一种聚合物辅助键合的混合型激光器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚合物辅助键合的混合型激光器及其制备方法。混合型激光器包括：带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构；带有自然解理形成法布里‑波罗腔的Ⅲ‑Ⅴ族激光器；Ⅲ‑Ⅴ族激光器位于硅基波导微腔结构之上，二者通过PVA辅助键合材料键合，Ⅲ‑Ⅴ族激光器的n型衬底接触硅基波导微腔结构上的ITO透明导电层，通过在金属电极和ITO上施加电压使得Ⅲ‑Ⅴ族激光器实现电学泵浦。该制备方法包括：制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构；制作Ⅲ‑Ⅴ族激光器，并对Ⅲ‑Ⅴ族激光器的衬底进行减薄；对硅基波导微腔结构上的聚合物进行聚合物软化，增加聚合物的粘度，并将Ⅲ‑Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合。

Polymer assisted bonding type hybrid laser and preparation method thereof

The invention discloses a polymer assisted bonding type hybrid laser and a preparation method thereof. Hybrid laser includes a silicon waveguide with transparent conductive medium ITO microcavity structure; III V laser with a natural cleavage formation of Fabri Baltic chamber; III V laser on silicon waveguide microcavity structure, two by PVA assisted bonding material bonding, n substrate III V family contact laser silicon waveguide microcavity structure on the ITO transparent conductive layer, the voltage applied on the metal electrode and ITO to realize the electricity pump makes the III V laser. The preparation method comprises: preparing silicon waveguide with transparent conductive dielectric microcavity structure; making III V laser, and the substrate of III V of the laser thinning; on silicon waveguide microcavity structure on polymer polymer softening, increase the viscosity of the polymer, and on silicon substrate III V in waveguide laser with transparent conductive medium micro cavity structure, so that the two alignment bonding.

