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1、(10)申请公布号 CN 102882129 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 1 2 9 A *CN102882129A* (21)申请号 201210413304.1 (22)申请日 2012.10.25 H01S 5/40(2006.01) H01S 5/20(2006.01) (71)申请人中国科学院半导体研究所 地址 100083 北京市海淀区清华东路甲35 号 (72)发明人袁丽君 于红艳 周旭亮 王火雷 潘教青 (74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人汤保平 (54) 发明名称 改变硅波导宽度制备多波长硅基。
2、混合激光器 阵列的方法 (57) 摘要 一种改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激 光器阵列的方法，包括如下步骤：在SOI片顶层硅 层上制作均匀光栅；在硅层上垂直于光栅的方向 刻蚀出多个宽度不同的硅波导和两侧的硅挡墙； 在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸 发金属层，硅挡墙和金属层之间为过量金属容纳 区，形成SOI波导结构；在一P衬底上采用MOCVD 的方法生长III-V族半导体激光器阵列结构，该 III-V族半导体激光器阵列结构中的每个激光器 与每个硅波导相对应；在III-V族半导体激光器 结构的N面制作金属电极，并在金属电极上光刻 腐蚀出光耦合窗口；在P衬底的背面制作金属电 极，形成键合。
3、激光器阵列结构；将SOI波导结构和 键合激光器阵列结构，采用选区金属键合的方法 键合到一起，完成多波长硅基混合激光器阵列的 制备。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，包括如下步骤： 步骤1：在SOI片顶层硅层上制作均匀光栅； 步骤2：在硅层上垂直于光栅的方向刻蚀出多个宽度不同的硅波导和两侧的硅挡墙； 步骤3：采用金属剥离方法，在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发金属 层，硅挡墙和。
4、金属层之间为过量金属容纳区，形成SOI波导结构； 步骤4：在一P衬底上采用MOCVD的方法生长III-V族半导体激光器阵列结构，该III-V 族半导体激光器阵列结构中的每个激光器与每个硅波导相对应； 步骤5：在III-V族半导体激光器结构的N面制作金属电极，并在金属电极上光刻腐蚀 出光耦合窗口； 步骤6：在P衬底的背面制作金属电极，形成键合激光器阵列结构； 步骤7：将SOI波导结构和键合激光器阵列结构，采用选区金属键合的方法键合到一 起，完成多波长硅基混合激光器阵列的制备。 2.根据权利要求1所述的改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，其 中光栅4的光栅周期A/2n eff ，n 。
5、eff 为器件有效折射率，为激光器的目标波长。 3.根据权利要求1所述的改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，其 中所述宽度不同的硅波导，其宽度为2-5m，高度相同，高度为0.4-0.8m；相邻硅波导之 间的宽度为120-250m。 4.根据权利要求1所述的改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法， 其中硅波导两侧的硅挡墙的宽度为2-3m，高度为0.4-0.8m，其高度与硅波导的高度相 同；硅挡墙与最近的硅波导之间的距离为10-50m。 5.根据权利要求1所述的改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，其 中过量金属容纳区的宽度为2-10m。 6.根据权利要求1所述。
6、的改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，其 中蒸发的金属层的材料为AuGeNi/In/Sn。 7.根据权利要求1所述的改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，其 中P衬底的材料为p型(100)InP。 8.根据权利要求1所述的改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，其 中的III-V族半导体激光器阵列结构为掺Fe半绝缘掩埋异质结构，III-V族半导体激光器 阵列结构中的每个激光器电流的通道宽度为1-3m，键合时每个电流通道位于每个硅波导 的中央的上方，激光器的有源区之上的材料为InP，其厚度为100-300nm。 9.根据权利要求1所述的改变硅波导宽度制备多波长。
