CN111181006B - 片上键合Si/III-V量子点单光子源及其制备方法 - Google Patents

片上键合Si/III-V量子点单光子源及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种片上键合Si/III‑V量子点单光子源及其制备方法，该量子点单光子源包括：波导耦合器件；量子点单光子源，键合于波导耦合器件的垂直上方，该量子点单光子源采用以III‑V族量子点为有源层的外延片制作。本发明提出的量子点单光子源与SOI波导耦合器件键合形成的混合型单光子源结构可以实现片上单光子光源的发光和光传输的小型化和集成化；使用金属辅助键合可以形成大面积电注入，减少电流聚集导致的局部温度过高；垂直结构进一步节省片上空间，并且可以键合不同种材料，扩展了光网络的可使用材料。

Description

片上键合Si/III-V量子点单光子源及其制备方法
技术领域
本发明涉及混合型光源的键合技术领域和单光子源制备领域，尤其涉及一种金属和聚合物辅助键合的片上键合Si/III-V量子点单光子源及其制备方法。
背景技术
量子点单光子源光源是量子通讯和量子计算领域的主要光源之一。量子通讯和量子计算以量子力学的基本原理为基础，通过量子系统的物理特性，例如量子并行性、量子纠缠和量子不可克隆等特性进行计算、编码和信息传输。理想的单光子源可以作为量子通信和量子计算中的发光光源信号，是最优的光源解决方案，可用于量子力学的基础研究，量子计算，隐形态传送，量子网络，量子存储等实验，单光子光源指在光互连网络中，作为光信号产生的源头，其产生的光信号是单光子。单光子光源产生的信号光在固定脉冲频率中有且只有一个单一光子，该单光子现象可以通过反聚束效应进行判断。单光子光源是未来实现片上光互连量子通信和量子计算的光源基础。片上单光子源的研制为片上量子通信和量子计算提供了有效的光源输出。结合之前的键合科研经验，将单光子源与波导耦合器件进行键合，实现单光子光源的片上发光和片上传输输出，为量子通信和量子计算提供稳定高效的光源输出。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种片上键合Si/III-V量子点单光子源及其制备方法，实现结合III-V族材料有源量子点单光子源和硅基材料SOI形成的脊型波导结构的混合型量子点单光子源光源。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种片上键合Si/III-V量子点单光子源，包括：
波导耦合器件；
量子点单光子源结构，键合于该波导耦合器件的垂直上方，该量子点单光子源结构采用以III-V族量子点为有源层的外延片制作单光子源。
进一步的，波导耦合器件为波导结构，包括传输结构，该波导结构使用带有tap结构的波导或全刻蚀波导或脊型波导作为传输结构。
进一步的，波导耦合器件连接微腔结构，微腔结构包括微盘、微环和光子晶体微腔。
进一步的，III-V族量子点单光子源波导输出部分结构为条形波导结构、光源带有微腔结构或在稀疏自组织生长III-V族量子点材料上光刻、刻蚀微腔结构。
进一步的，波导耦合器件材料为硅基材料或根据单光子源光源发光波长和折射率选择，实现III-V族量子点单光子发光由键合的介质波导耦合输出。
进一步的，III-V族量子点单光子源材料为发光波长在1.2um-1.6um之间的近红外波段量子点材料，包括GaN基、GaAs基或InP基量子点材料。
进一步的，III-V族量子点单光子源使用法布里-珀罗谐振腔或回音壁谐振腔产生谐振，形成单光子源结构。
本发明还提供了一种片上键合Si/III-V量子点单光子源的制备方法，该方法包括：
对自组织生长的量子点有源材料进行曝光、光刻及刻蚀处理并制作两极电极，制备量子点单光子源结构，其中两极电极为同面电极或双面电极；
对SOI材料进行曝光、光刻和刻蚀，制作SOI硅基传输器件；
在SOI波导耦合器件波导面沉积键合材料和辅助键合材料；
将量子点单光子源结构置于SOI波导耦合器件上，垂直方向对准后加热并施加压力进行键合。
