石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法
【專利摘要】一種石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，包括如下步驟：在SOI片的頂層硅上制作硅波導(dǎo)；在制作完硅波導(dǎo)的SOI片上制作石墨烯選區(qū)光柵，形成基片；進(jìn)行金屬剝離，得到鍵合前的SOI部分；在一襯底上依次外延生長下分離限制層、有源區(qū)和上分離限制層，形成外延片；刻蝕脊形波導(dǎo)；蒸鍍一層金屬，金屬剝離，得到光耦合窗口和金屬電極；減薄襯底，制作背金屬電極；利用選區(qū)金屬鍵合，完成制作。本發(fā)明工藝簡單，低散射損耗，是純增益的DFB硅基混合激光器單模效果好。
【專利說明】石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯增益耦合分布反饋式(DFB)硅基混合激光器的制造方法，其制作工藝簡單，成本低，可靠性高，該耦合分布反饋式硅基混合激光器是純增益的，并降低單模激光器的損耗。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著硅光子學(xué)各分立器件的成熟，硅基光互連逐漸成為研究的熱點，但是缺少有效的硅基光源成為光電子器件集成道路上的最大障礙。原因是硅材料本身是間接帶隙，發(fā)光效率低，因此必須尋求特殊結(jié)構(gòu)或者結(jié)合其他材料來實現(xiàn)硅基光源。
[0003]廣義的娃基光源按發(fā)光材料的不同分為娃材料體系發(fā)光的光源和其他發(fā)光材料與硅的混合光源。硅材料體系光源包括納米硅體系光源和硅基拉曼激光，但均未能實現(xiàn)電泵激光。其他發(fā)光材料與娃的混合光源包括:娃基有機電致發(fā)光、娃中摻入雜質(zhì)或缺陷等形成發(fā)光中心、半導(dǎo)體納米線-硅異質(zhì)結(jié)電致發(fā)光、硅上外延化合物半導(dǎo)體發(fā)光、鍵合硅基激光。其中前三種雖然實現(xiàn)較高效率電致發(fā)光，但用于光互連還有較大距離。硅基外延生長激光器，由于晶格失配(InP/Si失配8%，GaAs/Si失配4%)的問題，會引入大量的缺陷和位錯，有源層材料質(zhì)量不高，這種方法制備的硅基激光器效率較低而且壽命較短，而且很厚的緩沖層也成本太高。硅基鍵合是一種很好的解決不同材料晶格失配問題的方法，除了鍵合界面處的極薄層之外，不會在材料中引入大量缺陷和位錯，是目前實現(xiàn)硅基激光最可行、最經(jīng)濟的方法。
[0004]鍵合的激光器中一個重要的方向就是獲得良好的單模激光器。在2006年Intel與UCSB合作研究組報道了第一只電泵浦DFB硅基混合激光器，該器件通過在硅波導(dǎo)上制作帶有λ /4相移的光柵得到單模，結(jié)構(gòu)緊湊，不需要與光波導(dǎo)進(jìn)行耦合對準(zhǔn)，很容易和其他硅光子器件集成。這種方法采用電子束曝光制作光柵且其中還加入了 λ/4相移，這無疑增加了制作成本和工藝難度。
[0005]我們知道增益耦合DFB激光器，在布拉格波長處有基本解，因而不需要引入入/4的相移。我們將石墨烯轉(zhuǎn)移到SOI的硅波導(dǎo)上制作光柵后鍵合，由于石墨烯是二維材料，厚度非常小，單層石墨烯的厚度不足lnm，石墨烯對于器件的有效折射率基本不會產(chǎn)生影響，因而可以認(rèn)為該DFB硅基混合激光器是純增益的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，II1-V族材料是一種很好的發(fā)光材料，Si是一種很好的波導(dǎo)材料，采用鍵合方法把它們結(jié)合起來解決了直接外延引入的材料晶格失配問題。本發(fā)明通過在硅波導(dǎo)上制作一定尺寸的石墨烯光柵，利用石墨烯光柵周期性的吸收特性來實現(xiàn)純增益耦合的DFB硅基混合激光器，最終得到單模激射，具有低成本、工藝簡單、高可靠性等優(yōu)點。由于石墨烯為二維材料，其對光的吸收也很弱，相較于在硅波導(dǎo)上制作光柵的散射損耗，該純增益耦合的單模激光器的損耗也應(yīng)該更低。
[0007]本發(fā)明提供一種石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:在SOI片的頂層硅上制作硅波導(dǎo)；
[0009]步驟2:在制作完硅波導(dǎo)的SOI片上制作石墨烯選區(qū)光柵，形成基片；
[0010]步驟3:在基片的上表面蒸鍍一層金屬，利用金屬剝離的方法，將硅波導(dǎo)上的金屬及兩側(cè)的部分金屬剝離，形成過量金屬容納區(qū)和金屬鍵合區(qū)，金屬鍵合區(qū)位于過量金屬容納區(qū)的外側(cè)，形成鍵合前的SOI部分；
[0011]步驟4:取一襯底，在該襯底上采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法依次生長下分離限制層、有源區(qū)和上分離限制層，形成外延片；
[0012]步驟5:對外延片進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度到達(dá)襯底，在其上采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法生長接觸層，形成掩埋脊結(jié)構(gòu)，掩埋脊結(jié)構(gòu)中間的凸起為脊形波導(dǎo)；
