CN102957095A - 硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，包括：在SOI片顶层硅层上制作取样光栅；在硅层上垂直于光栅的方向刻蚀出多个宽度相同的硅波导和两侧的硅挡墙；在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发金属层，硅挡墙和金属层之间为过量金属容纳区，形成SOI波导结构；在一P衬底上采用MOCVD的方法，生长III-V族半导体激光器阵列结构，该III-V族半导体激光器阵列结构中的每个激光器与每个硅波导相对应；在III-V族半导体激光器阵列结构的N面制作金属电极，并在金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口；在P衬底的背面制作金属电极，形成键合激光器阵列结构；将SOI波导结构和键合激光器阵列结构，采用倒扣选区金属键合的方法，键合到一起，完成多波长硅基混合激光器阵列的制备。

Description

硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法

技术领域

本发明属于电子器件领域，具体涉及一种硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法。其制作工艺简单，成本低，可靠性高。

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。硅基激光在光互连器件中难度最大，因而备受人们关注。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。采用多波长激光器阵列可增加传输容量，并且可以降低封装成本。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。直接键合方案对工艺对准精度要求较高，电子束曝光方法制作光栅，增加了制作成本和工艺难度。本发明在硅波导上采用全息曝光加二次曝光的方法制作取样光栅，与电子束曝光相比成本相对低廉，工艺简单，可以大规模生产，可以通过取样光栅设计灵活的控制波长，而且性能上不输于采用电子束曝光法制作的复杂光栅器件。

发明内容

本发明采用了一种简单易行的技术，提供了一种硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法。其原理是通过隐失波耦合，将化合物半导体激光器中的激光耦合到硅波导中，通过对硅波导取样光栅周期的设计，来选取不同的波长。在硅波导上制作取样光栅，采用全息曝光加二次曝光的方法，与电子束曝光相比成本相对低廉，工艺简单，可以大规模生产，可以通过取样光栅设计灵活的控制波长，而且性能上不输于采用电子束曝光法制作的复杂光栅器件。掺Fe掩埋结构阈值电流低，斜率效率高，可实现无制冷告诉直调。在P型衬底上生长激光器并采用倒扣选取键合工艺，可有效避免键合过程材料或金属对光的吸收，并且其难度低于直接键合，易于实现，可以提高成品率。

本发明提供一种硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在SOI片顶层硅层上制作具有不同取样周期的取样光栅；

步骤2：在硅层上垂直于光栅的方向刻蚀出多个宽度相同的硅波导和两侧的硅挡墙；

步骤3：采用金属剥离方法，在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发金属层，硅挡墙和金属层之间为过量金属容纳区，形成SOI波导结构；

步骤4：在一P衬底上采用MOCVD的方法，生长III-V族半导体激光器阵列结构，该III-V族半导体激光器阵列结构中的每个激光器与每个硅波导相对应；

步骤5：在III-V族半导体激光器阵列结构的N面制作金属电极，并在金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口；

步骤6：在P衬底的背面制作金属电极，形成键合激光器阵列结构；

步骤7：将SOI波导结构和键合激光器阵列结构，采用倒扣选区金属键合的方法，键合到一起，完成多波长硅基混合激光器阵列的制备。

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作详细的描述，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为SOI片结构示意图；

图3为SOI片顶层硅层上制作取样光栅的俯视图；

图4为在SOI片上刻蚀出硅波导和两侧的硅挡墙端面结构示意图；

图5为在两个硅挡墙外面区域蒸发金属层端面结构示意图；

图6为所制备的III-V族激光器的端面结构示意图；

图7为键合激光器端面结构示意图；

图8为SOI波导结构和键合激光器结构键合后的硅基混合激光器阵列端面结构示意图。

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硅基取样光栅多波长硅基混合激光器阵列的方法。

下面以4波长硅基混合激光器阵列为例，介绍具体实现方案：

步骤1：在SOI片(参阅图2)(由底层往上依次为硅晶体1、氧化硅层2、硅层3)上的顶层硅层3上制作具有不同取样周期的取样光栅4。制作过程为在SOI顶层硅层3上均匀的涂上一层光刻胶，对涂有光刻胶的芯片进行全息曝光，再将芯片置于有四个不同取样周期光刻板之下进行二次曝光，然后进行显影、离子刻蚀，在硅层3上得到取样光栅，取样光栅周期由激射波长决定。干法刻蚀气体采用CF₄，采用全息曝光加二次曝光的方法制作光栅，其制作工艺简单，并且可以灵活的控制波长，相对于电子束曝光方法成本更低；

步骤2：在硅层3上垂直于光栅4的方向依次采用普通光刻以及RIE干法刻蚀方法刻蚀出4个宽度相同的硅波导5和两侧的硅挡墙6(参阅图4)，所述硅波导5，其宽度为2-5μm，高度相同，高度为0.4-0.8μm；相邻硅波导5之间的宽度为120-250μm，所述硅波导5两侧的硅挡墙6的宽度为2-3μm，高度为0.4-0.8μm，其高度与硅波导5的高度相同；硅挡墙6与最近的硅波导5之间的距离为10-50μm。；

