基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器及其制备方法

1.本公开涉及硅基光电子学领域，尤其涉及一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器及其制备方法。


背景技术：

2.随着摩尔定律的应用逐渐接近其理论极限，电互连所固有的瓶颈问题越发突出，采用光互连代替电互连已经成为业内共识。由于硅材料本身固有的优势以及现有的成熟互补金属氧化物半导体工艺(cmos)的先进性，硅光互连系统受到了极大关注。然而，由于硅是间接带隙半导体材料，无法提供充分的光增益，因此，作为硅光互连系统核心器件的硅基激光器的研究一直以来都是困扰行业发展的难点问题。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.本公开提供了一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器及其制备方法，以解决现阶段硅基激光器无法提供充分的光增益的问题。
5.(二)技术方案
6.本公开一方面提供了一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器，包括：iii-v族或iv族化合物半导体激光器，至少包括由多层外延层构成的有源脊波导、电隔离层、正电极、负电极和衬底，其中，所述正、负电极设于所述衬底的同一侧；soi波导结构，至少包括硅波导和复合金属层，其中，所述硅波导为条形或脊形，与所述有源脊波导表面接触，所述复合金属层分设于所述硅波导两侧，分别与所述正电极、负电极键合连接。
7.可选地，所述多层外延层包括：p型重掺杂层、p型掺杂层、有源层、n型掺杂层，按照与所述衬底的距离由小变大的顺序依次生长在所述衬底上；以上各层均由iii-v族或iv族元素组成的物质构成。
8.可选地，所述有源层包括：p型分离限制异质结层、多量子阱有源层、n型分离限制异质结层，按照与所述衬底的距离由小变大的顺序依次生长。
9.可选地，所述多层外延层上刻蚀有第一凹糟和第二凹槽，所述第一凹糟和第二凹槽之间的所述多层外延层构成所述有源脊波导。
10.可选地，所述第一凹糟底部为所述p型重掺杂层，所述第一凹糟中及所述第一凹糟旁的多层外延层上生长有p面金属电极层，且所述p面金属电极层与所述有源脊波导的上表面不接触，所述多层外延层的n型掺杂层与所述p面金属电极层之间设有电隔离层；所述第二凹糟底部为所述衬底，且所述第二凹槽附近的所述p型重掺杂层被少量横向腐蚀，所述第二凹槽的槽壁、所述p型重掺杂层被少量横向腐蚀的区域、所述第二凹槽旁的多层外延层及所述有源脊波导的少部分表面上生长有电隔离层，所述电隔离层上生长有n面金属电极层，所述n面金属电极层与所述有源脊波导表面接触；所述p面金属电极层为所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器的正电极，所述n面金属电极层为所述iii-v族或iv族化合物半导体
激光器的负电极。
11.可选地，所述衬底由掺杂或不掺杂的由iii-v族或iv族元素组成的物质构成。
12.可选地，所述soi波导结构由soi圆片制备，所述soi波导结构还包括：硅衬底；埋氧层，生长于所述硅衬底上；所述硅波导由生长在所述埋氧层上的顶层硅制备，且所述硅波导两侧的埋氧层被刻蚀，所述复合金属层生长在刻蚀埋氧层露出的衬底的表面上，所述复合金属层与所述硅波导之间存在空隙。
13.可选地，所述硅波导与所述有源脊波导的表面接触时，所述硅波导与所述n面金属电极层、p面金属电极层不接触。
14.可选地，所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器的两个腔面均镀有高反膜。
15.本公开另一方面提供了一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器的制备方法，包括：制备iii-v族或iv族化合物半导体激光器，所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器至少包括由多层外延层构成的有源脊波导、电隔离层、正电极、负电极和衬底，其中，所述正、负电极设于所述衬底的同一侧；在soi晶圆上制备soi波导结构，所述soi波导结构至少包括硅波导和复合金属层，其中，所述硅波导为条形或脊形，所述复合金属层分设于所述硅波导两侧；使所述硅波导与所述有源脊波导表面接触，将所述硅波导两侧的所述复合金属层分别与所述正电极、负电极键合连接，得到所述基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器。
