專利名稱：與標準集成電路工藝兼容的硅基dbr激光器及其工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光器件技術領域，特別是一種與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器及其工藝。
背景技術：
隨著標準集成電路工藝特征尺寸的迅速減小，器件的密度和費用得到很大改善。然而，電學互連線上的能量損耗及電磁干擾已經成為制約硅基微電子集成電路發(fā)展的瓶頸。光互連依據其在傳輸帶寬、抗干擾能力及能量消耗上的明顯優(yōu)勢，有望成為解決這一問題的有效途徑。硅材料是微電子集成電路工藝的主要材料，在超大規(guī)模集成電路方面發(fā)揮了極為重要的作用。利用硅作為基本材料，采用成熟的標準集成電路工藝制作光電子器件和光電子集成回路，在成本上和工藝成熟度上具有無可比擬的優(yōu)勢，必將成為制作光電子芯片和解決電互連問題的首選方案。
與標準集成電路工藝兼容的硅基光發(fā)射器件是硅基光電子集成回路中的重要組成部分。由于該器件具有適于集成、成本低、易于大規(guī)模生產等優(yōu)點，在下一代光互連系統(tǒng)中作為芯片間或芯片內部的光電接口具有非常廣闊的應用前景。但是如何增強電光轉換效率、制作適于集成的硅基光發(fā)射器件，是研究中需要解決的難題。本發(fā)明的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，是利用SOI晶片做襯底，在外延層上制作PN結發(fā)光二極管。二極管兩側分別制作分布布拉格反射鏡，形成諧振腔。當達到閾值條件時，能實現有效的激光輸出。而且該器件采用DBR作為諧振腔，結構上適合于與硅基光電子集成回路中其它器件實現集成。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其具有制作工藝成熟、成本低、適于集成、易于大規(guī)模生產等優(yōu)點，在下一代光互連和全硅光學芯片中具有非常廣闊的應用前景。
本發(fā)明采用SOI晶片為襯底，利用與標準集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結發(fā)光二極管結構，有源區(qū)兩側的無源區(qū)內分別設置DBR全反射器和DBR半反射器，構成諧振腔。
本發(fā)明是通過以下方法來實現的一種與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征是，采用SOI(Silicon-on-Insulator)晶片為襯底，利用與標準集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結發(fā)光二極管結構，有源區(qū)兩端的無源區(qū)內分別制作分布布拉格(DBR，distributed Bragg reflector)全反射器和分布布拉格半反射器，構成諧振腔，包括一SOI襯底；一PN結發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結構，P+區(qū)為條形結構，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結，N+區(qū)、P+區(qū)分別引出金屬電極；一DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵全反射器，在光柵內部引入λ/4相移區(qū)；一DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵半反射器，用于與DBR強反射器形成諧振腔，輸出激光；硅基DBR激光器兩側分別制作隔離槽，可以在Y方向上進行光學限制，防止光信號泄露；外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上進行光學限制，防止光信號泄露。
所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，PN結發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結構，P+區(qū)為條形結構，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結。
所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上進行光學限制，防止光信號泄露。
所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，采用DBR全反射器和DBR半反射器做諧振腔，適合與硅基光電子集成回路中其它器件如硅基光波導/調制器、硅基光電探測器/接收機和微電子集成電路的集成。


圖1是與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器俯視圖；圖2是與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器剖面圖(A-A’)。圖中未畫出外層的SiO2層和金屬層；圖3是與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器剖面圖(B-B’)。
具體實施例方式
本發(fā)明是一種與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器及其工藝，其具體結構請參閱說明書附圖，包括一SOI襯底；一PN結發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結構，P+區(qū)為條形結構，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結，N+區(qū)、P+區(qū)分別引出金屬電極；一DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵反射器，在光柵內部引入λ/4相移區(qū)；一DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵反射器，用于與DBR強反射器形成諧振腔，輸出激光。
硅基DBR激光器兩側分別制作隔離槽，可以在Y方向上(如說明書附圖所示)進行光學限制，防止光信號泄露。
外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上(如說明書附圖所示)進行光學限制，防止光信號泄露。
本發(fā)明采用與標準集成電路工藝兼容的工藝，首先選擇鍵合工藝制作的SOI晶片。要求晶片的SiO2埋層為1μm，P型外延層厚度為2μm。在P型外延層上分別制作N+區(qū)和P+區(qū)，N+區(qū)設計成折線形狀，如圖1所示。采用刻蝕技術制作DBR反射器，結構如圖1、圖2所示?？拷黀+區(qū)一側的為DBR全反射器，在全反射器內部引入λ/4相移?？拷麼+區(qū)一側的為DBR半反射器，與DBR全反射器形成諧振腔，并輸出激光。采用深反應離子刻蝕技術在硅基DBR激光器兩側刻蝕隔離槽，如圖1和圖3所示。
器件結構制作完成后，淀積外層SiO2層。隔離槽可以在Y方向上進行光學限制，防止光信號泄露。同時，外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上(如說明書附圖所示)進行光學限制，防止光信號泄露。利用光刻技術刻出引線孔，鍍金屬電極。P+區(qū)接金屬電極1，為歐姆接觸，如圖2所示，該電極接地；N+區(qū)接金屬電極2，該電極接正電壓，N+區(qū)與P型外延層形成N+P二極管，在反向電壓下將形成耗盡區(qū)，載流子發(fā)生輻射復合，便產生光子。該器件為橫向工作模式，在外加電壓下，載流子在X方向上移動，使產生的光沿X方向傳播，在DBR全反射器和DBR半反射器形成的諧振腔內產生受激輻射放大，產生激光，經DBR半反射器輸出。
