CN104283109A - 一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法。所述激光器包括：带有硅波导的SOI晶片；半导体外延片，其包括底部接触层和半导体激光器谐振腔；所述半导体激光器谐振腔位于所述底部接触层上方，且其中间刻蚀形成有散热通道；键合层，用于键合带有硅波导的SOI晶片和半导体外延片；N电极金属层，其位于底部接触层上方，且环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围；绝缘隔离层，其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面；P电极金属覆盖层，其位于绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。

Description

一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及硅基光电集成技术领域，尤其涉及一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法。

背景技术

随着硅基光电集成回路和光互连的发展，电泵浦的硅基光源是一个必不可少的因素。然而由于硅是一种间接带隙材料，发光效率低，因此不适合做光源。并且，在硅上直接生长直接带隙半导体材料，由于其晶格不匹配，生长难度很大。近些年来，SOI(绝缘体上的硅)平台由于其与CMOS工艺的兼容性以及对通信波长的光吸收小的特点，越来越受到人们的关注，一种利用键合技术将SOI与III/V半导体材料键合起来制作硅基光源的方法在硅基光电集成领域表现出了极大的应用前景。基于此，硅基法布里-波罗(FP)键合硅基激光器，分布式布拉格反射(DBR)和分布反馈(DFB)硅基单模FP腔激光器也相继间世。

微腔激光器由于其体积小、能耗低和便于集成的优点，在光互连和光子集成回路中有着巨大的应用前景。然而，硅基键合微腔激光器由于其本身体积很小以及键合层和掩埋氧化硅(BOX)层的热导率很低，导致硅基键合微腔激光器的热阻很大，从而严重影响激光器的输出特性。。图1示出了现有技术中微腔激光器的结构图，其包括：带有硅波导的SOI晶片，包括衬底1、掩埋氧化硅(BOX)层2和顶部硅波导3；键合层4；底部接触层5；半导体激光器谐振腔，包括：下限制层6，、有源区7、上限制层8；N电极金属层9；绝缘隔离层10；P电极金属覆盖层11；该结构为在完全用绝缘隔离层10(SiO₂)限制、P电极金属覆盖层11没有完全覆盖半导体激光器谐振腔的普通激光器结构，该结构激光器产生的热量大部分存在于半导体激光器谐振腔中，并没有传导出去，因此导致激光器的散热性较差。

发明内容

本发明的目的是提出一种金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法。其中，III/V族半导体外延片生长在p型InP衬底上，SOI上刻蚀出硅波导，通过键合技术将二者键合在一起，利用半导体加工技术刻蚀出微腔形状，并且在微腔中心刻蚀出散热通道，在激光器表面生长绝缘隔离层，最终再利用P电极金属覆盖层将半导体激光器谐振腔完全覆盖，从而达到散热降低热阻的目的。

本发明提出的一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，包括：

带有硅波导的SOI晶片；

半导体外延片，其包括底部接触层和半导体激光器谐振腔；所述半导体激光器谐振腔位于所述底部接触层上方，且其中间刻蚀形成有散热通道；

键合层，用于键合带有硅波导的SOI晶片和半导体外延片；

N电极金属层，其位于底部接触层上方，且环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围；

绝缘隔离层，其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面；

P电极金属覆盖层，其位于绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。

本发明还提出了一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器的制作方法，其包括：

步骤1、在SOI晶片上刻蚀形成硅波导，并生长半导体外延片；

步骤2、利用键合层将所述SOI晶片和半导体外延片键合起来；

步骤3、在所述外延片上刻蚀形成半导体激光器谐振腔，并在底部保留一层底部接触层；同时，在所形成的半导体激光器谐振腔中间刻蚀形成散热通道；

步骤4、在所述底部接触层表面制作N电极金属层，使其环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围；

