CN111987575B - 一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法 - Google Patents

一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，包括以下步骤：S1.在Ⅲ‑Ⅴ族衬底上外延生长Ⅲ‑Ⅴ族多量子阱作为电泵浦源，与硅/二氧化硅进行晶圆键合集成；S2.刻蚀Ⅲ‑Ⅴ族层，开出掺铒波导空间；S3.沉积氮化硅，并用化学机械磨抛进行表面平坦化；S4.刻蚀氮化硅；S5.沉积掺铒增益材料，并用化学机械磨抛进行表面平坦化；S6.刻蚀Ⅲ‑Ⅴ族多量子阱电泵浦源到N‑type层，并制作金属电极；S7.刻蚀Ⅲ‑Ⅴ族多量子阱电泵浦源，制作DBR谐振腔，完成器件制造。本发明降低了工艺复杂度和器件厚度，提高了泵浦效率。

Description

一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，更具体地，涉及一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法。
背景技术
微电子技术按照摩尔定律飞速发展。然而,随着微电子器件尺寸的进一步减小,微纳器件及集成度的进一步提高,电互连所固有的局限性将促使芯片的发热量迅速增加,引起串扰、噪声、功耗、时延等多方面的问题,进一步提升器件性能遇到瓶颈。不仅如此,由于现有的制造设备和工艺已接近器件尺寸的物理极限,通过减小线宽的方法来提高芯片的工作频率和集成度面临基础物理问题。当线宽进入深纳米尺寸时,如何避免量子效应导致的相邻导线之间的量子隧穿,也面临前所未有的挑战。这些问题已经成为了微电子集成电路技术未来发展面临的重大障碍,摩尔定律出现延缓。因此,为了满足更高的技术需求,人们将目光投向了片上光互连技术。与电子相比,光子作为信息载体,具有巨大的优势:没有静止质量、光子之间没有干扰、光的不同波长可以用于多路同时通信等,从而可以利用光子进行通信,实现更大的带宽和更高的速率。用光学互连取代微芯片中的金属互连，以提供更快的响应时间、更宽的传输带宽和更低的功耗。片上光互连的方式主要是光波导互连，利用光波导制成的器件可实现光信号的传输、调制、开关、路由选择、分束/耦合、滤波等功能。在这些过程中，光波导器件不可避免地对光信号产生吸收、散射/反射、耦合等损耗。因此在片上光互联系统中集成光波导放大器件对衰减的光信号进行放大，延长信号的传输距离,恢复信道质量，提高信噪比，保证光信号在系统中的稳定传输是不可或缺的。
例如，针对1.53～1.55μm的第三标准通信波段,硅基光波导放大器目前有两个主要的研究方向：一种是三五(Ⅲ-Ⅴ)族半导体光放大器，虽然可以直接用电泵浦，其硅基外延生长和异质集成在近年来也取得了进展，但由于其上能级载流子的寿命太短，会随着数据流的脉冲密度分布，存在较强的增益压缩与恢复效应，用其放大高速调制的光信号本身就有较大的问题。因此半导体光放大器在硅光芯片中的应用也存在疑问。另一种方法是基于传统的掺铒光纤放大器(EDFA)材料,将其转换为掺铒平面光波导放大器(EDWA)。相比较而言,掺稀土离子光波导放大器对偏振不敏感、噪声小、温度稳定性好、带宽大、且与CMOS工艺兼容,成本低。但多数掺铒光增益材料都为绝缘介质，导电性较差，难以进行直接的电泵浦，所以集成的掺铒光波导放大器件依然需要外部的泵浦光源，很大程度上失去了集成光源的意义。又由于铒离子本身的光学截面较小(～10-21cm2)和固体溶解度较低(～1020cm-3)，使其所能提供的每单位距离光增益(～dB/cm)较小。目前报道的掺铒波导光波导放大器件中，泵浦方式和增益性能都还有待改善和提高。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的掺铒光波导放大器需要外部的泵浦光源，工艺复杂，集成度不高的缺陷，提供一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，包括以下步骤：
S1.在Ⅲ-Ⅴ族衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族多量子阱作为电泵浦源，与硅/二氧化硅进行晶圆键合集成；
S2.刻蚀Ⅲ-Ⅴ族层，开出掺铒波导空间；
S3.沉积氮化硅，并用化学机械磨抛进行表面平坦化；
S4.刻蚀氮化硅；
S5.沉积掺铒增益材料，并用化学机械磨抛进行表面平坦化；
S6.刻蚀Ⅲ-Ⅴ族多量子阱电泵浦源到到N-type层，并制作金属电极；
S7.刻蚀Ⅲ-Ⅴ族多量子阱电泵浦源，制作DBR谐振腔，完成器件制造。
优选地，所述的Ⅲ-Ⅴ族衬底为砷化镓或磷化铟。
优选地，所述的Ⅲ-Ⅴ族电泵浦源为多量子阱结构。