本發(fā)明的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，采用SOI晶片為襯底，利用與標準集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結發(fā)光二極管結構，有源區(qū)兩端的無源區(qū)內分別制作分布布拉格全反射器和分布布拉格半反射器，主要工藝步驟如下(一)準備SOI晶片；(二)長薄氧化層，淀積Si3N4；(三)有源區(qū)光刻，刻出P+區(qū)和N+區(qū)；(四)場區(qū)光刻，刻出場區(qū)注入孔，場區(qū)注入；(五)長場氧，漂去SiO2及Si3N4，然后長薄氧；(六)P+區(qū)光刻，刻出P+區(qū)，硼注入，形成P+區(qū)；(七)N+區(qū)光刻，刻出N+區(qū)，磷注入，形成N+區(qū)；(八)光刻，刻出DBR光柵區(qū)域；(九)在外延層上刻蝕DBR全反射器和DBR半反射器；(十)長薄氧；(十一)光刻，刻出隔離槽區(qū)域；(十二)深刻蝕，刻出隔離槽；(十三)淀積外層SiO2層；(十四)長PSG；(十五)引線孔光刻；(十六)鋁引線光刻，鍍鋁電極；其中，N+區(qū)摻雜濃度為1×1019cm-3，P+區(qū)摻雜濃度為1×1019cm-3。
所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，制作有源區(qū)PN結發(fā)光二極管結構，無源區(qū)內制作DBR全反射器和DBR半反射器，制作硅基DBR激光器兩側隔離槽，均采用與標準集成電路工藝兼容的工藝。
所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作DBR全反射器，在光柵內部引入λ/4相移區(qū)。
所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作DBR半反射器，用于與DBR強反射器形成諧振腔，輸出激光。
所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，硅基DBR激光器兩側分別制作隔離槽，可以在Y方向上進行光學限制，防止光信號泄露。
權利要求
1.一種與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征是，采用SOI晶片為襯底，利用與標準集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結發(fā)光二極管結構，有源區(qū)兩端的無源區(qū)內分別制作分布布拉格全反射器和分布布拉格半反射器，構成諧振腔，包括一SOI襯底；一PN結發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結構，P+區(qū)為條形結構，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結，N+區(qū)、P+區(qū)分別引出金屬電極；一DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵全反射器，在光柵內部引入λ/4相移區(qū)；一DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵半反射器，用于與DBR強反射器形成諧振腔，輸出激光；硅基DBR激光器兩側分別制作隔離槽，可以在Y方向上進行光學限制，防止光信號泄露；外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上進行光學限制，防止光信號泄露。
2.根據權利要求1所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征在于，PN結發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結構，P+區(qū)為條形結構，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結。
3.根據權利要求1所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征在于，外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上進行光學限制，防止光信號泄露。
4.根據權利要求1所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征在于，采用DBR全反射器和DBR半反射器做諧振腔，適合與硅基光電子集成回路中其它器件，硅基光波導/調制器、硅基光電探測器/接收機和微電子集成電路的集成。
5.一種與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征是，采用SOI晶片為襯底，利用與標準集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結發(fā)光二極管結構，有源區(qū)兩端的無源區(qū)內分別制作分布布拉格全反射器和分布布拉格半反射器，主要工藝步驟如下(一)準備SOI晶片；(二)長薄氧化層，淀積Si3N4；(三)有源區(qū)光刻，刻出P+區(qū)和N+區(qū)；(四)場區(qū)光刻，刻出場區(qū)注入孔，場區(qū)注入；(五)長場氧，漂去SiO2及Si3N4，然后長薄氧；(六)P+區(qū)光刻，刻出P+區(qū)，硼注入，形成P+區(qū)；(七)N+區(qū)光刻，刻出N+區(qū)，磷注入，形成N+區(qū)；(八)光刻，刻出DBR光柵區(qū)域；(九)在外延層上刻蝕DBR全反射器和DBR半反射器；(十)長薄氧；(十一)光刻，刻出隔離槽區(qū)域；(十二)深刻蝕，刻出隔離槽；(十三)淀積外層SiO2層；(十四)長PSG；(十五)引線孔光刻；(十六)鋁引線光刻，鍍鋁電極；其中，N+區(qū)摻雜濃度為1×1019cm-3，P+區(qū)摻雜濃度為1×1019cm-3。
6.根據權利要求5所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征在于，制作有源區(qū)PN結發(fā)光二極管結構，無源區(qū)內制作DBR全反射器和DBR半反射器，制作硅基DBR激光器兩側隔離槽，均采用與標準集成電路工藝兼容的工藝。
7.根據權利要求5所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征在于，DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作DBR全反射器，在光柵內部引入λ/4相移區(qū)。
8.根據權利要求5所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征在于，DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作DBR半反射器，用于與DBR強反射器形成諧振腔，輸出激光。
9.根據權利要求5所述的與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征在于，硅基DBR激光器兩側分別制作隔離槽，可以在Y方向上進行光學限制，防止光信號泄露。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光器件技術領域，特別是一種與標準集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器及其工藝。本發(fā)明采用SOI晶片為襯底，利用與標準集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結發(fā)光二極管結構，有源區(qū)兩側的無源區(qū)內分別設置DBR布拉格全反射器和DBR半反射器，構成諧振腔。
文檔編號H01L21/84GK1941525SQ20051010526
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權日2005年9月28日
發(fā)明者陳弘達, 劉海軍, 高鵬, 顧明 申請人:中國科學院半導體研究所