进一步的，辅助键合材料包括金属In、ZnO导电溶胶凝胶或氧化铟锡，键合材料包括ZnO导电溶胶凝胶，键合方法包括金属辅助键合、ZnO辅助键合、苯并环丁烯键合、聚合物辅助键合或直接键合。
进一步的，SOI波导耦合器件的波导与键合材料接触，使得键合后III-V量子点单光子源发光可以通过消逝波耦合到波导。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的量子点单光子源光源与SOI波导耦合器件键合形成的混合型单光子源结构可以实现片上单光子光源的发光和光传输的小型化和集成化，与现有集成电路工艺兼容。混合型量子点单光子光源的片上集成可以帮助实现单光子光源在光互连网络中的应用。这种结构的优点是操作简便，使用金属辅助键合后可以利用键合金属形成大面积电极注入，减少电流聚集导致的局部温度过高。垂直结构可以在空间上进一步节省片上空间，并且可以键合不同种材料，这扩展了光互连网络的可使用材料。
本发明提出的混合型单光子光源的制备方法操作简便，量子点单光子源光源和SOI波导耦合器件传输结构可以分别实施工艺，工艺要求低。使用金属辅助键合可以扩大电极面积，有利于封装结构。选区淀积金属的方法可以节约工艺步骤和工艺时间，多种类材料在实现器件间隔后可以在不同区域进行键合，提高成功效率。
附图说明
图1为依照本发明实施例制作的SOI脊型波导器件的结构示意图；
图2为依照本发明实施例制作的量子点单光子源结构示意图；
图3为依照本发明结构实施的一种片上键合Si/III-V量子点单光子源的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明一实施例提出了一种片上键合Si/III-V量子点单光子源，包括：
波导耦合器件；
量子点单光子源结构，键合于该波导耦合器件的垂直上方，该量子点单光子源结构采用以III-V族量子点为有源层的外延片制作单光子源。
一些实施例中，波导耦合器件为波导结构，包括传输结构，该波导结构使用带有tap结构的波导或全刻蚀波导或脊型波导作为传输结构。
一些实施例中，波导耦合器件连接微腔结构，微腔结构微腔结构包括微盘、微环和光子晶体微腔；
进一步的，在波导后端连接的微腔结构微腔结构包括微盘、微环和光子晶体微腔。
一些实施例中，III-V族量子点单光子源波导输出部分结构为条形波导结构、光源带有微腔结构或在稀疏自组织生长III-V族量子点材料上光刻、刻蚀微腔结构。
一些实施例中，波导耦合器件材料为硅基材料或根据单光子源光源发光波长和折射率选择，实现III-V族量子点单光子发光由键合的介质波导耦合输出。
一些实施例中，III-V族量子点单光子源材料为发光波长在1.2um-1.6um之间的近红外波段量子点材料，包括GaN基、GaAs基或InP基量子点材料。
一些实施例中，III-V族量子点单光子源使用法布里-珀罗谐振腔或回音壁谐振腔产生谐振，形成单光子源结构。
本发明另一实施例提出了一种片上键合Si/III-V量子点单光子源的制备方法，该方法包括：
对SOI材料进行曝光、光刻和刻蚀，制作SOI波导耦合器件；
本实施例中，SOI波导耦合器件为脊型波器件，SOI脊型波器件如图1所示，其是使用SOI材料曝光后以光刻胶作为掩膜，利用ICP刻蚀和湿法腐蚀形成的波导结构，具体包括：使用SOI晶圆制作脊型波导，其结构如图1所示。在晶圆上使用光刻胶直接曝光形成波导结构，曝光显影后进行热板坚膜，直接以光刻胶作为掩膜，使用离子刻(ICP刻蚀)刻蚀形成波导结构，再使用BOE腐蚀液湿法腐蚀部分二氧化硅层形成波导结构。套刻适应光刻胶保护波导部分，使得这一部分没有金属覆盖影响光传输。生长金属In作为辅助键合金属，带胶剥离后旋涂ZnO溶胶凝胶备用，具体包括：ZnO透明导电凝胶1、Si基波导结构2、氧化层埋层3和硅基衬底4。
对自组织生长的量子点有源材料进行曝光、光刻及刻蚀处理并制作两极电极，制备量子点单光子源光源器件，其中两极电极为同面电极或双面电极；
本实施例中，量子点单光子源光源器件所采用的量子点单光子源为法布里-珀罗谐振腔，带有自然解理形成的法布里-珀罗腔的III-V族单光子源结构如图2所示。其中包括：贵金属电极6、III-V族量子点单光子源结构7、P型GaAs层8、本征GaAs层9、量子点层10、本征阻挡层11、N型GaAs层12、AuGeNi电极13。