16.可选地，所述制备iii-v族或iv族化合物半导体激光器包括：在衬底上生长多层外延层，所述多层外延层包括：p型重掺杂层、p型掺杂层、有源层、n型掺杂层，按照与所述衬底的距离由小变大的顺序依次生长在所述衬底上，所述衬底由掺杂或不掺杂的iii-v族或iv族元素组成的物质构成；在所述多层外延层上刻蚀第一凹糟和第二凹槽，其中，所述第一凹糟和第二凹槽之间的所述多层外延层构成所述有源脊波导，所述第一凹糟底部为所述p型重掺杂层，所述第二凹糟底部为所述衬底，且所述凹槽附近的所述p型重掺杂层被少量横向腐蚀；在所述第一凹糟中及所述第一凹糟旁的多层外延层上生长有p面金属电极层，且所述p面金属电极层与所述有源脊波导的上表面不接触，所述多层外延层的n型掺杂层与所述p面金属电极层之间生长有电隔离层，所述p面金属电极层为所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器的正电极；在所述第二凹槽的槽壁、所述p型重掺杂层被少量横向腐蚀的区域、所述第二凹槽旁的多层外延层及所述有源脊波导的少部分表面上生长电隔离层，并在所述电隔离层上生长n面金属电极层，所述n面金属电极层与所述有源脊波导表面接触，所述n面金属电极层为所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器的负电极。
17.可选地，所述有源层包括：p型分离限制异质结层、多量子阱有源层、n型分离限制异质结层，按照与所述衬底的距离由小变大的顺序依次生长。
18.可选地，所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器的制备方法还包括：在所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器的两个腔面上镀上高反膜。
19.可选地，所述soi波导结构包括：在soi晶圆的顶层硅上刻蚀出硅波导，所述硅波导为条形或脊形；刻蚀所述硅波导两侧的埋氧层；在刻蚀埋氧层露出的硅衬底的表面上生长复合金属层，所述复合金属层与所述硅波导之间存在空隙。
20.可选地，所述硅波导与所述有源脊波导的表面接触时，所述硅波导与所述n面金属电极层、p面金属电极层不接触。
21.(三)有益效果
22.本公开提供了一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器及其制备方法，至少达到以下有益效果：
23.1、在将iii-v族或iv族化合物半导体激光器集成到soi上之前，可以单独对其进行性能测试，挑选出性能好的激光器管芯与soi波导结构集成；另一方面，由于iii-v或iv族化合物半导体激光器管芯带有衬底，降低了金属键合的难度，同时还提高了硅基激光器的成品率；
24.2、iii-v族或iv族化合物半导体激光器的制作和soi波导结构的制作可以分别采用两种不同的工艺体系，而且互不影响，有利于充分利用不同工艺体系的优势；
25.3、由于采用的是金属键合的方式集成，有利于硅基激光器散热，从而提高硅基激光器的热特性。
附图说明
26.图1是本公开实施例提供的一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器的截面示意图；
27.图2是本公开实施例提供的一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器的三维示意图；
28.图3是本公开实施例提供的一种iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的一个制备步骤的示意图；
29.图4是本公开实施例提供的一种iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的另一个制备步骤的示意图；
30.图5是本公开实施例提供的一种iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的另一个制备步骤的示意图；
31.图6是本公开实施例提供的一种iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的另一个制备步骤的示意图；
32.图7是本公开实施例提供的一种soi波导结构2的示意图；
33.附图标记说明：
34.1-iii-v族或iv族化合物半导体激光器；2-soi波导结构；
35.101-衬底；102-p型重掺杂层；103-p型掺杂层；104-p型分离限制异质结层；105-多量子阱有源层；106-n型分离限制异质结层；107-n型掺杂层；108-1、108-2-电隔离层；109-1-p面金属电极层；109-2-n面金属电极层；110-有源脊波导；210-硅波导；211-复合金属层；212-埋氧层；213-硅衬底。
具体实施方式
36.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。
37.图1、图2分别是本公开实施例提供的一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器的截面示意图和三维示意图。
38.如图1、2所示，本公开实施例提供的一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激
光器，包括：iii-v族或iv族化合物半导体激光器1和soi波导结构2。
39.iii-v族或iv族化合物半导体激光器1，至少包括由多层外延层构成的有源脊波导110、电隔离层108-1、108-2、正电极、负电极和衬底101，其中，所述正电极、负电极设于所述衬底101的同一侧。
