CN104319630A - 石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法 - Google Patents

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袁丽君
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Abstract

一种石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，包括如下步骤：在SOI片的顶层硅上制作硅波导；在制作完硅波导的SOI片上制作石墨烯选区光栅，形成基片；进行金属剥离，得到键合前的SOI部分；在一衬底上依次外延生长下分离限制层、有源区和上分离限制层，形成外延片；刻蚀脊形波导；蒸镀一层金属，金属剥离，得到光耦合窗口和金属电极；减薄衬底，制作背金属电极；利用选区金属键合，完成制作。本发明工艺简单，低散射损耗，是纯增益的DFB硅基混合激光器单模效果好。

Description

石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法
技术领域
本发明属于电子器件领域，具体涉及一种石墨烯增益耦合分布反馈式(DFB)硅基混合激光器的制作方法，其制作工艺简单，成本低，可靠性高，该耦合分布反馈式硅基混合激光器是纯增益的，并降低单模激光器的损耗。
背景技术
近年来，随着硅光子学各分立器件的成熟，硅基光互连逐渐成为研究的热点，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。
广义的硅基光源按发光材料的不同分为硅材料体系发光的光源和其他发光材料与硅的混合光源。硅材料体系光源包括纳米硅体系光源和硅基拉曼激光，但均未能实现电泵激光。其他发光材料与硅的混合光源包括：硅基有机电致发光、硅中掺入杂质或缺陷等形成发光中心、半导体纳米线-硅异质结电致发光、硅上外延化合物半导体发光、键合硅基激光。其中前三种虽然实现较高效率电致发光，但用于光互连还有较大距离。硅基外延生长激光器，由于晶格失配(InP/Si失配8％，GaAs/Si失配4％)的问题，会引入大量的缺陷和位错，有源层材料质量不高，这种方法制备的硅基激光器效率较低而且寿命较短，而且很厚的缓冲层也成本太高。硅基键合是一种很好的解决不同材料晶格失配问题的方法，除了键合界面处的极薄层之外，不会在材料中引入大量缺陷和位错，是目前实现硅基激光最可行、最经济的方法。
键合的激光器中一个重要的方向就是获得良好的单模激光器。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，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。
我们知道增益耦合DFB激光器，在布拉格波长处有基本解，因而不需要引入λ/4的相移。我们将石墨烯转移到SOI的硅波导上制作光栅后键合，由于石墨烯是二维材料，厚度非常小，单层石墨烯的厚度不足1nm，石墨烯对于器件的有效折射率基本不会产生影响，因而可以认为该DFB硅基混合激光器是纯增益的。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，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。本发明通过在硅波导上制作一定尺寸的石墨烯光栅，利用石墨烯光栅周期性的吸收特性来实现纯增益耦合的DFB硅基混合激光器，最终得到单模激射，具有低成本、工艺简单、高可靠性等优点。由于石墨烯为二维材料，其对光的吸收也很弱，相较于在硅波导上制作光栅的散射损耗，该纯增益耦合的单模激光器的损耗也应该更低。
本发明提供一种石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片的顶层硅上制作硅波导；
步骤2：在制作完硅波导的SOI片上制作石墨烯选区光栅，形成基片；
步骤3：在基片的上表面蒸镀一层金属，利用金属剥离的方法，将硅波导上的金属及两侧的部分金属剥离，形成过量金属容纳区和金属键合区，金属键合区位于过量金属容纳区的外侧，形成键合前的SOI部分；
步骤4：取一衬底，在该衬底上采用金属有机物化学气相沉积法依次生长下分离限制层、有源区和上分离限制层，形成外延片；
步骤5：对外延片进行刻蚀，刻蚀深度到达衬底，在其上采用金属有机物化学气相沉积法生长接触层，形成掩埋脊结构，掩埋脊结构中间的凸起为脊形波导；
步骤6：在掩埋脊结构的上表面蒸镀一层金属，利用金属剥离的方法，将脊形波导上面及其两侧的部分金属剥离，在该脊形波导两侧形成光耦合窗口和金属电极，金属电极位于光耦合窗口的外侧；
步骤7：减薄衬底，在衬底的背面制作背金属电极，形成键合前的激光器部分；
步骤8：利用选区金属键合的方法将步骤7得到的键合前的激光器部分倒扣键合到步骤得到的键合前的SOI部分上，完成石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作。
本发明的有益效果是成本低廉，工艺简单，低散射损耗，是纯增益的DFB硅基混合激光器单模效果好。
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做详细的描述，其中：
图1为本发明的方法流程图；
图2为在SOI片的顶层硅上制作完硅波导后的结构示意图；
图3为在硅波导上制作完石墨烯选区光栅的结构示意图；
图4为键合前的SOI部分的结构示意图；
图5为外延片的结构示意图；
图6为掩埋脊结构的结构示意图；
图7为键合前的激光器部分的结构示意图；
图8为石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1并结合参阅图2-图8所示，详细阐述了本发明一种石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法。下面介绍具体实施方案：
步骤1：在SOI片的顶层硅上用感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)制作硅波导1，其中硅波导的宽度为2μm-5μm，高度为120nm-500nm，如图2所示；
步骤2：将大面积的石墨烯转移到做完硅波导1的SOI片上，转移的石墨烯的层数为1-5层。利用时域有限差分(FDTD)软件计算石墨烯增益耦合分布反馈式激光器的有效折射率neff，给定目标波长λ，带入公式Λ＝λ/2neff，得到石墨烯光栅的周期Λ。在铺完石墨烯的SOI片上，利用全息曝光或者电子束刻蚀制作周期为Λ的光栅，光栅的占空比范围为0.2-0.8。将做光栅的SOI放入反应离子刻蚀(RIE)中打氧，能量为10W，剂量为30标准状态毫升/分(sccm)，打氧时间为30s，取出后泡丙酮去除光栅的光刻胶，得到整片带有石墨烯光栅的SOI片子。在做完石墨烯光栅的SOI片子上均匀的涂上一层光刻胶，利用石墨烯图形的光刻板，对石墨烯图形以外的地方进行曝光。对曝光后的SOI片子进行显影，并打氧，能量为10W，剂量为30标准状态毫升/分(sccm)，打氧时间为30s，将没有光刻胶保护的区域中的石墨烯光栅打掉，而有光刻胶保护的区域中的石墨烯光栅得以保留。去除剩余的光刻胶，并清洗，得到石墨烯选区光栅2，形成基片。石墨烯选区光栅2宽度范围为2μm-20μm。石墨烯选区光栅2的长度满足κL乘积的范围为1-2.5，其中κ为耦合常数，L为光栅长度。如图3所示；
步骤3：在基片的上表面光刻出图形掩膜，然后大面积蒸镀一层金属，将硅波导1上的金属及两侧的部分金属剥离，形成过量金属容纳区3和金属键合区4，金属键合区4位于过量金属容纳区3的外侧。在硅波导1两侧预留的过量金属容纳区3，是为了防止键合过程中键合金属流向硅波导1，避免金属对光的吸收。由于金属在键合过程中流动，最终将消除金属键合区4与硅波导1的高度差，使激光器中的光能更高效的耦合到硅波导中。该过量金属容纳区3的宽度为2-10μm，金属键合区4材料为AuGeNi/In/Sn，形成键合前的SOI部分。如图4所示；
步骤4：取一衬底5，在该衬底5上采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)依次生长下分离限制层6、有源区7和上分离限制层8，形成外延片。如图5所示；
步骤5：光刻后用Br∶H20＝1∶1溶液对外延片进行湿法刻蚀形成脊波导，刻蚀为时间30-40s，刻蚀深度到达衬底5，清洗后在其上采用低压金属有机物化学气相沉积法(LP-MOCVD)生长接触层9，接触层的厚度为500nm，形成掩埋脊结构，如图6所示；
步骤6：对掩埋脊结构进行光刻后，在掩埋脊结构的上表面蒸镀一层金属，利用金属剥离的方法，将脊形波导上面及其两侧的部分金属剥离，在该脊形波导两侧形成光耦合窗口10和金属电极11。金属电极11位于光耦合窗口10的外侧，金属电极11的材料为AuGeNi，厚度为200-400nm。该光耦合窗口10的宽度与键合前的SOI部分的金属键合区4的宽度相同；
步骤7：减薄衬底5，在衬底5的背面制作背金属电极12，背金属电极12的材料为AuZn，厚度为200-400nm，形成键合前的激光器部分。其中，激光器结构总厚度为130μm-150μm，足以保证在加热加压的键合过程不碎裂，提高键合成品率。键合前的激光器部分激射波长范围为300nm-2500nm，如图7所示；
步骤8：利用选区金属键合的方法将步骤7得到的键合前的激光器部分倒扣键合到步骤3得到的键合前的SOI部分上，完成石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作。选区金属键合是将键合前的激光器部分的金属电极11和光耦合窗口10分开，从而避免了键合金属对光的吸收，键合温度为150-210℃，压力大约为0.1N，环境为氮气保护，时间只需要2min。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 (8)

