CN103887705A - 金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法 - Google Patents

金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法 Download PDF

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杨跃德
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Abstract

一种金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，包括：在SOI片上刻蚀出周期性的条形波导结构；在p型InP衬底上外延生长III/V激光器外延片；清洗；将III/V激光器外延片和SOI片键合到一起，形成键合片；在键合片上表面生长一SiO2层，在SiO2层表面光刻出激光器图形，刻蚀掉图形外的SiO2层；在制作完成后的III/V激光器外延片的表面生长一层隔离层，并且在激光器谐振腔隔离层表面生长一金属覆盖层；在底部接触层上制作出图形化的N型电极，使之包围在激光器谐振腔的周围；在底部接触层的部分表面及III/V激光器谐振腔的表面蒸发一P型接触电极Ti/Pt/Au，完成制备。

Description

金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，特别涉及了一种金属完全限制的硅基混合激光器及其制备方法，该方法用于硅基光电集成领域，该结构通过谐振腔端面金属对光场的强反射作用，从而可以研制具有高光限制因子的键合III/V激光器，降低键合激光器的阈值，并实现激光从Si光波导输出。
背景技术
光子作为信号的载体，有着带宽高，损耗低以及抗干扰性能强等优点，光子集成和光电子集成受到人们的极大重视。由于SOI波导对通信波长的光吸收少，折射率差大以及与CMOS工艺的兼容性，已经成为光子集成的一大平台。
硅基光电子器件是硅基光子集成的基础，目前硅基的探测器、调制器和无源器件已经得到了极其深入的发展。然而，要完整地实现硅基光电集成，一个电注入室温工作的硅基激光器是必不可少的。由于硅是一种间接带隙材料，发光效率极低，人们寄希望于将III/V族半导体材料与SOI结合起来，这样既可以发挥半导体材料发光效率高的优势，又可以发挥SOI与CMOS工艺兼容的优势。由于III/V族半导体与硅的晶格常数不匹配，在硅上生长出光学性能好的III/V族半导体材料难度很大。为此人们提出了键合技术，即将III/V族半导体材料与SOI材料键合在一起。目前主要的键合方法有直接键合法、DVS-BCB键合法和金属键合方法。直接键合技术条件要求苛刻，但键合强度高，并且器件的散热性好；金属键合技术一般要求对准精度高；以DVS-BCB为代表的聚合物键合技术优点在于键合条件要求低，并且不需要对准设备，容易实现。基于这些键合技术，硅基键合FP腔激光器、硅基键合DFB和DBR单模激光器、硅基键合微盘和微环激光器都已经问世。
目前，硅基混合激光器的基本原理都是通过光场扩展到SOI波导中实现，键合激光器从SOI波导中光输出，但对应的模式光限制因子就会降低，不利于实现低阈值激光器。本发明提出了一种金属完全限制的硅基混合激光器结构，并且利用键合技术和半导体激光器制作工艺制作了金属完全限制的硅基混合激光器，该种结构的键合激光器优点是光场可以得到完全的限制，提高了键合激光器的光限制因子，降低了阈值，从而使得激光器性能更优异。
发明内容
本发明的目的是提出一种金属完全限制的硅基混合激光器结构及其制备方法。该方法能比较简单的制作出金属完全限制的硅基混合激光器，并且通过金属层的限制作用，能够使得硅基混合激光器的性能得到显著的改善，并且能够方便的应用在光电集成领域。
