利用二次曝光技術製備多波長矽基混合雷射器陣列的方法
2023-10-18 07:43:49
利用二次曝光技術製備多波長矽基混合雷射器陣列的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用二次曝光技術製備多波長矽基混合雷射器陣列的方法。本方法為：1）利用二次曝光技術在SOI片的矽層上製備出所需光柵；2）在SOI片的矽層上垂直於光柵的方向製備出多個寬度不同的矽波導，得到一矽波導陣列；3）在SOI片上，每一矽波導及其兩側設定區域外沉積金屬層作為鍵合區；4）製備多量子阱光增益結構陣列；5）以多量子阱光增益結構陣列中最接近光增益區的面為鍵合面，將多量子阱光增益結構陣列中的光增益區與矽波導陣列中對應矽波導的光耦合區對準、鍵合，得到多波長矽基混合雷射器陣列。本發明具有工藝簡單、成熟，低成本，高可靠性的優點。
【專利說明】利用二次曝光技術製備多波長矽基混合雷射器陣列的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及矽基光電子器件領域中矽基混合雷射器及其製備方法，特別是涉及一種利用二次曝光技術在寬度不同的矽波導上製作光柵，從而實現多波長矽基混合雷射器陣列的方法。
【背景技術】
[0002]近些年來，隨著光互連與矽基光電集成技術的發展，矽基光源，特別是矽基電泵雷射的研究越來越受到人們的關注。最近，人們提出了一種能夠實現電泵浦矽基雷射的方法，即鍵合方法。這種方法是將目前已經發展成熟的半導體雷射器結構鍵合在矽波導上，然後將雷射器結構中的光耦合到矽波導中，從而實現了矽基電泵雷射。
[0003]目前所實現的電泵鍵合矽基混合雷射器主要是單波長輸出的。然而，在光互連或光通信中，多波長雷射器陣列有著十分重要的應用。與固定單波長的雷射器相比，多波長雷射器陣列或波長可調諧的雷射器能對光通信系統進行靈活多變的結構重新配置，使互連網絡系統更高效等優點。目前，多波長鍵合矽基混合雷射器陣列主要是將已發展成熟的多波長雷射器陣列鍵合在SOI (Silicon On Insulator,絕緣襯底上的娃)片上,這樣在外延生長多波長雷射器陣列的過程中必須要製作光柵。通常光柵是做在雷射器結構中的上分別限制(SCH)層上，這樣一方面刻完光柵後還需要進行再次外延，工藝複雜，周期長，成本高；另一方面由於光柵距離混合雷射器的光耦合面有一定的距離，並未在光耦合面上，因此對混合雷射的調製作用較差，影響了器件的性能。所以上述方法存在著工藝複雜、成本高、周期長、器件性能差等缺點。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的在於提供一種可以實現多波長電泵鍵合矽基混合雷射器陣列的製備方法。該方法是通過利用二次曝光技術在寬度不同的矽波導上製作分布布拉格反射式(DBR)或分布反饋式(DFB)光柵，通過矽波導上的光柵來選取單模，工藝簡單易於實現，採用改變矽波導寬度來改變有效折射率，從而實現多波長，具有低成本、高可靠性的優點。與電子束曝光相比，此方法具有成本低廉，工藝簡單，可大規模生產等優點。另外，這種將調製光柵做到矽波導上，即混合雷射器的光耦合面上的方法，不僅解決了在多量子阱光增益結構上製作光柵的工藝複雜問題，還使得光柵對混合雷射實現了較好的調製作用，提高了器件的性能。因此，本發明具有工藝簡單、成本低、周期短、器件性能好、可大面積製作並能夠在較大的範圍內調節該混合雷射器的輸出波長等優點。
[0005]本發明的特色在於:首先利用二次曝光技術在SOI片的矽層上製作出DBR或DFB光柵。所述二次曝光技術，即先對旋塗了光刻膠的SOI片進行雷射全息曝光，得到均勻光柵條紋，但此時不顯影，然後再將SOI片置於DBR或DFB光柵光刻板之下進行紫外曝光，經過二次曝光後，再對SOI片上的光刻膠進行顯影，最後刻蝕SOI片，得到所需光柵；利用刻蝕技術在SOI片的娃層上垂直於光柵的方向製備出多個寬度不同的娃波導陣列；外延生長相應的多量子阱光增益結構陣列，該多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構與SOI片上矽波導陣列中的每個矽波導相對應(比如是四波長的混合雷射器，SOI片上就有四個寬度不同的矽波導，並且每個矽波導上都有相同參數的DBR或DFB光柵。而多量子阱光增益結構陣列只需包含四個相同的多量子阱光增益結構，每個多量子阱光增益結構中的光耦合到其正下方的矽波導中，並經過矽波導上的DBR或DFB光柵來選取單模，由於改變了矽波導的寬度，可改變其有效折射率，從而實現了多波長的矽基混合雷射器)；最後採用選區金屬鍵合的方法將多量子阱光增益結構陣列和具有DBR或DFB光柵結構的寬度不同的矽波導陣列進行鍵合，即可完成多波長矽基混合雷射器陣列的製備。