40.soi波导结构2，至少包括硅波导210和复合金属层211，其中，所述硅波导210为条形或脊形，与所述有源脊波导110表面接触，所述复合金属层211分设于所述硅波导210两侧，分别与所述正、负电极键合连接。
41.可选地，所述衬底101由掺杂或不掺杂的iii-v族或iv族元素组成的物质构成。
42.在本公开实施例中，iii-v族或iv族化合物半导体激光器1用于产生激光，soi波导结构2用于输出激光，其中，iii-v或iv族化合物半导体激光器制作于iii-v或iv族材料衬底101上，其正、负电极设置于器件的同一面，而且其正、负电极直接与soi波导结构2中的复合金属层211接触，这样soi波导结构2上的复合金属层211也能充当硅基激光器的电极。利用倏逝波耦合原理，iii-v族或iv化合物半导体激光器1产生的光经过损耗较低的n型掺杂层耦合到硅波导210中。
43.参阅图1，多层外延层包括：p型重掺杂层102、p型掺杂层103、有源层、n型掺杂层107，按照与所述衬底101的距离由小变大的顺序依次生长在所述衬底101上，以上各层均由iii-v族或iv族元素组成的物质构成。其中，p型重掺杂层102，用于与p面金属电极层109-1接触，形成欧姆接触；p型掺杂层103，用于将iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的有源层与p型重掺杂层102隔开；有源层，用于产生光增益；n型掺杂层107，用于与n面金属电极层109-2形成欧姆接触。所述有源层包括：p型分离限制异质结层104、多量子阱有源层105、n型分离限制异质结层106，按照与所述衬底101的距离由小变大的顺序依次生长，其中，p型分离限制异质结层104，生长在p型掺杂层103上，用于限制光场分布；多量子阱有源层105，生长在p型分离限制异质结层104上，用于产生光增益；以及n型分离限制异质结层106，生长在多量子阱有源层105上，用于限制光场分布。
44.参阅图1，所述多层外延层上刻蚀有第一凹糟和第二凹槽，所述第一凹糟和第二凹槽之间的所述多层外延层构成所述有源脊波导110。所述第一凹糟底部为所述p型重掺杂层102，所述第一凹糟中及所述第一凹糟旁的多层外延层上生长有p面金属电极层109-1，且所述p面金属电极层109-1与所述有源脊波导110的上表面不接触，所述多层外延层的n型掺杂层107与所述p面金属电极层109-1之间设有电隔离层108-1；所述第二凹糟底部为所述衬底101，且所述第二凹槽附近的所述p型重掺杂层102被少量横向腐蚀，所述第二凹槽的槽壁、所述p型重掺杂层102被少量横向腐蚀的区域、所述第二凹槽旁的多层外延层及所述有源脊波导110的少部分表面上生长有电隔离层108-2，所述电隔离层108-2上生长有n面金属电极层109-2，所述n面金属电极层109-2与所述有源脊波导110表面接触；所述p面金属电极层109-1为所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的正电极，所述n面金属电极层109-2为所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的负电极。其中，电隔离层108-1，用于隔离p面金属电极层109-1和n型掺杂层107，电隔离层108-2，用于隔离n面金属电极层109-2和除有源脊波导表面之外的n型掺杂层107。一般第二凹槽附近的所述p型重掺杂层102被少量横向腐蚀的宽度不能超过有源脊波导110的宽度的一半。p、n面金属电极位于衬底101同一面，其中，n面金属电极通过与脊条波导表面的n型掺杂层107形成欧姆接触，p面金属电极则通过
与第一凹槽中露出的p型重掺杂层102形成欧姆接触，p、n面金属电极层109-2之间互相隔开，没有连接在一起。
45.优选的，所述有源脊波导110的宽度小于15μm。
46.参阅图1、2，在本公开实施例中，为了降低激光阈值以及增加光场限制，iii-v族或iv族化合物半导体激光器1采用窄脊条波导构型，结合第一凹糟和第二凹槽，其中，对第二凹槽附近的的p型重掺杂层102形成横向腐蚀，使载流子在多量子阱有源层105中靠近第一凹槽处复合，如图1中阴影部分所示，由此产生的光场主要集中在有源脊波导110靠近第一凹槽的一侧，减少了n面金属电极层109-2对光的吸收。
47.在本公开实施例中，所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的两个腔面均镀有高反膜，可降低iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的阈值。可选的，所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的两个腔面也可以不镀高反膜，在此不做限定。
48.可选地，所述衬底101底部设金属层，金属材料为钛、铂或金，方便后续的封装和测试。
