CN103812001B

CN103812001B - 利用二次曝光技术制备多波长硅基混合激光器阵列的方法

Info

Publication number: CN103812001B
Application number: CN201410010627.5A
Authority: CN
Inventors: 李艳平; 陶利; 高智威; 冉广照
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-01-09
Also published as: CN103812001A

Abstract

本发明公开了一种利用二次曝光技术制备多波长硅基混合激光器阵列的方法。本方法为：1）利用二次曝光技术在SOI片的硅层上制备出所需光栅；2）在SOI片的硅层上垂直于光栅的方向制备出多个宽度不同的硅波导，得到一硅波导阵列；3）在SOI片上，每一硅波导及其两侧设定区域外沉积金属层作为键合区；4）制备多量子阱光增益结构阵列；5）以多量子阱光增益结构阵列中最接近光增益区的面为键合面，将多量子阱光增益结构阵列中的光增益区与硅波导阵列中对应硅波导的光耦合区对准、键合，得到多波长硅基混合激光器阵列。本发明具有工艺简单、成熟，低成本，高可靠性的优点。

Description

利用二次曝光技术制备多波长硅基混合激光器阵列的方法

技术领域

本发明涉及硅基光电子器件领域中硅基混合激光器及其制备方法，特别是涉及一种利用二次曝光技术在宽度不同的硅波导上制作光栅，从而实现多波长硅基混合激光器阵列的方法。

背景技术

近些年来，随着光互连与硅基光电集成技术的发展，硅基光源，特别是硅基电泵激光的研究越来越受到人们的关注。最近，人们提出了一种能够实现电泵浦硅基激光的方法，即键合方法。这种方法是将目前已经发展成熟的半导体激光器结构键合在硅波导上，然后将激光器结构中的光耦合到硅波导中，从而实现了硅基电泵激光。

目前所实现的电泵键合硅基混合激光器主要是单波长输出的。然而，在光互连或光通信中，多波长激光器阵列有着十分重要的应用。与固定单波长的激光器相比，多波长激光器阵列或波长可调谐的激光器能对光通信系统进行灵活多变的结构重新配置，使互连网络系统更高效等优点。目前，多波长键合硅基混合激光器阵列主要是将已发展成熟的多波长激光器阵列键合在SOI（Silicon On Insulator，绝缘衬底上的硅）片上，这样在外延生长多波长激光器阵列的过程中必须要制作光栅。通常光栅是做在激光器结构中的上分别限制（SCH）层上，这样一方面刻完光栅后还需要进行再次外延，工艺复杂，周期长，成本高；另一方面由于光栅距离混合激光器的光耦合面有一定的距离，并未在光耦合面上，因此对混合激光的调制作用较差，影响了器件的性能。所以上述方法存在着工艺复杂、成本高、周期长、器件性能差等缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种可以实现多波长电泵键合硅基混合激光器阵列的制备方法。该方法是通过利用二次曝光技术在宽度不同的硅波导上制作分布布拉格反射式（DBR）或分布反馈式（DFB）光栅，通过硅波导上的光栅来选取单模，工艺简单易于实现，采用改变硅波导宽度来改变有效折射率，从而实现多波长，具有低成本、高可靠性的优点。与电子束曝光相比，此方法具有成本低廉，工艺简单，可大规模生产等优点。另外，这种将调制光栅做到硅波导上，即混合激光器的光耦合面上的方法，不仅解决了在多量子阱光增益结构上制作光栅的工艺复杂问题，还使得光栅对混合激光实现了较好的调制作用，提高了器件的性能。因此，本发明具有工艺简单、成本低、周期短、器件性能好、可大面积制作并能够在较大的范围内调节该混合激光器的输出波长等优点。