在SOI波导耦合器件波导面沉积键合材料和辅助键合材料；
进一步的，辅助键合材料包括金属In、ZnO导电溶胶凝胶或氧化铟锡，键合材料包括ZnO导电溶胶凝胶，键合方法包括金属辅助键合、ZnO辅助键合、苯并环丁烯键合、聚合物辅助键合或直接键合。
本实施例中，以具有一定粘性的金属In和ZnO透明导电薄膜作为辅助键合物质，采用选区淀积金属和表面旋涂的方法实现金属淀积和辅助键合金属的淀积。在制作的SOI脊型波导结构的间隙生长辅助键合的金属In，生长后在全平面旋涂ZnO导电薄膜。由于刻蚀结构较深，直接旋涂会造成薄膜厚度的不平均，不易于键合，所以选择配合生长金属辅助进行键合。生长键合金属有助于帮助作为电极进行大面积的电学注入，避免局部电流注入后局部发热较大。大平面的大范围电流注入同时有助于封装器件时进行金线连接。ZnO金属薄膜在成膜后透明导电，可以实现全平面导电，同时具有较强的粘性，帮助增加键合强度。ZnO薄膜是透明导电薄膜，对于可见光和近红外光都具有很好的通光特性，是键合单量子点单光子源光源和SOI脊型波导传输器件的优良选择。
本发明实施例提出的单光子光源的键合结构可以适应于多种材料，且多种材料进行分别制作，通过键合进行组合使用。键合方法可以适用于任何工艺形成的任何结构量子点单光子光源。量子点单光子光源可以是同面电极，但是这种方法会导致在键合后需要进行器件的剥离，对于键合强度要求很高。使用双面电极，利用键合金属进行电学注入，使器件在键合后可以直接进行测试。对单光子光源的要求主要包括曝光形成金属隔离的键合区域，通过对准可以和波导耦合器件键合，形成片上集成混合型单光子光源。金属辅助键合的方法可以降低工艺难度，减小键合对器件洁净度的要求。键合的方法避免了在硅基材料上生长其他材料带来的晶格缺陷的问题，且可以实现在硅基材料上不止键合一种材料。不同种材料的器件可以分别进行工艺制作，再通过键合将其与硅基器件进行结合得到需要的混合型光量子集成光路。
将量子点单光子源结构置于SOI波导耦合器件上，垂直方向对准后加热并施加压力进行键合。
本实施例中，通过ZnO透明导电溶胶凝胶辅助进行键合，其键合结构如图3所示。图3中的结构是由图1中的波导耦合器件与图2中的量子点单光子源结构通过透明导电溶胶凝胶ZnO辅助键合形成混合型单光子源，键合过程施加压力并加热，键合完成后在热板上加热固化凝胶，完成键合。
进一步的，SOI波导耦合器件的波导与键合材料紧密接触，使得键合后III-V量子点单光子源发光可以通过消逝波耦合到波导。
下面结合图3所示，本实施例以ZnO透明导电溶胶凝聚辅助键合SOI波导耦合器件和III-V族量子点单光子源光源器件为例对本发明的结构和实现方法进行详细描述。
步骤1：制备带有透明导电溶胶凝胶ZnO的硅基波导微腔结构，即SOI波导耦合器件，具体包括：
步骤101：对SOI片进行处理，使用硫酸双氧水进行清洗，清洗后的硅波导进行曝光，曝光后形成波导图形。高温固膜光刻胶，以光刻胶作为掩膜采用离子刻(ICP)进行刻蚀，形成硅波导结构。再使用BOE溶液进行湿法腐蚀二氧化硅层，达到设计深度。该波导结构深度1.5微米，宽度2.5微米到3微米，在刻蚀中会造成侧蚀，导致波导比曝光图形略窄，范围在0.5-1um之间，对于单光子源的开槽宽度在误差容许范围内。
步骤102：刻蚀生成硅波导后对晶片进行清洗，并进行台阶测试，测试后判断波导高度，不同的SOI由于顶层硅的厚度不同，单光子源开槽深度也不同，可以根据开槽深度利用BOE溶液对SOI波导再进行腐蚀，使波导结构深度达到1.9微米到2.1微米，满足波导高度的要求。
步骤2：制作III-V族量子点单光子源光源器件，以双面注入电极为例制作量子点单光子源光源，一侧为在量子点单光子源光源器件结构上选区淀积金属形成电极并实现隔离器件，一侧是减薄抛光后的正面电极，并对III-V族量子点单光子源光源器件衬底进行减薄，形成图2所示的结构：
步骤201：盐酸、磷酸溶液腐蚀III-V族有源材料绝缘保护层，暴露出P型重掺杂区域。在P型重掺杂区域曝光单光子源图形，曝光后去除胶底，保证刻蚀区域无光刻胶影响。
步骤202：使用干法刻蚀形成单光子源台面，再使用湿法腐蚀慢速腐蚀达到器件深度要求，同时通过湿法腐蚀修饰刻蚀面的器件损伤。