[0006]在本發明的器件結構中多量子阱光增益結構陣列的作用僅是提供光增益，光以倏逝波的方式耦合到矽波導陣列中，通過矽波導上的光柵來選取單模，採用改變矽波導的寬度來改變有效折射率，從而實現了多波長的電泵鍵合矽基混合雷射器陣列。
[0007]本發明的最終結構示意圖如圖1所示，圖1(a)和圖1(b)分別為DBR和DFB光柵結構的矽基混合雷射器陣列的側視結構示意圖。自下而上依次為圖形化的S0I，鍵合金屬層和多量子阱光增益結構陣列。在本結構中，可採取選區金屬鍵合方法。在製備圖形化的SOI結構時，首先利用雷射全息曝光技術在SOI片的光刻膠層上曝光出均勻的光柵條紋，此時並不顯影，然後再把SOI片置於DBR或DFB光柵光刻板之下進行紫外曝光，顯影，最後刻蝕，去光刻膠，通過這種「二次曝光技術」在SOI片的矽層上就製備出了 DBR或DFB光柵，最後在垂直於光柵的方向上刻蝕出多個寬度不同的矽波導，則在SOI片上就製備出了最終的寬度不同的具有DBR或DFB光柵結構的矽波導陣列。最後在矽波導兩側，蒸發金屬層，作為鍵合區。鍵合金屬採用Cr/AuSn多層結構，Cr的作用是提高AuSn合金與SOI的黏附性。在本結構中，我們所選擇的多量子阱光增益結構陣列為在P型InP襯底上外延的InP基掩埋脊波導光增益結構陣列，並且該多量子阱光增益結構陣列中的多量子阱光增益結構與SOI結構矽波導陣列中的矽波導相對應。
[0008]本發明的技術方案是:`[0009]一種利用二次曝光技術製備多波長矽基混合雷射器陣列的方法，其步驟包括:
[0010]I)利用二次曝光技術在SOI片的矽層上製備出所需光柵；
[0011]2)利用光刻、刻蝕技術在SOI片的娃層上垂直於光柵的方向製備出多個寬度不同的矽波導，得到一矽波導陣列；
[0012]3)在2)所述SOI片上，除矽波導及其附近較小的設定區域外，在其它區域沉積金屬層作為鍵合區；
[0013]4)製備多量子阱光增益結構陣列，該多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構都是相同的，並且與2)所述SOI片上的矽波導陣列中對應的矽波導相對應；
[0014]5)以4)所述多量子阱光增益結構陣列中最接近光增益區的面為鍵合面，將所述多量子阱光增益結構陣列中的光增益區與3)所述SOI片上矽波導陣列中對應矽波導的光耦合區對準，鍵合，就得到了多波長矽基混合雷射器陣列。
[0015]所述二次曝光技術，即先對旋塗了光刻膠的SOI片進行雷射全息曝光，得到均勻光柵條紋，再將SOI片置於所需光柵光刻板之下進行紫外曝光，然後進行顯影，刻蝕，在SOI片的矽層上得到所需光柵。
[0016]所述均勻光柵的周期，其中λ ^為混合雷射器的目標波長，neff為有效折射率。
[0017]所述所需光柵可為DBR光柵或DFB光柵。
[0018]所述DBR光柵的前端反射面長度為50~200 μ m,後端反射面長度≥200 μ m,光耦合區長度範圍為200~1000 μ m。
[0019]所述DFB光柵的長度範圍為200~1000 μ m。
[0020]所述矽波導的高度範圍為200nm~2 μ m，相鄰矽波導的寬度範圍為120~250 μ m0
[0021]所述刻蝕技術可為耦合等離子(ICP)刻蝕技術或反應離子束(RIE)刻蝕技術。
[0022]所述金屬層從下到上依次為粘附金屬層和鍵合金屬層。
[0023]所述粘附金屬層可為Cr、Ni或Ti，其厚度範圍為5~20nm。
[0024]所述鍵合金屬層可為AuSn、InSn、InAu、PbIn或In,其厚度範圍為180nm~2μηι。
[0025]所述鍵合區位於SOI片上矽波導兩側4 μ m以外。
[0026]所述多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構都具有上下分別限制(SCH)層和多量子阱(MQW)層，並且具有側向限制作用的條形結構。
[0027]所述多量子阱光增益結構陣列可為InP基或GaAs基。
