔111内制作同时与所述多晶硅热沉109及顶接触层连接的顶电极113，并同时于所述第二通孔112内制作与所述底接触层105连接的底电极114。

在本实施例中，所述的隔离层110为氮化硅层，采用增强型等离子气相沉积法形成所述氮化硅层。当然，在其它的实施例中，所述隔离层110也可以是二氧化硅等材料。然后制作光刻掩膜版，采用ICP干法刻蚀刻蚀所述隔离层110，形成用于制作电极的第一通孔111及第二通孔112。其中，所述第一通孔111对应于所述多晶硅热沉109，且其孔径大于所述多晶硅热沉109的直径，以使后续沉积顶电极113时能使该顶电极113同时与所述多晶硅热沉109及所述顶接触层相连接；所述第二通孔112的位置对应于所述底接触层平台107，以保证后续沉积的底电极114在于所述底接触层105相连时能与所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106其它层相绝缘。最后于所述第一通孔111内沉积同时与所述多晶硅热沉109及顶接触层相连的顶电极113，并同时于所述第二通孔112内沉积与所述底接触层105相连的底电极114，以完成所述混合集成激光器的制作。

实施例2

如图11所示，本实施例提供一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器，所述混合集成激光器至少包括：

SOI基光波导芯片，包括硅衬底101、结合于所述硅衬底101表面的埋氧层102及制作于所述埋氧层102表面的硅波导结构103；

BCB覆层104，覆盖于所述埋氧层102及硅波导结构103表面；

Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106，包括结合于所述BCB覆层104表面底接触层105、部分结合于所述底接触层105的有源层、结合于所述有源层的隧道结及结合于所述隧道结的顶接触层；

热沉通孔108，贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106、BCB覆层104及埋氧层102；

多晶硅热沉109，填充于所述热沉通孔108内；

隔离层110，结合于所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106表面，且具有用于制作连接所述顶接触层及多晶硅热沉109的顶电极113的第一通孔111、以及用于制作连接未被所述有源层覆盖的底接触层105的底电极114的第二通孔112；

电极结构，包括形成于所述第一通孔111内且与所述顶接触层及所述多晶硅热沉109相连的顶电极113以及形成于所述第二通孔112内且与所述底接触层105相连的底电极114。

所述硅波导结构103为条形硅波导结构103，所述条形硅波导结构103可以是但不限于直线形条形硅波导结构103、弧形条形硅波导结构103等。在本实施例中，所述条形硅波导结构103的截面为矩形。

所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层105~106为圆片状的外延层。所述有源层包括依次层叠的P型结、第一限制层、多量子阱以及第二限制层，所述第二限制层结合于所述底接触层105。在本实施例中，所述底接触层105及顶接触层均为重掺杂的N型InP层，厚度均为80~120nm，所述第一限制层及第二限制层为Q1.2(InGaAsP)层，厚度为80~120nm，所述多量子阱为InGaAsP层，厚度为30~50nm，所述P型结为重掺杂的P型InP层，厚度为80~120nm，所述隧道结为P型重掺杂或N型重掺杂的Q1.2(InGaAsP)层，厚度为30~50nm。在一具体的实施过程中，所述底接触层105及顶接触层的厚度均为100nm，所述隧道结的厚度为40nm，所述P型结的厚度为100nm，所述第一限制层及第二限制层的厚度为100nm，所述多量子阱的厚度为38nm。

所述热沉通孔为圆柱形腔体，所述隔离层110为氮化硅层，当然，在其它的实施例中，所述隔离层110也可以是二氧化硅、BCB层等，但并不限于此处所列举的几种。

请参阅图12a及图12b，图12a显示为无热沉、采用BCB介质隔离层110结构的混合集成激光器截面温度分布图，图12b显示为有多晶硅热沉109、采用氮化硅介质隔离层110结构的混合集成激光器截面温度分布图，由图可见，有多晶硅热沉109、采用氮化硅介质隔离层110结构的混合集成激光器的整体温度明显低于无热沉、采用BCB介质隔离层110结构的混合集成激光器的温度，温度降低值达到43K。

图13显示为具有不同的热沉（无热沉、二氧化硅热沉及多晶硅热沉109）及不同的隔离层110（BCB隔离层110、二氧化硅隔离层110及氮化硅隔离层110）的混合集成激光器在典型热功率下的热阻柱状示意图，由图可见，具有多晶硅热沉109及氮化硅隔离层110的混合集成激光器的热阻比无热沉及采用BCB作为隔离层110的混合集成激光器的热阻的一半以下。可见，本发明可有效提高激光器稳态输出模式下的性能。