[0013]步驟6:在掩埋脊結(jié)構(gòu)的上表面蒸鍍一層金屬，利用金屬剝離的方法，將脊形波導(dǎo)上面及其兩側(cè)的部分金屬剝離，在該脊形波導(dǎo)兩側(cè)形成光耦合窗口和金屬電極，金屬電極位于光稱合窗口的外側(cè)；
[0014]步驟7:減薄襯底，在襯底的背面制作背金屬電極，形成鍵合前的激光器部分；
[0015]步驟8:利用選區(qū)金屬鍵合的方法將步驟7得到的鍵合前的激光器部分倒扣鍵合到步驟得到的鍵合前的SOI部分上，完成石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制作。
[0016]本發(fā)明的有益效果是成本低廉，工藝簡單，低散射損耗，是純增益的DFB硅基混合激光器單模效果好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合說明書附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做詳細(xì)的描述，其中:
[0018]圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0019]圖2為在SOI片的頂層硅上制作完硅波導(dǎo)后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為在硅波導(dǎo)上制作完石墨烯選區(qū)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為鍵合前的SOI部分的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5為外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6為掩埋脊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖7為鍵合前的激光器部分的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖8為石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0026]請參閱圖1并結(jié)合參閱圖2-圖8所示，詳細(xì)闡述了本發(fā)明一種石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法。下面介紹具體實施方案:
[0027]步驟1:在SOI片的頂層硅上用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)制作硅波導(dǎo)1，其中硅波導(dǎo)的寬度為2 μ m-5 μ m，高度為120nm_500nm，如圖2所示；
[0028]步驟2:將大面積的石墨烯轉(zhuǎn)移到做完硅波導(dǎo)I的SOI片上，轉(zhuǎn)移的石墨烯的層數(shù)為1-5層。利用時域有限差分(FDTD)軟件計算石墨烯增益耦合分布反饋式激光器的有效折射率neff，給定目標(biāo)波長λ，帶入公式Λ = λ/2η@，得到石墨烯光柵的周期Λ。在鋪完石墨烯的SOI片上，利用全息曝光或者電子束刻蝕制作周期為Λ的光柵，光柵的占空比范圍為0.2-0.8。將做光柵的SOI放入反應(yīng)離子刻蝕(RIE)中打氧，能量為10W，劑量為30標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分(sccm)，打氧時間為30s，取出后泡丙酮去除光柵的光刻膠，得到整片帶有石墨烯光柵的SOI片子。在做完石墨烯光柵的SOI片子上均勻的涂上一層光刻膠，利用石墨烯圖形的光刻板，對石墨烯圖形以外的地方進(jìn)行曝光。對曝光后的SOI片子進(jìn)行顯影，并打氧，能量為10W，劑量為30標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分(sccm)，打氧時間為30s，將沒有光刻膠保護(hù)的區(qū)域中的石墨烯光柵打掉，而有光刻膠保護(hù)的區(qū)域中的石墨烯光柵得以保留。去除剩余的光刻膠，并清洗，得到石墨烯選區(qū)光柵2，形成基片。石墨烯選區(qū)光柵2寬度范圍為2 μ m-20 μ m0石墨烯選區(qū)光柵2的長度滿足κ L乘積的范圍為1_2.5,其中κ為稱合常數(shù)，L為光柵長度。如圖3所示；
[0029]步驟3:在基片的上表面光刻出圖形掩膜，然后大面積蒸鍍一層金屬，將硅波導(dǎo)I上的金屬及兩側(cè)的部分金屬剝離，形成過量金屬容納區(qū)3和金屬鍵合區(qū)4，金屬鍵合區(qū)4位于過量金屬容納區(qū)3的外側(cè)。在硅波導(dǎo)I兩側(cè)預(yù)留的過量金屬容納區(qū)3，是為了防止鍵合過程中鍵合金屬流向硅波導(dǎo)1，避免金屬對光的吸收。由于金屬在鍵合過程中流動，最終將消除金屬鍵合區(qū)4與硅波導(dǎo)I的高度差，使激光器中的光能更高效的耦合到硅波導(dǎo)中。該過量金屬容納區(qū)3的寬度為2-10 μ m,金屬鍵合區(qū)4材料為AuGeNi/In/Sn，形成鍵合前的SOI部分。如圖4所示；
[0030]步驟4:取一襯底5，在該襯底5上采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)依次生長下分離限制層6、有源區(qū)7和上分離限制層8，形成外延片。如圖5所示；
