專利名稱：改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法。其制作工藝簡單，成本低，可靠性高。
背景技術(shù)：
近年來，隨著硅光子學(xué)各分立器件的成熟，硅基光互連逐漸成為研究的熱點。硅基激光在光互連器件中難度最大，因而備受人們關(guān)注。廣義的娃基光源按發(fā)光材料的不同分為娃材料體系發(fā)光的光源和其他發(fā)光材料與娃的混合光源。娃材料體系光源包括納米娃體系光源和娃基拉曼激光，但均未能實現(xiàn)電泵激光。其他發(fā)光材料與娃的混合光源包括娃基有機(jī)電致發(fā)光、硅中摻入雜質(zhì)或缺陷等形成發(fā)光中心、半導(dǎo)體納米線-硅異質(zhì)結(jié)電致發(fā)光、硅上外延化合物半導(dǎo)體發(fā)光、鍵合硅基激光。其中前三種雖然實現(xiàn)較高效率電致發(fā)光，但用 于光互連還有較大距離。硅基外延生長激光器，由于晶格失配(InP/Si失配8%，GaAs/Si失配4% )的問題，會引入大量的缺陷和位錯，有源層材料質(zhì)量不高，這種方法制備的硅基激光器效率較低而且壽命較短，而且很厚的緩沖層也成本太高。硅基鍵合是一種很好的解決不同材料晶格失配問題的方法，除了鍵合界面處的極薄層之外，不會在材料中引入大量缺陷和位錯，是目前實現(xiàn)硅基激光最可行、最經(jīng)濟(jì)的方法。采用多波長激光器陣列可增加傳輸容量，并且可以降低封裝成本。2006年Intel與UCSB合作研究組報道了第一只電泵浦DFB硅基混合激光器。直接鍵合方案對工藝對準(zhǔn)精度要求較高，電子束曝光方法制作光柵，增加了制作成本和工藝難度。本發(fā)明在硅波導(dǎo)上采用全息曝光方法制作光柵來選取單模，工藝簡單易于實現(xiàn)，并且采用變硅波導(dǎo)寬度來改變有效折射率，從而實現(xiàn)多波長，具有低成本、高可靠性的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用了一種簡單易行的技術(shù)，提供一種改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長激光器陣列的方法。其原理是激光器結(jié)構(gòu)的上波導(dǎo)層較薄，通過倒扣鍵合的方式與硅波導(dǎo)鍵合在一起，形成非對稱的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，硅波導(dǎo)的寬度不同，整個結(jié)構(gòu)的有效折射率不同，在硅波導(dǎo)上制作相同的均勻Bragg光柵，即可以選出不同的激光器波長，形成多波長的硅基混合激光器陣列。由于激光器結(jié)構(gòu)上波導(dǎo)層較薄，有源區(qū)激射產(chǎn)生的光可以通過隱失波耦合，逐漸耦合到硅波導(dǎo)中。其中光柵制作采用全息曝光的方法，工藝簡單，易于實現(xiàn)。本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、可靠性高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。本發(fā)明提供一種改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，包括如下步驟步驟I :在SOI片頂層硅層上制作均勻光柵；步驟2 :在硅層上垂直于光柵的方向刻蝕出多個寬度不同的硅波導(dǎo)和兩側(cè)的硅擋m ;步驟3 :采用金屬剝離方法，在所制作的兩個硅擋墻遠(yuǎn)離硅波導(dǎo)的外側(cè)區(qū)域蒸發(fā)金屬層，硅擋墻和金屬層之間為過量金屬容納區(qū)，形成SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；步驟4 :在一 P襯底上采用MOCVD的方法生長III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)，該III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)中的每個激光器與每個硅波導(dǎo)相對應(yīng)；步驟5 :在III-V族半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的N面制作金屬電極，并在金屬電極上光刻腐蝕出光耦合窗口；步驟6 :在P襯底的背面制作金屬電極，形成鍵合激光器陣列結(jié)構(gòu)；步驟7 :將SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和鍵合激光器陣列結(jié)構(gòu)，采用選區(qū)金屬鍵合的方法鍵合到一起，完成多波長娃基混合激光器陣列的制備。



為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合說明書附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作詳細(xì)的描述，其中圖I為本發(fā)明的制備流程圖；圖2為SOI片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為SOI片頂層硅層上制作光柵的側(cè)視圖；圖4為在SOI片上刻蝕出硅波導(dǎo)和兩側(cè)的硅擋墻端面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為在兩個硅擋墻外面區(qū)域蒸發(fā)金屬層端面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為所制備的III-V族激光器的端面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為鍵合激光器端面結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和鍵合激光器結(jié)構(gòu)鍵合后的硅基混合激光器陣列端面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式請參閱圖I并結(jié)合參閱圖2-圖8所示，詳細(xì)闡述了本發(fā)明一種改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長娃基混合激光器陣列的方法。