一種選區聚合物鍵合硅基混合激光器及其制備方法

專利名稱：一種選區聚合物鍵合硅基混合激光器及其制備方法
技術領域：
本發明涉及硅基光電子器件領域中混合硅基激光器件及其制備方法，特別是涉及一種選區聚合物鍵合硅基混合激光器及其制備方法。
背景技術：
當今的信息社會，人們為進一步提高電子計算機的運算速度和信息存儲量，設想用光子代替電子作為信息載體。光子的傳播速度快，帶寬比電子大好幾個量級，且具有響應速度快，傳輸容量大，處理速度快，集成化以及高度抗電磁干擾性等優點，因此人們希望把光子技術與硅微電子技術相結合，實現硅基光電集成。其中關鍵問題就是實現電泵硅基激光。雖然近幾年硅光子學取得了長足的發展，例如硅上外延III-V族半導體材料、硅與半導體納米線形成發光異質結、受激拉曼激光等等。但是，這些方法尚無法實現實用化的硅基電泵激光。最近，人們提出了一種操作簡單，對環境要求低的聚合物鍵合方法，能將目前已經發展成熟的化合物半導體激光器鍵合在硅波導上，并將化合物半導體激光器中的激光耦合到硅波導中，從而實現了硅基電泵激光，如圖1所示的器件，其制作方法為在刻蝕出 Si波導的SOI面上甩一層BCB，然后將去除襯底的III-V族微盤激光器鍵合在SOI上。InP 基微盤激光器與Si波導之間通過隱失波的方式進行光耦合。InP基微盤激光器與Si波導之間具有一定厚度的BCB使得此二者間的光耦合效率較低。因此，該方案存在輸出功率小， 實用性不強的缺點。因此，目前的聚合物鍵合硅基混合激光器存在耦合效率較低，輸出功率小，實用性不強的缺點。

發明內容
針對現有技術中的不足，本發明的目的在于提供一種可實現集成化生產的選區聚合物鍵合硅基混合激光器及其制備方法，該方法可以較大地提高激光器和硅波導之間的耦合效率，而且可以方便地在激光器和硅波導之間添加各種不同于鍵合所用的聚合物的材料，實現多種光學功能。本發明的特色在于在刻好圖形的硅襯底SOI (Silicon On hsulator)上旋涂上聚合物層作為鍵合材料，將化合物半導體激光器、增益結構或者材料鍵合在硅材料(或結構)上。化合物半導體增益結構的光通過隱逝波的方式，或端面對端面的方式，或耦合器等方式耦合到硅波導中，形成電泵硅基混合激光器。本發明的結構示意圖如圖2所示，自下而上依次為S0I，鍵合聚合物和InP激光器。我們所選擇的化合物半導體激光器為特殊設計的InP激光器。它與目前市場上的普通 InP激光器結構不同在于我們所外延的InP基激光器是在InP襯底上先外延一層IOOnm 1 μ m厚的腐蝕阻擋層P-^iGaAs (它同時可以提高電注入能力，然后再生長一層1 μ m 10 μ m 厚的 p-hP，之后再依次外延 P-SCH(IOOnm)、MQW(IOOnm)和 n_SCH(IOOnm)層。最后外延一層IOOnm Iym厚的n-hP。所選擇的鍵合聚合物的主要成分為BCB，厚度在220nm ΙΟμπι之間，BCB的優點在于鍵合溫度低(鍵合溫度只需250°C)，粘附性很好(折射率η = 1.陽)，具有光敏特性(直接用作光刻刻出需要的圖案)。鍵合時，在SOI上刻好波導結構， 旋涂一層BCB，并對BCB做光刻，在Si波導附近留出空的區域。同時，外延好的激光器倒扣鍵合在旋涂了 BCB的SOI上。本結構中在聚合物旁邊設計了一個與聚合物等厚度的Si擋墻，目的是防止在鍵合過程中，聚合物流向Si波導，影響光從激光器耦合到Si波導中。本發明的結構如圖2所示，其中，最下一層是SOI的底硅層，其上是SOI的二氧化硅層。在二氧化硅層之上的這一層中，從左至右分別包含以下幾個結構鍵合所用的聚合物、硅阻擋墻、空氣隙、硅波導、空氣隙、硅阻擋墻和鍵合所用的聚合物。在這一層之上是η 型III-V族材料層。在這一層之上的結構中，左右分別有一層是η型III-V族材料的歐姆接觸層，正中間是一個多層結構，從下至上分別是SCH層(分別限制層)、MQW層(多量子阱層)、SCH層、ρ型III-V族材料層、ρ型腐蝕阻擋層(在InP基激光器中，為InGaAs層，它同時可以提高電注入能力)和P型歐盟接觸層。為了防止短路，在η型III-V族材料的歐姆接觸層與中間的多層結構之間留有空隙，空隙大約5-10 μ m。η型和ρ型歐姆接觸層是通過熱蒸發的方式沉積上去的。η型III-V族材料層以上的SCH層、MQW層、SCH層、ρ型III-V族材料層和ρ型腐蝕阻擋層是通過MOCVD的方法外延生長的。η型III-V族材料層以上所有結構是通過鍵合的方式與該層以下的結構結合在一起。