利用二次曝光技術(shù)制備多波長硅基混合激光器陣列的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用二次曝光技術(shù)制備多波長硅基混合激光器陣列的方法。本方法為：1）利用二次曝光技術(shù)在SOI片的硅層上制備出所需光柵；2）在SOI片的硅層上垂直于光柵的方向制備出多個寬度不同的硅波導(dǎo)，得到一硅波導(dǎo)陣列；3）在SOI片上，每一硅波導(dǎo)及其兩側(cè)設(shè)定區(qū)域外沉積金屬層作為鍵合區(qū)；4）制備多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列；5）以多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中最接近光增益區(qū)的面為鍵合面，將多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的光增益區(qū)與硅波導(dǎo)陣列中對應(yīng)硅波導(dǎo)的光耦合區(qū)對準(zhǔn)、鍵合，得到多波長硅基混合激光器陣列。本發(fā)明具有工藝簡單、成熟，低成本，高可靠性的優(yōu)點。
【專利說明】利用二次曝光技術(shù)制備多波長硅基混合激光器陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅基光電子器件領(lǐng)域中硅基混合激光器及其制備方法，特別是涉及一種利用二次曝光技術(shù)在寬度不同的硅波導(dǎo)上制作光柵，從而實現(xiàn)多波長硅基混合激光器陣列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，隨著光互連與硅基光電集成技術(shù)的發(fā)展，硅基光源，特別是硅基電泵激光的研究越來越受到人們的關(guān)注。最近，人們提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)電泵浦硅基激光的方法，即鍵合方法。這種方法是將目前已經(jīng)發(fā)展成熟的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)鍵合在硅波導(dǎo)上，然后將激光器結(jié)構(gòu)中的光耦合到硅波導(dǎo)中，從而實現(xiàn)了硅基電泵激光。
[0003]目前所實現(xiàn)的電泵鍵合硅基混合激光器主要是單波長輸出的。然而，在光互連或光通信中，多波長激光器陣列有著十分重要的應(yīng)用。與固定單波長的激光器相比，多波長激光器陣列或波長可調(diào)諧的激光器能對光通信系統(tǒng)進行靈活多變的結(jié)構(gòu)重新配置，使互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更高效等優(yōu)點。目前，多波長鍵合硅基混合激光器陣列主要是將已發(fā)展成熟的多波長激光器陣列鍵合在SOI (Silicon On Insulator,絕緣襯底上的娃)片上,這樣在外延生長多波長激光器陣列的過程中必須要制作光柵。通常光柵是做在激光器結(jié)構(gòu)中的上分別限制(SCH)層上，這樣一方面刻完光柵后還需要進行再次外延，工藝復(fù)雜，周期長，成本高；另一方面由于光柵距離混合激光器的光耦合面有一定的距離，并未在光耦合面上，因此對混合激光的調(diào)制作用較差，影響了器件的性能。所以上述方法存在著工藝復(fù)雜、成本高、周期長、器件性能差等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可以實現(xiàn)多波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列的制備方法。該方法是通過利用二次曝光技術(shù)在寬度不同的硅波導(dǎo)上制作分布布拉格反射式(DBR)或分布反饋式(DFB)光柵，通過硅波導(dǎo)上的光柵來選取單模，工藝簡單易于實現(xiàn)，采用改變硅波導(dǎo)寬度來改變有效折射率，從而實現(xiàn)多波長，具有低成本、高可靠性的優(yōu)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(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。另外，這種將調(diào)制光柵做到硅波導(dǎo)上，即混合激光器的光耦合面上的方法，不僅解決了在多量子阱光增益結(jié)構(gòu)上制作光柵的工藝復(fù)雜問題，還使得光柵對混合激光實現(xiàn)了較好的調(diào)制作用，提高了器件的性能。因此，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、周期短、器件性能好、可大面積制作并能夠在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)該混合激光器的輸出波長等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明的特色在于:首先利用二次曝光技術(shù)在SOI片的硅層上制作出DBR或DFB光柵。所述二次曝光技術(shù)，即先對旋涂了光刻膠的SOI片進行激光全息曝光，得到均勻光柵條紋，但此時不顯影，然后再將SOI片置于DBR或DFB光柵光刻板之下進行紫外曝光，經(jīng)過二次曝光后，再對SOI片上的光刻膠進行顯影，最后刻蝕SOI片，得到所需光柵；利用刻蝕技術(shù)在SOI片的娃層上垂直于光柵的方向制備出多個寬度不同的娃波導(dǎo)陣列；外延生長相應(yīng)的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列，該多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個多量子阱光增益結(jié)構(gòu)與SOI片上硅波導(dǎo)陣列中的每個硅波導(dǎo)相對應(yīng)(比如是四波長的混合激光器，SOI片上就有四個寬度不同的硅波導(dǎo)，并且每個硅波導(dǎo)上都有相同參數(shù)的DBR或DFB光柵。而多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列只需包含四個相同的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)，每個多量子阱光增益結(jié)構(gòu)中的光耦合到其正下方的硅波導(dǎo)中，并經(jīng)過硅波導(dǎo)上的DBR或DFB光柵來選取單模，由于改變了硅波導(dǎo)的寬度，可改變其有效折射率，從而實現(xiàn)了多波長的硅基混合激光器)；最后采用選區(qū)金屬鍵合的方法將多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列和具有DBR或DFB光柵結(jié)構(gòu)的寬度不同的硅波導(dǎo)陣列進行鍵合，即可完成多波長硅基混合激光器陣列的制備。
