CN103001121A

CN103001121A - 电泵键合硅基表面等离激元混合光源及其制备方法

Info

Publication number: CN103001121A
Application number: CN2012105214741A
Authority: CN
Inventors: 李艳平; 冉广照; 徐万劲; 陈娓兮; 秦国刚
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明公开了一种电泵键合硅基表面等离激元混合光源及其制备方法。本发明的混合光源包括一TM模半导体光增益结构，一基于SOI的SPP波导结构；其中，所述SPP波导结构包括一基于SOI制备的硅波导，以及依次位于所述硅波导上的金属层、介质层；所述SPP硅波导结构的两侧分别依次为空隙区、键合层；以所述TM模半导体光增益结构中最接近光增益区的面作为键合面，所述TM模半导体光增益结构的光增益区与所述SPP波导结构对准后通过所述键合层键合。本发明的混合光源可以应用于大规模集成光互连芯片。与已有的光泵表面等离激元混合光源相比，具有能用电驱动和与硅基芯片相集成的优点。

Description

电泵键合硅基表面等离激元混合光源及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电子器件领域中电泵表面等离激元光源器件及其制备方法，特别是涉及采用键合方法制备的电泵硅基表面等离激元混合光源。

背景技术

随着硅基超大规模集成电路的集成度的提高，半导体电子材料的物理极限问题日益突显。仅依靠电子器件，难以长久延续摩尔定律。然而，处于当今信息大爆炸时代的人们，对信息的传输、处理和存储能力的要求越来越高。此外，基于铜导线的电互连随着其集成度的进一步提高，能耗也将急剧增加。全球能源的紧张，使得人们希望在极大地提高信息的处理速度和存储容量的同时，能够进一步的降低能耗。硅光子学，特别是硅基光互连的快速发展让人们看到了延续摩尔定律的曙光。

近些年来，光互连取得了很大的进展。尽管人们已经通过直接键合、聚合物键合、金属键合和选区金属键合等方法将III-V族激光器键合在硅基上，实现了硅基光互连。但是，III-V族激光器的尺寸远大于电子器件尺寸，光互连的集成度难以大幅提高。最近人们提出了表面等离激元光源的概念，可将光源器件尺寸缩减到纳米量级。传统的MIM(金属-介质-金属)，IMI(介质-金属-介质)结构的表面等离激元要么存在损耗大，传播距离短的问题，要么存在光限制作用小，器件尺寸无法缩小的问题。2008年，有学者提出了表面等离激元混合激光器的结构，可以将激光器的尺寸缩小到纳米量级的同时实现较长的传播距离。但是到目前为止，只能实现光泵形式的表面等离激元混合光源，并且没有集成在硅基上。电泵硅基表面等离激元混合光源器件至今仍未提出。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种可以实现电泵激发的纳米尺寸的键合硅基表面等离激元混合光源。这种光源具有尺寸小、集成度高、传播距离长、能实现电泵激发和方便地与硅基集成等优点。

本发明的特色在于：在SOI的波导结构上沉积贵金属层和低介电常数介质层，制备出表面等离激元(SPP)波导，然后将TM模为主的半导体光增益结构键合在其上。半导体光增益结构与贵金属层和低介电常数介质层形成一个混合波导结构，该结构能承载低损耗、小尺寸的表面等离激元混合模式。

本发明的结构示意图如1(j)所示，自下而上依次为SOI，贵金属层、低介电常数介质层、键合层和半导体光增益结构。在本结构中，我们采取选区金属键合方法，即首先在SOI上制备出SPP波导结构，然后在SPP波导两侧2-10μm的范围之外，沉积键合金属，作为金属键合区。在SOI上制备SPP波导时，先要在SOI上刻蚀出硅波导，然后再沉积贵金属层和低介电常数介质层。在本结构中，我们选择金作为贵金属层，厚度范围为20nm-500nm，选择碳化硅作为低介电常数介质层，厚度范围为2nm-200nm。键合层采用Cr/AuSn多层结构，厚度范围为200nm-6μm。其中，Cr的作用是提高AuSn合金与SOI的黏附性，一般厚度为5nm-20nm。AuSn的厚度范围为200nm-6μm，它除了作为键合媒介外，也作为半导体光增益结构的电极(键合层也可以用聚合物)。在本结构中，我们所选择的半导体光增益结构为在n型InP衬底上外延的张应变量子阱的InP基半导体光增益结构。该半导体光增益结构具有常规激光器的上下SCH(分别限制)层和MQW(多量子阱)层。