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物辅助键合的混合型激光器及其制备方法
本专利技术涉及混合激光器的键合
，尤其涉及了一种聚合物代替金属来辅助键合的Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅基波导微腔结构的混合型激光器及其制备方法。
技术介绍
硅基材料在现代半导体工艺中具有重要地位，其工艺最为成熟，应用最为广泛。但是，硅基材料的主要元素是硅，为间接带隙材料，发光效率低，不适合作为激光器光源。而Ⅲ-Ⅴ族半导体材料是直接带隙材料，如果在硅基上直接生长Ⅲ-Ⅴ族材料，由于晶格不匹配，生长困难，限制了Ⅲ-Ⅴ族激光器的发展。基于两种材料各自的优点，混合激光器成为一种较好的解决方案，目前制作混合激光器的常用方法是采用键合技术来组合两种材料。利用键合技术，将SOI(绝缘体上硅)硅基器件与Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器结合起来制作硅基光源，避免由于晶格常数不匹配造成器件性能降低，成功实现硅基法布里-波罗(FP)键合硅基激光器，分布式布拉格反射(DBR)激光器和分布式反馈(DFB)硅基单模FP腔激光器等激光器的激射发光。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的是提出一种聚合物辅助键合的Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅基波导微腔结构的混合型激光器及其制备方法，以实现Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅基波导微腔结构的键合(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，该方法包括：制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构；制作Ⅲ-Ⅴ族激光器，并对Ⅲ-Ⅴ族激光器的衬底进行减薄；对硅基波导微腔结构上的聚合物进行聚合物软化，增加聚合物的粘度，并将Ⅲ-Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合。上述方案中，所述制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构，具体包括：步骤101：对SOI片进行处理，使用硫酸双氧水进行清洗，清洗后的硅波导进行光刻，采用离子刻ICP进行刻蚀，形成带有阻挡结构的硅波导组合；步骤102：刻蚀生成硅波导后对晶片进行清洗，并进行台阶测试，测试后制作透明导电介质，作为和Ⅲ-Ⅴ族激光器进行接触的导电介质；步骤103：旋涂聚合物PVA在硅波导晶片全平面，在均匀旋涂的表面再次旋涂光刻胶进行曝光，光刻胶保护住器件之间的PVA，暴露出硅波导组合区域，经过显影后进行腐蚀处理；步骤104：将晶片浸泡在水中，利用PVA溶于水，可以被水腐蚀的性质，对被光刻胶选区的晶片进行腐蚀；被光刻胶保护的区域没有接触水溶液，只会发生侧蚀，而没有光刻胶保护的区域之间接触水溶液，在浸泡过程中被水溶液腐蚀去掉，依照曝光形成的图形形成选区覆盖；步骤105：形成选区后浸泡丙酮去除光刻胶，进行键合前的准备；聚合物PVA不溶于丙酮，而曝光所选择的光刻胶则很容易被丙酮去除；去除光刻胶后，聚合物PVA选区覆盖在没有波导区域，形成带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构。上述方案中，所述步骤102中所述制作透明导电介质，采用MOCVD或磁控溅射方法，透明导电介质为ITO。上述方案中，所述制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构，采用SOI材料，且SOI材料厚度在200nm-2um范围。上述方案中，该方法采用微环结构、微盘结构或光子晶体来代替所述硅基波导微腔结构。上述方案中，所述制作Ⅲ-Ⅴ族激光器，采用N型衬底或P型衬底的III-V族半导体有源材料，该N型衬底或P型衬底的III-V族半导体有源材料为InP基量子阱或量子点材料，或为GaAs基量子阱或量子点材料。上述方案中，所述制作Ⅲ-Ⅴ族激光器，是制作条形的Ⅲ-Ⅴ族激光器，其中条形Ⅲ-Ⅴ族激光器制作是采用曝光后进行湿法腐蚀或ICP刻蚀方法。所述条形Ⅲ-Ⅴ族激光器的波导宽度在500nm-100um之间，高度在200nm-3um之间。上述方案中，所述将Ⅲ-Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合，具体包括：先在常温下施压，增加键合强度，再升温加热固化聚合物，完成键合。上述方案中，所述聚合物采用PVA材料，其厚度在10-500um范围。为达到上述目的，本专利技术还提供了一种聚合物辅助键合的混合型激光器，该混合型激光器包括：带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构；以及带有自然解理形成法布里-波罗腔的Ⅲ-Ⅴ族激光器；其中，Ⅲ-Ⅴ族激光器位于硅基波导微腔结构之上，二者通过PVA辅助键合材料键合在一起，Ⅲ-Ⅴ族激光器的n型衬底接触硅基波导微腔结构上的ITO透明导电层，通过在金属电极和ITO上施加电压使得Ⅲ-Ⅴ族激光器实现电学泵浦。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提出的利用PVA辅助键合透明导电介质ITO，利用PVA绝缘和高粘度特性辅助键合Ⅲ-Ⅴ族激光器和硅基波导微腔结构，实现加电泵浦激射发光，并且激光耦合进入硅波导进行输出。这种结构的优点是操作简便，PVA是粘度高且无污染的绝缘键合材料，可以使得键合工艺键合温度降低，键合强度适中，可以避免短路的情况。硅基微腔在刻蚀过程中为了对辅助键合物质进行阻挡而设计的阻挡层可以在键合过程中形成空气流通结构，增加了激光器的散热，提高激光器性能。2、本专利技术提出的PVA选区覆盖的方法操作简便，工艺步骤简便，配合光刻胶曝光形成选区。由于PVA不溶于丙酮，可以进行类似湿法腐蚀的工艺方法，制作选区实现PVA的选区覆盖。该种方法节约时间，可操控性强，可以有效的缩短键合工艺时间，进而提高键合成功率。附图说明图1为依照本专利技术实施例的经过选区覆盖PVA后形成的带有透明导电介质ITO的硅波导结构示意图；图2为为依照本专利技术实施例的经过去除衬底后露出N型区域的衬底，可以与硅波导上的ITO产生接触的Ⅲ-Ⅴ族激光器；图3为为依照本专利技术实施例的键合后形成的正式混合激光器结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提出了一种聚合物辅助键合的Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅基波导微腔结构的混合型激光器及其制备方法，以绝缘聚合物材料代替金属作为辅助键合的材料，避免器件之间的导通。制作硅波导阻挡结构可以使得硅波导之间存在空气缝隙，可以辅助器件散热，避免加电后器件发热对器件性能造成影响。聚合物材料PVA溶于水，无污染，不溶于丙酮、酒精等有机溶剂，低温下即可固化形成高粘度键合，相对于金属键合的高温键合，对器件进行保护，防止在键合过程中器件过热影响器件性能。另外本专利技术提出的选区覆盖PVA的工艺方案，配合曝光，可以在PVA涂层上形成选区，起到掩膜的作用。将带有PVA涂层和曝光选区的SOI波导晶片放入水中进行溶解腐蚀，去掉波导区域表层的PVA涂层，暴露出带有透明导电介质ITO的硅波导结构，与Ⅲ-Ⅴ族激光器N型衬底接触键合，形成电极为激光器供电，实现电泵浦激射发光。透明导电介质在本专利技术中选择氧化铟锡合金(ITO)，这种材料是一种透明导电介质，可以作为Ⅲ-Ⅴ族激光器n型衬底一侧电极，实现激光器的电泵发光。ITO材料通过磁控溅射直接生长在刻蚀后的硅波导上，形成导电层，具有低电阻的优势。由于ITO材料是透明的，对于激光器的发光几乎没有吸收损失，不会使激光器的发光在传输途中被吸收。辅助键合的材料选择聚乙烯醇(PVA)，该种材料作为一种高粘度聚合物，具有溶于水，不溶于醇类等有机物质的特点，且PVA材料具有绝缘特性。起到阻挡电流防止短路的作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，该方法包括：制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构；制作Ⅲ‑Ⅴ族激光器，并对Ⅲ‑Ⅴ族激光器的衬底进行减薄；对硅基波导微腔结构上的聚合物进行聚合物软化，增加聚合物的粘度，并将Ⅲ‑Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合。