[0006]在本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)中多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列的作用僅是提供光增益，光以倏逝波的方式耦合到硅波導(dǎo)陣列中，通過硅波導(dǎo)上的光柵來選取單模，采用改變硅波導(dǎo)的寬度來改變有效折射率，從而實現(xiàn)了多波長的電泵鍵合硅基混合激光器陣列。
[0007]本發(fā)明的最終結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖1(a)和圖1(b)分別為DBR和DFB光柵結(jié)構(gòu)的硅基混合激光器陣列的側(cè)視結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)陣列。在本結(jié)構(gòu)中，可采取選區(qū)金屬鍵合方法。在制備圖形化的SOI結(jié)構(gòu)時，首先利用激光全息曝光技術(shù)在SOI片的光刻膠層上曝光出均勻的光柵條紋，此時并不顯影，然后再把SOI片置于DBR或DFB光柵光刻板之下進行紫外曝光，顯影，最后刻蝕，去光刻膠，通過這種“二次曝光技術(shù)”在SOI片的硅層上就制備出了 DBR或DFB光柵，最后在垂直于光柵的方向上刻蝕出多個寬度不同的硅波導(dǎo)，則在SOI片上就制備出了最終的寬度不同的具有DBR或DFB光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列。最后在硅波導(dǎo)兩側(cè)，蒸發(fā)金屬層，作為鍵合區(qū)。鍵合金屬采用Cr/AuSn多層結(jié)構(gòu)，Cr的作用是提高AuSn合金與SOI的黏附性。在本結(jié)構(gòu)中，我們所選擇的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列為在P型InP襯底上外延的InP基掩埋脊波導(dǎo)光增益結(jié)構(gòu)陣列，并且該多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)與SOI結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)陣列中的硅波導(dǎo)相對應(yīng)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:`[0009]一種利用二次曝光技術(shù)制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其步驟包括:
[0010]I)利用二次曝光技術(shù)在SOI片的硅層上制備出所需光柵；
[0011]2)利用光刻、刻蝕技術(shù)在SOI片的娃層上垂直于光柵的方向制備出多個寬度不同的硅波導(dǎo)，得到一硅波導(dǎo)陣列；
[0012]3)在2)所述SOI片上，除硅波導(dǎo)及其附近較小的設(shè)定區(qū)域外，在其它區(qū)域沉積金屬層作為鍵合區(qū)；
[0013]4)制備多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列，該多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個多量子阱光增益結(jié)構(gòu)都是相同的，并且與2)所述SOI片上的硅波導(dǎo)陣列中對應(yīng)的硅波導(dǎo)相對應(yīng)；
[0014]5)以4)所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中最接近光增益區(qū)的面為鍵合面，將所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的光增益區(qū)與3)所述SOI片上硅波導(dǎo)陣列中對應(yīng)硅波導(dǎo)的光耦合區(qū)對準(zhǔn)，鍵合，就得到了多波長硅基混合激光器陣列。
[0015]所述二次曝光技術(shù)，即先對旋涂了光刻膠的SOI片進行激光全息曝光，得到均勻光柵條紋，再將SOI片置于所需光柵光刻板之下進行紫外曝光，然后進行顯影，刻蝕，在SOI片的硅層上得到所需光柵。
[0016]所述均勻光柵的周期，其中λ ^為混合激光器的目標(biāo)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,后端反射面長度≥200 μ m,光耦合區(qū)長度范圍為200~1000 μ m。
[0019]所述DFB光柵的長度范圍為200~1000 μ m。
[0020]所述硅波導(dǎo)的高度范圍為200nm~2 μ m，相鄰硅波導(dǎo)的寬度范圍為120~250 μ m0
[0021]所述刻蝕技術(shù)可為耦合等離子(ICP)刻蝕技術(shù)或反應(yīng)離子束(RIE)刻蝕技術(shù)。
[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，其厚度范圍為5~20nm。
[0024]所述鍵合金屬層可為AuSn、InSn、InAu、PbIn或In,其厚度范圍為180nm~2μηι。
[0025]所述鍵合區(qū)位于SOI片上硅波導(dǎo)兩側(cè)4 μ m以外。
[0026]所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個多量子阱光增益結(jié)構(gòu)都具有上下分別限制(SCH)層和多量子阱(MQW)層，并且具有側(cè)向限制作用的條形結(jié)構(gòu)。
