CN110994355B - 单片集成硅光芯片的分布式反馈激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于硅光技术领域，具体为单片集成硅光芯片的分布式反馈激光器及其制备方法。本发明激光器结构包括：SOI基片的硅衬底；二氧化硅绝缘层；高激光增益的掺杂硅纳米晶薄膜层，由顶层本征硅衬底刻蚀的硅波导；其中，掺杂硅纳米晶薄膜层包含有一维分布反馈结构，通过光刻技术形成有布拉格光栅，构成激光器的谐振腔；作为光泵浦的光源为电激发的LED或激光二极管，直接贴合于光泵激光区域上方，通过光泵浦方式产生激光输出；出射激光与SOI上的硅波导直接对准，从而获得很高的耦合效率。本发明器件结构紧凑、制作工艺成熟，信号激光与波导耦合损耗低，避免了基于半导体增益材料的硅基激光器集成结构复杂、波导与激光耦合困难的弊端。

Description

单片集成硅光芯片的分布式反馈激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于硅光技术领域，具体涉及单片集成硅光芯片的激光器件及其制备方法。
背景技术
晶体管的发明是20世纪一个具有划时代意义的事件，它将人类文明的发展速度推到了前所未有的高度。而已硅材料为基础的微电子器件在过去几十年的发展历程中逐渐实现了低功耗、低成本、易集成等优点，迅速占领了绝大部分电子市场，成为了信息革命时代的基石。然而，微电子器件尺寸的进一步减小，已使得硅材料诸如沟道效应等问题凸显。同时金属互联延迟和能耗的增大也是阻碍超大型集成电路快速发展的主要原因。相比于电子，光子作为信息载体具有多方面优势：光子间无干扰，光子静止质量为零，多通道同时兼容。微型光子器件因光子的独特性质，将比微电子器件具有更大的带宽和更高的速率。又由于目前成熟的集成电路技术均基于硅的工艺平台，因此光电集成的有限方案便是基于成熟的硅集成技术。
在组成完整的硅光芯片时，各种无源光学器件和有源光学器件都需要集成在统一的硅衬底上。然而目前，硅光集成的最基础器件之一的光源，仍然没有可集成的解决方案。几种可能的解决方式包括外部光源与混合集成片上光源、掺铒硅基单片集成、硅锗激光器的集成以及III-V族激光器键合集成和直接硅基生长，都存在一系列问题。外部光源混合集成虽然发光效率高、获得激光性质好，然而集成度低，制备工艺复杂，与CMOS工艺不兼容，光束耦合对准难度大，导致最终形成系统代价高昂；掺铒硅基光源目前的最大困难是由自由载流子吸收增大光损耗而导致的低增益系数问题，在自由载流子注入情况下很难实现短程光放大；硅锗激光器利用重掺杂和材料应变等手段调制锗的能带致使其发生直接带隙的电子跃迁发光，然而麻省理工大学的团队发现在集成工艺和由于锗的高折射率而造成的出光耦合效率低方面仍需进一步研究；III-V族激光器键合集成和直接硅基生长需要在硅基片上生长几微米甚至几十微米的缓冲材料层或键合层，对芯片的平面化造成不利影响，并且发热效应也会严重降低集成器件的性能。
与此同时，复旦大学发明了一种基于高增益的纳米晶体硅材料的DFB光泵激光器，引起了国内外的广泛关注。其中，首先制备出具有和半导体材料光增益相当的硅纳米晶；然后利用纳米压印技术直接在硅纳米晶薄膜上制备DFB谐振腔，从而实现了全硅激光器。由于生产工艺和材料特性完美兼容当前的CMOS技术平台，这也将是未来实现单片集成硅光源的重要方向。
本发明提出一种CMOS兼容的单片集成硅光芯片的激光光源器件结构。该方案基于SOI基底，以掺杂的高增益硅纳米晶为增益介质，利用光刻技术制备一阶DFB光栅形成光泵激光单元，并将电泵浦光源通过外延生长或者键合的方式贴合于DFB区域正上方，通电发光激发增益材料产生片上激光，并直接实现与SOI硅波导的高效率片上耦合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光与波导耦合效率高、与CMOS兼容的单片集成硅光芯片的分布式反馈激光器及其制备方法。