综上所述，本发明提供一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器及其制作方法，所述混合集成激光器包括具有硅衬底、埋氧层及硅波导结构的SOI基光波导芯片、BCB覆层、具有底接触层、有源层、隧道结及顶接触层的Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、BCB覆层及埋氧层的热沉通孔、填充于所述热沉通孔内的多晶硅热沉；结合于所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层表面且具有电极通孔的氮化硅隔离层以及电极结构。本发明的有益效果为：

1）本发明的混合集成激光器实现了硅基集成光路和Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器的单片集成，且具有键合对准要求低，器件尺寸小的优点。

2）在工艺上，采用BCB键合技术，实现了Ⅲ-Ⅴ族激光器外延片和硅基波导的混合集成，且不需要对准即可实现，降低了工艺复杂性及制作成本。

3）由于硅基波导、光栅耦合器输出结构和微盘激光器谐振腔结构制作于同一基底上，本发明的混合集成激光器有易于封装的优点。

4）在设计上引入多晶硅热沉以提高散热效率，使激光器性能得到提升。

5）引入隧道结可以将p型接触变为n型接触，降低电阻，本发明还使顶电极与底电极一步制作，降低工艺复杂性。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括以下步骤：

1）提供一包括硅衬底、埋氧层及硅波导结构的SOI基光波导芯片及一包括底接触层、有源层、隧道结及顶接触层的Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，于所述SOI基光波导芯片表面形成BCB覆层，并通过该BCB覆层键合所述SOI光波导芯片及所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层；

2）采用干法刻蚀工艺制作贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、BCB覆层及埋氧层的热沉通孔，于所述热沉通孔内淀积多晶硅热沉并采用化学机械抛光方法去掉多余的多晶硅；

3）采用干法刻蚀工艺刻蚀所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，去除部分的顶接触层、隧道结及有源层，制作微盘谐振腔；

4）采用湿法刻蚀工艺刻蚀底接触层获得底接触平台；

5）于上述结构表面形成隔离层，刻蚀所述隔离层，形成与所述多晶硅及顶接触层对应的第一通孔及与所述底接触层平台对应的第二通孔，最后于所述第一通孔内制作与所述多晶硅热沉及顶接触层连接的顶电极，并同时于所述第二通孔内制作与所述底接触层连接的底电极。

2.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法，其特征在于：所述硅波导结构为条形硅波导结构。

3.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法，其特征在于：所述有源层包括依次层叠的第一限制层、多量子阱、第二限制层以及P型结。

4.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法，其特征在于：步骤2）中采用增强型等离子气相沉积工艺及化学机械抛光工艺于所述热沉通孔内填充多晶硅热沉。

5.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的混合集成激光器的制作方法，其特征在于：步骤5）所述的隔离层为氮化硅层，采用增强型等离子气相沉积法形成所述氮化硅层。

6.一种基于BCB键合工艺的混合集成激光器，其特征在于，所述混合集成激光器至少包括：

SOI基光波导芯片，包括硅衬底、结合于所述硅衬底表面的埋氧层及制作于所述埋氧层表面的硅波导结构；

BCB覆层，覆盖于所述埋氧层及硅波导结构表面；

Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，包括结合于所述BCB覆层表面底接触层、部分结合于所述底接触层的有源层、结合于所述有源层的隧道结及结合于所述隧道结的顶接触层；

热沉通孔，贯穿所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层、BCB覆层及埋氧层；

多晶硅热沉，填充于所述热沉通孔内；

隔离层，结合于所述Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层表面，且具有用于制作连接所述顶接触层及多晶硅热沉的顶电极的第一通孔、以及用于制作底电极的第二通孔；

电极结构，包括形成于所述第一通孔内且与所述顶接触层及多晶硅热沉相连的顶电极以及形成于所述第二通孔内且与所述底接触层相连的底电极。

7.根据权利要求6所述的基于BCB键合工艺的混合集成激光器，其特征在于：所述硅波导结构为条形硅波导结构。

8.根据权利要求6所述的基于BCB键合工艺的混合集成激光器，其特征在于：所述有源层包括依次层叠的第一限制层、多量子阱、第二限制层以及P型结。

9.根据权利要求6所述的基于BCB键合工艺的混合集成激光器，其特征在于：所述热沉通孔为圆柱形腔体。

10.根据权利要求6所述的基于BCB键合工艺的混合集成激光器，其特征在于：所述隔离层为氮化硅层。

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