[0027]所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列可為InP基或GaAs基。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0029]本發(fā)明所提供的多波長硅基混合激光器陣列可以作為有效的硅基光源應(yīng)用于單片硅基光電集成、光互聯(lián)和光通信等眾多領(lǐng)域，并且可以用于集成化生產(chǎn)。與現(xiàn)有的多波長硅基混合激光器陣列制備方法相比，這種通過利用二次曝光技術(shù)在寬度不同的硅波導(dǎo)上制作DBR或DFB光柵來選取單模，采用改變硅波導(dǎo)寬度來實現(xiàn)多波長的方法，具有工藝簡單、成熟，低成本，高可靠性的優(yōu)點。此外，這種將調(diào)制光柵做到硅波導(dǎo)上，即混合激光器的光耦合面上的方法，不僅解決了在多量子阱光增益結(jié)構(gòu)上制作光柵的工藝復(fù)雜問題，還使得光柵對混合激光實現(xiàn)了較好的調(diào)制作用，提高了器件的性能。因此，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、周期短、器件性能好、可大面積制作并能夠在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)該混合激光器的輸出波長等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的多波長硅基混合激光器陣列的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖1(a)為DBR光柵結(jié)構(gòu)的示意圖，圖1(b)為DFB光柵結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0032]圖2為本發(fā)明四波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列實施例的流程圖。
[0033]圖3為DFB光柵結(jié)構(gòu)的器件的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合圖2，以DBR光柵和InP基多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列為例對本發(fā)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(shù)在SOI片的硅層上制備出DBR光柵，具體過程如下:
[0036]a)在清洗后的SOI片的硅層上旋涂一層均勻的光刻膠，如圖2 (a)側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0037]b)根據(jù)需要，計算出均勻光柵的參數(shù):周期Z=244nm,光柵占空比為50%。然后利用激光全息曝光技術(shù)，在SOI片的膠層上制備出大面積的均勻光柵條紋，但此時不顯影，如圖2(b)側(cè)視結(jié)構(gòu)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(shè)為100 μ m，后端反射面長度設(shè)為300 μ m，光耦合區(qū)長度設(shè)為500 μ m，如圖2(c)側(cè)視結(jié)構(gòu)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(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0040]e)以光刻膠為掩膜，采用耦合等離子(ICP)刻蝕上述SOI片，刻蝕深度為20nm，如圖2(e)側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0041]f)去光刻膠，則在SOI片的硅層上得到了均勻的DBR光柵，如圖2(f)側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0042]2.利用光刻、刻蝕技術(shù)在SOI片的硅層上垂直于光柵的方向制備出四個寬度不同的娃波導(dǎo)陣列，這四個娃波導(dǎo)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(jié)構(gòu)的SOI片上旋涂一層光刻膠,然后在垂直于光柵的方向上用具有寬度不同的硅波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)的光刻板做光刻，顯影，定影。如圖2(g)正視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0044]b)用ICP刻蝕機將未被光刻膠蓋住的硅刻掉，則在SOI片上得到了寬度不同的硅波導(dǎo)陣列和鍵合區(qū)。硅波導(dǎo)高度為500nm，如圖2(h)正視結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列，圖2(i)為某一寬度的硅波導(dǎo)正視結(jié)構(gòu)示意圖，圖2 (j)為其立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]3.在上述SOI片上，除硅波導(dǎo)及其附近較小的區(qū)域外，在其它區(qū)域沉積金屬層作為鍵合區(qū)，具體的過程如下:
[0047]a)首先在上述SOI片上再次甩膠，套刻，將硅波導(dǎo)及其兩側(cè)的設(shè)定區(qū)域(比如4 μ m的區(qū)域)用光刻膠蓋住，留出一些空間用于保護硅波導(dǎo)，如圖2 (k)正視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0048]b)然后在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(jié)構(gòu),如圖2(1)正視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0049]c)剝離，去除硅波導(dǎo)上及其兩側(cè)的光刻膠和上面的金屬，如圖2 (m)正視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0050]通過以上1-3步驟，可得到具有DBR光柵結(jié)構(gòu)的寬度不同的硅波導(dǎo)陣列和金屬鍵合區(qū)的SOI片。
[0051]4.制備多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列，以InP基掩埋脊波導(dǎo)光增益結(jié)構(gòu)陣列為例，制備工藝