[0028]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0029]本發明所提供的多波長矽基混合雷射器陣列可以作為有效的矽基光源應用於單片矽基光電集成、光互聯和光通信等眾多領域，並且可以用於集成化生產。與現有的多波長矽基混合雷射器陣列製備方法相比，這種通過利用二次曝光技術在寬度不同的矽波導上製作DBR或DFB光柵來選取單模，採用改變矽波導寬度來實現多波長的方法，具有工藝簡單、成熟，低成本，高可靠性的優點。此外，這種將調製光柵做到矽波導上，即混合雷射器的光耦合面上的方法，不僅解決了在多量子阱光增益結構上製作光柵的工藝複雜問題，還使得光柵對混合雷射實現了較好的調製作用，提高了器件的性能。因此，本發明具有工藝簡單、成本低、周期短、器件性能好、可大面積製作並能夠在較大的範圍內調節該混合雷射器的輸出波長等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明的多波長矽基混合雷射器陣列的側視結構示意圖；
[0031]圖1(a)為DBR光柵結構的示意圖，圖1(b)為DFB光柵結構的示意圖。
[0032]圖2為本發明四波長電泵鍵合矽基混合雷射器陣列實施例的流程圖。
[0033]圖3為DFB光柵結構的器件的側視結構示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合圖2，以DBR光柵和InP基多量子阱光增益結構陣列為例對本發明作進一步詳細描述，步驟如下:
[0035]1.首先利用二次曝光技術在SOI片的矽層上製備出DBR光柵，具體過程如下:
[0036]a)在清洗後的SOI片的矽層上旋塗一層均勻的光刻膠，如圖2 (a)側視結構示意圖所示。
[0037]b)根據需要，計算出均勻光柵的參數:周期Z=244nm,光柵佔空比為50%。然後利用雷射全息曝光技術，在SOI片的膠層上製備出大面積的均勻光柵條紋，但此時不顯影，如圖2(b)側視結構示意圖所示。
[0038]c)用DBR光柵光刻板做掩膜，對SOI片進行紫外曝光，DBR光柵的前端反射面長度設為100 μ m，後端反射面長度設為300 μ m，光耦合區長度設為500 μ m，如圖2(c)側視結構示意圖所示。
[0039]d)將SOI片顯影，去掉曝光過的光刻膠，如圖2(d)側視結構示意圖所示。
[0040]e)以光刻膠為掩膜，採用耦合等離子(ICP)刻蝕上述SOI片，刻蝕深度為20nm，如圖2(e)側視結構示意圖所示。
[0041]f)去光刻膠，則在SOI片的矽層上得到了均勻的DBR光柵，如圖2(f)側視結構示意圖所示。
[0042]2.利用光刻、刻蝕技術在SOI片的矽層上垂直於光柵的方向製備出四個寬度不同的娃波導陣列，這四個娃波導的寬度分別為2.4 μ m, 2.6 μ m, 2.8 μ m和3.0 μ m。具體的過程如下:
[0043]a)在上述具有均勻DBR光柵結構的SOI片上旋塗一層光刻膠,然後在垂直於光柵的方向上用具有寬度不同的矽波導陣列結構的光刻板做光刻，顯影，定影。如圖2(g)正視結構示意圖所示。
[0044]b)用ICP刻蝕機將未被光刻膠蓋住的矽刻掉，則在SOI片上得到了寬度不同的矽波導陣列和鍵合區。矽波導高度為500nm，如圖2(h)正視結構示意圖所示。
[0045]c)去除光刻膠，在SOI片上得到了寬度不同的具有DBR光柵結構的矽波導陣列，圖2(i)為某一寬度的矽波導正視結構示意圖，圖2 (j)為其立體結構示意圖。
[0046]3.在上述SOI片上，除矽波導及其附近較小的區域外，在其它區域沉積金屬層作為鍵合區，具體的過程如下:
[0047]a)首先在上述SOI片上再次甩膠，套刻，將矽波導及其兩側的設定區域(比如4 μ m的區域)用光刻膠蓋住，留出一些空間用於保護矽波導，如圖2 (k)正視結構示意圖所示。
[0048]b)然後在SOI片上依次沉積金屬層，包括粘附金屬層Cr(5nm)和鍵合金屬層AuSn(495nm)的多層結構,如圖2(1)正視結構示意圖所示。
[0049]c)剝離，去除矽波導上及其兩側的光刻膠和上面的金屬，如圖2 (m)正視結構示意圖所示。
[0050]通過以上1-3步驟，可得到具有DBR光柵結構的寬度不同的矽波導陣列和金屬鍵合區的SOI片。
[0051]4.製備多量子阱光增益結構陣列，以InP基掩埋脊波導光增益結構陣列為例，製備工藝
[0052]如下:
[0053]a)首先利用MOCVD在約300 μ m厚的p型InP襯底上依次外延生長P型InP緩衝層、P型InGaAsP下SCH層、多量子阱層、η型InGaAsP上SCH層，然後溼化學腐蝕出3 μ m寬的脊型有源區，再生長η型InP層。最後，在距離有源區6 μ m區域處注入He離子至p型InP緩衝層,如圖2 (η)正視結構示意圖所示。
[0054]b)在η型InP面蒸發一層AuGeNi作為其歐姆接觸電極，並在金屬電極上光刻腐蝕出光耦合窗口。減薄P型InP襯底後，蒸發AuZn電極層，就製備出了 InP基掩埋脊波導光增益結構陣列，圖2(0)為其中某一光增益結構的正視結構示意圖。
[0055]5.以步驟4所述的多量子阱光增益結構陣列中最接近光增益區的面為鍵合面，利用鍵合機將上述多量子阱光增益結構陣列中的每個光增益區與步驟3所述SOI片上矽波導陣列中的每個矽波導光耦合區對準，然後在適當的溫度、時間和壓力下鍵合。這樣就得到了最終的四波長電泵鍵合矽基混合雷射器陣列，圖2 (P)為器件的正視結構示意圖，圖2 (q)為該器件的側視結構示意圖。
[0056]本發明中，上述實施例提供了一種優化了的InP基多波長電泵鍵合矽基混合雷射器陣列的製備方案，本發明不僅局限於此實施例，可以根據實際需要和設計要求做出相應的設計修改，例如:
[0057]光柵除了 DBR光柵外，還可以是DFB光柵，圖3為該器件的側視結構示意圖。
[0058]鍵合金屬層材料除AuSn夕卜,還可以是In、InSn、InAu或Pbln。
[0059]多量子阱光增益結構陣列除了實例中的掩埋脊波導型外，還可以是肋波導型，臺階襯底型等其它類型的條形結構的多量子阱光增益結構陣列。
[0060]此外，多量子阱光增益結構陣列除InP基外，還可為GaAs基。
[0061]以上通過詳細實施例描述了本發明所提供的多波長電泵鍵合矽基混合雷射器陣列的製備方法，本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明實質的範圍內，可以對本發明做一定的變形或修改，其製備方法也不限於實施例中所公開的內容。
【權利要求】
1.一種利用二次曝光技術製備多波長矽基混合雷射器陣列的方法，其步驟為: 1)利用二次曝光技術在SOI片的矽層上製備出所需光柵； 2)在SOI片的娃層上垂直於所述光柵的方向製備出多個寬度不同的娃波導,得到一娃波導陣列； 3)在2)所述SOI片上，每一所述矽波導及其兩側設定區域外沉積金屬層作為鍵合區； 4)製備多量子阱光增益結構陣列，其中所述多量子阱光增益結構陣列中的多量子阱光增益結構分別與所述矽波導陣列中的矽波導相對應； 5)以所述多量子阱光增益結構陣列中最接近光增益區的面為鍵合面，將所述多量子阱光增益結構陣列中的光增益區與所述矽波導陣列中對應矽波導的光耦合區對準、鍵合，得到多波長矽基混合雷射器陣列。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述利用二次曝光技術在SOI片的矽層上製備出所需光柵的方法為:先對旋塗了光刻膠的SOI片進行雷射全息曝光，得到均勻光柵條紋；然後根據所需光柵選取對應的光柵光刻板，將該SOI片置於該光柵光刻板之下進行紫外曝光；然後對該SOI片上的光刻膠進行顯影，最後刻蝕該SOI片，得到所需光柵。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於所述光柵為DFB光柵或DBR光柵。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於所述均勻光柵的周期？=λ/2η@，其中λ為混合雷射器的目標波長，neff為有效折射率。
5.如權利要求1或2或3或4所述的方法，其特徵在於所述矽波導的高度範圍為200nm?2 μ m，相鄰矽波導的寬度範圍為120?250 μ m ;所述設定區域為矽波導兩側4 μ m。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述多量子阱光增益結構陣列為在P型InP襯底上外延的InP基掩埋脊波導光增益結構陣列。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述金屬層從下到上依次為粘附金屬層和鍵合金屬層。
【文檔編號】H01S5/187GK103812001SQ201410010627
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】李豔平, 陶利, 高智威, 冉廣照 申請人:北京大學