CN106785887B - 一种聚合物辅助键合的混合型激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚合物辅助键合的混合型激光器及其制备方法。混合型激光器包括：带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构；带有自然解理形成法布里‑波罗腔的Ⅲ‑Ⅴ族激光器；Ⅲ‑Ⅴ族激光器位于硅基波导微腔结构之上，二者通过PVA辅助键合材料键合，Ⅲ‑Ⅴ族激光器的n型衬底接触硅基波导微腔结构上的ITO透明导电层，通过在金属电极和ITO上施加电压使得Ⅲ‑Ⅴ族激光器实现电学泵浦。该制备方法包括：制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构；制作Ⅲ‑Ⅴ族激光器，并对Ⅲ‑Ⅴ族激光器的衬底进行减薄；对硅基波导微腔结构上的聚合物进行聚合物软化，增加聚合物的粘度，并将Ⅲ‑Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合。

Description

一种聚合物辅助键合的混合型激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及混合激光器的键合技术领域，尤其涉及了一种聚合物代替金属来辅助键合的Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅基波导微腔结构的混合型激光器及其制备方法。
背景技术
硅基材料在现代半导体工艺中具有重要地位，其工艺最为成熟，应用最为广泛。但是，硅基材料的主要元素是硅，为间接带隙材料，发光效率低，不适合作为激光器光源。而Ⅲ-Ⅴ族半导体材料是直接带隙材料，如果在硅基上直接生长Ⅲ-Ⅴ族材料，由于晶格不匹配，生长困难，限制了Ⅲ-Ⅴ族激光器的发展。基于两种材料各自的优点，混合激光器成为一种较好的解决方案，目前制作混合激光器的常用方法是采用键合技术来组合两种材料。利用键合技术，将SOI(绝缘体上硅)硅基器件与Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器结合起来制作硅基光源，避免由于晶格常数不匹配造成器件性能降低，成功实现硅基法布里-波罗(FP)键合硅基激光器，分布式布拉格反射(DBR)激光器和分布式反馈(DFB)硅基单模FP腔激光器等激光器的激射发光。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提出一种聚合物辅助键合的Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅基波导微腔结构的混合型激光器及其制备方法，以实现Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅基波导微腔结构的键合
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，该方法包括：制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构；制作Ⅲ-Ⅴ族激光器，并对Ⅲ-Ⅴ族激光器的衬底进行减薄；对硅基波导微腔结构上的聚合物进行聚合物软化，增加聚合物的粘度，并将Ⅲ-Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合。
上述方案中，所述制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构，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光刻，采用离子刻ICP进行刻蚀，形成带有阻挡结构的硅波导组合；
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，测试后制作透明导电介质，作为和Ⅲ-Ⅴ族激光器进行接触的导电介质；
步骤103：旋涂聚合物PVA在硅波导晶片全平面，在均匀旋涂的表面再次旋涂光刻胶进行曝光，光刻胶保护住器件之间的PVA，暴露出硅波导组合区域，经过显影后进行腐蚀处理；
步骤104：将晶片浸泡在水中，利用PVA溶于水，可以被水腐蚀的性质，对被光刻胶选区的晶片进行腐蚀；被光刻胶保护的区域没有接触水溶液，只会发生侧蚀，而没有光刻胶保护的区域之间接触水溶液，在浸泡过程中被水溶液腐蚀去掉，依照曝光形成的图形形成选区覆盖；
步骤105：形成选区后浸泡丙酮去除光刻胶，进行键合前的准备；聚合物PVA不溶于丙酮，而曝光所选择的光刻胶则很容易被丙酮去除；去除光刻胶后，聚合物PVA选区覆盖在没有波导区域，形成带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构。