步骤3：采用金属剥离方法，先在形成波导结构的SOI片上光刻出图形掩膜，大面积蒸发金属层后将不需要的地方带胶剥离，只留下两个硅挡墙6远离硅波导5的外侧区域的金属7，作为键合金属，蒸发的金属7的材料为AuGeNi/In/Sn，其中AuGeNi的厚度为50-80nm、In的厚度为300-400nm、Sn的厚度为20nm。硅挡墙6的作用是阻止键合金属流向硅波导，从而避免金属对光的吸收。硅挡墙6和金属层7之间为过量金属容纳区8，可以容纳键合过程金属的流动，使键合激光器和硅波导之间的空气隙为0，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8的宽度为2-10μm，形成SOI波导结构(参阅图5)；

步骤4：采用低压金属有机物化学气相沉积法(LP-MOCVD)，在一P衬底10上生长III-V族半导体激光器阵列结构(参阅图6)，该III-V族半导体激光器阵列结构中的每个激光器11与每个硅波导5相对应，该P衬底10的材料为p型(100)InP，所述的III-V族半导体激光器阵列结构为掺Fe半绝缘掩埋异质结构，III-V族半导体激光器阵列结构中的每个激光器电流的通道宽度为1-3μm，键合时每个电流通道位于每个硅波导5的中央的上方，激光器的有源区之上的材料为InP，其厚度为200-300nm。之所以采用P型衬底是因为键合时采用倒扣键合的方案，倒扣键合可以不用减薄衬底，键合时成品率较高，若为N型衬底，激光器中的光需穿过P型区耦合到硅波导中，而P型区的材料会对光有强烈的吸收，对实现键合激光器不利，因此采用P型衬底，并且P衬底掺Fe掩埋激光器具有阈值低，斜率效率高，可实现高功率等优点；

步骤5：在III-V族半导体激光器结构的N面制作金属电极12，该N面金属电极12的材料为AuGeNi，厚度为200-400nm，并在金属电极12上光刻腐蚀出光耦合窗口13(参阅图7)，该光耦合窗口13的宽度等于SOI片上金属层7之间的宽度，所用腐蚀液为碘、碘化钾和水的混合液；

步骤6：在P衬底10的背面制作金属电极9(参阅图7)，该金属电极9的材料为AuZn，厚度为200-400nm，形成键合激光器阵列结构。其中，激光器结构总厚度为100-120μm，足以保证在加热加压的键合过程不碎裂，提高键合成品率。SOI片硅挡墙6外面区域金属7和金属13的总厚度与硅波导5的高度相同。另外，先在激光器结构上做N型金属电极13再键合，可以减小串联电阻和热阻，金属对金属键合还可以增大键合强度；

步骤7：将SOI波导结构和键合激光器阵列结构，采用倒扣选区金属键合的方法，键合到一起，完成多波长硅基混合激光器阵列的制备(参阅图8)。选区键合是将激光器的金属键合区和光耦合区分开，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，时间只需要两分钟。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)

1.一种硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在SOI片顶层硅层上制作具有不同取样周期的取样光栅；

步骤2：在硅层上垂直于光栅的方向刻蚀出多个宽度相同的硅波导和两侧的硅挡墙；

步骤3：采用金属剥离方法，在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发金属层，硅挡墙和金属层之间为过量金属容纳区，形成SOI波导结构；

步骤4：在一P衬底上采用MOCVD的方法，生长III-V族半导体激光器阵列结构，该III-V族半导体激光器阵列结构中的每个激光器与每个硅波导相对应；

步骤5：在III-V族半导体激光器阵列结构的N面制作金属电极，并在金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口；

步骤6：在P衬底的背面制作金属电极，形成键合激光器阵列结构；

步骤7：将SOI波导结构和键合激光器阵列结构，采用倒扣选区金属键合的方法，键合到一起，完成多波长硅基混合激光器阵列的制备。

2.根据权利要求1所述的硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，其中取样光栅的制备工艺包括在顶层硅层上均匀的涂上一层光刻胶，进行全息曝光，再于取样周期光刻板之下进行二次曝光，然后进行显影和离子刻蚀，在顶层硅层上得到取样光栅。

3.根据权利要求1所述的硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，其中所述硅波导的宽度为2-5μm，高度为0.4-0.8μm；两个硅波导之间的宽度为120-250μm。

4.根据权利要求3所述的硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，其中所述硅波导两侧的硅挡墙的宽度为2-3μm，高度为0.4-0.8μm；硅挡墙与最近的硅波导之间的距离为10-50μm，硅波导与硅挡墙的高度相同。

5.根据权利要求1所述的硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，其中所述过量金属容纳区的宽度为2-10μm。

6.根据权利要求1所述的硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，其中P衬底的材料为p型(100)InP。

7.根据权利要求1所述的硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，其中的III-V族激光器阵列结构为掺Fe半绝缘掩埋异质结结构，电流通道宽度为1-3μm，键合时位于硅波导中央的上方，激光器的有源区上的材料为InP，厚度为100-300nm。

8.根据权利要求1所述的硅基取样光栅多波长混合激光器阵列的制备方法，其中光耦合窗口的宽度等于SOI片上金属层之间的宽度。

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