7、硅基混合激光器阵列的方法，其 中N面金属电极的材料为AuGeNi，厚度为200-400nm。 10.根据权利要求1所述的改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法， 其中光耦合窗口的宽度等于SOI片上金属层之间的宽度。 权 利 要 求 书CN 102882129 A 1/3页 3 改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法 技术领域 0001 本发明属于电子器件领域，具体涉及一种改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激 光器阵列的方法。其制作工艺简单，成本低，可靠性高。 背景技术 0002 近年来，随着硅光子学各分立器件的成熟，硅基光互连逐渐成为研究的热点。硅基 激光在光互连器件中难度最。
8、大，因而备受人们关注。广义的硅基光源按发光材料的不同分 为硅材料体系发光的光源和其他发光材料与硅的混合光源。硅材料体系光源包括纳米硅体 系光源和硅基拉曼激光，但均未能实现电泵激光。其他发光材料与硅的混合光源包括：硅基 有机电致发光、硅中掺入杂质或缺陷等形成发光中心、半导体纳米线-硅异质结电致发光、 硅上外延化合物半导体发光、键合硅基激光。其中前三种虽然实现较高效率电致发光，但用 于光互连还有较大距离。硅基外延生长激光器，由于晶格失配(InP/Si失配8，GaAs/Si 失配4)的问题，会引入大量的缺陷和位错，有源层材料质量不高，这种方法制备的硅基 激光器效率较低而且寿命较短，而且很厚的缓冲层也。
9、成本太高。硅基键合是一种很好的解 决不同材料晶格失配问题的方法，除了键合界面处的极薄层之外，不会在材料中引入大量 缺陷和位错，是目前实现硅基激光最可行、最经济的方法。采用多波长激光器阵列可增加传 输容量，并且可以降低封装成本。2006年Intel与UCSB合作研究组报道了第一只电泵浦 DFB硅基混合激光器。直接键合方案对工艺对准精度要求较高，电子束曝光方法制作光栅， 增加了制作成本和工艺难度。本发明在硅波导上采用全息曝光方法制作光栅来选取单模， 工艺简单易于实现，并且采用变硅波导宽度来改变有效折射率，从而实现多波长，具有低成 本、高可靠性的优点。 发明内容 0003 本发明采用了一种简单易行的。
10、技术，提供一种改变硅波导宽度制备多波长激光器 阵列的方法。其原理是激光器结构的上波导层较薄，通过倒扣键合的方式与硅波导键合在 一起，形成非对称的波导结构，硅波导的宽度不同，整个结构的有效折射率不同，在硅波导 上制作相同的均匀Bragg光栅，即可以选出不同的激光器波长，形成多波长的硅基混合激 光器阵列。由于激光器结构上波导层较薄，有源区激射产生的光可以通过隐失波耦合，逐渐 耦合到硅波导中。其中光栅制作采用全息曝光的方法，工艺简单，易于实现。本发明具有工 艺简单、成本低、可靠性高、易于实现等优点。 0004 本发明提供一种改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，包括如 下步骤： 0005。
11、 步骤1：在SOI片顶层硅层上制作均匀光栅； 0006 步骤2：在硅层上垂直于光栅的方向刻蚀出多个宽度不同的硅波导和两侧的硅挡 墙； 0007 步骤3：采用金属剥离方法，在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发 说 明 书CN 102882129 A 2/3页 4 金属层，硅挡墙和金属层之间为过量金属容纳区，形成SOI波导结构； 0008 步骤4：在一P衬底上采用MOCVD的方法生长III-V族半导体激光器阵列结构，该 III-V族半导体激光器阵列结构中的每个激光器与每个硅波导相对应； 0009 步骤5：在III-V族半导体激光器结构的N面制作金属电极，并在金属电极上光刻 腐蚀出光耦合窗口。
12、； 0010 步骤6：在P衬底的背面制作金属电极，形成键合激光器阵列结构； 0011 步骤7：将SOI波导结构和键合激光器阵列结构，采用选区金属键合的方法键合到 一起，完成多波长硅基混合激光器阵列的制备。 附图说明 0012 为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合说明书附图和具体实施方式对本发 明作详细的描述，其中： 0013 图1为本发明的制备流程图； 0014 图2为SOI片结构示意图； 0015 图3为SOI片顶层硅层上制作光栅的侧视图； 0016 图4为在SOI片上刻蚀出硅波导和两侧的硅挡墙端面结构示意图； 0017 图5为在两个硅挡墙外面区域蒸发金属层端面结构示意图； 0018 图。
