專利名稱：硅基化合物半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體技術領域，特別是指硅基化合物半導體激光器的制作方法。
背景技術：
硅基光電子集成為光通訊和光互連的發展提供了一種低成本的解決方案，Si為間 接帶隙材料，帶間載流子復合發光效率要比直接帶隙III-V族化合物材料低三個數量級， 不能由Si直接作出高效的發光器件。磷化銦(InP)基激光器是非常有吸引力的光源.因 為它的的光發射波長對Si材料是透明的，因此實現硅與InP材料的集成對于實現高效光電 集成有著特別重要的意義。InP基激光器與Si的集成可用金屬鍵合、異質結外延和直接鍵合技術等幾種方法 來實現用金屬鍵合雖然是最直接的方法，但是它不適合垂直光互連，因為金屬干擾了光的 傳播.晶格失配異質外延也有廣泛的研究，而且已經制備出室溫連續工作的InP激光器， 但是，硅和InP的晶格間存在8. 的失配，對于生長出好的材料造成很大的困難，而且，由 于外延溫度過高(550°C以上)，將對集成芯片的性能產生影響，因而直接鍵合技術是最有 希望的選擇，這種技術就是使兩種不同材料的晶片在中間不添加任何材料的情況下粘貼起 來.難點在于InP與Si的熱膨脹系數不同，通過鍵合不易得到質量較好的材料，在薄膜上 制作激光器具有一定困難，另外InP與Si在鍵合過程中晶相很難對準，解理出好的腔面也 是一個關鍵技術問題。
發明內容
本發明目的是提供一種硅基化合物半導體激光器的制作方法，這種方法有利于制 備高質量的硅基化合物半導體激光器，提高了激光器的散熱能力，改善了激光器的性能，增 加了激光器的壽命，直接鍵合特別是低溫直接鍵合因為較低的退火溫度，克服了材料熱膨 脹系數不匹配的問題，極大地拓展了光電子集成的自由度。本發明一種硅基化合物半導體激光器的制作方法，包括如下步驟步驟1 在N型磷化銦襯底上用有機金屬氣相淀積方法依次外延形成P型緩沖層、 P型歐姆接觸層、第一 P型覆蓋層、腐蝕停止層、第二 P型覆蓋層、本證波導層、有源區本證量 子阱、本證波導層、N型波導層、N型覆蓋層和N高摻雜磷化銦，形成磷化銦激光器基片；步驟2 將一 N型硅片與上述激光器基片，在水中直接鍵合、退火，機械減薄與化學 減薄結合，去掉N型磷化銦襯底及P型緩沖層，形成復合片；步驟3 采用濕法刻蝕，刻蝕P型歐姆接觸層、第一 P型覆蓋層和腐蝕停止層的兩 側，形成脊形波導；步驟4 在脊形波導兩側制備絕緣隔離層；步驟5 在脊形波導的頂部制備P型金屬電極；步驟6 采用濕法刻蝕，刻蝕距脊形波導一側部分的絕緣隔離層、第二 P型覆蓋層、 本證波導層、有源區本證量子阱、本證波導層和N型波導層，露出N型覆蓋層，形成N電極窗口 ；步驟7 在N電極窗口露出的N型覆蓋層上制備N型金屬電極；步驟8 將N型硅片減薄；步驟9 解理形成單個管芯；步驟10 將管芯焊接到銅熱沉上，在熱沉上制備一微晶玻璃；步驟11 將N型金屬電極用金線引到熱沉上的微晶玻璃上，將P型金屬電極引出 引線，完成硅基化合物半導體激光器的制作。其中所述退火的溫度為50-300°C。其中P型金屬電極的材料為Au、Zn、Ti和Pt的合金。其中絕緣隔離層的材料為SiO2、SiON或SiNx。其中N型金屬電極的材料為Au、Ge、Ni和Pt的合金。其中所述的減薄N型硅片是采用金剛砂或砂紙機械減薄，厚度為60-80 μ m。其中所述的解理管芯，是從磷化銦面向Si分層解理，以便形成好的激光器腔面。其中熱沉采用表面鍍金的無氧銅或銅金屬。