本发明的技术方案为，III/V族激光器外延片生长在P型InP衬底上，SOI片上刻蚀出周期性的硅波导结构，然后通过键合技术将III/V族激光器外延片键合到带有波导结构的SOI片上，再利用半导体制作工艺在键合好的键合片上制作出金属完全限制的硅基混合激光器结构。
金属完全限制的硅基混合激光器主要工作原理是激光器谐振腔两个端面的金属覆盖层能够对光场产生强的反射作用，从而使得模式光强基本限制在SOI片上方的III/V激光器谐振腔中，提高了激光器的光限制因子和品质因子，由于键合层的厚度很薄，光场完全可以通过垂直消逝波耦合的方式耦合到下方的SOI硅波导中，从而实现激光从硅波导中输出。
本发明涉及到的半导体制作工艺主要包括键合技术、MOCVD技术、光刻技术、PECVD技术、ICP刻蚀技术、剥离技术、电子束蒸发技术和湿法腐蚀技术等。
本发明提供一种金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片上刻蚀出周期性的条形波导结构；
步骤2：在p型InP衬底上外延生长III/V激光器外延片；
步骤3：清洗III/V激光器外延片和SOI片；
步骤4：将III/V激光器外延片和SOI片键合到一起，形成键合片，固化，并去除p型InP衬底；
步骤5：在键合片上表面生长一SiO2层，在SiO2层表面光刻出激光器图形，该激光器图形与SOI片上的条形波导结构对准，刻蚀掉图形外的SiO2层，刻蚀出III/V激光器谐振腔的结构，保留III/V激光器外延片下部的部分作为底部接触层；
步骤6：在制作完成后的III/V激光器外延片的表面生长一层隔离层，并且在激光器谐振腔隔离层表面生长一金属覆盖层，使之金属覆盖层完全包裹住激光器谐振腔；
步骤7：在底部接触层上制作出图形化的N型电极，使之包围在激光器谐振腔的周围；
步骤8：在底部接触层的部分表面及III/V激光器谐振腔的表面蒸发一P型接触电极Ti/Pt/Au，完成制备。
本发明的有益效果在于，与普通的硅基混合FP腔激光器相比，金属完全限制的硅基混合激光器，由于激光器谐振腔的侧面完全被金属层覆盖，光场通过隔离层到达金属层上完全被反射和吸收，避免了激光从激光器谐振腔端面的散射，保证了激光完全从激光器谐振腔下方的硅波导中输出；同时，金属完全限制结构将光场限制在了激光器谐振腔内，由于金属端面对光场具有强反射作用，从而提高了键合激光器的光限制因子和品质因子，降低了工作阈值；此外，热阻大、散热性差是目前硅基混合激光器面临的主要难题，本发明提出的金属完全限制的硅基混合激光器，激光器谐振腔表面完全被金属覆盖，与侧向只用二氧化硅隔离层或BCB限制相比，因为金属层的热导率很大，可以作为很好的热导层，使得金属完全限制的硅基混合激光器的散热性得到改善，进一步提高了激光器的工作温度。
附图说明
为了更加清楚的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来对本发明做详细的描述，其中：
图1为本发明的制备方法流程图；
图2为本发明的结构截面示意图；
图3为本发明的结构立体示意图。
具体实施方式
下面结合图1，并结合参阅图2及图3所示，对本发明提出的金属完全限制的硅基混合激光器作进一步详细的描述，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片上刻蚀出周期性的条形波导结构，并且该周期与制作III/V激光器的光刻版的周期对应，以便于后期光刻时硅波导与III/V激光器谐振腔对准，所述的SOI片结构有三部分组成：下方的硅衬底1；SiO2层2，其位于硅衬底上方，作用是防止硅波导中的光从硅衬底泄露出去；顶部的硅波导层3，位于SiO2层2的上方，该层用于激光的低损耗传输，高度介于50nm-5μm，宽度介于50nm-10μm，对于不同高度和宽度的硅波导，其对应的激光从III/V激光器谐振腔耦合到下方的硅波导中的耦合效率也不同。
