CN112769034B - 一种背向集成激光器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背向集成激光器件，包括基底、基底内设的波导结构、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底键合，有源激光器件上部设有第一金属电极，基底内设有第二金属电极结构，第二金属电极结构位于波导结构两侧且与波导结构不接触；第二金属电极结构上方全部或部分覆盖有有源层。本发明还涉及上述激光器件的制造方法，包括，对SOI晶圆进行前段工艺，形成耦合波导，在激光器耦合波导两侧沉积互联金属；将SOI晶圆与载体晶圆键合；去除SOI晶圆上衬底，将BOX层减薄至目标值；制作金属层电极；与外延片键合；对外延片进行图形化处理。本发明的一种背向集成激光器件的制造方法，降低器件电阻，提高器件效率。
Description
技术领域
本发明涉及集成激光器技术领域，特别是一种背向集成激光器件及其制造方法。
背景技术
背向集成激光器例如异质集成III-V激光器被认为是硅基片上光源的一种解决方案。而以CEA-Leti为代表的背向式激光器集成方法，能够与原有硅光前后段工艺兼容。与传统III-V激光器一样，异质集成激光器的性能受到器件串联电阻、缺陷态非辐射复合以及热效应等因素的制约，容易导致异质集成激光器输出小、效率低，同时耗能较大。如何实现高效、低耗的集成激光器，一直是人们的研究重点。
而背向集成激光器的现有技术中，一般是硅光器件制作完成后，激光器与其进行键合，最后图形化处理，形成接触电极。其存在如下缺陷：
1、Ⅲ-V激光器性能受热效应影响较大。上述集成结构中，受限于激光器与载体晶圆之间较厚的SiO2，激光器的散热受限，容易造成激光器阈值电流的增大和输出功率的降低；
2、上述集成激光器结构中，由于半导体层厚度较薄（大约100nm），且横向长度较长（大约10μm），成为器件中电阻的主要来源。较高的电阻容易产生更多的焦耳热，不利于器件的性能提升；
3、相关电极的制作，涉及到有源区的刻蚀，容易在有源区的刻蚀端面引入缺陷，在载流子注入过程中，造成非辐射复合，降低电流注入效率。
因此，期望提供一种背向集成激光器的高效、低耗制造方法。
发明内容
为解决上述全部或部分目的，本发明提供一种背向集成激光器件的制造方法，此方法可以缓解键合工艺热预算的限制，可在一定程度上减少接触电阻，降低工艺的复杂性。
为达到上述发明全部或部分的目的，一种背向集成激光器件的制造方法，主要步骤包括，
第一步、对SOI晶圆进行前段工艺，于氧化硅层内形成波导结构，在硅光后段工艺中，在激光器件波导结构两侧挖槽沉积互联金属层；
第二步、将SOI晶圆与载体晶圆进行键合；去除SOI晶圆上衬底，可以根据需要将SOI晶圆上的二氧化硅层即BOX层减薄至目标值，在常规半导体工艺条件下，一般减至500nm以下；如果二氧化硅层在可接受范围内，可以不减薄。于互联金属层相应位置挖槽至互联金属层，并制作金属层电极，并与所述波导两侧的所述互联金属导通形成第二金属电极结构。在本工艺步骤中，为了方便后续工艺，可以于将SOI晶圆与载体晶圆进行键合工艺后续任何一步中，将将键合后的SOI晶圆翻转180°；当然，也可以根据实际工艺需要，将晶圆翻转回去；
第三步、将基底二氧化硅层面与外延片键合；形成有源激光器件，于有源激光器件上端制作金属电极形成第一金属电极。
本发明中，由于在器件底部形成成第二金属电极结构，可以减小成第二金属电极结构与器件之间的横向长度，从而降低器件电阻。同时，由于第二金属电极结构的制作，可使得有源区的刻蚀端面远离外延片刻蚀端面之外，例如有源层全部或部分覆盖第二金属电极结构之外，可有效降低有源区端面缺陷造成的非辐射复合，提高载流子注入效率。
具体地，对SOI晶圆进行前段工艺的具体工艺步骤包括但不限于为光刻、刻蚀等，形成激光器耦合波导，然后沉积介质层；所述硅光后段工艺的具体步骤为光刻、刻蚀、互联金属沉积、金属化学机械抛光。将SOI晶圆上的二氧化硅层减薄工艺可以采用化学研磨，优选减薄至50nm，以实现激光器与硅波导的耦合。
所述第二金属电极结构中的金属层电极的具体步骤为采用光刻、刻蚀出电连接孔、热蒸镀或电镀或溅射的方法沉积金属材料，再进行CMP，金属材料包括Ti、 Ni、TiGe、TiP、NiGe、Ni2P、AuGeNi中的任一或任意组合。
上述第三步中与外延片键合的工艺还依次包括对晶圆氧化硅面和/或外延片进行表面清洗，对清洗后的氧化硅面和/或外延片晶圆与外延片进行表面激活，键合和退火，其中，退火的温度为200~400℃，以改善键合强度和金属接触，降低缺陷。
本发明还提供一种背向集成激光器，包括基底、所述基底内设的波导结构、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底键合，有源激光器件上部设有第一金属电极，所述基底内设有第二金属电极结构，所述第二金属电极结构位于波导结构两侧且与波导结构不接触；所述第二金属电极结构上方全部或部分覆盖有有源层。由于本发明中电极的位置改变，可将器件中长度大大缩短。