步骤5、生长绝缘隔离层，使其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面；

步骤6、生长P电极金属覆盖层，使其形成在绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。

本发明提出的金属限制散热结构的硅基微腔激光器，利用键合技术和半导体激光器制作工艺制作了金属完全限制的硅基微环激光器，该种结构的微环激光器优点是通过金属限制层，由于金属的热导率很高，可以使得激光器有源区产生的热量快速通过n电极金属层和p电极金属覆盖层传入更大的区域，从而有效的降低激光器有源区温度和热阻。

本发明提出的金属限制散热结构的硅基微腔激光器的优点在于：对于利用SiO₂等介质材料作为限制层的硅基键合微腔激光器而言，硅衬底的热导率很大(在131K/(m·K)左右)，因此可以很好的传导热量。然而，由于键合层和掩埋氧化硅层的热导率很低(在1K/(m·K)左右)，因此有源区中产生的热量很难传导至硅衬底中，导致有源区的温度升高很大，因此激光器的热阻较大。本发明提出的金属限制散热结构的硅基微腔激光器，通过金属限制层作为散热层，由于金属的热导率(约150K/(m·K))很高，可以将激光器有源区产生的热量通过N电极金属层和P电极金属覆盖层传入更大的区域，从而有效的降低热阻和激光器有源区温度，提高激光器的性能。

附图说明

图1为现有技术中硅基微腔激光器的结构截面示意图；

图2(a)为本发明中散热通道刻蚀至底部接触层并利用金属限制的硅基微腔激光器结构示意图；

图2(b)为本发明中散热通道刻蚀至BOX层并利用金属限制的硅基微腔激光器结构示意图；

图2(c)为本发明中散热通道刻蚀至硅衬底层并利用金属限制的硅基微腔激光器结构示意图；

图3为利用有限元方法计算的图1和图2示出的不同结构下激光器的热阻随激光器半径及BCB键合层厚度的变化关系示意图。

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。

本发明提出了一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其具有通过在半导体激光器谐振腔中间刻蚀散热通道并用金属限制的散热结构。金属限制层作为散热层，由于金属的热导率很高，可以将激光器有源区产生的热量通过N电极金属层和P电极金属覆盖层传入更大的区域，从而有效的降低热阻和激光器有源区温度，提高激光器的性能。

下面结合图2所示，以DVS-BCB键合微环激光器为例对本发明提出的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器作进一步详细的描述。

本发明提出的一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其包括：

带有硅波导的SOI晶片，包括：硅衬底1，其热导率为131K/(m·K)，为热的良导体；所述硅衬底1可选用带有硅波导的SOI晶片；掩埋氧化硅(BOX)层2，位于硅衬底1上方；该层的作用主要用于隔离光场，防止光损耗，该层的SiO₂的热导率为1.27K/(m·K)，因此该层严重阻碍了热量向硅衬底的传输；顶部硅波导3，位于掩埋氧化硅层2上方。硅波导3的作用是通过垂直耦合方式将半导体激光器谐振腔中产生的激光耦合进硅波导3中，从而实现硅上出光。

键合层4，键合层4是将III/V半导体外延片和SOI片键合起来的一层，位于二者之间。通过键合层4，III/V半导体外延片中产生的激光可以耦合到SOI顶部硅波导3中。若采用BCB键合方式，则选用BCB(苯并环丁烯)键合层，其热阻为0.3K/(m·K)；热量在该层会受到极大的阻碍，是导致激光器热阻变大的重要因素。

底部接触层5，该层位于键合层4的上方。其选用半导体材料，用于沉积N电极，提供电流注入。

半导体激光器谐振腔，用于产生激光，其是通过半导体刻蚀工艺将III/V半导体外延片刻蚀至底部接触层5形成的，主要包括：下限制层6，位于底部接触层5的上方，其形状可以为微环、微盘、正方形、椭圆形或其它多边形微腔形状，覆盖底部接触层5的部分表面，图中示出的是微环结构的微腔形状；有源区7，位于下限制层6的上方，形状与下限制层6相同，该层是热量产生的主要区域，关系到器件的热学特性；上限制层8，位于有源区7的上方，形状与有源区7相同，起到光场限制的作用。

