[发明专利]基于氧化锌键合III‑V族和硅混合型激光器结构和方法

说明书

技术领域

本方法涉及半导体技术领域，特别是一种通过光刻胶氧化锌键合的端面耦合III-V族和硅混合型激光器及其键合方法。

背景技术

近几十年来，光纤通信一直远距离通信的最主要手段之一。然而，随着信息技术的不断进步，现代社会对于数据处理和传输的需求正在极快的增加，尤其在10米以下距离的数据传输应用中，传统的铜质导线越来越无法满足人们对传输速率和低功耗的追求。板卡之间、芯片和板卡之间、芯片和芯片之间乃至芯片上的光互联正在成为硅基光子学研究的热点。硅基光互联器件包含光源、调制器、放大器、波分复用器和波导等。硅基光互联的难点之一就是在硅上集成一个稳定的激光光源。目前，发展较快的方法是通过键合把III-V激光器集成到硅上。Hyundai Park等人，利用这种低温氧气等离子体键合技术，将AlGaInAs量子阱外延材料直接键合在CMOS工艺制作的硅波导上，首次实现了光泵浦激射的混合硅基激光器，这种激光器的发光波长为1538nm，输出功率1.4mW。Fang等人实现了室温连续电泵浦Fabry-Perot腔AlGaInAs混合型硅基激光器，该激光器的最大工作温度为40℃，阈值电流为65mA，最大输出功率为1.8mW，微分量子效率为12.7％。Hsu Hao Chang等人制作了基于AlGaInAs材料的混合型硅基激光器，这种激光器发射波长为1310nm，阈值电流为30mA，最大输出功率为5.5mW，重要的是其最高工作温度大幅增加至105℃。同年，该小组还成功研制出带有锁模功能的硅基混合型激光器，该激光器可以产生频率为40GHz，脉宽为4ps的激光。可以应用于硅基波分复用器、时分复用器以及光码分复用器。之前硅基混合型激光器由于采用FP谐振腔，其端面抛光的比较困难。Fang等人制备了环形跑道谐振腔的硅基混合型激光器，并将其与两个基于消逝波耦合的光探测器集成在一起。从激光器发出的光首先耦合到硅波导中，经过波导的传输后被两端的探测器接收。在光互连中，激光器的单纵模特性对于信号调制是十分必要的。为此，Fang等人通过在SOI波导上制作光栅结构，制作了分布反馈(DFB)硅基消逝波激光器，实现了单模激射。该激光器阈值电流为25mA，10℃时最大输出功率为5.4mW，最高工作温度可达50℃。之后，他们又用类似办法在硅波导上制备了分布布拉格反射(DBR)光栅，实现了DBR硅基消逝波激光器，该激光器的阈值电流为65mA，最大输出功率为11mW。接着，该小组基于直接键合，先后在硅平台上完成了调制器、探测器、波分复用器等光电子元器件的制作。并于2010年，联合Intel将这些分立的光子学器件集成起来，设计制作了一个带宽为50Gbps的光互连收发模块。为了解决直接键合中绝缘键合界面的问题。2009年，北京大学的陈挺等人提出了通过选择区域生长键合金属的方法，将金属生长在耦合区域以外的硅波导两侧，从而不影响光的耦合。2012年，该小组又在键合界面上引入了一层透明导电的ITO，有效增加了键合界面一侧的导电能力。虽然ITO具有更好的导电性，但是其成本较高，使用不方便。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种通过光刻胶氧化锌键合的端面耦合III-V族和硅混合型激光器及其键合方法，其通过用溶胶-凝胶法合成的氧化锌，把氧化锌溶液旋涂在硅片上，在选择区域放置的光刻胶辅助下，把III-V族激光器键合到硅波导端口一侧，使得激光器发出的光通过端口耦合进入硅波导中。

本发明提出了一种端面耦合III-V族和硅混合型激光器的键合方法，其包括：

步骤1：在硅片上制作硅波导；

步骤2：在硅波导一端深刻蚀键合区域，该键合区域沿着所述硅波导一端的方向延伸第一尺寸，垂直于硅波导方向延伸第二尺寸；并在所述键合区域以所述硅波导中心为轴线，两端分别延伸第三尺寸形成键合区域中心平台，将所述键合区域中心平台以外的键合区域刻蚀一定深度的凹槽形成深刻蚀区域；

步骤3：在表面旋涂氧化锌，并加热预定时间后去除溶剂，之后再旋涂光刻胶，光刻曝光后显影去除所述深刻蚀区域的光刻胶，之后腐蚀掉所述深刻蚀区域的氧化锌；

步骤4：在表面旋涂光刻胶，进行光刻曝光后，显影去除深刻蚀区域以外的光刻胶；

步骤5：将III-V族激光器用键合到所述深刻蚀区域，出射端口对准硅波导的入射端口。

本发明还提出了一种利用上述方法键合形成的端面耦合III-V族和硅混合型激光器器件结构，其包括：

硅波导；

波导刻蚀区域，其上形成有硅波导；

键合区域中心平台，其位于所述硅波导的一端；