优选地，刻蚀氮化硅是刻出两个窄凹槽，再沉积掺铒增益材料形成交替的沟道波导结构。
优选地，掺铒增益材料为掺铒氧化铝材料。
优选地，所述晶圆键合包括有：直接键合、介质键合、低温共晶键合。
优选地，所述电泵浦源的光源采用650nm、980nm或1480nm波长光。
优选地，所述电泵浦源为PIN结构，即在P型半导体和N型半导体之间夹着一层本征半导体。
优选地，所述Ⅲ-Ⅴ族n型区域和Ⅲ-Ⅴ族p型区域分别设置有n电极和p电极，用于为Ⅲ-Ⅴ族有源层的电致发光提供泵浦电源。
优选地，所述DBR谐振腔包括有DBR左部反光镜与DBR右部反光镜，所述DBR谐振腔为水平方向。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明采用Ⅲ-Ⅴ族多量子阱作为电泵浦光源去水平泵浦中间的光增益波导，在外延生长的Ⅲ-Ⅴ族上直接刻蚀DBR，使泵浦光在DBR谐振腔内多次反射以增强掺铒光波导的吸收，克服了以往方法中垂直集成电泵浦源需要外延生长三五族的底层DBR需要大约3um厚，然后等离子体增强(PECVD)沉积SiO2/SiNx的顶层DBR又需要数微米，导致器件厚度大、工艺复杂、加工起来难度大的问题。另一方面，本发明所提出的混合沟道波导，对信号光有很好的限制，从而增加了泵浦效率。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器结构的第一示意图。
图3为本发明片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器结构的第二示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本发明实施例提供的一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，首先通过在硅衬底上键合外延生长的Ⅲ-Ⅴ族MQW作为电泵浦光源去水平泵浦中间的Er:Al2O3光增益波导，实现了间接的电泵浦掺铒光放大；其次，通过在外延生长的MQW上直接刻蚀DBR，使泵浦光在DBR谐振腔内多次反射以增强掺铒光波导的吸收，DBR不需额外生长，降低了工艺步骤及难度，以提高泵浦的吸收，提高了泵浦效率。
图1为本发明实施例提供的一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器混合集成方法的制备流程示意图，结合图1、图2及图3所示，本发明实施例提供的片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器混合集成方法的制备方法，包括但不限于以下步骤：
第一步、在GaAs衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族多量子阱(MQW)作为电泵浦源，与硅/二氧化硅进行晶圆键合集成。
本发明中所述的Ⅲ-Ⅴ族衬底可以为砷化镓或磷化铟。
需要说明的是，所述电泵浦源的光源可以采用650nm、980nm或1480nm波长光。在本实施例中，选用980nm波长光作为泵浦光源，现将泵浦光源设置为外延生长Ⅲ-Ⅴ族多量子阱(MQW)作为电泵浦源。电泵浦源属于PIN结构，即在P型半导体(P-type)和N型半导体(N-type)之间夹着一层本征半导体(I)。因为本征层相对于P区和N区是高阻区，这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中。由元素周期表中Ⅲ族元素和Ⅴ族元素所组成的半导体称为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。在本发明实施例中使用的多量子阱(MQW)，是指多个量子阱组合在一起的系统。多量子阱之间的势垒层厚，基本无隧穿耦合，但量子阱数目太多，又会降低注入效率，增大损耗，所以有一优化设计问题。本案例中为了实现980nm的泵浦光输出，采用In0.2Ga0.8As作为量子阱材料，量子势垒材料为GaAs。In0.2Ga0.8As/GaAs组成的多量子阱呈现台阶状折射率变化，可得到高输出功率波长为980nm。现将多量子阱放在PIN结构的Ⅰ区中，在外电场下量子阱发光阈值电流大大降低，反应速度增快。
接下来将Ⅲ-Ⅴ族电泵浦源与硅/二氧化硅进行晶圆键合。可选用晶圆键合有直接键合、介质键合、低温共晶键合等键合技术。在本发明实施例中，选用直接键合，采用倒装芯片键合的方法使GaAs芯片在300℃的压力下倒置集成在SiO2的硅片上。随后，基于化学腐蚀法选择性地去除了GaAs衬底。
第二步、刻蚀三五族层，开出掺铒波导空间。