这种电泵键合硅基表面等离激元混合光源的制备方法，包括如下步骤：

1)在SOI上制备出SPP波导结构：先在SOI上刻蚀出Si波导，然后再从下到上依次沉积贵金属层和低介电常数介质层；

2)在SOI上制备键合层：除SPP波导及其附近较小的区域外，在SOI的其它区域制备键合层；

3)外延生长TM模为主的半导体光增益结构；

4)键合：以上述半导体光增益结构中最接近光增益区的面为键合面，利用键合机将上述半导体光增益结构的光增益区与SOI上的SPP波导对准，然后在适当的温度、时间和压力下键合，就制备出了电泵键合硅基表面等离激元混合光源。

所述SPP波导结构的宽度范围为20nm-5μm，高度范围为200nm-6μm。

所述贵金属层可为Au或Ag，其厚度范围为20nm-500nm。

所述低介电常数介质层可为SiC，CaF₂，MgF₂或SiO₂，其厚度范围为2nm-200nm。

所述SPP波导及其附近较小的区域，指的是SPP波导两侧宽度范围为2μm-10μm区域。

所述键合层材料可以是金属或聚合物。金属键合层可以包含粘附金属层和键合金属层。粘附金属层可为Cr、Ni或Ti，其厚度范围为5nm-20nm。键合金属层可为AuSn、InSn、InAu、PbIn或In，其厚度范围为200nm-6μm。聚合物键合层可以是BCB，聚酰亚胺或光刻胶，其厚度范围为200nm-6μm。

所述半导体光增益结构是以TM模为主的半导体光增益结构。

所述半导体光增益结构可为InP基、GaAs基或GaN基半导体光增益结构。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本电泵键合硅基表面等离激元混合光源可以应用于大规模集成光互连芯片。由于该混合光源的尺寸能减小到纳米量级，与目前已有的常规键合硅基激光器相比，具有尺寸小，集成密度高的优点。与已有的光泵表面等离激元混合光源相比，具有能用电驱动和与硅基芯片相集成的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为基于P型InP基半导体光增益结构的电泵键合硅基表面等离激元混合光源。

具体实施方式

下面结合图1，以InP基半导体光增益结构为例对本发明作进一步详细描述：

1、在SOI上制备出SPP波导结构：

(1)在SOI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1(a)所示。

(2)用刻蚀机将未被光刻胶盖住的Si刻蚀掉，直到刻出Si波导。Si波导的高度为800nm，宽度为3μm，如图1(b)所示。

(3)去光刻胶，如图1(c)所示。

(4)依次在SOI片上沉积贵金属层Au(120nm)和低介电常数介质层SiC(70nm)，如图1(d)所示。

通过以上步骤，在SOI上制备出了SPP波导结构。

2.、在SOI上制备键合层：

(1)在SOI上再次甩胶，套刻，将SPP波导及其两侧4μm的区域用光刻胶盖住，如图1(e)所示。

(2)在SOI片上依次沉积键合金属层，包括粘附金属层Cr(5nm)和金属层AuSn(795nm)的多层结构，如图1(f)所示。

(3)剥离，去除SPP波导上及其两侧的光刻胶和上面的金属，如图1(g)所示。通过以上步骤，在SOI上制备出了具有键合金属层和SPP波导的结构。

3、外延生长TM模为主的半导体光增益结构：

(1)利用MOCVD外延生长张应变量子阱的InP基激光器，即在约300μm厚的n型InP衬底上依次外延生长n型InGaAsP下SCH层、多量子阱层、p型InGaAsP上SCH层、p型InP层、p型InGaAs层。生长完成后，在p型InP面制备脊形结构，即刻蚀出一个宽度为3μm的脊波导。然后，在上述p型InP面沉积一层SiO₂绝缘层，开电流窗口，最后再蒸发一层Ti/Au电极层作为p型InP面的欧姆接触，如图1(h)所示。