上述方案中，所述步骤102中所述制作透明导电介质，采用MOCVD或磁控溅射方法，透明导电介质为ITO。
上述方案中，所述制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构，采用SOI材料，且SOI材料厚度在200nm-2um范围。
上述方案中，该方法采用微环结构、微盘结构或光子晶体来代替所述硅基波导微腔结构。
上述方案中，所述制作Ⅲ-Ⅴ族激光器，采用N型衬底或P型衬底的III-V族半导体有源材料，该N型衬底或P型衬底的III-V族半导体有源材料为InP基量子阱或量子点材料，或为GaAs基量子阱或量子点材料。
上述方案中，所述制作Ⅲ-Ⅴ族激光器，是制作条形的Ⅲ-Ⅴ族激光器，其中条形Ⅲ-Ⅴ族激光器制作是采用曝光后进行湿法腐蚀或ICP刻蚀方法。所述条形Ⅲ-Ⅴ族激光器的波导宽度在500nm-100um之间，高度在200nm-3um之间。
上述方案中，所述将Ⅲ-Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合，具体包括：先在常温下施压，增加键合强度，再升温加热固化聚合物，完成键合。
上述方案中，所述聚合物采用PVA材料，其厚度在10-500um范围。
为达到上述目的，本发明还提供了一种聚合物辅助键合的混合型激光器，该混合型激光器包括：带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构；以及带有自然解理形成法布里-波罗腔的Ⅲ-Ⅴ族激光器；其中，Ⅲ-Ⅴ族激光器位于硅基波导微腔结构之上，二者通过PVA辅助键合材料键合在一起，Ⅲ-Ⅴ族激光器的n型衬底接触硅基波导微腔结构上的ITO透明导电层，通过在金属电极和ITO上施加电压使得Ⅲ-Ⅴ族激光器实现电学泵浦。
(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：
1、本发明提出的利用PVA辅助键合透明导电介质ITO，利用PVA绝缘和高粘度特性辅助键合Ⅲ-Ⅴ族激光器和硅基波导微腔结构，实现加电泵浦激射发光，并且激光耦合进入硅波导进行输出。这种结构的优点是操作简便，PVA是粘度高且无污染的绝缘键合材料，可以使得键合工艺键合温度降低，键合强度适中，可以避免短路的情况。硅基微腔在刻蚀过程中为了对辅助键合物质进行阻挡而设计的阻挡层可以在键合过程中形成空气流通结构，增加了激光器的散热，提高激光器性能。
2、本发明提出的PVA选区覆盖的方法操作简便，工艺步骤简便，配合光刻胶曝光形成选区。由于PVA不溶于丙酮，可以进行类似湿法腐蚀的工艺方法，制作选区实现PVA的选区覆盖。该种方法节约时间，可操控性强，可以有效的缩短键合工艺时间，进而提高键合成功率。
附图说明
图1为依照本发明实施例的经过选区覆盖PVA后形成的带有透明导电介质ITO的硅波导结构示意图；
图2为为依照本发明实施例的经过去除衬底后露出N型区域的衬底，可以与硅波导上的ITO产生接触的Ⅲ-Ⅴ族激光器；
图3为为依照本发明实施例的键合后形成的正式混合激光器结构示意图。
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，对本发明进一步详细说明。
本发明提出了一种聚合物辅助键合的Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅基波导微腔结构的混合型激光器及其制备方法，以绝缘聚合物材料代替金属作为辅助键合的材料，避免器件之间的导通。制作硅波导阻挡结构可以使得硅波导之间存在空气缝隙，可以辅助器件散热，避免加电后器件发热对器件性能造成影响。聚合物材料PVA溶于水，无污染，不溶于丙酮、酒精等有机溶剂，低温下即可固化形成高粘度键合，相对于金属键合的高温键合，对器件进行保护，防止在键合过程中器件过热影响器件性能。另外本发明提出的选区覆盖PVA的工艺方案，配合曝光，可以在PVA涂层上形成选区，起到掩膜的作用。将带有PVA涂层和曝光选区的SOI波导晶片放入水中进行溶解腐蚀，去掉波导区域表层的PVA涂层，暴露出带有透明导电介质ITO的硅波导结构，与Ⅲ-Ⅴ族激光器N型衬底接触键合，形成电极为激光器供电，实现电泵浦激射发光。
透明导电介质在本发明中选择氧化铟锡合金(ITO)，这种材料是一种透明导电介质，可以作为Ⅲ-Ⅴ族激光器n型衬底一侧电极，实现激光器的电泵发光。ITO材料通过磁控溅射直接生长在刻蚀后的硅波导上，形成导电层，具有低电阻的优势。由于ITO材料是透明的，对于激光器的发光几乎没有吸收损失，不会使激光器的发光在传输途中被吸收。
