[发明专利]硅基单片集成激光器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域和光电集成领域，特别是涉及一种硅基单片集成激光器及其制作方法。

背景技术

随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。

硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光功能器件，如硅基激光器、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等。近十年来硅基电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等器件都得到了快速发展，硅基光电集成实用化面临的技术难题在于光源，由于硅是间接带隙半导体，发光效率低，带边吸收系数低，难以实现硅发光器件。

实现硅基片上光源的方案包括如下：

1)倒装芯片技术：即将各组件(电器件，无源器件，有源器件)在普通的衬底上分别制作，再将其放置在一起形成光电链路，通常用金或者焊锡凸块实现器件与衬底的键合，如图所示。这种方案的局限在于放置光电器件的时候需要很高的对准精度，特别是需要光波导或者光纤耦合的时候，对准精度需要高于1μm，这导致了高昂的成本和工艺的复杂。

2)键合技术：即直接或通过粘合层将硅片与III-V外延片键合，之后再进行工艺制作，如图1所示。这种方式既降低了对准精度的要求，也避免了直接生长带来的种种问题。直接键合是将硅片与III-V外延片键合是利用原子、分子间的范德瓦耳斯力将硅片与III-V外延片直接粘附在一起。由于需要键合表面非常接近，所以对键合表面的粗糙度和洁净度有很高要求，这也一定程度上提高了工艺的难度。而是用粘合层键合就可以降低键和表面粗糙度和洁净度的要求，极大地提高成功率。粘合层一般选用聚合物来实现，较为常用的是苯并环丁烯(divinylsiloxane benzocyclobutene，DVS-BCB)。一般粘合层需要加热固化，而固化的温度大多小于300℃，不会影响硅和III-V外延层的光学性质。

由于III-V族材料是键合在硅材料上方，因此需要设计一个光学耦合结构，将激光器发出的光引导到硅材料中。

3)异质外延技术：即直接在硅上生长III-V族化合物半导体材料。由于III-V材料和硅的晶格常数不匹配，直接外延生长是非常困难的，这会导致III-V材料很大的晶格缺陷，严重影响外延层的光学特性。虽然通过加入应力释放层可以部分缓解晶格失配造成的问题，异质生长中产生的污染问题依然难以解决。

随着技术的发展，SiGe在硅上的外延生长也得以实现，能够使外延Si逐渐向外延的Ge过渡，并且由于Ge材料的晶格常数与GaAs相近，人们逐渐开始研究通过Ge作为过渡层实现硅基外延生长III-V材料最终实现硅基激光器的途径，如图2所示。对于传统外延，由于III-V族材料是外延在SOI顶层硅材料上方，因此需要设计一个光学耦合结构，将激光器发出的光引导到硅材料中。不同混合集成技术对比特性如表1所示。

表1

基于以上所述，提供一种新型的硅基单片集成激光器及其制作方法实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基单片集成激光器及其制作方法，用于解决现有技术中激光器发出的光与硅材料对准结构较为复杂的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅基单片集成激光器的制作方法，所述制作方法包括：步骤1)，提供一SOI衬底，于所述SOI衬底表面制作图形掩膜；步骤2)，基于所述图形掩膜刻蚀所述SOI衬底的顶层硅及埋氧化硅层，形成直至所述SOI衬底的衬底硅的限向结构；步骤3)，于限向结构内的衬底硅表面生长Ge外延层，作为III-V族材料外延的基底，所述图形掩膜使得顶层硅上无法生长Ge外延层；步骤4)，在Ge外延层上外延生长III-V族材料，通过外延工艺控制Ge厚度和III-V族材料的厚度，使得III-V族材料发光层与SOI衬底的顶层硅层在高度方向上精确对准。