【技术特征摘要】
1.一种聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，该方法包括：制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构；制作Ⅲ-Ⅴ族激光器，并对Ⅲ-Ⅴ族激光器的衬底进行减薄；对硅基波导微腔结构上的聚合物进行聚合物软化，增加聚合物的粘度，并将Ⅲ-Ⅴ族激光器置于带有透明导电介质的硅基波导微腔结构之上，使二者对准键合。2.根据权利要求1所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结构，具体包括：步骤101：对SOI片进行处理，使用硫酸双氧水进行清洗，清洗后的硅波导进行光刻，采用离子刻ICP进行刻蚀，形成带有阻挡结构的硅波导组合；步骤102：刻蚀生成硅波导后对晶片进行清洗，并进行台阶测试，测试后制作透明导电介质，作为和Ⅲ-Ⅴ族激光器进行接触的导电介质；步骤103：旋涂聚合物PVA在硅波导晶片全平面，在均匀旋涂的表面再次旋涂光刻胶进行曝光，光刻胶保护住器件之间的PVA，暴露出硅波导组合区域，经过显影后进行腐蚀处理；步骤104：将晶片浸泡在水中，利用PVA溶于水，可以被水腐蚀的性质，对被光刻胶选区的晶片进行腐蚀；被光刻胶保护的区域没有接触水溶液，只会发生侧蚀，而没有光刻胶保护的区域之间接触水溶液，在浸泡过程中被水溶液腐蚀去掉，依照曝光形成的图形形成选区覆盖；步骤105：形成选区后浸泡丙酮去除光刻胶，进行键合前的准备；聚合物PVA不溶于丙酮，而曝光所选择的光刻胶则很容易被丙酮去除；去除光刻胶后，聚合物PVA选区覆盖在没有波导区域，形成带有透明导电介质ITO的硅基波导微腔结构。3.根据权利要求2所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤102中所述制作透明导电介质，采用MOCVD或磁控溅射方法，透明导电介质为ITO。4.根据权利要求1所述的聚合物辅助键合的混合型激光器的制备方法，其特征在于，所述制备带有透明导电介质的硅基波导微腔结...

【专利技术属性】
技术研发人员：许兴胜，秦璐，黎星云，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11