CN112769033A - 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、所述基底二氧化硅层内设的波导结构、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底二氧化硅层键合，有源激光器件上部设有第一金属电极，基底二氧化硅层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，第二金属电极结构包括互联金属层和电极金属层，电极金属层有至少两部分拼接而成。本发明还涉及一种背向集成激光器的制造方法，包括，对SOI晶圆制造工艺和外延片制造工艺。本发明的一种背向集成激光器的制造方法，降低器件电阻，提高器件效率，降低缺陷复合，提高器件载流子注入效率。
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二氧化硅层，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件的高效、低耗制造方法。
发明内容
本发明的目的在于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。
为达到上述发明的目的，一种背向集成激光器件的制造方法，包括：对SOI晶圆制造工艺和外延片制造工艺；
所述SOI晶圆制造工艺为：第一步：对SOI晶圆进行前段工艺，与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，并制作金属层电极第一部分，并与所述波导两侧所述互联金属导通形成第二金属电极部分结构；
外延片制造工艺为：于外延片上有源层一侧表面沉积透明绝缘层；于所述互联金属层相应位置除去所述绝缘层形成凹槽，于所述凹槽内沉积金属层形成金属层电极第二部分；
将经所述SOI晶圆制造工艺后的晶圆二氧化硅层面和外延片制造工艺后的外延片绝缘层面键合，使得金属层电极第一部分和金属层电极第二部分导通形成第二金属电极结构；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SOI晶圆制造工艺步骤和外延片制造工艺步骤各自内部步骤顺序由于有严格的先后顺序不能调整以外，但是SOI晶圆制造工艺步骤和外延片制造工艺步骤之间的步骤时间没有严格的顺序，例如可以进行SOI晶圆制造工艺步骤，也可以先进行外延片制造工艺步骤，也可以相互交叉进行。在将硅光晶圆与外延片进行金属/二氧化硅混合键合后，还可以将衬底去除，而后对p型材料进行图形化处理，并注入H+，最后制作p型电极。
硅光晶圆工艺中第一步中对SOI晶圆进行前段工艺的具体步骤为光刻、刻蚀，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。
本发明的另一个目的在于提供一种背向集成激光器件，包括基底、所述基底二氧化硅层内设的波导结构、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底二氧化硅层键合，有源激光器件上部设有第一金属电极，所述基底二氧化硅层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，所述第二金属电极结构包括互联金属层和电极金属层，所述电极金属层有至少两部分拼接而成。
具体地，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）本发明采用背向式激光器集成方案，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A1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A2处理后的产品结构示意图；
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B1处理中未进行退火处理的产品结构示意图；
图9为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤B1处理中进行退火处理后的产品结构示意图；
图10为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤B2处理中进行退火处理后的产品结构示意图；
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n型III-V横向长度标注图
图12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13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14为传统的背向集成激光器件制造工艺的步骤C1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C2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C3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制造工艺的步骤C4处理后的产品结构示意图；
图18为传统的背向集成激光器件制造工艺的步骤C5处理后的产品结构示意图；
图19为传统的背向集成激光器件电极间横向长度标注图；
图20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；2-二氧化硅层；3-互联金属层；4-波导结构；5-凹槽；6-电极金属层；7-有源层；8、13-InP层；9-P-InGaAs层，10-第一金属电极；11-散热通道；12-硅衬底层。
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。
实施例
如图1~10所示，一种背向集成激光器件的制造方法，包括，对SOI晶圆制造工艺和外延片制造工艺；
其中，SOI晶圆制造工艺包括：
S1：对SOI晶圆进行前段工艺，形成耦合波导结构4，在硅光后段工艺中，在激光器耦合波导结构两侧沉积互联金属层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，形成激光器耦合波导，然后沉积二氧化硅层2；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；将键合后的SOI晶圆翻转180°。
S3： 去除SOI晶圆上的衬底，将SOI晶圆上的二氧化硅层减薄至≤500nm，典型厚度为50nm；
S4：对步骤S3得到的减薄后的SOI晶圆的二氧化硅于互联金属层相应位置经过光刻、刻蚀出凹槽5，露出全部或部分所述互联金属层3；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：制作金属层电极第一部分，并与所述波导结构4的两侧互联金属层导通形成第二金属电极部分结构；其中，所述电极金属层沉积的具体步骤为采用热蒸镀或电镀或溅射的方法沉积电极金属，再进行CMP平坦化，金属类型包括Ti、 Ni、TiGe、TiP、NiGe、Ni2P、AuGeNi的任一或任意组合。