(2)先用机械的方法将InP基激光器的n型InP衬底减薄到50μm左右，再用盐酸溶液将剩余的InP层腐蚀掉，直至n型InGaAsP下SCH层，如图1(i)所示。

通过以上步骤，制备出了n型InP衬底上生长的InP基半导体光增益结构。

4、键合：

以上述InP基半导体光增益结构中最接近光增益区的面为键合面，利用键合机将上述半导体光增益结构的光增益区与SOI上的SPP波导对准，然后在适当的温度、时间和压力下(300℃，5min，2Mpa)键合。这样就得到了最终的电泵键合硅基表面等离激元混合光源，如图1(j)所示。

本发明中，上述实施例提供了一种优化了的电泵键合硅基表面等离激元混合光源的制备方案，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：

键合层材料除AuSn外，还可以是InSn、InAu、PbIn、In、BCB、聚酰亚胺或光刻胶。

贵金属层除Au外，还可以是Ag。

低介电常数介质层除SiC外，还可以是CaF₂，MgF₂，或SiO₂。

InP基半导体光增益结构除了从n型InP衬底上外延生长，然后再进行减薄键合外，也可以在p型InP衬底上进行外延，无需减薄，利用透明导电薄膜材料作为n型电极，倒置键合在已做好SPP波导结构和键合层的SOI上，如图2所示。

半导体光增益结构除InP基外，还可以是GaAs基或GaN基半导体光增益结构。

半导体光增益结构的生长设备除MOCVD外，也可用MBE。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的电泵键合硅基表面等离激元混合光源的制备方法。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

1.一种电泵键合硅基表面等离激元混合光源，其特征在于包括一TM模半导体光增益结构，一基于SOI的SPP波导结构；其中，所述SPP波导结构包括一基于SOI制备的硅波导，以及依次位于所述硅波导上的金属层、介质层；所述SPP波导结构的两侧分别依次为空隙区、键合层；以所述TM模半导体光增益结构中最接近光增益区的面作为键合面，所述TM模半导体光增益结构的光增益区与所述SPP波导结构对准后通过所述键合层键合。

2.如权利要求1所述的混合光源，其特征在于所述SPP波导结构的两侧依次设有所述金属层、介质层；所述键合层位于所述SPP波导结构两侧的介质层上。

3.如权利要求1或2所述的混合光源，其特征在于所述金属层为贵金属层；所述介质层为低介电常数介质层；所述键合层包括金属粘附层和金属层。

4.如权利要求3所述的混合光源，其特征在于所述贵金属层为金，厚度范围为20nm-500nm；所述低介电常数介质层为碳化硅，厚度范围为2nm-200nm；所述空隙区的宽度为2μm-10μm。

5.如权利要求4所述的混合光源，其特征在于所述键合层采用Cr/AuSn多层结构，厚度范围为200nm-6μm；所述SPP波导结构的宽度范围为20nm-5μm，高度范围为200nm-6μm；所述TM模半导体光增益结构为n型InP基半导体光增益结构。

6.如权利要求1所述的混合光源，其特征在于所述TM模半导体光增益结构为InP基、GaAs基或GaN基半导体光增益结构。

7.一种电泵键合硅基表面等离激元混合光源制备方法，其步骤为：

1)在SOI上刻蚀出一硅波导结构；

2)依次在SOI上沉积金属层和介质层，得到一基于SOI的SPP波导结构；

3)在SOI上甩胶、套刻，将所述SPP波导结构及其两侧设定宽度的区域用光刻胶盖住；

4)在SOI上制备键合层；

5)去除SPP波导上及其两侧所述设定宽度区域的光刻胶和上面的键合层，得到一基于SOI

具有键合层和SPP波导的结构；

6)制备一TM模半导体光增益结构，以所述TM模半导体光增益结构中最接近光增益区

的面作为键合面，所述TM模半导体光增益结构的光增益区与所述SPP波导结构对准

后通过所述键合层键合。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述金属层为贵金属层；所述介质层为低介电常数介质层；所述键合层包括金属粘附层和金属层。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述贵金属层为金，厚度范围为20nm-500nm；所述低介电常数介质层为碳化硅，厚度范围为2nm-200nm；所述键合层采用Cr/AuSn多层结构，厚度范围为200nm-6μm；所述SPP波导结构的宽度范围为20nm-5μm，高度范围为200nm-6μm；所述设定宽度为2μm-10μm；所述TM模半导体光增益结构为n型InP基半导体光增益结构。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述TM模半导体光增益结构为InP基、GaAs基或GaN基半导体光增益结构。