49.在本公开实施例中，所述soi波导结构2由soi圆片制备，所述soi波导结构2还包括：硅衬底213，埋氧层212。参阅图1，埋氧层212，生长于所述硅衬底213上；所述硅波导210由生长在所述埋氧层212上的顶层硅制备，且所述硅波导210两侧的埋氧层212被刻蚀，所述复合金属层211生长在刻蚀埋氧层212露出的衬底的表面上，所述复合金属层211与所述硅波导210之间存在空隙。其中，硅波导210，用于耦合输出激光；复合金属层211，用于将iii-v或iv族化合物半导体激光器集成到soi波导结构上；埋氧层212，用于隔离硅衬底213和顶层硅；以及，硅衬底213用于支撑整个硅波导210器件。
50.参阅图1，所述硅波导210与所述有源脊波导110的表面接触时，所述硅波导210与所述n面金属电极层109-2、p面金属电极层109-1不接触。为了减少n面金属电极造成的光损耗，硅波导210设置在靠近第一凹槽的一边，而且硅波导210和n面金属电极在水平方向不能直接接触。光场以倏逝波的形式耦合到硅波导210中，n型掺杂层107厚度控制在300nm以内。
51.在本公开实施例中，所述的复合金属层211至少包括两层金属，其中一层是位于底层的电极金属层，包括au、ge、ni、ti、pt或其组合；另一层是焊料金属层，包括in、ausu等常用半导体工艺中所用的金属焊料。
52.本公开另一方面提供了一种基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器的制备方法，包括步骤s210～s220，该方法制备的激光器具有与如图1、2所示的基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器相同的技术特征，在此不再赘述。
53.s210，制备iii-v族或iv族化合物半导体激光器1，所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1至少包括由多层外延层构成的有源脊波导110、电隔离层108-1、108-2、正电极、负电极和衬底101，其中，所述正电极、负电极设于所述衬底101的同一侧。
54.s220，在soi晶圆上制备soi波导结构2，所述soi波导结构2至少包括硅波导210和复合金属层211，其中，所述硅波导210为条形或脊形，所述复合金属层211分设于所述硅波导210两侧。
55.s230，使所述硅波导210与所述有源脊波导110表面接触，将所述硅波导210两侧的所述复合金属层211分别与所述正电极、负电极键合连接，得到所述基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器。
56.在本公开实施例中所述制备iii-v族或iv族化合物半导体激光器1包括s211～s214。
57.s211，在衬底101上生长多层外延层，所述多层外延层包括：p型重掺杂层102、p型掺杂层103、有源层、n型掺杂层107，按照与所述衬底101的距离由小变大的顺序依次生长在所述衬底101上，所述衬底101由掺杂或不掺杂的iii-v族或iv族元素组成的物质构成。
58.其中，所述有源层包括：p型分离限制异质结层104、多量子阱有源层105、n型分离限制异质结层106，按照与所述衬底101的距离由小变大的顺序依次生长。
59.s212，在所述多层外延层上刻蚀第一凹糟和第二凹槽，其中，所述第一凹糟和第二凹槽之间的所述多层外延层构成所述有源脊波导110，所述第一凹糟底部为所述p型重掺杂层102，所述第二凹糟底部为所述衬底101，且所述凹槽附近的所述p型重掺杂层102被少量横向腐蚀。
60.s213，在所述第一凹糟中及所述第一凹糟旁的多层外延层上生长有p面金属电极层109-1，且所述p面金属电极层109-1与所述有源脊波导110的上表面不接触，所述多层外延层的n型掺杂层107与所述p面金属电极层109-1之间生长有电隔离层108-1，所述p面金属电极层109-1为所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的正电极。
61.s214，在所述第二凹槽的槽壁、所述p型重掺杂层102被少量横向腐蚀的区域、所述第二凹槽旁的多层外延层及所述有源脊波导110的少部分表面上生长电隔离层108-2，并在所述电隔离层108-2上生长n面金属电极层109-2，所述n面金属电极层109-2与所述有源脊波导110表面接触，所述n面金属电极层109-2为所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的负电极。
62.可选地，制备iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的方法还包括：
63.s215，将所述衬底101底部抛光，在所述衬底101底部磁控溅射一层金属层，并进行高温热退火处理。
64.s216，将所述衬底101及所述多层外延层进行划片处理，得到所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1。
65.参阅图3～图6，图3～图6示意性示出了本公开实施例提供的一种inp半导体激光器的制备过程。