本發明的技術方案是一種選區聚合物鍵合硅基激光器的制備方法，其步驟包括1)在SOI上刻蝕出硅波導以及兩旁的硅擋墻(厚度約lOOnm-2 μ m)；2)涂上鍵合用聚合物；3)外延帶有腐蝕阻擋層的半導體激光器；4)將激光器鍵合在SOI上；5)腐蝕InP襯底；6)刻蝕出臺形；7)蒸發η型和ρ型電極。所用的設備包括:M0CVD、ICP、光刻機、真空蒸發設備、倒裝焊設備、旋涂機、顯微鏡寸。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明選區聚合物鍵合硅基激光器可以作為有效的硅基光源應用于單片硅基光電集成，光互聯等眾多領域。更為重要的是該激光器可以用于集成化生產。與直接鍵合混合硅基激光器的方法相比，該鍵合方法具有操作簡單，對環境要求不高，成本較低，便于集成化生產等優點。與普通的聚合物鍵合方法相比，該鍵合方法具有能夠提高光耦合效率，可以方便地在硅波導上生長特殊用途的材料層，以制備包括非線性光學器件、表面等離激元器件等器件的優點。另外，該方法也能用于鍵合光探測器和光放大器等器件，實現光互聯。


圖1為現有硅基電泵激光器結構圖2為本發明的結構示意圖；圖3 (a) (r)為本發明實施例的流程圖。
具體實施例方式下面結合圖3，以InP激光器為例對本發明作進一步詳細描述1、在SOI硅片上甩一層光刻膠，并用具有周期結構的光刻板做光刻，顯影，定影。 如圖3(a)所示。2、利用ICP刻蝕將未被光刻膠蓋住的Si刻掉，直到刻出Si波導、鍵合區和Si阻擋墻，在硅波導和鍵合區之間刻蝕一硅阻擋墻，其目的是防止在鍵壓的過程中，聚合物流向硅波導，影響光從激光器耦合到硅波導中。Si波導和阻擋墻的高度均為800nm，波導寬3 μ m, 阻擋墻寬1 μ m，如圖3(b)所示。3、去光刻膠，如圖3(c)所示。4、在SOI上旋涂一層與Si波導等厚的BCB，如圖3(d)所示。5、利用套刻方法，將硅波導及其兩邊的擋墻內的BCB去除，如圖3(e)所示。6、利用MOCVD外延InP激光器結構，在襯底上依次外延p-InGaAs (腐蝕阻擋層)、 p-hP、下 SCH、MQW、上 SCH 和 n-InP 層，如圖 3(f)所示。7、將外延好的InP激光器結構倒扣鍵合在旋涂好BCB的SOI上，如圖3 (g)所示。8、用機械的方法將MP基激光器的MP襯底磨掉50 μ m左右，再用鹽酸溶液將剩余的InP襯底腐蝕掉，如圖3(h)所示。9、在腐蝕掉襯底的鍵合激光器的P-InGaAs (腐蝕阻擋層)上甩一層光刻膠，用一個曝光區域寬度為5 μ m的光刻版對硅波導進行套刻，并顯影、定影，使得曝光區域在硅波導正上方，即硅波導正上方及其左右寬度各為Ιμπι的范圍內無光刻膠，，如圖3(i)所示。10、在光刻好的鍵合激光器的p-InGaAs (腐蝕阻擋層)上沉積一層SiN，并剝離光刻膠及其上的SiN，如圖3(j)所示。11、用ICP對鍵合的樣品進行刻蝕，將SiN掩蔽層以外的區域的p-hGaAs、p-hP、 下SCH、MQW和上SCH全部刻蝕掉，只留下n-InP層，SiN層下面未被刻蝕的部分形成一個臺面，如圖3 (k)所示。12、采取套刻的辦法，用光刻膠蓋住SiN臺面及其兩邊各5 μ m的區域，如圖3 (1) 所示。13、蒸發一層AuGeNi作為N型歐姆接觸電極，如圖3 (m)所示。14、剝離光刻膠及其上面的金屬，如圖3(n)所示。15、去除SiN掩蔽層，如圖3(0)所示。16、采取套刻的辦法，用光刻膠蓋住臺面以外的部分，如圖3(p)所示。17、蒸發一層AuSi作為P型歐姆接觸電極，如圖3 (q)所示。18、剝離光刻膠及其上面的金屬，如圖3(r)所示。本發明中，上述實施例提供了一種優化了的硅基InP激光器的制備方案，本發明不僅局限于此實施例，可以根據實際需要和設計要求做出相應的修改，例如鍵合聚合物除BCB外，還可以是S0G.。此外，本發明化合物半導體激光器還可以是GaAs基激光器等其它化合物半導體激光器。 以上通過詳細實施例描述了本發明所提供的金屬鍵合硅基激光器的制備方法，本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明實質的范圍內，可以對本發明做一定的變形或修改；其制備方法也不限于實施例中所公開的內容。
權利要求