1.一种石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在SOI片的顶层硅上制作硅波导；
步骤2：在制作完硅波导的SOI片上制作石墨烯选区光栅，形成基片；
步骤3：在基片的上表面蒸镀一层金属，利用金属剥离的方法，将硅波导上的金属及两侧的部分金属剥离，形成过量金属容纳区和金属键合区，金属键合区位于过量金属容纳区的外侧，形成键合前的SOI部分；
步骤4：取一衬底，在该衬底上采用金属有机物化学气相沉积法依次生长下分离限制层、有源区和上分离限制层，形成外延片；
步骤5：对外延片进行刻蚀，刻蚀深度到达衬底，在其上采用金属有机物化学气相沉积法生长接触层，形成掩埋脊结构，掩埋脊结构中间的凸起为脊形波导；
步骤6：在掩埋脊结构的上表面蒸镀一层金属，利用金属剥离的方法，将脊形波导上面及其两侧的部分金属剥离，在该脊形波导两侧形成光耦合窗口和金属电极，金属电极位于光耦合窗口的外侧；
步骤7：减薄衬底，在衬底的背面制作背金属电极，形成键合前的激光器部分；
步骤8：利用选区金属键合的方法将步骤7得到的键合前的激光器部分倒扣键合到步骤得到的键合前的SOI部分上，完成石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，其中转移的石墨烯选区光栅的石墨烯层数为1-5层。
3.根据权利要求2所述的石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，其中石墨烯选区光栅的光栅周期Λ＝λ/2neff，其中neff为器件的有效折射率，λ为激光器的目标波长。
4.根据权利要求3所述的石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，其中石墨烯选区光栅的制作方法包括全息曝光和电子束刻蚀。
5.根据权利要求4所述的石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，其中所述的石墨烯选区光栅的占空比范围为0.20.8。
6.根据权利要求5所述的石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，其中石墨烯选区光栅宽度范围为2μm-20μm。
7.根据权利要求6所述的石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，其中石墨烯选区光栅的长度满足кL乘积的范围为1-2.5，其中к为耦合常数，L为光栅长度。
8.根据权利要求1所述的石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法，其中键合前的激光器部分激射波长范围为300nm-2500nm。
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