步骤203：在单光子源表面进行套刻，套刻后淀积金属电极。利用带胶剥离工艺实现淀积金属的选区覆盖，在单光子源表面形成电学注入的电极的同时对器件进行了隔离。
步骤204：刻蚀完成单光子源后，将衬底减薄，减薄至120um左右后生长N型一侧电极。N型重掺杂一侧电极选择AuGeNi合金作为电极，在合金电极上直接淀积300nm厚的Au为键合后连接金线做准备。
步骤205：工艺完成后进行退火，半导体表面生长的金属没有进行退火工艺会造成电阻较大，退火后会在界面附近形成欧姆接触，大幅降低接触电阻，增加电流注入，降低局部发热。
步骤3：将刻蚀完成的SOI波导耦合器件和III-V族量子点单光子源光源器件进行键合，利用倒装焊技术通过ZnO透明导电溶胶凝胶进行辅助键合：
步骤301：将SOI波导耦合器件波导固定在键合机基板上，再将III-V族量子点单光子源光源器件固定在真空吸头上，通过光学成像进行对准。将SOI波导耦合器件波导与III-V族量子点单光子源光源器件深槽对准，使波导位于深槽影像中间，该刻蚀槽结构优势在于波导只要嵌入深槽中后不易由于翻转过程中的横向作用脱离刻蚀槽的耦合结构。
步骤302：将III-V族量子点单光子源光源器件翻转接触SOI波导耦合器件，施加3N压力，保持键合温度200℃，维持施压键合5min。
步骤303：将键合好的器件在热板上以145℃保持2小时固化溶胶凝胶，形成凝胶薄膜，加强键合强度，降低电阻，完成混合单光子源。
在图3中，该混合型单光子源包括带有透明导电溶胶凝聚ZnO薄膜的SOI波导耦合器件，带有自然解理形成的法布里波罗腔的III-V族量子点单光子源光源器件，III-V族量子点单光子源光源器件位于SOI波导耦合器件波导上方，N型一侧淀积的金属作为N型电极，P型一侧通过固化后的透明导电溶胶凝胶ZnO薄膜作为P型电极进行电学注入。
在图3中，该混合型单光子源具体包括：1、选区覆盖金属电极，起到电学注入电极和隔离作用，同时作为金属掩膜进行深槽刻蚀；2、ZnO透明导电溶胶凝胶薄膜作为P型一侧辅助电极，同时ZnO对近红外波段透明；3、正面的ZnO透明导电溶胶凝胶可以起到均匀电流注入和散热的作用；4、带有法布里-珀罗腔的刻蚀深槽形成III-V族量子点单光子源光源器件；5、III-V族量子点单光子源光源器件位于SOI波导耦合器件波导上方，激光垂直耦合；6、通过在金属电极和键合金属上注入电流或激光定点泵浦实现电学泵浦和光学泵浦单光子光源发光。
本发明中，以上所述的具体实施办法提供了一种混合型单光子源的设计结构，这种结构可以实现混合型单光子源垂直方向和侧向的耦合结合，深槽结构在空间上限制了硅波导的位置，增加了耦合强度，使垂直耦合和侧向耦合同时存在。另外在该结构中使用金属作为掩膜的方法简化了单光子源常规工艺步骤，使用ZnO透明导电溶胶凝胶辅助键合帮助提高键合强度，降低工艺难度，正面电极提供了面电极注入和大面积散热环境。在具体的工艺流程中，可以根据实际情况和具体器件结构调整工艺参数，实现不同结构的键合方案。
本实施案例中的III-V族量子点单光子源光源的结构可以设计为同面电极进行注入，首先曝光N型电极，腐蚀直至暴露出该层。再利用套刻进行保护，曝光形成P部分电极。套刻曝光形成金属电极的图形，利用带胶剥离工艺实现选区淀积金属，同时制作两极电极并进行器件隔离。该单光子源结构同样需要减薄衬底，且在键合后需要去除保护衬底取下键合器件，这一步工艺对键合强度要求比双面电极高，在本实例中主要以双面电极进行描述。
本实施案例中使用的III-V族半导体有源器件实际结构具有复杂的多层结构，顶层具有绝缘保护层，实验中需要取出，不具有这一层结构的器件可以略过此步骤。器件衬底的减薄可以降低器件串联电阻，通过在背面进行重掺杂可以设计相关器件，不进行衬底减薄的工艺过程。键合过程中的键合压力和温度可以根据选择不同的III-V族量子点单光子源光源器件的硬度和辅助键合材料进行选择，适当增加键合压力可提高键合强度。
本实施案例中应用的ZnO透明导电溶胶凝胶可以配合金属键合进行使用，此结构也可以应用于金属键合或阳极键合等方法。