為了進一步說明本發明的技術內容，以下結合實施方式及附圖對本發明做一詳細 描述，其中圖1表示本發明中InP襯底上外延InGaAsP激光器的結構圖。圖2表示本發明中N型硅片與圖1外延結構鍵合后去掉襯底后的剖面圖。圖3表示本發明中制備硅基InGaAsP激光器的P型脊形后的剖面圖。圖4表示本發明中制備硅基InGaAsP激光器的N電極后的剖面圖。圖5表示本發明中管芯焊接到熱沉上，形成硅基InGaAsP化合物半導體激光器的 剖面圖。
具體實施例方式請參閱圖1-圖5，本發明一種硅基化合物半導體激光器的制作方法，包括如下步 驟步驟1 在N型磷化銦襯底1上用有機金屬氣相淀積方法依次外延形成P型緩沖 層2、P型歐姆接觸層3、第一 P型覆蓋層4a、腐蝕停止層5、第二 P型覆蓋層4b、本證波導層 6、有源區本證量子阱7、本證波導層8、N型波導層9、N型覆蓋層10和N高摻雜磷化銦11， 形成磷化銦激光器基片100(圖1中)；為了鍵合而設計的激光器結構，采用N型襯底上倒 生長的方法，從P型緩沖層-P型歐姆接觸層-第一 P型覆蓋層4a-腐蝕停止層-P型覆蓋 層_本證波導層_有源區本證量子阱_本證波導層-N型波導層-型覆蓋層-N高摻雜磷化 銦，形成N朝上激光器結構，這樣使得鍵合后所形成的共面電極激光器串聯電阻小，激光器 性能更好；步驟2 將一 N型硅片12與上述激光器基片100，在水中直接鍵合、退火，機械減 薄與化學減薄結合，去掉N型磷化銦襯底1及P型緩沖層2，形成復合片200 (圖2中)；其 中所述退火分兩步進行，首先低溫退火溫度為25-160°C，然后取出減薄N型磷化銦襯底至100-150 μ m，重新放到退火爐中，高溫退火溫度160-300°C ；不同厚度下，分段退火，減小兩 種不同材料鍵合界面之間的應力，所形成的復合片具有很好的機械性能而且鍵合界面氣泡 少、鍵合質量高；步驟3 采用濕法刻蝕，刻蝕P型歐姆接觸層3、第一 P型覆蓋層4a和腐蝕停止層 5的兩側，形成脊形波導(圖3中)；采用6-20 μ m光刻板光刻，然后用選擇性腐蝕液分層腐 蝕，易于控制腐蝕深度，側面陡直、底面光滑，得到非常好的脊型波導。步驟4 在脊形波導兩側制備絕緣隔離層13 ；在上述整個表面用PECVD的方法高 溫下淀積絕緣隔離層13(圖3中)，其中絕緣隔離層13的材料為Si02、Si0N或SiNx,厚度在 280-300nm ；步驟5 在脊形波導的頂部制備P型金屬電極14 ；采用條寬20 μ m的陰板光刻，開 P電極窗口，腐蝕去掉P電極窗口上的絕緣層，露出P型歐姆接觸層，窗口兩邊保留絕緣層做 隔離，再一次光刻帶膠蒸鍍電極，然后超聲剝離絕緣隔離層上的金屬，只在P電極窗口上留 有金屬，其中P型金屬電極14的材料為Au、Zn、Ti和Pt的合金；步驟6 采用濕法刻蝕，刻蝕距脊形波導一側部分的絕緣隔離層13、第二 P型覆蓋 層4b、本證波導層6、有源區本證量子阱7、本證波導層8、N型波導層9和N型覆蓋層10， 形成N電極窗口 15 (圖4中)；N電極距離P電極10-20 μ m,這一距離保證共面P、N電極分 開，實驗中盡量減小這個距離，降低串聯電阻，減小閾值電流，增加激光器的壽命，提高激光 器的性能；步驟7 在N電極窗口 15上制備N型金屬電極16 ；再一次陰板光刻，帶膠蒸鍍N電 極，然后超聲剝離去掉N電極窗口之外的金屬，其中N型金屬電極16的材料為Au、Ge、Ni和 