13、6为所制备的III-V族激光器的端面结构示意图； 0019 图7为键合激光器端面结构示意图； 0020 图8为SOI波导结构和键合激光器结构键合后的硅基混合激光器阵列端面结构示 意图。 具体实施方式 0021 请参阅图1并结合参阅图2-图8所示，详细阐述了本发明一种改变硅波导宽度制 备多波长硅基混合激光器阵列的方法。 0022 下面以4波长硅基混合激光器阵列为例，介绍具体实现方案： 0023 步骤1：在SOI片(参阅图2)(由底层往上依次为硅晶体1、氧化硅层2、硅层3) 上的顶层硅层3上用全息曝光的方法并采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀技术制作均匀光栅 4(参阅图3)，该光栅4的光栅周期/2n 。
14、eff ，n eff 为器件有效折射率，为激光器的目 标波长，一般为光通讯波段1.31m或1.55m，占空比为11，干法刻蚀气体采用CF4，采 用全息曝光的方法制作光栅，其制作工艺简单，相对于电子束曝光方法成本更低； 0024 步骤2：在硅层3上垂直于光栅4的方向依次采用普通光刻以及RIE干法刻蚀方法 刻蚀出4个宽度不同的硅波导5和两侧的硅挡墙6(参阅图4)，所述宽度不同的硅波导5， 其宽度为2-5m，高度相同，高度为0.4-0.8m；相邻硅波导5之间的宽度为120-250m， 所述硅波导5两侧的硅挡墙6的宽度为2-3m，高度为0.4-0.8m，其高度与硅波导5的 高度相同；硅挡墙6与最近的硅。
15、波导5之间的距离为10-50m。硅波导的宽度不同，键合 后激光器的有效折射率不同，制作相同的光栅后选择的波长不同，从而实现多波长的激光 器阵列； 0025 步骤3：采用金属剥离方法，先在形成波导结构的SOI片上光刻出图形掩膜，大面 说 明 书CN 102882129 A 3/3页 5 积蒸发金属层后将不需要的地方带胶剥离，只留下两个硅挡墙6远离硅波导5的外侧区 域的金属7，作为键合金属，蒸发的金属7的材料为AuGeNi/In/Sn，其中AuGeNi的厚度为 50-80nm、In的厚度为300-400nm、Sn的厚度为20nm。硅挡墙6的作用是阻止键合金属流向 硅波导，从而避免金属对光的吸收。硅。
16、挡墙6和金属层7之间为过量金属容纳区8，可以容 纳键合过程金属的流动，使键合激光器和硅波导之间的空气隙为0，使激光器中的光能更高 效的耦合到硅波导中。该过量金属容纳区8的宽度为2-10m，形成SOI波导结构(参阅图 5)； 0026 步骤4：采用低压金属有机物化学气相沉积法(LP-MOCVD)，在一P衬底10上生长 III-V族半导体激光器阵列结构(参阅图6)，该III-V族半导体激光器阵列结构中的每个 激光器11与每个硅波导5相对应，该P衬底10的材料为p型(100)InP，所述的III-V族 半导体激光器阵列结构为掺Fe半绝缘掩埋异质结构，III-V族半导体激光器阵列结构中的 每个激光器电。
17、流的通道宽度为1-3m，键合时每个电流通道位于每个硅波导5的中央的上 方，激光器的有源区之上的材料为InP，其厚度为200-300nm。之所以采用P型衬底是因为 键合时采用倒扣键合的方案，倒扣键合可以不用减薄衬底，键合时成品率较高，若为N型衬 底，激光器中的光需穿过P型区耦合到硅波导中，而P型区的材料会对光有强烈的吸收，对 实现键合激光器不利，因此采用P型衬底，并且P衬底掺Fe掩埋激光器具有阈值低，斜率效 率高，可实现高功率等优点； 0027 步骤5：在III-V族半导体激光器结构的N面制作金属电极12，该N面金属电极12 的材料为AuGeNi，厚度为200-400nm，并在金属电极12上光刻。
18、腐蚀出光耦合窗口13(参阅 图7)，该光耦合窗口13的宽度等于SOI片上金属层7之间的宽度，所用腐蚀液为碘、碘化钾 和水的混合液； 0028 步骤6：在P衬底10的背面制作金属电极9(参阅图7)，该金属电极9的材 料为AuZn，厚度为200-400nm，形成键合激光器阵列结构。其中，激光器结构总厚度为 100-120m，足以保证在加热加压的键合过程不碎裂，提高键合成品率。SOI片硅挡墙6外 面区域金属7和金属13的总厚度与硅波导5的高度相同。另外，先在激光器结构上做N型 金属电极13再键合，可以减小串联电阻和热阻，金属对金属键合还可以增大键合强度； 0029 步骤7：将SOI波导结构和键合激光。
19、器阵列结构，采用倒扣选区金属键合的方法键 合到一起，完成多波长硅基混合激光器阵列的制备(参阅图8)。选区键合是将激光器的金 属键合区和光耦合区分开，从而避免了键合金属对光的吸收，键合温度为150-210，压力 大约为0.1N，时间只需要两分钟。键合使用专业的金属键合机完成。 0030 以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，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。 说 明 书CN 102882129 A 1/3页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102882129 A 2/3页 7 图3 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102882129 A 3/3页 8 图6 图7 图8 说 明 书 附 图CN 102882129 A 。