本发明的特色在于：首先利用二次曝光技术在SOI片的硅层上制作出DBR或DFB光栅。所述二次曝光技术，即先对旋涂了光刻胶的SOI片进行激光全息曝光，得到均匀光栅条纹，但此时不显影，然后再将SOI片置于DBR或DFB光栅光刻板之下进行紫外曝光，经过二次曝光后，再对SOI片上的光刻胶进行显影，最后刻蚀SOI片，得到所需光栅；利用刻蚀技术在SOI片的硅层上垂直于光栅的方向制备出多个宽度不同的硅波导阵列；外延生长相应的多量子阱光增益结构阵列，该多量子阱光增益结构阵列中的每个多量子阱光增益结构与SOI片上硅波导阵列中的每个硅波导相对应（比如是四波长的混合激光器，SOI片上就有四个宽度不同的硅波导，并且每个硅波导上都有相同参数的DBR或DFB光栅。而多量子阱光增益结构阵列只需包含四个相同的多量子阱光增益结构，每个多量子阱光增益结构中的光耦合到其正下方的硅波导中，并经过硅波导上的DBR或DFB光栅来选取单模，由于改变了硅波导的宽度，可改变其有效折射率，从而实现了多波长的硅基混合激光器）；最后采用选区金属键合的方法将多量子阱光增益结构阵列和具有DBR或DFB光栅结构的宽度不同的硅波导阵列进行键合，即可完成多波长硅基混合激光器阵列的制备。

在本发明的器件结构中多量子阱光增益结构阵列的作用仅是提供光增益，光以倏逝波的方式耦合到硅波导阵列中，通过硅波导上的光栅来选取单模，采用改变硅波导的宽度来改变有效折射率，从而实现了多波长的电泵键合硅基混合激光器阵列。

本发明的最终结构示意图如图1所示，图1(a)和图1(b)分别为DBR和DFB光栅结构的硅基混合激光器阵列的侧视结构示意图。自下而上依次为图形化的SOI，键合金属层和多量子阱光增益结构阵列。在本结构中，可采取选区金属键合方法。在制备图形化的SOI结构时，首先利用激光全息曝光技术在SOI片的光刻胶层上曝光出均匀的光栅条纹，此时并不显影，然后再把SOI片置于DBR或DFB光栅光刻板之下进行紫外曝光，显影，最后刻蚀，去光刻胶，通过这种“二次曝光技术”在SOI片的硅层上就制备出了DBR或DFB光栅，最后在垂直于光栅的方向上刻蚀出多个宽度不同的硅波导，则在SOI片上就制备出了最终的宽度不同的具有DBR或DFB光栅结构的硅波导阵列。最后在硅波导两侧，蒸发金属层，作为键合区。键合金属采用Cr/AuSn多层结构，Cr的作用是提高AuSn合金与SOI的黏附性。在本结构中，我们所选择的多量子阱光增益结构阵列为在p型InP衬底上外延的InP基掩埋脊波导光增益结构阵列，并且该多量子阱光增益结构阵列中的多量子阱光增益结构与SOI结构硅波导阵列中的硅波导相对应。

本发明的技术方案是：

一种利用二次曝光技术制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，其步骤包括：

1)利用二次曝光技术在SOI片的硅层上制备出所需光栅；

2)利用光刻、刻蚀技术在SOI片的硅层上垂直于光栅的方向制备出多个宽度不同的硅波导，得到一硅波导阵列；

3)在2）所述SOI片上，除硅波导及其附近较小的设定区域外，在其它区域沉积金属层作为键合区；

4)制备多量子阱光增益结构阵列，该多量子阱光增益结构阵列中的每个多量子阱光增益结构都是相同的，并且与2）所述SOI片上的硅波导阵列中对应的硅波导相对应；

5)以4）所述多量子阱光增益结构阵列中最接近光增益区的面为键合面，将所述多量子阱光增益结构阵列中的光增益区与3）所述SOI片上硅波导阵列中对应硅波导的光耦合区对准，键合，就得到了多波长硅基混合激光器阵列。

所述二次曝光技术，即先对旋涂了光刻胶的SOI片进行激光全息曝光，得到均匀光栅条纹，再将SOI片置于所需光栅光刻板之下进行紫外曝光，然后进行显影，刻蚀，在SOI片的硅层上得到所需光栅。