外延片制造工艺步骤包括：
A1：利用等离子体增强化学气相沉积法于外延片有源层一侧表面沉积一层二氧化硅；
A2：利用光刻、刻蚀对所述互联金属层相应位置除去所述二氧化硅也就是进行挖槽，于所述凹槽内沉积电极金属，然后进行CMP平坦化，于所述凹槽形成金属层电极第二部分。所述金属层电极第二部分材料金属类型包括Ti、 Ni、TiGe、TiP、NiGe、Ni2P、AuGeNi的任一或任意组合。可以与金属层电极第一部分相同，也可以不同。
所述SOI晶圆工艺和外延片制造工艺完成后，按照如下步骤进行键合：
B1：将经所述SOI晶圆制造工艺后的晶圆二氧化硅层面和外延片制造工艺后的外延片二氧化硅进行层面键合；使得金属层电极第一部分和金属层电极第二部分导通形成第二金属电极结构；键合完成后进行退火工艺，其中，退火温度为200~400℃；
B2：将表面InP层去除，而后进行图形化处理，并注入H+，最后制作第一金属电极。
本发明还提供一种背向集成激光器件，包括载体晶圆1、波导结构4、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底二氧化硅层键合，有源激光器件上部设有第一金属电极10，所述载体晶圆1上的二氧化硅层2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4两侧且与波导结构4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7，所述第二金属电极结构包括互联金属层3和电极金属层6，所述电极金属层有至少两部分拼接而成。
对比例
如图14~18所示，传统的背向集成激光器制造工艺，包括如下步骤：
C1：SOI晶圆上波导制作，包含硅光前段和后端工艺；
C2：SOI硅光晶圆与载体晶圆键合；
C3：晶圆翻转，将原SOI晶圆衬底去除，二氧化硅层减薄；
C4：与外延片键合；
C5：表面InP层去除，图形化处理，H+注入，第一、第二金属电极制作。
由图12和图20对比分析得知，传统的激光器集成方案中，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；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激光器件侧面之外，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11和图19对比分析得知，对于高掺杂的n型III-V，厚度为100nm情况下，约10μm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 aHybrid Silicon Evanescent Laser和Hybrid Silicon Laser Technology: A ThermalPerspective。
由图13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 (11)
1.一种背向集成激光器件，包括基底、所述基底二氧化硅层内设的波导结构、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底二氧化硅层键合，有源激光器件上部设有第一金属电极，其特征在于，所述基底二氧化硅层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，所述第二金属电极结构包括互联金属层和电极金属层，所述电极金属层有至少两部分拼接而成。
2.根据权利要求1所述的一种背向集成激光器件，其特征在于，所述第二金属电极结构位于有源器件侧边正下方。
3.一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，包括，对SOI晶圆制造工艺和外延片制造工艺；
所述SOI晶圆制造工艺为：第一步、对SOI晶圆进行前段工艺，与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，并制作金属层电极第一部分，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部分结构；
外延片制造工艺为：于外延片上有源层一侧表面沉积透明绝缘层；于所述互联金属层相应位置除去所述绝缘层形成凹槽，于所述凹槽内沉积金属层形成金属层电极第二部分；
将经所述SOI晶圆制造工艺后的晶圆二氧化硅层面和外延片制造工艺后的外延片绝缘层面键合，使得金属层电极第一部分和金属层电极第二部分导通形成第二金属电极结构；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。
4.根据权利要求3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制造工艺步骤和所述外延片制造工艺步骤顺序根据实际需要整体调整或者任意部分调整。
5.根据权利要求4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°。
6.根据权利要求4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制造工艺中的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。
7.根据权利要求4所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，所述有源层全部或部分覆盖第二金属电极结构。
8.根据权利要求4至7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，所述金属层电极第一部分和/或第二部分制造的具体工艺为采用热蒸镀或电镀或溅射的方法沉积电极金属层，再进行CMP平坦化。
9.根据权利要求8所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，所述金属层电极第一部分或第二部分材料为Ti、 Ni、TiGe、TiP、NiGe、Ni2P、AuGeNi中的任一或任意组合。
10.根据权利要求4至7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SOI制造工艺后的晶圆二氧化硅层面和外延片制造工艺后的外延片绝缘层面键合的工艺前还包括对晶圆氧化硅面和/或外延片绝缘层进行表面清洗，对清洗后的氧化硅面和/或绝缘层进行表面激活、键合和退火。
11.根据权利要求3所述的一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，所述外延片绝缘层材料为二氧化硅。
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|---|---|
| CN112769033B (zh) | 2024-06-21 |
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