辅助键合的材料选择聚乙烯醇(PVA)，该种材料作为一种高粘度聚合物，具有溶于水，不溶于醇类等有机物质的特点，且PVA材料具有绝缘特性。起到阻挡电流防止短路的作用。由于Ⅲ-Ⅴ族激光器需要在正面电极和背面N型区进行加电，聚乙烯醇的绝缘特性可以阻挡不同组激光器之间发生串联导通，其高黏性可以辅助Ⅲ-Ⅴ族激光器和硅基材料的键合牢固程度更高。
硅基波导微腔结构如图1所示，其是使用离子刻(ICP刻蚀)形成的带有隔离层的硅波导的SOI晶圆，具体包括：PVA辅助键合材料1、SOI材料经过ICP刻蚀形成带有阻挡结构的硅波导2、生长120纳米在硅波导上的透明导电介质ITO 3、氧化物埋层4和硅基衬底5。
带有自然解理形成法布里-波罗腔的Ⅲ-Ⅴ族激光器结构如图2所示，其包括：金属电极6、Ⅲ-Ⅴ族波导7、P-AlGaAs材料8、i-GaAs层9、i-(QD1.3/GaAs)*5有源发光层10、i-GaAs本征阻挡层11、n-GaAs衬底12。
通过PVA辅助键合材料将图2所示的Ⅲ-Ⅴ族激光器结构与图1所示的硅基波导微腔结构进行键合，使激光器n型衬底接触硅波导上的ITO透明导电层，通过在金属电极和ITO上施加电压使得Ⅲ-Ⅴ族激光器实现电学泵浦，工艺完成后的键合结果如图3所示。
下面结合图3所示，以PVA辅助键合带有透明导电介质的硅波导和Ⅲ-Ⅴ族激光器为例对本发明的聚合物辅助键合方法进行详细描述。
本发明提出的一种聚合物PVA辅助键合的Ⅲ-Ⅴ族激光器与带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构的混合型激光器的制备方法，包括：
步骤1：制备带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构；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光刻，采用离子刻(ICP)进行刻蚀，形成带有阻挡结构的硅波导组合。该阻挡层可以阻挡两侧的辅助键合物质，并且由于波导附近存在间隙，可以对器件工作产生的热量进行辅助散热，提高器件性能。
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，测试后采用磁控溅射方法生长120纳米ITO透明导电介质，作为和Ⅲ-Ⅴ族激光器进行接触的导电介质。
步骤103：旋涂聚合物PVA在硅波导晶片全平面，在均匀旋涂的表面再次旋涂光刻胶进行曝光，光刻胶保护住器件之间的PVA，暴露出硅波导组合区域，经过显影后进行腐蚀处理。
步骤104：将晶片浸泡在水中，利用PVA溶于水，可以被水腐蚀的性质，对被光刻胶选区的晶片进行腐蚀。被光刻胶保护的区域没有接触水溶液，只会发生侧蚀，而没有光刻胶保护的区域之间接触水溶液，在浸泡过程中被水溶液腐蚀去掉，依照曝光形成的图形形成选区覆盖。
步骤105：形成选区后浸泡丙酮去除光刻胶，进行键合前的准备。聚合物PVA不溶于丙酮，而曝光所选择的光刻胶则很容易被丙酮去除。去除光刻胶后，聚合物PVA选区覆盖在没有波导区域，形成图1所示的带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构。
步骤2：制作Ⅲ-Ⅴ族激光器，并对Ⅲ-Ⅴ族激光器衬底进行减薄，形成图2所示的结构；
在实际应用中，步骤1中所述制备带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构与步骤2中所述制作Ⅲ-Ⅴ族激光器并对Ⅲ-Ⅴ族激光器衬底进行减薄，没有必然的先后顺序，可以进行互换。
步骤3：对硅基波导微腔结构上的聚合物PVA进行聚合物软化，增加聚合物PVA的粘度，并将Ⅲ-Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合在一起，先在常温下施压，增加键合强度，再升温进行聚合物固化，完成键合；图3为键合后形成的混合型激光器的结构示意图。
本发明提出的聚合物PVA辅助键合的Ⅲ-Ⅴ族激光器与带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构的混合型激光器的制备方法，适合于波长大于1.1微米激光器和传输调制器件的制备。
在图3中，该混合型激光器包括带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构和带有自然解理形成法布里-波罗腔的Ⅲ-Ⅴ族激光器，Ⅲ-Ⅴ族激光器位于硅基波导微腔结构之上，二者通过PVA辅助键合材料键合在一起，Ⅲ-Ⅴ族激光器的N型衬底接触硅基波导微腔结构上的ITO透明导电层，通过在金属电极和ITO上施加电压使得Ⅲ-Ⅴ族激光器实现电学泵浦。其中，Ⅲ-Ⅴ族材料刻蚀形成硅波导后再p型一侧生长电极，通过PVA辅助键合使两者键合在一起，刻蚀形成的波导结构阻挡层可以起到散热之用。