所述均匀光栅的周期其中λ₀为混合激光器的目标波长，n_eff为有效折射率。

所述所需光栅可为DBR光栅或DFB光栅。

所述DBR光栅的前端反射面长度为50～200μm，后端反射面长度≥200μm，光耦合区长度范围为200～1000μm。

所述DFB光栅的长度范围为200～1000μm。

所述硅波导的高度范围为200nm～2μm，相邻硅波导的宽度范围为120～250μm。

所述刻蚀技术可为耦合等离子(ICP)刻蚀技术或反应离子束(RIE)刻蚀技术。

所述金属层从下到上依次为粘附金属层和键合金属层。

所述粘附金属层可为Cr、Ni或Ti，其厚度范围为5～20nm。

所述键合金属层可为AuSn、InSn、InAu、PbIn或In，其厚度范围为180nm～2μm。

所述键合区位于SOI片上硅波导两侧4μm以外。

所述多量子阱光增益结构阵列中的每个多量子阱光增益结构都具有上下分别限制（SCH）层和多量子阱（MQW）层，并且具有侧向限制作用的条形结构。

所述多量子阱光增益结构阵列可为InP基或GaAs基。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提供的多波长硅基混合激光器阵列可以作为有效的硅基光源应用于单片硅基光电集成、光互联和光通信等众多领域，并且可以用于集成化生产。与现有的多波长硅基混合激光器阵列制备方法相比，这种通过利用二次曝光技术在宽度不同的硅波导上制作DBR或DFB光栅来选取单模，采用改变硅波导宽度来实现多波长的方法，具有工艺简单、成熟，低成本，高可靠性的优点。此外，这种将调制光栅做到硅波导上，即混合激光器的光耦合面上的方法，不仅解决了在多量子阱光增益结构上制作光栅的工艺复杂问题，还使得光栅对混合激光实现了较好的调制作用，提高了器件的性能。因此，本发明具有工艺简单、成本低、周期短、器件性能好、可大面积制作并能够在较大的范围内调节该混合激光器的输出波长等优点。

附图说明

图1为本发明的多波长硅基混合激光器阵列的侧视结构示意图；

图1(a)为DBR光栅结构的示意图，图1(b)为DFB光栅结构的示意图。

图2为本发明四波长电泵键合硅基混合激光器阵列实施例的流程图。

图3为DFB光栅结构的器件的侧视结构示意图。

具体实施方式

下面结合图2，以DBR光栅和InP基多量子阱光增益结构阵列为例对本发明作进一步详细描述，步骤如下：

1.首先利用二次曝光技术在SOI片的硅层上制备出DBR光栅，具体过程如下：

a)在清洗后的SOI片的硅层上旋涂一层均匀的光刻胶，如图2(a)侧视结构示意图所示。

b)根据需要，计算出均匀光栅的参数：周期光栅占空比为50%。然后利用激光全息曝光技术，在SOI片的胶层上制备出大面积的均匀光栅条纹，但此时不显影，如图2(b)侧视结构示意图所示。

c)用DBR光栅光刻板做掩膜，对SOI片进行紫外曝光，DBR光栅的前端反射面长度设为100μm，后端反射面长度设为300μm，光耦合区长度设为500μm，如图2(c)侧视结构示意图所示。

d)将SOI片显影，去掉曝光过的光刻胶，如图2(d)侧视结构示意图所示。

e)以光刻胶为掩膜，采用耦合等离子(ICP)刻蚀上述SOI片，刻蚀深度为20nm，如图2(e)侧视结构示意图所示。

f)去光刻胶，则在SOI片的硅层上得到了均匀的DBR光栅，如图2(f)侧视结构示意图所示。

2.利用光刻、刻蚀技术在SOI片的硅层上垂直于光栅的方向制备出四个宽度不同的硅波导阵列，这四个硅波导的宽度分别为2.4μm，2.6μm，2.8μm和3.0μm。具体的过程如下：

a)在上述具有均匀DBR光栅结构的SOI片上旋涂一层光刻胶，然后在垂直于光栅的方向上用具有宽度不同的硅波导阵列结构的光刻板做光刻，显影，定影。如图2(g)正视结构示意图所示。