1.一種選區聚合物鍵合硅基混合激光器，其特征在于包括刻蝕有鍵合區和光耦合區的 SOI層；所述SOI層上設有一多區層，所述多區層從左到右依次為鍵合用聚合物、硅阻擋墻、 空氣隙、硅波導、空氣隙、硅阻擋墻、鍵合用聚合物；所述多區層上設有η型III-V族材料層； 所述η型III-V族材料層上與所述硅波導對應部位設有一多層結構，所述多層結構從下至上依次為第一 SCH層、MQW層、第二 SCH層、ρ型III-V族材料層、ρ型腐蝕阻擋層、ρ型歐盟接觸層；在所述η型III-V族材料層上所述多層結構左右兩側間隔設定距離處分別有一 η 型III-V族材料的歐姆接觸層。
2.如權利要求1所述的激光器，其特征在于所述多區層中的鍵合用聚合物、硅阻擋墻、 空氣隙、硅波導厚度均相等。
3.如權利要求2所述的激光器，其特征在于所述硅波導兩側的空氣隙寬度相等。
4.如權利要求1或2或3所述的激光器，其特征在于所述ρ型腐蝕阻擋層為InGaAs 層，所述第一 SCH層為η型SCH層、第二 SCH層為ρ型SCH層，所述ρ型III-V族材料層的材料為hP。
5.如權利要求1或2或3所述的激光器，其特征在于所述鍵合用聚合物為BCB或S0G。
6.一種選區聚合物鍵合硅基混合激光器制備方法，其步驟為1)在SOI硅片的硅膜上刻蝕出硅波導和鍵合區，并在硅波導與鍵合區之間刻蝕一硅阻擋墻；2)在SOI上旋涂一層鍵合用聚合物，然后將硅波導與其兩邊硅阻擋墻內的鍵合用聚合物去除；3)外延生長方法在一襯底上依次外延ρ型腐蝕阻擋層、ρ型III-V族材料層、第二SCH 層、MQW層、第一 SCH層、η型III-V族材料層，制備半導體激光器結構；4)將半導體激光器結構以η型III-V族材料層為鍵合面鍵合到步驟2、處理后的SOI 硅片硅波導區和鍵合區上；5)去除半導體激光器結構的襯底，然后刻蝕所述半導體激光器結構的ρ型腐蝕阻擋層、ρ型III-V族材料層、第二 SCH層、MQW層、第一 SCH層，得到一多層結構；所述多層結構位于在所述η型III-V族材料層上與所述硅波導對應部位；6)在所述多層結構左右兩側間隔設定距離處分別制備一η型III-V族材料的歐姆接觸層，在所述多層結構上方制備一 P型歐姆接觸層。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于所述多層結構的制備方法為1)在所述P型腐蝕阻擋層上甩一層光刻膠，在光刻機下對硅波導和擋墻套刻，并顯影、 定影；2)在光刻好的所述ρ型腐蝕阻擋層上沉積一掩蔽層，并剝離掩蔽層兩側的光刻膠；3)將掩蔽層以外區域的ρ型腐蝕阻擋層、ρ型III-V族材料層、第二SCH層、MQW層、第一 SCH層全部刻蝕掉，得到所述多層結構。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述步驟6)的實現方法為1)采取套刻的辦法，用光刻膠蓋住所述多層結構上的掩蔽層及其所述對層結構兩側的設定區域；2)在所述η型III-V族材料層以及光刻膠上蒸發一層η型III-V族材料的歐姆接觸層；3)剝離光刻膠及其上面的η型歐姆接觸層，去除所述掩蔽層；4)采取套刻的辦法，用光刻膠蓋住所述多層結構以外的部分；5)在所述多層結構頂部以及光刻膠上蒸發一層P型歐姆接觸層；6)剝離光刻膠及其上面的P型歐姆接觸層。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特征在于所述鍵合用聚合物為BCB或SOG；所述掩蔽層為SiN層。
10.如權利要求6或7或8所述的方法，其特征在于所述P型腐蝕阻擋層為InGaAs層， 所述第一 SCH層為η型SCH層、第二 SCH層為ρ型SCH層，所述ρ型III-V族材料層的材料為hP。
全文摘要
本發明公開了一種選區聚合物鍵合硅基混合激光器及其制備方法，屬于硅基光電子器件領域。本激光器包括刻蝕有鍵合區和光耦合區的SOI層；SOI層上設有一多區層，多區層從左到右依次為鍵合用聚合物、硅阻擋墻、空氣隙、硅波導、空氣隙、硅阻擋墻、鍵合用聚合物；多區層上設有n型III-V族材料層；n型III-V族材料層上與硅波導對應部位設有一多層結構，多層結構從下至上依次為第一SCH層、MQW層、第二SCH層、p型III-V族材料層、p型腐蝕阻擋層、p型歐盟接觸層；在n型III-V族材料層上多層結構左右兩側分別有一n型III-V族材料的歐姆接觸層。本激光器可作為硅基光源應用于單片硅基光電集成，易于制備、成本低。
文檔編號H01S5/323GK102244367SQ20111014020
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者冉廣照, 李艷平, 洪濤, 秦國剛, 陳娓兮 申請人:北京大學