本发明提出的分布式反馈激光器，包括：一SOI基片的硅衬底；制备于硅衬底上的二氧化硅绝缘层（埋氧层）；在二氧化硅绝缘层上的高激光增益的掺杂硅纳米晶薄膜层，以及由顶层本征硅衬底刻蚀的硅波导；所述掺杂硅纳米晶薄膜层包含有一维分布反馈结构，在该纳米晶薄膜上通过光刻技术形成有布拉格光栅，构成激光器的谐振腔，该激光器的谐振腔为DFB结构；作为光泵浦的光源为电激发的LED或激光二极管，通过键合技术直接贴合于光泵激光区域上方，通过光泵浦方式产生激光输出；出射激光与SOI上的硅波导直接对准，获得很高的耦合效率。参见图1-3所示。
本发明提出的分布式反馈激光器，其激光波长满足一阶布拉格条件，使激光仅在光栅表面来回振荡，增加波导方向激光反馈，提高了激光出射效率。
本发明中，SOI基片的硅衬底总厚度在200~600 μm之间，其中，中间二氧化硅绝缘层（埋氧层）厚度在0.2~2 μm之间，顶层本征硅层厚度在0.2~2 μm之间。
本发明中，作为激光增益材料的掺杂硅纳米晶薄膜，由光刻胶HSQ通过掺杂热退火制备得到。
本发明中，激光器的谐振腔为DFB结构，通过合理参数设计并采用光刻技术制备形成，并统筹设计了波导和激光器的生产工艺，具备完全的CMOS工艺兼容性。
本发明提出的分布式反馈激光器的制备方法，具体步骤如下：
（一）高激光增益的掺杂硅纳米晶薄膜层制备与相变处理，具体流程为：
（1）以SOI材料为基底，制备二氧化硅绝缘层（埋氧层）；基底总厚度在200~600 μm之间；中间二氧化硅绝缘层（埋氧层）厚度在0.2~2 μm之间，顶层本征硅层厚度在0.2~2 μm之间；经过标准清洗液清洗，去除了杂质；
（2）选区刻蚀顶层本征硅，刻蚀气体为SF6，选区尺寸为：长度5~100微米，宽度1~10微米；
（3）将稀土或其它发光增益材料（如III-V族量子点等）加入MIBK（甲基异丁基甲酮），超声5~10分钟，使其与溶剂充分混溶；
（4）将混溶好的溶液添加于HSQ光刻胶中，充分搅拌混溶；
（5）采用高速旋涂，液体微粒喷涂，印刷或滴涂等方式均匀涂膜，保证膜层粗糙度不超过1 nm；
（6）将成膜后的基片置于烘箱内于100~180℃之间烘烤10~240min；
（7）将HSQ薄膜基片置于经过清洗的石英基板上，然后将其放入石英退火炉中，保证样品在石英退火炉的恒温区内，并通入H2：N2体积比为5%：95%的混合气体；
（8）将退火炉由室温升温至1000~1150℃，升温时间为40~60min，在此温度下保持50~90min，随后关闭加热自然降温1-5h；
（二）波导刻蚀：
（1）对基片进行化学机械抛光平坦化处理；
（2）进行波导掩膜曝光和显影与检测，得到显影良好的波导刻蚀区；
（3）使用干法快速刻蚀SOI基底上层硅形成硅波导，刻蚀气体为SF6；
（三）光泵激光的谐振腔制备：
（1）将波导刻蚀完成的基片置于光刻机中，根据掩模板选择合适的胶种，旋涂光刻胶，光刻胶厚度在0.4~4微米之间；
（2）掩膜版对准后进行曝光固化，曝光时间在1~30 min,保证光刻胶固化性能；
（3）固化后，将基片置于显影胶中显影并清洗，清洗完成后进行形貌检测，若发现明显缺陷，可使用去胶溶剂清洗并返回（三）中步骤（1）；
（4）显影完成的基片置于真空系统中进行干法刻蚀直到光栅深度在50nm~200nm之间，（包含ICP于RIE、化学气体刻蚀等）其中刻蚀气体为SiO2刻蚀气体（氟碳化合物或氢化氟碳化合物）；
（5）将掩膜用光刻胶通过强酸强氧化溶液清洗或反应离子的轰击去除干净并进行后清洗和形貌观测，完成后的光栅占空比在0.3~0.7之间；
（四）电注入LED或激光二极管的贴合：
使用苯并环丁烯（BCB）胶将AlGaInN系列材料多量子阱或异质结半导体结构的LED或激光二极管对准固定于波导性一阶DFB区域表层。
本发明中，所述的电泵浦光源，采用组成元素为AlGaInN系列半导体材料 （包含GaN、InGaN等）的LED或激光二极管，其结构为多量子阱或异质结半导体结构。与光泵激光器采用外延生长或缓冲层键合方式形成稳固结构。
本发明原理如下：激光产生需要满足光增益、谐振腔与泵浦源三大条件。本结构中利用成熟的AlGaInN系列材料的电注入发光为泵浦源，使用高增益的掺杂硅纳米晶材料为介质，在前者的光激发下，增益材料中的下能级粒子数多于上能级粒子数而形成粒子数反转，在一阶DFB谐振腔的多次反射下，增益材料的自发辐射过程转变为受激辐射过程，从而在一阶光栅限制的波导方向上形成激射。出射激光经过模斑转换，成功耦合到高折射率低损耗的硅波导中。