具体地，所述第二金属电极结构包括互联金属层和电极金属层。相对于现有技术来说，本发明中，所述第二金属电极结构位于有源器件侧边正下方。
本发明的一种背向集成激光器件的制造方法，与现有技术相比具有以下优点：
（1）本发明采用背向集成激光器方案，通过改变电极的位置和制作顺序，形成底部接触电极。其中，在底部形成电极，可以减小器件中电极与器件之间的横向长度，从而降低器件电阻；据估算，器件的总电阻可降低为原来的66%，可以降低器件产生的焦耳热，提高器件效率；
（2）底部电极的制作，可使得有源区的刻蚀端面远离接触电极，可有效降低有源区端面缺陷造成的非辐射复合，提高载流子注入效率；
（3）底部电极的制作，与原有的互联金属一起，可形成金属散热通道，降低器件的热阻抗，从而改善器件热性能。
附图说明
图1为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S1处理后的产品结构示意图；
图2为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S2处理后的产品结构示意图；
图3为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S3处理后的产品结构示意图；
图4为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S4处理后的产品结构示意图；
图5为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S5处理后的产品结构示意图；
图6为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S6处理后的产品结构示意图；
图7为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S7中退火前的产品结构示意图；
图8为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S7处理后的产品结构示意图；
图9为本实施例的背向集成激光器件的预先沉积电极的器件n型III-V横向长度标注图；
图10为本实施例的背向集成激光器件的预先沉积电极的器件示意图；
图11为本实施例的背向集成激光器件的预先沉积电极的器件的散热通道示意图；
图12为传统的背向集成激光器件制造工艺的步骤A1处理后的产品结构示意图；
图13为传统的背向集成激光器件制造工艺的步骤A2处理后的产品结构示意图；
图14为传统的背向集成激光器件制造工艺的步骤A3处理后的产品结构示意图；
图15为传统的背向集成激光器件制造工艺的步骤A4处理后的产品结构示意图；
图16为传统的背向集成激光器件制造工艺的步骤A5处理后的产品结构示意图
图17为传统的背向集成激光器件电极间横向长度标注图；
图18为传统的背向集成激光器件的示意图。
附图标记：1-载体晶圆，2-波导结构，3-互联金属层，4-二氧化硅层，5-凹槽 6- 电极金属；7、13- InP层；8- P-InGaAs层；9-有源层；10- 第一金属电极；11-散热通道；12-硅衬底。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。为了更为详细的说明，本具体实施方式里面描述的具体步骤数目并不严格与发明内容中的步骤数目一一对应。
实施例
如图1~8所示，一种背向集成激光器件的制造方法，主要步骤包括，
S1、对SOI晶圆进行前段工艺，形成耦合波导，在硅光后段工艺中，预先在激光器件耦合波导两侧挖槽沉积互联金属3；其中，对SOI晶圆进行前段工艺的具体步骤包括但不限于光刻、刻蚀等工艺，形成激光器耦合波导结构；所述硅光后段工艺的具体步骤为光刻、刻蚀、互联金属沉积、金属化学机械抛光（CMP）；
S2、将步骤S1处理后的SOI晶圆与载体晶圆进行键合；
S3、将键合后的SOI晶圆翻转180°后，将SOI晶圆上的衬底去除，而后将SOI晶圆上的BOX层减薄至≤500nm，在本实施例里减薄至50nm；
S4、对步骤S3得到的减薄后的SOI晶圆的SiO2于于互联金属层相应位置挖槽光刻、刻蚀出凹槽，所述凹槽深及互联金属层；在本实施例里，以凹槽为例来说明，在其它实施例里，可以通过通孔等等同的技术手段，依然落入本发明的包括范围。
S5、沉积电极金属：具体步骤为包括但不限于热蒸镀或电镀或溅射等方法沉积电极金属层，再进行CMP，金属类型包括但不限于Ti, Ni，TiGe, TiP，NiGe, Ni2P，AuGeNi等；所述金属层电极与所述互联金属导通形成第二金属电极结构。S6、将步骤S5处理后的晶圆与外延片键合，本实施例的外延片结构从上往下依次机构为：InP层、P-InGaAs层、InP层、有源层、InP层。在其它实施例也可以采取能实现本发明目的其它类型基片。其中，键合的工艺依次包括对步骤S5处理后的晶圆表面的二氧化硅层和外延片进行表面清洗，对步骤S5处理后的晶圆和Ⅲ-Ⅴ外延片进行表面激活，键合和退火，其中，退火的温度为200~400℃；经过这些工艺，能够很好的消除制备金属层电极过程中产生的金属凹陷（dishing）。