N电极金属层9，其位于半导体激光器谐振腔周围，底部接触层5的上方，环绕半导体激光器谐振腔，且与半导体激光器谐振腔具有一定的距离，用于对激光器提供电流注入。

绝缘隔离层10，位于激光器表面，覆盖在N电极金属层9表面、底部接触层5未被覆盖的表面和半导体激光器谐振腔表面。可以是SiO₂等绝缘体材料，具有较低的折射率。

散热通道，其由半导体激光器谐振腔上刻蚀形成的孔洞形成。其中，半导体激光器谐振腔刻蚀孔洞位于微腔的中心，通过半导体刻蚀技术对III/V半导体外延片刻蚀形成。其刻蚀深度的不同导致对激光器热特性的改善作用也不同，刻蚀深度越深，其热特性越好。图2(a)为刻蚀至底部接触层5的结构，图2(b)为刻蚀至掩埋氧化硅2的结构，图2(c)为刻蚀至硅衬底1的结构。P电极金属覆盖层11作用是将激光器产生的热量传导向更大区域，从而降低激光器的热阻。对于微盘、正方形等结构的半导体激光器谐振腔，只需要在其中间部位刻蚀散热空洞即可。

P电极金属覆盖层11，位于绝缘隔离层10和半导体激光器谐振腔上方，并且完全覆盖住半导体激光器谐振腔侧面，以及散热通道表面。由于金属层具有很高的热导率，所以通过该层可以使激光器有源区产生的热量传导至更大的金属区域，从而达到散热降低热阻的目的。

图2(a)所示为刻蚀孔洞刻蚀至底部接触层5并利用P电极金属覆盖层11完全覆盖半导体激光器谐振腔的散热结构，该种结构散热通道可以将激光器产生的大部分热量传导至大面积的P电极金属覆盖层11，因此热阻较低。图2(b)所示为刻蚀孔洞刻蚀至掩埋氧化硅层2并利用P电极金属覆盖层11完全覆盖半导体激光器谐振腔的散热结构。图2(c)所示为刻蚀孔洞刻蚀至硅衬底层1并利用P电极金属覆盖层11完全覆盖半导体激光器谐振腔的散热结构，该种结构的散热通道可以将激光器产生的热量几乎全部传导至P电极金属覆盖层11和硅衬底1中，对激光器热特性的改善最明显。

本发明还提出了一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器的制作方法。该方法包括：

步骤1：将SOI片进行处理，刻蚀出硅波导，并且生长III/V半导体外延片，用以制作半导体激光器谐振腔。带有硅波导的SOI晶片，包括：硅衬底1；掩埋氧化硅(BOX)层2，位于硅衬底1上方；该层的作用主要用于隔离光场，防止光损耗，该层的SiO₂的热导率为1.27K/(m·K)，因此该层严重阻碍了热量向硅衬底的传输；顶部硅波导3，位于掩埋氧化硅层2上方。硅波导3的作用是通过垂直耦合方式将半导体激光器谐振腔中产生的激光耦合进硅波导3中，从而实现硅上出光。

步骤2：利用DVS-BCB半导体键合技术，将III/V半导体外延片与带有硅波导3的SOI片通过键合层4键合起来。其中，键合层4位于III/V半导体外延片和SOI片之间，实现光从III/V半导体外延片耦合到硅波导1的作用。为了实现有效的光耦合，应保持键合层4的厚度在500nm以下。键合层4对激光器热阻的影响较大，BCB(苯并环丁烯)为一种粘合剂，热导率仅有0.3K/(m·K)，因此考虑到激光器的散热特性，该层的厚度越小越好。