步骤2：利用MOCVD技术在p型InP衬底上外延生长III/V激光器外延片，该III/V激光器外延片包括但不限于以下六层，p型欧姆接触层4、上限制层5、分别限制异质结层6、多量子阱或体材料有源区7、分别限制异质结层8和下限制层9，其中，欧姆接触层4用于沉积电极，上限值层5和下限值层7对光场起限制作用，二者的厚度对激光器的模式分布、品质因子和耦合效率影响很大，上限制层厚度介于200nm-3μm，下限制层9厚度应在1μm以下，有源区7用于提供光增益，产生激光。
步骤3：清洗III/V激光器外延片和SOI片，用有机和无机溶剂清洗，去除表面的有机物和杂志颗粒，提高键合片的质量。
步骤4：利用键合技术将III/V激光器外延片和SOI片通过一BCB键合层10键合在一起，形成键合片，在250℃的N2环境中固化一小时，并去除p型InP衬底，该BCB键合层4的厚度与光从III/V激光器谐振腔耦合到硅波导中的耦合效率和硅波导中激光输出功率有关，BCB键合层4的厚度越大，耦合效率越低，对应的激光输出功率也越低，为了保证激光器产生的光可以高效率耦合到下方的SOI硅波导中，提高键合激光器的工作性能，SOI片硅波导上方的BCB厚度介于500nm以下。
步骤5：利用PECVD技术在键合片上表面生长一SiO2层，在SiO2层表面光刻出激光器图形，该激光器图形与SOI片上的条形波导结构对准，通过ICP技术刻蚀掉图形外的SiO2层，刻蚀出III/V激光器谐振腔结构，保留III/V激光器外延片下部的部分作为底部接触层11，再利用湿法腐蚀技术去掉剩余的SiO2；
步骤6：在制作完成后的III/V激光器外延片的表面利用PECVD技术生长一层隔离层12，并且利用电子束蒸发技术和剥离技术在激光器谐振腔隔离层表面生长一金属覆盖层13，使之金属覆盖层13完全包裹住III/V激光器谐振腔14；其中，所述隔离层的材料为SiO2，厚度为20nm-2μm，其作用是将III/V激光器谐振腔14与激光器谐振腔侧面覆盖的金属覆盖层7隔离开，避免金属覆盖层7对光场的强烈吸收，该金属覆盖层7的厚度介于10nm-10μm，该层的作用是金属对光场产生强反射作用，使得激光器的品质因子变大，从而降低阈值；此外，III/V激光器谐振腔14两个端面外的底部接触层可以保留或者完全刻蚀掉，暴露出BCB键合层4，再覆盖上隔离层12和金属覆盖层13，该种结构的金属覆盖层13对可以对光场起到完全的限制作用，从而对光场的反射作用得到进一步的提高，阈值得到更大的降低。
步骤7：利用光刻技术、电子束蒸发技术和剥离技术在底部接触层5上制作出图形化的N型电极15，N型电极15材料为Au/Ge/Ni，该N型电极15环绕在III/V谐振腔的周围，并且距离谐振腔的距离小于20μn，从而可以使得电流较高的注入效率，同时降低了器件的电阻；
步骤8：利用光刻技术、电子束蒸发技术和剥离技术在底部接触层5上的部分表面及III/V激光器谐振腔14的表面蒸发一P型接触电极16，用于电流注入，该P型接触电极16的材料为Ti/Pt/Au。
本发明中，以上所述的具体实施方式中提供了一种基于DVS-BCB键合技术制作的金属完全限制的硅基混合激光器的制备方案，但本发明不仅局限于此，可以根据实际需求和结构设计对本发明阐述的结构进行相关参数的更改，只要保证激光器谐振腔两个端面完全被金属覆盖层覆盖住即可。比如：
本实施案例中应用的是DVS-BCB键合技术，实际也可以利用直接键合方式、金属键合方式或其他聚合物键合方法将激光器外延片键合到图形化的SOI片上。
本实施案例中阐述的是InP基的金属完全限制的FP腔激光器，实际也可以是GaAs基或其他材料的半导体激光器。
本实施案例中阐述的是金属完全限制的硅基FP腔混合激光器的结构及制备方法，在案例中FP激光器谐振腔在腔长方向的两个端面和激光器谐振腔的两个侧面完全被金属覆盖层覆盖，由于起主要作用的是FP腔激光器谐振腔腔长方向的两个端面，所以，在实际制作中，也可以使得只有FP腔激光器谐振腔腔长方向的两个端面被金属覆盖层覆盖，两个侧面没有金属层覆盖。
本实施案例中阐述的金属完全限制的硅基混合激光器的结构及制备方法，在激光器谐振腔表面覆盖的隔离层和金属覆盖层，采用了均匀统一的厚度，也可以采用不同的厚度，则使得激光器谐振腔的侧面和端面的隔离层厚度不同或金属覆盖层厚度不同，从而在激光器谐振腔两个端面处，金属覆盖层对光场的反射作用也不同，对激光器的光限制因子、品质因子和阈值等性能的影响也不同。