Pt的合金；步驟8 將N型硅片12減薄；其中所述的減薄N型硅片12是采用金剛砂或砂紙機 械減薄，厚度為60-80 μ m ；減薄后的硅片方便解理；步驟9 解理形成單個管芯；其中所述的解理管芯，因為Si和磷化銦(InP)的晶相 不同，很難解理出腔面，而采用分層解理的方法，先解理InP面，再解Si面，這樣解理我們得 到了非常好的解理面，形成了非常好的邊發射激光器腔面；步驟10 將管芯焊接到銅熱沉17上，在熱沉17上制備一微晶玻璃20(圖5中)；步驟11 將N型金屬電極16用金線18引到熱沉17上的微晶玻璃20上，將N型 金屬電極16用金線18引到熱沉17上，將P型金屬電極14引出引線19，完成硅基化合物半 導體激光器的制作；其中熱沉17采用表面鍍金的無氧銅或銅金屬，導熱性能好。硅基化合 物半導體激光器，底部通過鍵合的方法直接與硅結合，激光器的導熱性能更好，壽命也相應 增加，目前6μπι窄條形激光器已經能夠室溫連續工作，最大功率超過15mw，閾值在48mA。本發明是一種硅基化合物半導體InGaAsP激光器的制作方法，其具體過程如下如圖1所示，InP襯底上外延InGaAsP激光器的結構圖在磷化銦襯底1上利用有 機金屬氣相淀積依次外延形成P型緩沖層2、P型歐姆接觸層3、第一 P型覆蓋層4a、腐蝕停 止層5、第二 P型覆蓋層4b、本證波導層6、有源區本證量子阱7、本證波導層8、N型波導9、 N型覆蓋層10和N高摻雜磷化銦11，形成磷化銦激光器結構。我們設計的這種激光器倒生 長結構，在鍵合時，使得N型InP向下與硅片接觸，而在去掉襯底后P型向上，有利于制備性 能良好的共面激光器。
如圖2所示，N型硅片12與圖1外延結構鍵合后去掉襯底后的剖面圖首先利用直 接鍵合將硅片與圖1的結構片貼起來，然后用腐蝕液將磷化銦襯底1及P型緩沖層2去掉 形成硅基化合物半導體InGaAsP激光器的結構。如圖3所示，制備硅基InGaAsP激光器的P型脊形后的剖面圖，首先甩膠、光刻、濕 法腐蝕P型歐姆接觸層3、第一 P型覆蓋層4a、腐蝕停止層5形成脊形，然后用PECVD的方 法淀積一層Si02、Si0N或SiNx的單層或復合層13，再甩膠、光刻，濕法腐蝕去掉脊形上的絕 緣層，形成P電極窗口，用磁控濺射低溫下，帶膠淀積金屬電極，去膠剝離后，在P電極的頂 部形成金屬Ti/Pt/Au單層或合金14，這樣便形成了圖3所示的結構。如圖4所示，制備硅基InGaAsP激光器的N電極后的剖面圖，在圖3的基礎上再甩 膠、光刻，濕法腐蝕去掉絕緣層13、第二 P型覆蓋層4b、本證波導層6、有源區本證量子阱7、 本證波導層8、N型波導層層9和N型覆蓋層10形成N電極出口，用PECVD或磁控濺射的方 法，在整個表面帶膠沉積金屬，剝離去掉多余的金屬，只在N電極的頂端保留Au/Ge/Ni的單 層或合金16，這樣便形成了圖4所示的結構。如圖5所示，硅基InGaAsP化合物半導體激光器的剖面圖，圖4的工藝完成后，將 硅片用金剛砂進行減薄至60-80 μ m,解理成300*400 μ m單個管芯，然后將硅10朝下，用焊 料粘接在銅熱沉17上，并P電極和N電極分別引線19、18，將其中N電極線用微晶玻璃20 從熱沉上引出，這樣便形成了圖5的結構了。雖然本發明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明，任何所屬技術領域 中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明 的保護范圍當視權利要求范圍所界定的為準。