步骤3：利用半导体加工技术(如光刻、感应耦合等离子刻蚀(ICP)技术、PECVD)在所述外延片上刻蚀出半导体激光器谐振腔，并使之底部保留一层InP作为底部接触层5，该半导体激光器谐振腔主要包括：下限制层6，位于底部接触层5的上方，其形状可以为微环、微盘、正方形或其它微腔形状；有源区7，位于下限制层6的上方，形状与下限制层6相同，该层是热量产生的主要区域，关系到器件的热学特性；上限制层8，位于有源区7的上方，形状与有源区7相同，起到光场限制的作用。在该步骤中，可以直接将半导体激光器谐振腔中心进行刻蚀形成散热通道；具体可以将其底部刻蚀至底部接触层5，如图2(a)所示，也可以进一步刻蚀至掩埋氧化硅层2，如图2(b)，或刻蚀至硅衬底层1，如图2(c)所示。其中，刻蚀的深度越深，则器件的热特性越好。

步骤4：利用电子束蒸发技术在底部接触层5的表面制作N电极金属层9，环绕半导体激光器谐振腔，与半导体激光器谐振腔有一定的距离，材料为Au/Ge/Ni合金，N电极金属层9与半导体激光器谐振腔的距离以及N电极金属层9的厚度会影响到P电极金属覆盖层11的散热作用，N电极金属层9与半导体激光器谐振腔的距离越近，N电极金属层9厚度越大，散热特性越好。N电极金属层9与半导体激光器谐振腔的距离应在50μm以下。

步骤5：生长一绝缘隔离层10，使其覆盖在N电极金属层9、底部接触层5和半导体激光器谐振腔表面。该层的作用是将P电极金属覆盖层11与N电极金属层9和半导体激光器谐振腔隔离开，避免金属对光场的强烈吸收以及防止激光器发生短路。绝缘隔离层10的厚度介于5μm以下，过厚的绝缘隔离层10，会导致器件的散热性变差。

步骤6：生长一层P电极金属覆盖层11，材料为Ti/Pt/Au合金，制作图形化的P电极，P电极金属覆盖层11位于绝缘隔离层10和半导体激光器谐振腔上方，并且完全覆盖住半导体激光器谐振腔侧面和表面。P电极金属覆盖层11的面积越大、厚度越厚，则其散热作用越好。

图3(a)为图1和图2所示的四种结构的热阻随激光器半径的变化关系。在完全用绝缘隔离层10(SiO₂)限制、P电极金属覆盖层11没有完全覆盖半导体激光器谐振腔的条件下，如图1所示，激光器的热阻随半径的变化很大，当激光器半径为10μm时，其热阻为4.9K/mW；对于刻蚀至底部接触层5并利用P电极金属覆盖层11完全覆盖半导体激光器谐振腔，如图2(a)所示，其热阻为2K/mW；对于刻蚀至掩埋氧化硅2并利用P电极金属覆盖层11完全覆盖半导体激光器谐振腔，如图2(b)所示，其热阻为1.7K/mW；对于刻蚀至硅衬底1并利用P电极金属覆盖层11完全覆盖半导体激光器谐振腔，如图2(c)所示，其热阻为1.1K/mW；此外，对于利用p电极金属覆盖层11完全覆盖半导体激光器谐振腔的金属限制散热结构，随激光器半径的减少，其热阻的增加速度较慢，对于图2(a)、(b)、(c)所示的三种结构，当激光器半径从20μm减少至5μm时，其激光器热阻分别增加了2.8K/mW、2.6K/mW和2.1K/mW，而对于用绝缘隔离层10(SiO₂)限制、P电极金属覆盖层11没有完全覆盖半导体激光器谐振腔的硅基微腔激光器结构，如图1所示，其热阻增加了7.6K/mW。因此，本发明所提出的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器与利用SiO₂等其他介质限制的激光器相比具有很低的热阻，因此提高了激光器的性能。

图3(b)为图1和图2所示的四种结构的热阻随BCB键合层厚度的变化关系。对于硅基键合微腔激光器而言，键合层4的厚度是影响激光器温度效应的主要因素，键合层4越厚，其热阻越大。从图3(b)可以看出，硅基键合微腔激光器的热阻与其键合层4的厚度基本成线性关系，对于图1、图2(a)、(b)、(c)所示的结构，其对应的激光器热阻与键合层4的厚度的变化斜率分别为2.9、1.5、1.4和1。因此，与利用SiO₂等其他介质限制的激光器相比，本发明所提出的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器具有更好的稳定性。