在图3中，该混合型激光器具体包括：1、选区覆盖PVA聚合物，起到高粘度辅助键合以及绝缘的作用；2、将顶层硅刻蚀形成带有阻挡结构的硅波导，可以阻挡受压后的PVA覆盖在硅波导上，同时在硅波导附近形成空气流通孔道，辅助器件工作时散热；3、透明导电介质ITO，磁控溅射生长在刻蚀好的硅波导上，电阻80Ω左右，作为Ⅲ-Ⅴ族激光器n型区域导电介质；4、二氧化硅埋层，位于硅衬底层上方；5、硅衬底材料，热导率为131K/(m·K)，是热的良好导体；6、生长在Ⅲ-Ⅴ族激光器波导上的金属电极，金属材料具有低电阻，高导电性，是电极的理想材料；7、Ⅲ-Ⅴ族激光器刻蚀成为波导形状，在P型区域开电极窗口；8、Ⅲ-Ⅴ族材料本征隔离层；9、量子点有源层，作为发光光源，电学泵浦后发光，发光光谱峰值在1.3微米附近；10、本征Ⅲ-Ⅴ族材料晶格匹配层，阻挡N型衬底中的掺杂；11、N型衬底层。
键合接触层是3、透明导电材料ITO，可以起到双重作用，其导电性可以帮助在Ⅲ-Ⅴ族激光器背面进行电注入，而且由于ITO是透明材料，对于通过Ⅲ-Ⅴ族激光器耦合进入硅波导的近红外光处于透明状态，对光不进行吸收，可以几乎没有损耗的耦合进入硅波导。
辅助材料1、聚合物聚乙烯醇高于硅波导脊高度，在键合过程中通过施加压力使激光器紧贴PVA进行黏贴，同时可以使PVA发生变形，受到阻挡层阻挡不会附着在导电层表面。由于PVA是绝缘材料，在施加压力变形的同时，不会因为接触ITO导电介质而发生短路的情况，对于工艺容错性大大提高。
本发明中，以上所述的具体实施方式中提供了一种使用绝缘可溶于水的聚合物PVA代替金属辅助键合的结构设计，同时，在该发明中还涉及对聚合物PVA进行选区旋涂的方法。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。
本实施案例中的硅基材料和Ⅲ-Ⅴ族激光器的结构均可以重新设计，可以使用微盘、微环、光子晶体等微腔结构进行光耦合。
本实施案例中使用的Ⅲ-Ⅴ族半导体器件实际结构具有多层，为了进行背面电注入泵浦，进行了减薄衬底的工作，在具体工艺中可以设计衬底重掺杂的的器件，衬底重掺杂器件可以避免减薄衬底的工艺过程，键合压力也可以增大，提高键合强度。
本实施案例中应用的是聚合物PVA辅助键合，实际工艺中也可以使用阳极键合、金属键合等键合方法。
在本发明提供的实施例中，使用的是带有法布里-波罗腔的激光器结构，耦合材料是带有硅波导的晶片，在实际工艺中也可以使用微环结构、微盘结构、光子晶体等微腔结构进行光耦合或增强发光。硅基微腔器件的选择为SOI材料，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，也适用于其他光学微腔。其中涉及到的透明导电介质只要满足导电且对于激光器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较低，对激光器发光高透过。硅基材料的结构选择和具体参数根据激光器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。聚合物的选择要求需要聚合物与光刻胶不溶于同种溶液且不溶于显影液。制作透明导电材料层的方法可以采用MOCVD，磁控溅射等多种方法。
另外，本发明提供的实施例中进行选区覆盖聚合物材料的方法为曝光、湿法腐蚀方法，也可以使用其他刻蚀方法和曝光方法进行组合使用，只要实现选区覆盖即可。对Ⅲ-Ⅴ族激光器材料可以采用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族半导体有源材料；该N型衬底或P型衬底的III-V族半导体有源材料为InP基量子阱或量子点材料，或为GaAs基量子阱或量子点材料。条形Ⅲ-Ⅴ族激光器制作，可以采用曝光后进行湿法腐蚀或ICP刻蚀等方法，条形Ⅲ-Ⅴ族激光器的波导宽度在500nm-100um之间，高度在200nm-3um之间。聚合物材料的厚度在10-500um范围，根据硅基微腔器件的高度进行选择，基本原则为略高于硅基微腔器件高度，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。
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，所应理解的是，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)

1.一种聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，该方法包括：