66.inp半导体激光器主要包括n型inp衬底101，为在它上面制作的其他组成提供支撑，便于后续工艺制作；p型ingaas重掺杂层102，用于与p面金属电极层109-1形成欧姆接触；p型inp掺杂层103，用于将有源层与p型ingaas重掺杂层102隔开；有源层，用于产生光增益；n型inp掺杂层107，用于与n面金属电极层109-2形成欧姆接触；此外，还包括用于隔离金属电极层109-1、109-2和n型inp掺杂层107的二氧化硅电隔离层108-1、108-2；以及p、n面金属电极层109-1/109-2，分别作为inp半导体激光器的正负极接触点。其中，inp半导体激光器的有源层主要包括p型分离限制异质结层104，其上表面与p型inp掺杂层103接触，用于限制光场分布；algainas多量子阱有源层105，其上表面与p型分离限制异质结层104接触，用于产生光增益；n型分离限制异质结层106，其上表面与algainas多量子阱有源层105接触，用于限制光场分布。
67.参阅图3，在生长好激光器多层外延层的inp晶片表面用等离子体增强化学气相沉积(简称pecvd)生长一层sio2，作为硬掩膜；第一次光刻出第二凹槽图形，然后用电感耦合
等离子体(inductively coupled plasma，简称icp)刻蚀第二凹槽，刻蚀深度为n型inp掺杂层107到p型ingaas重掺杂层102的厚度。参阅图4，用高选择比的各向同性腐蚀液腐蚀剩余的p型ingaas重掺杂层，高选择比腐蚀液是指对p型ingaas重掺杂层具有很强的腐蚀效果，而对其他层基本没有腐蚀效果的溶液，腐蚀液在腐蚀垂直方向的p型ingaas重掺杂层的同时，也会对水平方向的p型ingaas重掺杂层形成横向腐蚀，通过控制腐蚀时间来控制横向腐蚀的尺寸，一般横向腐蚀宽度不能超过脊条宽度的一半。参阅图5，刻蚀完第二凹槽之后，去掉残留sio2，重新用pecvd生长一层sio2，作为硬掩膜，第二次光刻出第一凹槽图形，接着用icp刻蚀第一凹槽，第一凹槽刻蚀深度为n型inp掺杂层107到p型inp掺杂层103的厚度。参阅图6，第一凹槽刻蚀完之后，用同样的方法去掉残留sio2，重新用pecvd生长一层sio2，作为电隔离层108-1、108-2，第三次光刻出电极窗口，用sio2腐蚀液腐蚀掉电极窗口和脊波导上的sio2，然后去掉残留光刻胶，磁控溅射一层tiau作为电极材料，第四次光刻出p、n面金属电极形状，最后用湿法腐蚀得到p面金属电极109-1、n面金属电极109-2图形，同时露出有源脊波导110上的光耦合通道(将有源脊波导表面的n型掺杂层作为光耦合通道作为光耦合通道)，得到inp半导体激光器的半成品。
68.在本公开实施例中，做完以上工艺之后，将inp半导体激光器的半成品粘到玻璃托上，将底面面研磨抛光到大约120μm左右，用磁控溅射在inp半导体激光器半成品衬底101背面长一层ti/pt/au，接着进行高温热退火处理，使得p型ingaas重掺杂层102和n型inp107掺杂层与金属材料之间形成良好的欧姆接触。最后，将inp半导体激光器的半成品划片，形成inp半导体激光器成品备用。
69.此外，所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的制备方法还可以包括s217。
70.s217，在所述iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的两个腔面上镀上高反膜。该高反膜可减小iii-v族或iv族化合物半导体激光器1的阈值。
71.在本公开实施例中，制备所述soi波导结构2包括s221～s213。
72.s221，在soi晶圆的顶层硅上刻蚀出硅波导210，所述硅波导210为条形或脊形。
73.s222，刻蚀所述硅波导210两侧的埋氧层212。
74.s223，在刻蚀埋氧层212露出的硅衬底213的表面上生长复合金属层211，所述复合金属层211与所述硅波导210之间存在空隙。
75.参阅图7，soi波导结构2包括：条形硅波导210，用于耦合输出激光；在硅波导两侧设置的复合金属层211，用于将inp半导体激光器集成到soi波导结构2上；埋氧层212，用于隔离硅衬底213和顶层硅；以及，硅衬底213用于支撑整个硅波导器件。首先，在soi晶圆的顶层硅上光刻出条形硅波导的图形；然后，用icp刻蚀出条形硅波导210，接着第一次光刻出埋氧层图形，icp刻蚀条形硅波导两侧多余的埋氧层212；最后，在刻蚀出条形硅波导的soi上选择性淀积复合金属层211，具体的实施步骤为，在做完上述工艺的soi上旋涂一层较厚的光刻胶，然后光刻显影，把需要淀积金属的区域露出来，其余部分都被光刻胶覆盖，然后磁控溅射或热蒸发多层复合金属层211，采用剥离的方法去掉被光刻胶覆盖区域的复合金属层。
76.在本公开实施例中，在测试inp半导体激光器管芯性能正常之后，用高精度倒装焊贴片机将其与硅波导210部分金属键合在一起，从而形成一个完整的基于共面电极配置的倏逝波耦合硅基激光器，条形硅波导设置在inp半导体激光器光场比较集中的靠近第一凹
槽的一侧，所述硅波导210与所述有源脊波导110的表面接触时，所述硅波导与所述n面金属电极层109-2、p面金属电极层109-1不接触。
77.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。