本实施案例中利用ICP技术刻蚀出腔体图形，也可以利用半导体湿法腐蚀技术或二者结合的方法刻蚀出腔体。
本实施案例中是用Ti/Pt/Au作为P电极金属，Au/Ge/Ni作为N电极金属，也可以根据实际需求应用其他的金属作为电极层。
本实施案例中用到的半导体制作加工工艺及技术，也可以利用相对应的不同的技术，只要达到既定的要求即可。
本实施案例中隔离层和光刻掩膜层用的是SiO2，也可以用别的绝缘性材料代替，比如氮化硅等，只要使得绝缘层材料的折射率低即可。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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 (8)

1.一种金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片上刻蚀出周期性的条形波导结构；
步骤2：在p型InP衬底上外延生长III/V激光器外延片；
步骤3：清洗III/V激光器外延片和SOI片；
步骤4：将III/V激光器外延片和SOI片键合到一起，形成键合片，固化，并去除p型InP衬底；
步骤5：在键合片上表面生长一SiO2层，在SiO2层表面光刻出激光器图形，该激光器图形与SOI片上的条形波导结构对准，刻蚀掉图形外的SiO2层，刻蚀出III/V激光器谐振腔的结构，保留III/V激光器外延片下部的部分作为底部接触层；
步骤6：在制作完成后的III/V激光器外延片的表面生长一层隔离层，并且在激光器谐振腔隔离层表面生长一金属覆盖层，使之金属覆盖层完全包裹住激光器谐振腔；
步骤7：在底部接触层上制作出图形化的N型电极，使之包围在激光器谐振腔的周围；
步骤8：在底部接触层的部分表面及III/V激光器谐振腔的表面蒸发一P型接触电极Ti/Pt/Au，完成制备。
2.根据权利要求1所述的金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，其中III/V激光器外延片包括但不限于以下六层，p型欧姆接触层、上限制层、分别限制异质结层、多量子阱或体材料有源区、分别限制异质结层和下限制层。
3.根据权利要求1所述的金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，其中所述隔离层的材料为SiO2，其作用是将III/V激光器谐振腔与激光器谐振腔侧面的金属覆盖层隔离开，避免P型接触电极对光场的强烈吸收，该P型接触电极对光场产生强反射作用，使得激光器的品质因子变大，从而降低阈值。
4.根据权利要求1所述的金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，其中金属覆盖层的材料为Ti/Pt/Au，或是Ag、Cu和Al。
5.根据权利要求1所述的金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，其中激光器谐振腔侧面覆盖的隔离层的厚度为20nm2μm。
6.根据权利要求1所述的金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，其中激光器谐振腔两个端面外的底部接触层完全刻蚀掉，再覆盖上隔离层和金属层，该种结构的金属层对光场起到完全的限制作用。
7.根据权利要求6所述的金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，其中所述的金属覆盖层的厚度为10nm-10μm。
8.根据权利要求1所述的金属完全限制的硅基混合激光器的制备方法，其中N型电极环绕在谐振腔周围，与谐振腔的距离小于20μm，以降低键合激光器的电阻。
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