本发明提出了一种CMOS兼容的单片集成硅光芯片的激光光源器件结构，该结构采用电注入的光泵浦激发波导型一阶DFB激光；本发明器件结构紧凑、制作工艺成熟、信号激光热效应低。信号激光与波导耦合损耗低，避免了基于半导体增益材料的硅基激光器集成结构复杂、波导与激光耦合困难的弊端。
附图说明
图1为本发明单片集成硅光芯片的激光光源结构示意图侧视图。
图2为本发明单片集成硅光芯片的激光光源结构示意图俯视图。
图3为本发明单片集成硅光芯片的激光光源结构立体图示。
图4为本发明单片集成硅光芯片的激光光源结构示意图正视图以及波导中的模场分布。
图5为本发明单片集成硅光芯片激光器-波导耦合部分的模场分布。
图中标号：1为外延生长或键合的激光器或LED，2为SOI基片的硅波导，3为高光增益的掺杂硅纳米晶薄膜层，其中包含一维分布反馈结构，4为SOI基片的二氧化硅绝缘层，5为SOI基片的硅衬底。
具体实施方式
以下实施例用以说明本发明，但不用于限制本发明。
1、原料和配方
衬底：双面抛光的，体积为20×20×0.2mm3的SOI基片；
掺杂溶剂：MIBK，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；
掺杂溶质：ErI3，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；
增益材料：Dow Corning FOx-1x 以及 FOx-2x Flowable Oxides （流动氧化物），道康宁公司；
基底清洗液：酒精（分析纯），丙酮（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；
光刻胶清洗剂：磷酸（分析纯），过氧化氢（分析纯），浓硫酸，国药集团化学试剂有限公司。
2、生产装置
Plasmalab System 120 感应耦合等离子体刻蚀机，Oxford Instruments有限公司；
SK2-4-12程控管式电阻炉，上海实研电炉有限公司；
KW4A台式匀胶机，中科院微电子研究所；
6300FS电子束曝光光刻系统，日本电子有限公司；
200-00A型恒温干燥箱，沪鑫电炉电箱厂；
ma6 双面对准光刻机，SUSS MicroTec有限公司；
Universal-150 化学机械抛光机，天津华海清科机电科技有限公司。
3、工艺过程
（1）选取经过标准清洗液的去除杂质SOI材料为基底，基底总厚度为600 μm，其中埋氧层厚度2 μm，顶层本征硅层厚度为2 μm；
（2）掩膜并刻蚀顶层硅，刻蚀区域2μm×20μm×2μm；
（3）取0.5mg ErI3超声溶解于1mL MIBK溶剂中，并与HSQ以体积比1:1混溶；
（4）在SOI基片上滴80微升混合溶液并采用高速旋涂，旋涂参数为10s转速500rpm，随后变为40s转速4000rpm；
（5）旋涂均匀的样品置于烘箱前烘，烘烤参数为150℃，持续60min；
（6）取出烘烤完成样品置于管式退火炉进行高温退火，保护气为5%H2的氢氮混合气升温时间50min，1100℃下维持60min，随后冷却2h，取出；
（7）采用化学机械抛光将基片平坦化处理，使顶层硅与选区增益层厚度为1μm；旋涂AZ5214光刻胶，先500转/分钟匀胶5 s，接着4000转/分钟旋涂60 s，形成约15 00 nm厚光刻胶膜层，之后100 ℃烘干2 min；
（8）光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量100mJ/cm2，显50 s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
（9）后烘坚膜，180 ℃烘干1 min；
（10）使用干法快速刻蚀SOI基底上层硅形成硅波导，刻蚀气体为SF6，刻蚀时间3min，直至刻蚀至埋氧层位置；
（11）使用强氧化液去除残留光刻胶；