[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緩沖層、P型InGaAsP下SCH層、多量子阱層、η型InGaAsP上SCH層，然后濕化學(xué)腐蝕出3 μ m寬的脊型有源區(qū)，再生長η型InP層。最后，在距離有源區(qū)6 μ m區(qū)域處注入He離子至p型InP緩沖層,如圖2 (η)正視結(jié)構(gòu)示意圖所示。
[0054]b)在η型InP面蒸發(fā)一層AuGeNi作為其歐姆接觸電極，并在金屬電極上光刻腐蝕出光耦合窗口。減薄P型InP襯底后，蒸發(fā)AuZn電極層，就制備出了 InP基掩埋脊波導(dǎo)光增益結(jié)構(gòu)陣列，圖2(0)為其中某一光增益結(jié)構(gòu)的正視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0055]5.以步驟4所述的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中最接近光增益區(qū)的面為鍵合面，利用鍵合機將上述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個光增益區(qū)與步驟3所述SOI片上硅波導(dǎo)陣列中的每個硅波導(dǎo)光耦合區(qū)對準(zhǔn)，然后在適當(dāng)?shù)臏囟?、時間和壓力下鍵合。這樣就得到了最終的四波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列，圖2 (P)為器件的正視結(jié)構(gòu)示意圖，圖2 (q)為該器件的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0056]本發(fā)明中，上述實施例提供了一種優(yōu)化了的InP基多波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列的制備方案，本發(fā)明不僅局限于此實施例，可以根據(jù)實際需要和設(shè)計要求做出相應(yīng)的設(shè)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(cè)視結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)陣列除了實例中的掩埋脊波導(dǎo)型外，還可以是肋波導(dǎo)型，臺階襯底型等其它類型的條形結(jié)構(gòu)的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列。
[0060]此外，多量子阱光增益結(jié)構(gòu)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(fā)明所提供的多波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列的制備方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的變形或修改，其制備方法也不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種利用二次曝光技術(shù)制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其步驟為: 1)利用二次曝光技術(shù)在SOI片的硅層上制備出所需光柵； 2)在SOI片的娃層上垂直于所述光柵的方向制備出多個寬度不同的娃波導(dǎo),得到一娃波導(dǎo)陣列； 3)在2)所述SOI片上，每一所述硅波導(dǎo)及其兩側(cè)設(shè)定區(qū)域外沉積金屬層作為鍵合區(qū)； 4)制備多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列，其中所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)分別與所述硅波導(dǎo)陣列中的硅波導(dǎo)相對應(yīng)； 5)以所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中最接近光增益區(qū)的面為鍵合面，將所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的光增益區(qū)與所述硅波導(dǎo)陣列中對應(yīng)硅波導(dǎo)的光耦合區(qū)對準(zhǔn)、鍵合，得到多波長硅基混合激光器陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述利用二次曝光技術(shù)在SOI片的硅層上制備出所需光柵的方法為:先對旋涂了光刻膠的SOI片進行激光全息曝光，得到均勻光柵條紋；然后根據(jù)所需光柵選取對應(yīng)的光柵光刻板，將該SOI片置于該光柵光刻板之下進行紫外曝光；然后對該SOI片上的光刻膠進行顯影，最后刻蝕該SOI片，得到所需光柵。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述光柵為DFB光柵或DBR光柵。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述均勻光柵的周期？=λ/2η@，其中λ為混合激光器的目標(biāo)波長，neff為有效折射率。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于所述硅波導(dǎo)的高度范圍為200nm?2 μ m，相鄰硅波導(dǎo)的寬度范圍為120?250 μ m ;所述設(shè)定區(qū)域為硅波導(dǎo)兩側(cè)4 μ m。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列為在P型InP襯底上外延的InP基掩埋脊波導(dǎo)光增益結(jié)構(gòu)陣列。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于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(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】李艷平, 陶利, 高智威, 冉廣照 申請人:北京大學(xué)