下面以4波長硅基混合激光器陣列為例，介紹具體實現(xiàn)方案步驟I :在SOI片(參閱圖2)(由底層往上依次為硅晶體I、氧化硅層2、硅層3)上的頂層硅層3上用全息曝光的方法并采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕技術(shù)制作均勻光柵4 (參閱圖3)，該光柵4的光柵周期Λ = X/2nrff，nrff為器件有效折射率，λ為激光器的目標(biāo)波長，一般為光通訊波段I. 31 μ m或I. 55 μ m，占空比為I : 1，干法刻蝕氣體采用CF4，采用全息曝光的方法制作光柵，其制作工藝簡單，相對于電子束曝光方法成本更低；步驟2 :在硅層3上垂直于光柵4的方向依次采用普通光刻以及RIE干法刻蝕方法刻蝕出4個寬度不同的娃波導(dǎo)5和兩側(cè)的娃擋墻6(參閱圖4),所述寬度不同的娃波導(dǎo)5,其寬度為2-5 μ m,高度相同，高度為O. 4-0. 8 μ m ;相鄰硅波導(dǎo)5之間的寬度為120-250 μ m，所述硅波導(dǎo)5兩側(cè)的硅擋墻6的寬度為2-3 μ m,高度為O. 4-0. 8 μ m,其高度與硅波導(dǎo)5的高度相同；硅擋墻6與最近的硅波導(dǎo)5之間的距離為10-50 μ m。硅波導(dǎo)的寬度不同，鍵合后激光器的有效折射率不同，制作相同的光柵后選擇的波長不同，從而實現(xiàn)多波長的激光器陣列；步驟3 :采用金屬剝離方法，先在形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI片上光刻出圖形掩膜，大面積蒸發(fā)金屬層后將不需要的地方帶膠剝離，只留下兩個硅擋墻6遠(yuǎn)離硅波導(dǎo)5的外側(cè)區(qū)域的金屬7，作為鍵合金屬，蒸發(fā)的金屬7的材料為AuGeNi/In/Sn，其中AuGeNi的厚度為50-80nm、In的厚度為300_400nm、Sn的厚度為20nm。硅擋墻6的作用是阻止鍵合金屬流向娃波導(dǎo)，從而避免金屬對光的吸收。娃擋墻6和金屬層7之間為過量金屬容納區(qū)8,可以容納鍵合過程金屬的流動，使鍵合激光器和硅波導(dǎo)之間的空氣隙為O，使激光器中的光能更高效的耦合到硅波導(dǎo)中。該過量金屬容納區(qū)8的寬度為2-10 μ m，形成SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(參閱圖5)；步驟4 :采用低壓金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(LP-MOCVD)，在一 P襯底10上生長III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)(參閱圖6)，該III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)中的每個激光器11與每個硅波導(dǎo)5相對應(yīng)，該P(yáng)襯底10的材料為P型(100) InP，所述的III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)為摻Fe半絕緣掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)，III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)中的每個激光器電流的通道寬度為1-3 μ m，鍵合時每個電流通道位于每個硅波導(dǎo)5的中央的上 方，激光器的有源區(qū)之上的材料為InP，其厚度為200-300nm。之所以采用P型襯底是因為鍵合時采用倒扣鍵合的方案，倒扣鍵合可以不用減薄襯底，鍵合時成品率較高，若為N型襯底，激光器中的光需穿過P型區(qū)耦合到硅波導(dǎo)中，而P型區(qū)的材料會對光有強(qiáng)烈的吸收，對實現(xiàn)鍵合激光器不利，因此采用P型襯底，并且P襯底摻Fe掩埋激光器具有閾值低，斜率效率聞，可實現(xiàn)聞功率等優(yōu)點；步驟5 :在III-V族半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的N面制作金屬電極12，該N面金屬電極12的材料為AuGeNi，厚度為200-400nm，并在金屬電極12上光刻腐蝕出光耦合窗口 13(參閱圖7)，該光耦合窗口 13的寬度等于SOI片上金屬層7之間的寬度，所用腐蝕液為碘、碘化鉀和水的混合液；步驟6:在P襯底10的背面制作金屬電極9(參閱圖7)，該金屬電極9的材料為AuZn，厚度為200-400nm，形成鍵合激光器陣列結(jié)構(gòu)。其中，激光器結(jié)構(gòu)總厚度為100-120 μ m，足以保證在加熱加壓的鍵合過程不碎裂，提高鍵合成品率。SOI片硅擋墻6外面區(qū)域金屬7和金屬13的總厚度與硅波導(dǎo)5的高度相同。另外，先在激光器結(jié)構(gòu)上做N型金屬電極13再鍵合，可以減小串聯(lián)電阻和熱阻，金屬對金屬鍵合還可以增大鍵合強(qiáng)度；步驟7 :將SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和鍵合激光器陣列結(jié)構(gòu)，采用倒扣選區(qū)金屬鍵合的方法鍵合到一起，完成多波長硅基混合激光器陣列的制備(參閱圖8)。選區(qū)鍵合是將激光器的金屬鍵合區(qū)和光耦合區(qū)分開，從而避免了鍵合金屬對光的吸收，鍵合溫度為150-210°C，壓力大約為O. IN，時間只需要兩分鐘。鍵合使用專業(yè)的金屬鍵合機(jī)完成。以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式