（12）旋涂SU8光刻胶，先500转/分钟匀胶5 s，接着4000转/分钟旋涂60 s，形成约1500 nm厚光刻胶膜层，之后95 ℃烘干2 min；
（13）电子束光刻，随后显影清洗；
（14）基片置于真空系统中进行ICP刻蚀直到光栅深度为120nm，光栅占空比为0.3，其中刻蚀气体为CH3F；
（15）强酸强氧化条件下去除残留光刻胶；
（16）在激光增益区旋涂BCB胶，将AlGaN异质结半导体激光二极管贴合于光栅表面；
（17）完成异质结半导体激光器的电极生长。
经过良好的制备和测试，采用该结构的1550 nm通信波长激光的耦合效率预期将高达98.87%。

Claims (4)

1.一单片集成硅光芯片的分布式反馈激光器，其特征在于，包括：一SOI基片的硅衬底；制备于硅衬底上的二氧化硅绝缘层，即埋氧层；在二氧化硅绝缘层上的高激光增益的掺杂硅纳米晶薄膜层，以及由顶层本征硅衬底刻蚀的硅波导；其中，所述掺杂硅纳米晶薄膜层包含有一维分布反馈结构，在该纳米晶薄膜上通过光刻技术形成有布拉格光栅，构成激光器的谐振腔，该激光器的谐振腔为DFB结构；作为光泵浦的光源为电激发的LED或激光二极管，通过键合技术直接贴合于光泵激光区域上方，通过光泵浦方式产生激光输出；出射激光与SOI上的硅波导直接对准，从而获得很高的耦合效率。
2. 根据权利要求1所述分布式反馈激光器，其特征在于，所述SOI基片的硅衬底总厚度在200~600 μm之间；中间二氧化硅绝缘层厚度在0.2~2 μm之间，顶层本征硅层厚度在0.2~2μm之间。
3.根据权利要求1所述分布式反馈激光器，其特征在于，作为激光增益材料的掺杂硅纳米晶薄膜，由光刻胶HSQ通过掺杂热退火制备得到。
4.一种如权利要求1所述分布式反馈激光器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（一）高激光增益的掺杂硅纳米晶薄膜层制备与相变处理：
（1）以SOI材料为基底，制备二氧化硅绝缘层；基底总厚度为200~600 μm；中间二氧化硅绝缘层厚为在0.2~2 μm，顶层本征硅层厚度为0.2~2 μm；经过标准清洗液清洗；
（2）选区刻蚀顶层本征硅，刻蚀气体为SF6，选区尺寸为：长度5~100微米，宽度1~10微米；
（3）将稀土或其它发光增益材料加入甲基异丁基甲酮，超声5~10分钟，使其与溶剂充分混溶；
（4）将混溶好的溶液添加于HSQ光刻胶中，充分搅拌混溶；
（5）采用高速旋涂、液体微粒喷涂、印刷或滴涂方式均匀涂膜，膜层粗糙度不超过1 nm；
（6）将成膜后的基片置于烘箱内于100~180℃烘烤10~240min；
（7）将HSQ薄膜基片置于经过清洗的石英基板上，然后将其放入石英退火炉中，使样品在石英退火炉的恒温区内，通入H2：N2体积比为5%：95%的混合气体；
（8）将退火炉由室温升温至1000~1150℃，升温时间为40~60min，在此温度下保持50~90min，随后关闭加热，自然降温1-5h；
（二）波导刻蚀：
（1）对基片进行化学机械抛光平坦化处理；
（2）进行波导掩膜曝光和显影与检测，得到显影良好的波导刻蚀区；
（3）使用干法快速刻蚀SOI基底上层硅形成硅波导，刻蚀气体为SF6；
（三）光泵激光的谐振腔制备：
（1）将波导刻蚀完成的基片置于光刻机中，根据掩膜版选择合适的胶种，旋涂光刻胶，光刻胶厚度在0.4~4微米之间；
（2）掩膜版对准后进行曝光固化，曝光时间为1~30 min,保证光刻胶固化性能；
（3）固化后，将基片置于显影胶中显影并清洗，清洗完成后进行形貌检测，若发现明显缺陷，使用去胶溶剂清洗并返回（三）中步骤（1）；
（4）显影完成的基片置于真空系统中进行干法刻蚀，直到光栅深度在50nm~200nm之间，其中刻蚀气体为SiO2刻蚀气体；
（5）将掩膜用光刻胶通过强酸强氧化溶液清洗或反应离子的轰击去除干净，并进行后清洗和形貌观测，完成后的光栅占空比在0.3~0.7之间；
（四）电注入LED或激光二极管的贴合：
使用苯并环丁烯胶将AlGaInN系列材料多量子阱或异质结半导体结构的LED或激光二极管对准固定于波导性一阶DFB区域表层。
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