在本发明提供的实施例中，使用的是带有谐振腔的单光子源结构，在实际工艺中也可以使用其他高Q值谐振腔等微腔结构提高发光强度和信号响应时间。波导耦合器件选择SOI晶圆材料作为衬底，且SOI材料厚度在200nm-2um范围，制作方法包括曝光、干法刻蚀和湿法腐蚀等方法，只要可以实现器件的制作即可。在SOI晶片上不仅可以形成硅基波导结构，也可以在脊型波导结构中添加设计MZI或MMI等传输、干涉、调制器件，或增加马赫曾德尔干涉仪等调制器件，对键合后的单光子光源器件发出的光进行调制。其中涉及到的辅助键合的透明导电溶胶凝胶只要满足导电且对于单光子源波长存在高透光特性均可适用，不局限于特定材料。透明导电介质材料厚度为10-250纳米，其厚度需要保证可以导电且电阻和金属电阻在同一量级，对单光子源发出的光高透过。硅基材料的结构选择和具体参数根据单光子源的发光波长和传输特性进行设计，通常波导结构高度不能低于200nm。制作ZnO透明导电溶胶凝胶的方法不局限于一种溶液配制方法，只要满足实验需求即可。
另外，本发明提供的实施例中对III-V族量子点单光子源有源材料也可以采用N型衬底的III-V族半导体有源材料，也可以采用P型衬底的III-V族量子点单光子源有源材料；该N型衬底或P型衬底的III-V族半导体有源材料为InP基量子点材料，或为GaAs基量子点材料。带有谐振腔的III-V族量子点单光子源的制作，可以采用曝光后进行湿法腐蚀或ICP刻蚀等方法，条形III-V族单光子源的波导宽度在500nm-200um之间，高度在200nm-3um之间。硅基微腔器件的高度根据III-V族单光子源的深槽刻蚀深度进行选择，基本原则为接近刻蚀深或高于刻蚀深度，通过生长辅助键合的金属进一步加强键合强度并弥补高度差。生长金属的高度需要保证在加压键合过程中由于压力造成变形时不会覆盖在导电区域造成器件的连通。
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 (4)

1.一种片上键合Si/III-V量子点单光子源，其特征在于，包括：
波导耦合器件；
量子点单光子源结构，通过透明导电ZnO溶胶凝胶辅助键合于所述波导耦合器件的垂直上方，所述量子点单光子源结构采用以III-V族量子点为有源层的外延片制作；
其中：
所述波导耦合器件为波导结构，包括传输结构，所述波导结构使用带有tap结构的波导或全刻蚀波导或脊型波导作为传输结构；
所述波导耦合器件连接微腔结构，所述微腔结构包括微盘、微环和光子晶体微腔；
所述III-V族量子点单光子源波导输出部分结构为条形波导结构、光源带有微腔结构或在稀疏自组织生长III-V族量子点材料上光刻、刻蚀微腔结构；
所述波导耦合器件材料为硅基材料或根据单光子源发光波长和材料的折射率选择，实现III-V族量子点单光子发光由键合的波导耦合输出；
所述III-V族量子点单光子源材料为发光波长在1.2μm-1.6μm之间的近红外波段量子点材料，包括GaN基、GaAs基或InP基量子点材料；
所述量子点单光子源结构使用法布里-珀罗谐振腔或回音壁谐振腔产生谐振。
2.一种如权利要求1所述的片上键合Si/III-V量子点单光子源的制备方法，其特征在于，包括：
对自组织生长的量子点有源材料进行曝光、光刻及刻蚀处理并制作两极电极，制备量子点单光子源结构，所述两极电极为同面电极或双面电极；
对SOI材料进行曝光、光刻和刻蚀，制作SOI波导耦合器件；
在SOI波导耦合器件波导面沉积键合材料和辅助键合材料；
将量子点单光子源结构置于SOI波导耦合器件上，垂直方向对准后加热并施加压力进行键合。
3.根据权利要求2所述的片上键合Si/III-V量子点单光子源的制备方法，其特征在于，所述辅助键合材料包括金属In、ZnO导电溶胶凝胶或氧化铟锡，所述键合材料包括ZnO导电溶胶凝胶，所述键合方法包括金属辅助键合、ZnO辅助键合、苯并环丁烯键合、聚合物辅助键合或直接键合。
4.根据权利要求2所述的片上键合Si/III-V量子点单光子源的制备方法，其特征在于，所述SOI波导耦合器件的波导与键合材料接触，使得键合后III-V量子点单光子源发光可以通过消逝波耦合到波导。
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