刻蚀就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。刻蚀主要有干法刻蚀和湿法刻蚀。在本发明实施例中，使用干法刻蚀，其优点是：各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。刻蚀出掺铒波导空间，其宽度应达到限制信号光的目的，本发明实施例不做限制。
第三步、沉积氮化硅(SiNx)，并用化学机械磨抛(CMP)进行表面平坦化。
硅波导在光通信波段存在较大的双光子吸收和自由载流子吸收效应，大大限制了非线性效应的效率。而相比之下氮化硅波导具有较大的非线性系数，同时具有从可见光到中红外的宽波长范围透明窗口，且其内部的双光子吸收与自由载流子吸收效应可忽略，因此，氮化硅具有低损耗特性。在本发明实施例中，选用氮化硅作为波导材料。
第四步、刻蚀SiNx。
在本发明实施例中，需要刻蚀出两个窄凹用于沉积掺铒增益材料以形成交替的沟道波导结构。由于一般掺铒材料折射率小于氮化硅，因此刻蚀窄凹槽填充掺铒增益介质是为将信号光限制在掺铒增益层。
第五步、沉积掺铒增益材料，并用化学机械磨抛(CMP)进行表面平坦化。
在本发明实施例中，由于铒离子(Er3+)在氧化铝(Al2O3)薄膜基质材料中具有较大的溶解度，可实现较高的掺铒浓度，因此选用Er:Al2O3作为增益材料，基于原子层沉积法，可以在相对较低的温度(250-325℃)沉积Er:Al2O3。由于氮化硅本身的低损耗特性(氮化硅具有比Er:Al2O3更高的折射率)，将Er:Al2O3与氮化硅组成交替混合狭缝波导结构，能有效减少波导传输时的传输损耗，提高材料的净增益。
第六步、刻蚀三五族MQW电泵浦源到N-type层，并制作金属电极。
在本发明实施例中，Ⅲ-Ⅴ族n型区域和Ⅲ-Ⅴ族p型区域分别设置有n电极(nelectrode)和p电极(p electrode)，用于为Ⅲ-Ⅴ族LED有源层的电致发光提供泵浦电源。
第七步、刻蚀三五族MQW电泵浦源，制作DBR谐振腔，完成器件制造
在本发明实施例中，DBR左部反光镜(Left-DBR)与DBR右部反光镜(Right-DBR)所构成的DBR谐振腔为水平方向，位于DBR谐振腔内的Er:Al2O3增益材料在混合波导方向对信号光具有光波导效应，泵浦光源产生的泵浦光在谐振腔内被反复反射，产生谐振，当信号光通过铒硅酸盐波导时可以获得光增益。能够进一步的提升泵浦光强度和Er:Al2O3增益材料对泵浦光的吸收效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在Ⅲ-Ⅴ族衬底上外延生长Ⅲ-Ⅴ族多量子阱作为电泵浦源，与硅/二氧化硅进行晶圆键合集成；
S2.刻蚀Ⅲ-Ⅴ族层，开出掺铒波导空间；
S3.沉积氮化硅，并用化学机械磨抛进行表面平坦化；
S4.刻蚀氮化硅；
S5.沉积掺铒增益材料，掺铒增益材料为掺铒氧化铝材料，通过在刻蚀氮化硅得到的槽中沉积Er:Al2O3与氮化硅组成交替混合狭缝波导结构，并用化学机械磨抛进行表面平坦化；
S6.刻蚀Ⅲ-Ⅴ族多量子阱电泵浦源到N-type层，并制作金属电极；
S7.刻蚀Ⅲ-Ⅴ族多量子阱电泵浦源，制作DBR谐振腔，完成器件制造，所述DBR谐振腔包括有DBR左部反光镜与DBR右部反光镜，所述DBR谐振腔为水平方向。
2.根据权利要求1所述的一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，其特征在于，所述的Ⅲ-Ⅴ族衬底为砷化镓或磷化铟。
3.根据权利要求1所述的一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，其特征在于，刻蚀氮化硅是刻出两个窄凹槽，再沉积掺铒增益材料形成交替的沟道波导结构。
4.根据权利要求1所述的一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，其特征在于，所述晶圆键合包括有：直接键合、介质键合、低温共晶键合。
5.根据权利要求1所述的一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，其特征在于，所述电泵浦源的光源采用650nm、980nm或1480nm波长光。
6.根据权利要求1所述的一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，其特征在于，所述电泵浦源为PIN结构，即在P型半导体和N型半导体之间夹着一层本征半导体。
7.根据权利要求1所述的一种片上间接电泵浦的掺铒光波导放大器的混合集成方法，其特征在于，所述Ⅲ-Ⅴ族n型区域和Ⅲ-Ⅴ族p型区域分别设置有n电极和p电极，用于为Ⅲ-Ⅴ族有源层的电致发光提供泵浦电源。
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