本发明中，以上所述的具体实施方式中提供了一种利用DVS-BCB键合技术的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器结构及制作方案，但本发明不仅局限于此，可以根据实际需求和结构设计对本发明阐述的结构进行相关参数的更改，只要保证激光器被金属覆盖即可。比如：

本实施案例中介绍的是硅基键合微环激光器，实际也可以是微盘，正方形，椭圆或其他多边形微腔，只要用金属限制或在微腔中间刻蚀出散热孔洞并且用金属限制即可。

本实施案例中应用的III/V半导体外延片结构主要包括三层，实际的外延片结构可以有多层不同的半导体材料组成，对本发明提出的金属限制散热结构没有影响。

本实施案例中应用的是DVS-BCB键合技术，实际也可以利用直接键合方式、金属键合方式或其他聚合物键合方法，只要可以将半导体材料与SOI晶片键合在一起即可。

本实施案例中阐述的是InP基的金属完全限制的微环激光器，实际也可以是GaAs基或其他材料的半导体激光器。

本实施案例中利用到的是P电极金属Ti/Pt/Au和N电极金属Au/Ge/Ni作为电极和导热层，在实际结构中也可以利用其他的金属或热导率很高的材料作为导热层。并且，生长的P电极金属覆盖层和N电极金属层的厚度也可以根据实际要求而不同，金属层越厚，其激光器的热阻也越小。

本实施案例中绝缘隔离层用的是SiO₂，也可以用别的绝缘性材料代替，比如氮化硅等，只要使得绝缘层材料的折射率低即可。

本实施案例中所用到的半导体器件加工技术不仅局限于本发明中所提到的，也可以利用相应的技术代替，只要能达到相应的目的即可。

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 (10)

1.一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，包括：

带有硅波导的SOI晶片；

半导体外延片，其包括底部接触层和半导体激光器谐振腔；所述半导体激光器谐振腔位于所述底部接触层上方，且其中间刻蚀形成有散热通道；

键合层，用于键合带有硅波导的SOI晶片和半导体外延片；N电极金属层，其位于底部接触层上方，且环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围；

绝缘隔离层，其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面；

P电极金属覆盖层，其位于绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。

2.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，其中，所述带硅波导的SOI晶片包括：

硅衬底层；

掩埋氧化硅层，其位于硅衬底层的上方；

顶部硅波导，位于掩埋氧化硅层上方。

3.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，其中所述的键合层材料为BCB、SiO₂或金属。

4.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，其中所述的底部接触层为半导体材料。

5.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，半导体激光器谐振腔用于产生激光，包括：

下限制层，位于底部接触层之上；

有源区，位于下限制层之上；

上限制层，位于有源区之上。

6.根据权利要求5所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，所述半导体激光器谐振腔为微环、微盘、椭圆或多边形微腔结构。

7.根据权利要求2所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，所述散热通道可以刻蚀至底部接触层、键合层、掩埋氧化硅层或硅衬底层。

8.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，其中所述的P电极金属覆盖层位于绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，并且完全覆盖住半导体激光器谐振腔侧面。

9.一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器的制作方法，其包括：

步骤1、在SOI晶片上刻蚀形成硅波导，并生长半导体外延片；

步骤2、利用键合层将所述SOI晶片和半导体外延片键合起来；

步骤3、在所述外延片上刻蚀形成半导体激光器谐振腔，并在底部保留一层底部接触层；同时，在所形成的半导体激光器谐振腔中间刻蚀形成散热通道；

步骤4、在所述底部接触层表面制作N电极金属层，使其环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围；

步骤5、生长绝缘隔离层，使其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面；

步骤6、生长P电极金属覆盖层，使其形成在绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，N电极金属层与所述半导体激光器谐振腔具有一定的距离，且所述距离在50μm以下。