b)用ICP刻蚀机将未被光刻胶盖住的硅刻掉，则在SOI片上得到了宽度不同的硅波导阵列和键合区。硅波导高度为500nm，如图2(h)正视结构示意图所示。

c)去除光刻胶，在SOI片上得到了宽度不同的具有DBR光栅结构的硅波导阵列，图2(i)为某一宽度的硅波导正视结构示意图，图2(j)为其立体结构示意图。

3.在上述SOI片上，除硅波导及其附近较小的区域外，在其它区域沉积金属层作为键合区，具体的过程如下：

a)首先在上述SOI片上再次甩胶，套刻，将硅波导及其两侧的设定区域（比如4μm的区域）用光刻胶盖住，留出一些空间用于保护硅波导，如图2(k)正视结构示意图所示。

b)然后在SOI片上依次沉积金属层，包括粘附金属层Cr(5nm)和键合金属层AuSn(495nm)的多层结构，如图2(l)正视结构示意图所示。

c)剥离，去除硅波导上及其两侧的光刻胶和上面的金属，如图2(m)正视结构示意图所示。

通过以上1-3步骤，可得到具有DBR光栅结构的宽度不同的硅波导阵列和金属键合区的SOI片。

4.制备多量子阱光增益结构阵列，以InP基掩埋脊波导光增益结构阵列为例，制备工艺

如下：

a)首先利用MOCVD在约300μm厚的p型InP衬底上依次外延生长p型InP缓冲层、p型InGaAsP下SCH层、多量子阱层、n型InGaAsP上SCH层，然后湿化学腐蚀出3μm宽的脊型有源区，再生长n型InP层。最后，在距离有源区6μm区域处注入He离子至p型InP缓冲层，如图2(n)正视结构示意图所示。

b)在n型InP面蒸发一层AuGeNi作为其欧姆接触电极，并在金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口。减薄p型InP衬底后，蒸发AuZn电极层，就制备出了InP基掩埋脊波导光增益结构阵列，图2(o)为其中某一光增益结构的正视结构示意图。

5.以步骤4所述的多量子阱光增益结构阵列中最接近光增益区的面为键合面，利用键合机将上述多量子阱光增益结构阵列中的每个光增益区与步骤3所述SOI片上硅波导阵列中的每个硅波导光耦合区对准，然后在适当的温度、时间和压力下键合。这样就得到了最终的四波长电泵键合硅基混合激光器阵列，图2(p)为器件的正视结构示意图，图2(q)为该器件的侧视结构示意图。

本发明中，上述实施例提供了一种优化了的InP基多波长电泵键合硅基混合激光器阵列的制备方案，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设计修改，例如：

光栅除了DBR光栅外，还可以是DFB光栅，图3为该器件的侧视结构示意图。

键合金属层材料除AuSn外，还可以是In、InSn、InAu或PbIn。

多量子阱光增益结构阵列除了实例中的掩埋脊波导型外，还可以是肋波导型，台阶衬底型等其它类型的条形结构的多量子阱光增益结构阵列。

此外，多量子阱光增益结构阵列除InP基外，还可为GaAs基。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的多波长电泵键合硅基混合激光器阵列的制备方法，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

1.一种利用二次曝光技术制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，其步骤为：

1)利用二次曝光技术在SOI片的硅层上制备出所需光栅；

2)在SOI片的硅层上垂直于所述光栅的方向制备出多个宽度不同的硅波导，得到一硅波导阵列；

3)在2)所述SOI片上，每一所述硅波导及其两侧设定区域外沉积金属层作为键合区；

4)制备多量子阱光增益结构阵列，其中所述多量子阱光增益结构阵列中的多量子阱光增益结构分别与所述硅波导阵列中的硅波导相对应；其中，制备所述多量子阱光增益结构阵列的方法为：

a)首先利用MOCVD在p型InP衬底上依次外延生长p型InP缓冲层、p型InGaAsP下SCH层、多量子阱层、n型InGaAsP上SCH层，然后湿化学腐蚀出3μm宽的脊型有源区，再生长n型InP层，最后在距离有源区6μm区域处注入He离子至p型InP缓冲层；

b)在n型InP层蒸发一层AuGeNi作为其欧姆接触电极，并在金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口；减薄p型InP衬底后，蒸发AuZn电极层；

5)以所述多量子阱光增益结构阵列中最接近光增益区的面为键合面，将所述多量子阱光增益结构阵列中的光增益区与所述硅波导阵列中对应硅波导的光耦合区对准、键合，得到多波长硅基混合激光器阵列。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述利用二次曝光技术在SOI片的硅层上制备出所需光栅的方法为：先对旋涂了光刻胶的SOI片进行激光全息曝光，得到均匀光栅条纹；然后根据所需光栅选取对应的光栅光刻板，将该SOI片置于该光栅光刻板之下进行紫外曝光；然后对该SOI片上的光刻胶进行显影，最后刻蚀该SOI片，得到所需光栅。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述光栅为DFB光栅或DBR光栅。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述均匀光栅的周期Λ＝λ/2n_eff，其中λ为混合激光器的目标波长，n_eff为有效折射率。

5.如权利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于所述硅波导的高度范围为200nm～2μm，相邻硅波导的宽度范围为120～250μm；所述设定区域为硅波导两侧4μm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述多量子阱光增益结构阵列为在p型InP衬底上外延的InP基掩埋脊波导光增益结构阵列。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述金属层从下到上依次为粘附金属层和键合金属层。