而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，包括如下步驟 步驟I :在SOI片頂層硅層上制作均勻光柵； 步驟2 :在硅層上垂直于光柵的方向刻蝕出多個寬度不同的硅波導(dǎo)和兩側(cè)的硅擋墻； 步驟3 :采用金屬剝離方法，在所制作的兩個硅擋墻遠(yuǎn)離硅波導(dǎo)的外側(cè)區(qū)域蒸發(fā)金屬層，硅擋墻和金屬層之間為過量金屬容納區(qū)，形成SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 步驟4 :在一P襯底上采用MOCVD的方法生長III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)，該III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)中的每個激光器與每個硅波導(dǎo)相對應(yīng)； 步驟5 :在III-V族半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的N面制作金屬電極，并在金屬電極上光刻腐蝕出光I禹合窗口； 步驟6 :在P襯底的背面制作金屬電極，形成鍵合激光器陣列結(jié)構(gòu)； 步驟7 :將SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和鍵合激光器陣列結(jié)構(gòu)，采用選區(qū)金屬鍵合的方法鍵合到一起，完成多波長硅基混合激光器陣列的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其中光柵4的光柵周期A = λ /2neff, neff為器件有效折射率，λ為激光器的目標(biāo)波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其中所述寬度不同的硅波導(dǎo)，其寬度為2-5 μ m,高度相同，高度為O. 4-0. 8 μ m ;相鄰硅波導(dǎo)之間的寬度為120-250 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其中硅波導(dǎo)兩側(cè)的硅擋墻的寬度為2-3 μ m,高度為O. 4-0. 8 μ m，其高度與硅波導(dǎo)的高度相同；硅擋墻與最近的硅波導(dǎo)之間的距離為10-50 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變娃波導(dǎo)寬度制備多波長娃基混合激光器陣列的方法，其中過量金屬容納區(qū)的寬度為2-10 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變娃波導(dǎo)寬度制備多波長娃基混合激光器陣列的方法，其中蒸發(fā)的金屬層的材料為AuGeNi/In/Sn。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其中P襯底的材料為P型(100) InP。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其中的III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)為摻Fe半絕緣掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)，III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)中的每個激光器電流的通道寬度為1-3 μ m，鍵合時每個電流通道位于每個硅波導(dǎo)的中央的上方，激光器的有源區(qū)之上的材料為InP，其厚度為100-300nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其中N面金屬電極的材料為AuGeNi，厚度為200_400nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其中光稱合窗口的寬度等于SOI片上金屬層之間的寬度。
全文摘要
一種改變硅波導(dǎo)寬度制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，包括如下步驟在SOI片頂層硅層上制作均勻光柵；在硅層上垂直于光柵的方向刻蝕出多個寬度不同的硅波導(dǎo)和兩側(cè)的硅擋墻；在所制作的兩個硅擋墻遠(yuǎn)離硅波導(dǎo)的外側(cè)區(qū)域蒸發(fā)金屬層，硅擋墻和金屬層之間為過量金屬容納區(qū)，形成SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；在一P襯底上采用MOCVD的方法生長III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)，該III-V族半導(dǎo)體激光器陣列結(jié)構(gòu)中的每個激光器與每個硅波導(dǎo)相對應(yīng)；在III-V族半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的N面制作金屬電極，并在金屬電極上光刻腐蝕出光耦合窗口；在P襯底的背面制作金屬電極，形成鍵合激光器陣列結(jié)構(gòu)；將SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和鍵合激光器陣列結(jié)構(gòu)，采用選區(qū)金屬鍵合的方法鍵合到一起，完成多波長硅基混合激光器陣列的制備。
文檔編號H01S5/20GK102882129SQ20121041330
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者袁麗君, 于紅艷, 周旭亮, 王火雷, 潘教青 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所