權利要求
一種硅基化合物半導體激光器的制作方法，包括如下步驟步驟1在N型磷化銦襯底上用有機金屬氣相淀積方法依次外延形成P型緩沖層、P型歐姆接觸層、第一P型覆蓋層、腐蝕停止層、第二P型覆蓋層、本證波導層、有源區本證量子阱、本證波導層、N型波導層、N型覆蓋層和N高摻雜磷化銦，形成磷化銦激光器基片；步驟2將一N型硅片與上述激光器基片，在水中直接鍵合、退火，機械減薄與化學減薄結合，去掉N型磷化銦襯底及P型緩沖層，形成復合片；步驟3采用濕法刻蝕，刻蝕P型歐姆接觸層、第一P型覆蓋層和腐蝕停止層的兩側，形成脊形波導；步驟4在脊形波導兩側制備絕緣隔離層；步驟5在脊形波導的頂部制備P型金屬電極；步驟6采用濕法刻蝕，刻蝕距脊形波導一側部分的絕緣隔離層、第二P型覆蓋層、本證波導層、有源區本證量子阱、本證波導層和N型波導層，露出N型覆蓋層，形成N電極窗口；步驟7在N電極窗口露出的N型覆蓋層上制備N型金屬電極；步驟8將N型硅片減薄；步驟9解理形成單個管芯；步驟10將管芯焊接到銅熱沉上，在熱沉上制備一微晶玻璃；步驟11將N型金屬電極用金線引到熱沉上的微晶玻璃上，將P型金屬電極引出引線，完成硅基化合物半導體激光器的制作。
2.根據權利要求1所述的硅基化合物半導體激光器的制作方法，其中所述退火的溫度 為 50-300 0C ο
3.根據權利要求1所述的硅基化合物半導體激光器的制作方法，其中P型金屬電極的 材料為Au、Zn、Ti和Pt的合金。
4.根據權利要求1所述的硅基化合物半導體激光器的制作方法，其中絕緣隔離層的材 料為 Si02、Si0N 或 SiNx。
5.根據權利要求1所述的硅基化合物半導體激光器的制作方法，其中N型金屬電極的 材料為Au、Ge、Ni和Pt的合金。
6.根據權利要求1所述的硅基化合物半導體激光器的制作方法，其中所述的減薄N型 硅片是采用金剛砂或砂紙機械減薄，厚度為60-80 μ m。
7.根據權利要求1所述的硅基化合物半導體激光器的制作方法，其中所述的解理管 芯，是從磷化銦面向Si分層解理，以便形成好的激光器腔面。
8.根據權利要求1所述的硅基化合物半導體激光器的制作方法，其中熱沉采用表面鍍 金的無氧銅或銅金屬。
全文摘要
一種硅基化合物半導體激光器的制作方法，包括在N型磷化銦襯底上形成磷化銦激光器基片；將一N型硅片與上述激光器基片鍵合、退火，去掉N型磷化銦襯底及P型緩沖層，形成復合片；刻蝕P型歐姆接觸層、第一P型覆蓋層和腐蝕停止層的兩側，形成脊形波導；在脊形波導兩側制備絕緣隔離層；在脊形波導的頂部制備P型金屬電極；刻蝕距脊形波導一側部分的絕緣隔離層、第二P型覆蓋層、本證波導層、有源區本證量子阱、本證波導層和N型波導層，露出N型覆蓋層，形成N電極窗口；在N電極窗口上制備N型金屬電極；將N型硅片減薄；解理形成單個管芯；將管芯焊接到銅熱沉上，在熱沉上制備一微晶玻璃，并連線；完成硅基化合物半導體激光器的制作。
文檔編號H01S5/343GK101997270SQ20091009140
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月19日 優先權日2009年8月19日
發明者于麗娟, 杜云, 趙烘泉, 黃永箴 申請人:中國科學院半導體研究所