S7、去除外延片上InP层7，而后对P-InGaAs层8进行图形化处理，并注入H+，图形化处理过程中所述有源层的刻蚀端面可以位于n-InP接触电极之外，也即有源层全部或部分覆盖第二金属电极结构；最后制作于P-InGaAs层上制作第一电极。
本发明还提供一种激光器件，其电极采用上述工艺制作，包括载体晶圆1、波导结构2、由互联金属层3与金属层电极6组成的第二金属电极结构、第一金属电极10、P-InGaAs层8、注入阳离子的InP层13和有源区9；有源区9与二氧化硅层4中间有一层InP层7；所述第一金属电极10位于所述激光器件的上方；所述第二金属电极结构位于波导的两侧，且与波导结构不相连；本实施例里，所述第二金属电极结构就位于激光器件下方的两侧，此时可以减小第二金属电极结构与激光器件横向长度，从而降低器件电阻。同时述第二金属电极结构可以形成散热通道，大大有利于散热。
对比例
如图5所示，传统的背向集成激光器制造工艺，包括如下步骤；
A1、SOI晶圆上硅光器制作，包含硅光前段和后端工艺；
A2、SOI硅光晶圆与载体晶圆键合；
A3、晶圆翻转，将原SOI晶圆衬底去除，BOX层减薄；
A4、Ⅲ-Ⅴ外延片键合；
A5、Ⅲ-Ⅴ衬底去除，图形化处理，H+注入，电极制作。
由图10和图18对比分析得知，传统的硅基Ⅲ-Ⅴ激光器集成方案中，电极的制作，涉及到有源区的刻蚀，容易在有源区的刻蚀端面引入缺陷，在载流子注入过程中，造成非辐射复合；本发明中底部电极的预先制作，可使得有源区的刻蚀端面位于接触电极之外，可有效降低有源区端面缺陷造成的非辐射复合，提高载流子注入效率。
由图9和图17对比分析得知，厚度为100nm情况下，约10 μm的长度，对应电阻为9Ω。本发明中，根据电极的位置，可将器件中n型III-V的长度缩短为6 μm，电阻降低为5.4Ω。n型III-V电阻减小为原来的60%，器件总体电阻减小为原来的66%。其中，电阻的计算参考文献Experimental and theoretical thermal analysis of a Hybrid SiliconEvanescent Laser和Hybrid Silicon Laser Technology: A Thermal Perspective。
由图11得知，底部电极的制作，与原有的互联金属一起，可形成金属散热通道，降低器件的热阻抗，从而改善器件热性能。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，包括，第一步、对SOI晶圆进行前段工艺，于氧化硅层内形成波导结构，在硅光后段工艺中，在波导结构两侧挖槽沉积互联金属层；第二步、将SOI晶圆与载体晶圆进行键合；去除SOI晶圆上硅衬底层，于互联金属层相应位置挖槽至互联金属层，并制作金属层电极，并与所述波导两侧的所述互联金属导通形成第二金属电极结构；第三步、将基底二氧化硅层面与外延片键合；形成有源激光器件，于有源激光器件上端制作金属电极形成第一金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于， 所述SOI晶圆与载体晶圆进行键合后；还包括：将键合后的SOI晶圆翻转180°；方便后续工艺。
3.根据权利要求1所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，所述第二步中去除硅衬底层后，还包括：将SOI晶圆上的氧化硅层减薄至目标值。
4.根据权利要求1所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，所述第三步中形成有源激光器件工艺中，有源层全部或部分覆盖第二金属电极结构。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，所述第二金属电极结构中的电极金属层制造的具体工艺为采用热蒸镀或电镀或溅射的方法沉积金属材料，再进行CMP平坦化。
6.根据权利要求5所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，所述电极金属层材料为Ti、 Ni、TiGe、TiP、NiGe、Ni2P、AuGeNi中的任一或任意组合。
7.根据权利要求1~4任一项所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，所述第三步中与外延片键合的工艺前还包括包括对晶圆氧化硅面和/或外延片进行表面清洗，对清洗后的氧化硅面和/或外延片晶圆与外延片进行表面激活，键合和退火。
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