[實用新型]硅基單片集成激光器

有效

• 申請號: 201720132168.7
• 申請日: 2017-02-14
• 公開（公告）號: CN206931836U
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 仇超;龔謙;武愛民;高騰;盛振;甘甫烷;趙穎璇;李軍
• 申請（專利權）人: 上海新微科技服務有限公司;中國科學院上海微系統與信息技術研究所;中科院南通光電工程中心
• 主分類號: H01S5/323
• 分類號: H01S5/323;H01S5/32
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙)31219
• 代理人: 羅泳文

技術領域

本實用新型涉及半導體領域和光電集成領域，特別是涉及一種硅基單片集成激光器。

背景技術

隨著人們對信息傳輸、處理速度要求的不斷提高和多核計算時代的來臨，基于金屬的電互連將會由于過熱、延遲、電子干擾等缺陷成為發展瓶頸。而采用光互連來取代電互連，可以有效解決這一難題。在光互連的具體實施方案中，硅基光互連以其無可比擬的成本和技術優勢成為首選。硅基光互連既能發揮光互連速度快、帶寬大、抗干擾、功耗低等優點，又能充分利用微電子工藝成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等優勢，其發展必將推動新一代高性能計算機、數據通信系統的發展，有著廣闊的市場應用前景。

硅基光互連的核心技術是在硅基上實現各種光功能器件，如硅基激光器、電光調制器、光電探測器、濾波器、波分復用器、耦合器、分光器等。近十年來硅基電光調制器、光電探測器、濾波器、波分復用器、耦合器、分光器等器件都得到了快速發展，硅基光電集成實用化面臨的技術難題在于光源，由于硅是間接帶隙半導體，發光效率低，帶邊吸收系數低，難以實現硅發光器件。

實現硅基片上光源的方案包括如下：

1)倒裝芯片技術：即將各組件(電器件，無源器件，有源器件)在普通的襯底上分別制作，再將其放置在一起形成光電鏈路，通常用金或者焊錫凸塊實現器件與襯底的鍵合，如圖所示。這種方案的局限在于放置光電器件的時候需要很高的對準精度，特別是需要光波導或者光纖耦合的時候，對準精度需要高于1μm，這導致了高昂的成本和工藝的復雜。

2)鍵合技術：即直接或通過粘合層將硅片與III-V外延片鍵合，之后再進行工藝制作，如圖1所示。這種方式既降低了對準精度的要求，也避免了直接生長帶來的種種問題。直接鍵合是將硅片與III-V外延片鍵合是利用原子、分子間的范德瓦耳斯力將硅片與III-V外延片直接粘附在一起。由于需要鍵合表面非常接近，所以對鍵合表面的粗糙度和潔凈度有很高要求，這也一定程度上提高了工藝的難度。而是用粘合層鍵合就可以降低鍵和表面粗糙度和潔凈度的要求，極大地提高成功率。粘合層一般選用聚合物來實現，較為常用的是苯并環丁烯(divinylsiloxane benzocyclobutene，DVS-BCB)。一般粘合層需要加熱固化，而固化的溫度大多小于300℃，不會影響硅和III-V外延層的光學性質。

由于III-V族材料是鍵合在硅材料上方，因此需要設計一個光學耦合結構，將激光器發出的光引導到硅材料中。

3)異質外延技術：即直接在硅上生長III-V族化合物半導體材料。由于III-V材料和硅的晶格常數不匹配，直接外延生長是非常困難的，這會導致III-V材料很大的晶格缺陷，嚴重影響外延層的光學特性。雖然通過加入應力釋放層可以部分緩解晶格失配造成的問題，異質生長中產生的污染問題依然難以解決。

隨著技術的發展，SiGe在硅上的外延生長也得以實現，能夠使外延Si逐漸向外延的Ge過渡，并且由于Ge材料的晶格常數與GaAs相近，人們逐漸開始研究通過Ge作為過渡層實現硅基外延生長III-V材料最終實現硅基激光器的途徑，如圖2所示。對于傳統外延，由于III-V族材料是外延在SOI頂層硅材料上方，因此需要設計一個光學耦合結構，將激光器發出的光引導到硅材料中。不同混合集成技術對比特性如表1所示。

表1

基于以上所述，提供一種新型的硅基單片集成激光器及其制作方法實屬必要。

實用新型內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本實用新型的目的在于提供一種硅基單片集成激光器及其制作方法，用于解決現有技術中激光器發出的光與硅材料對準結構較為復雜的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本實用新型提供一種硅基單片集成激光器的制作方法，所述制作方法包括：步驟1)，提供一SOI襯底，于所述SOI襯底表面制作圖形掩膜；步驟2)，基于所述圖形掩膜刻蝕所述SOI襯底的頂層硅及埋氧化硅層，形成直至所述SOI襯底的襯底硅的限向結構；步驟3)，于限向結構內的襯底硅表面生長Ge外延層，作為III-V族材料外延的基底，所述圖形掩膜使得頂層硅上無法生長Ge外延層；步驟4)，在Ge外延層上外延生長III-V族材料，通過外延工藝控制Ge厚度和III-V族材料的厚度，使得III-V族材料發光層與SOI襯底的頂層硅層在高度方向上精確對準。