[0031]步驟5:光刻后用Br: H20 = I: I溶液對外延片進(jìn)行濕法刻蝕形成脊波導(dǎo)，刻蝕為時間30-40S，刻蝕深度到達(dá)襯底5，清洗后在其上采用低壓金屬有機物化學(xué)氣相沉積法(LP-MOCVD)生長接觸層9，接觸層的厚度為500nm，形成掩埋脊結(jié)構(gòu)，如圖6所示；
[0032]步驟6:對掩埋脊結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻后，在掩埋脊結(jié)構(gòu)的上表面蒸鍍一層金屬，利用金屬剝離的方法，將脊形波導(dǎo)上面及其兩側(cè)的部分金屬剝離，在該脊形波導(dǎo)兩側(cè)形成光耦合窗口 10和金屬電極11。金屬電極11位于光稱合窗口 10的外側(cè)，金屬電極11的材料為AuGeNi，厚度為200-400nm。該光耦合窗口 10的寬度與鍵合前的SOI部分的金屬鍵合區(qū)4的寬度相同；
[0033]步驟7:減薄襯底5，在襯底5的背面制作背金屬電極12，背金屬電極12的材料為AuZn，厚度為200-400nm，形成鍵合前的激光器部分。其中，激光器結(jié)構(gòu)總厚度為130 μ m-150 μ m，足以保證在加熱加壓的鍵合過程不碎裂，提高鍵合成品率。鍵合前的激光器部分激射波長范圍為300nm-2500nm，如圖7所示；
[0034]步驟8:利用選區(qū)金屬鍵合的方法將步驟7得到的鍵合前的激光器部分倒扣鍵合到步驟3得到的鍵合前的SOI部分上，完成石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制作。選區(qū)金屬鍵合是將鍵合前的激光器部分的金屬電極11和光耦合窗口 10分開，從而避免了鍵合金屬對光的吸收，鍵合溫度為150-210°C，壓力大約為0.1N，環(huán)境為氮氣保護(hù)，時間只需要2min。鍵合使用專業(yè)的金屬鍵合機完成。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，包括如下步驟: 步驟1:在SOI片的頂層硅上制作硅波導(dǎo)； 步驟2:在制作完娃波導(dǎo)的SOI片上制作石墨稀選區(qū)光棚，形成基片； 步驟3:在基片的上表面蒸鍍一層金屬，利用金屬剝離的方法，將硅波導(dǎo)上的金屬及兩側(cè)的部分金屬剝離，形成過量金屬容納區(qū)和金屬鍵合區(qū)，金屬鍵合區(qū)位于過量金屬容納區(qū)的外側(cè)，形成鍵合前的SOI部分； 步驟4:取一襯底，在該襯底上采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法依次生長下分離限制層、有源區(qū)和上分離限制層，形成外延片； 步驟5:對外延片進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度到達(dá)襯底，在其上采用金屬有機物化學(xué)氣相沉積法生長接觸層，形成掩埋脊結(jié)構(gòu)，掩埋脊結(jié)構(gòu)中間的凸起為脊形波導(dǎo)； 步驟6:在掩埋脊結(jié)構(gòu)的上表面蒸鍍一層金屬，利用金屬剝離的方法，將脊形波導(dǎo)上面及其兩側(cè)的部分金屬剝離，在該脊形波導(dǎo)兩側(cè)形成光耦合窗口和金屬電極，金屬電極位于光率禹合窗口的外側(cè)； 步驟7:減薄襯底，在襯底的背面制作背金屬電極，形成鍵合前的激光器部分； 步驟8:利用選區(qū)金屬鍵合的方法將步驟7得到的鍵合前的激光器部分倒扣鍵合到步驟得到的鍵合前的SOI部分上，完成石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，其中轉(zhuǎn)移的石墨烯選區(qū)光柵的石墨烯層數(shù)為1-5層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，其中石墨烯選區(qū)光柵的光柵周期Λ = λ/2Μ--，其中nrff為器件的有效折射率，λ為激光器的目標(biāo)波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，其中石墨烯選區(qū)光柵的制作方法包括全息曝光和電子束刻蝕。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，其中所述的石墨稀選區(qū)光棚的占空比范圍為0.20.8。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，其中石墨烯選區(qū)光柵寬度范圍為2 μ m-20 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，其中石墨烯選區(qū)光柵的長度滿足K L乘積的范圍為1-2.5,其中K為稱合常數(shù)，L為光柵長度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯增益耦合分布反饋式硅基混合激光器的制造方法，其中鍵合前的激光器部分激射波長范圍為300nm-2500nm。
【文檔編號】H01S5/028GK104319630SQ201410593915
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】任正良, 闞強, 袁麗君, 潘教青, 王圩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所