制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构；
制作III-V族激光器，并对III-V族激光器的衬底进行减薄；
对硅基波导微腔结构上的聚合物进行聚合物软化，增加聚合物的粘度，并将III-V族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合；
其中，所述透明导电介质为ITO，所述聚合物采用PVA材料；
所述制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构，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光刻，采用离子刻ICP进行刻蚀，形成带有阻挡结构的硅波导组合；
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，测试后制作透明导电介质，作为和III-V族激光器进行接触的导电介质；
步骤103：旋涂聚合物PVA在硅波导晶片全平面，在均匀旋涂的表面再次旋涂光刻胶进行曝光，光刻胶保护住器件之间的PVA，暴露出硅波导组合区域，经过显影后进行腐蚀处理；
步骤104：将晶片浸泡在水中，利用PVA溶于水，可以被水腐蚀的性质，对被光刻胶选区的晶片进行腐蚀；被光刻胶保护的区域没有接触水溶液，只会发生侧蚀，而没有光刻胶保护的区域直接接触水溶液，在浸泡过程中被水溶液腐蚀去掉，依照曝光形成的图形形成选区覆盖；
步骤105：形成选区后浸泡丙酮去除光刻胶，进行键合前的准备；聚合物PVA不溶于丙酮，而曝光所选择的光刻胶则很容易被丙酮去除；去除光刻胶后，聚合物PVA选区覆盖在没有波导区域，形成带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构。
2.根据权利要求1所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤102中所述制作透明导电介质，采用MOCVD或磁控溅射方法。
3.根据权利要求1所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构，采用SOI材料，且SOI材料厚度在200nm-2um范围。
4.根据权利要求3所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，该方法采用微环结构、微盘结构或光子晶体来代替所述硅基波导微腔结构。
5.根据权利要求1所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述制作III-V族激光器，采用N型衬底或P型衬底的III-V族半导体有源材料，该N型衬底或P型衬底的III-V族半导体有源材料为InP基量子阱或量子点材料，或为GaAs基量子阱或量子点材料。
6.根据权利要求1所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述制作III-V族激光器，是制作条形的III-V族激光器，其中条形III-V族激光器制作是采用曝光后进行湿法腐蚀或ICP刻蚀方法。
7.根据权利要求6所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述条形III-V族激光器的波导宽度在500nm-100um之间，高度在200nm-3um之间。
8.根据权利要求1所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述将III-V族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合，具体包括：
先在常温下施压，增加键合强度，再升温加热固化聚合物，完成键合。
9.根据权利要求1所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述PVA材料的厚度在10-500um范围。
10.一种聚合物辅助键合的混合型激光器，基于权利要求1至9中任一项所述的方法制备而成，该混合型激光器包括：
带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构；以及
带有自然解理形成法布里-波罗腔的III-V族激光器；
其中，III-V族激光器位于硅基波导微腔结构之上，二者通过PVA辅助键合材料键合在一起，III-V族激光器的n型衬底接触硅基波导微腔结构上的ITO透明导电层，通过在金属电极和ITO上施加电压使得III-V族激光器实现电学泵浦。
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