一种背向集成激光器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种背向集成激光器件的制造方法，硅光晶圆工艺包括：对SOI晶圆进行前段工艺，形成耦合波导，在硅光后段工艺中，在激光器耦合波导两侧沉积互联金属；将SOI晶圆与载体晶圆进行键合；去除SOI晶圆上的衬底，将SOI晶圆上的BOX层减薄至目标值；于波导两侧沉积互联金属相应位置制作电连接孔或槽，露出全部或部分互联金属，沉积n型III‑V接触金属的种子层；III‑V外延片上电极工艺步骤包括：于外延片上与硅光晶圆电连接孔或槽相匹配位置制造出金属电极；硅光晶圆工艺和III‑V外延片上电极工艺完成后，将硅光晶圆与III‑V外延片进行插入键合。本发明专利技术的一种背向集成激光器件的制造方法，在底部形成n型III‑V的接触电极，降低器件电阻，提高器件效率，降低缺陷复合，提高器件载流子注入效率。

【技术实现步骤摘要】
一种背向集成激光器件及其制造方法
本专利技术涉及硅基异质集成激光器件
，特别是一种背向集成激光器件及其制造方法。
技术介绍
背向集成激光器件例如III-V材料异质集成激光器被认为是硅基片上光源的一种解决方案。而以CEA-Leti为代表的背向式激光器件集成方法，能够与原有硅光前后段工艺兼容。与传统III-V激光器一样，异质集成激光器的性能受到器件串联电阻、缺陷态非辐射复合以及热效应等因素的制约，容易导致异质集成激光器输出小、效率低，同时耗能较大。如何实现高效片上集成激光器，一直是人们的研究重点。而现有技术中，一般是硅光器件制作完成后，激光器与其进行键合，最后再对III-V材料图形化处理，形成接触电极。其存在如下缺陷：1、Ⅲ-V激光器件性能受热效应影响较大。上述集成结构中，受限于激光器与载体晶圆之间较厚的SiO2，激光器的散热受限，容易造成激光器阈值电流的增大和输出功率的降低；2、上述激光器件结构中，由于n型半导体层厚度较薄（大约100nm），且横向长度较长（大约10μm），成为器件中电阻的主要来源。较高的电阻容易产生更多的焦耳热，不利于器件的性能提升；3、相关电极的制作，涉及到有源区的刻蚀，容易在有源区的刻蚀端面引入缺陷，在载流子注入过程中，造成非辐射复合，降低电流注入效率。因此，期望提供一种背向集成激光器件及其制造方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种背向集成激光器件的制造方法，与传统键合技术相比，可以缓解键合工艺热预算的限制，可在一定程度上减少接触电阻，降低III-V工艺的复杂性。为达到上述专利技术的全部或部分目的，提供一种背向集成激光器件，包括基底、所述基底内设的波导结构、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底键合，有源激光器件上部设有第一金属电极，其特征在于，所述基底内设有第二金属电极结构，所述第二金属电极结构位于波导结构两侧且与波导结构不接触；所述第二金属电极结构上方全部或部分覆盖有有源层，所述第二金属电极结构包括互联金属层和电极金属层，所述第二金属电极结构由预先制备好的所述电极金属层插入互联金属层上方的凹槽中并与所述互联金属层导通制得的。本专利技术情况下，所述第二金属电极结构位于有源器件侧边正下方。本专利技术还涉及一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，包括对SOI晶圆制造工艺和外延片制造工艺。所述SOI晶圆制造工艺为：第一步，对SOI晶圆进行前段工艺，与氧化硅层内形成波导结构，在硅光后段工艺中，在波导结构两侧挖槽沉积互联金属层；第二步，将SOI晶圆与载体晶圆进行键合；去除SOI晶圆上硅衬底层，于互联金属层相应位置挖凹槽至互联金属层；外延片制造工艺为：于外延片上有源层一侧表面与所述互联金属层相应位置形成电极金属层；将经所述SOI制造工艺后的晶圆二氧化硅层面和外延片制造工艺后电极金属层一面键合，使得互联金属层和电极金属层导通形成第二金属电极结构；形成有源激光器件，于有源激光器件上端制作金属电极形成第一金属电极。本专利技术中需要说明的是所述SOI晶圆制造工艺步骤和所述外延片制造工艺步骤顺序可以根据实际需要整体调整或者任意部分调整。例如可以先把所述SOI晶圆制造工艺全部履行完毕再进行外延片制造工艺，也可以同步进行；还可以时间上穿插进行。经过本专利技术所述步骤后，所述有源层全部或部分覆盖第二金属电极结构。也就是说有源区的刻蚀端面位于激光器件侧面接触面之外，可有效降低有源区端面缺陷造成的非辐射复合，提高载流子注入效率。上述于互联金属层相应位置挖凹槽至互联金属层工艺后，还可以包括：凹槽内形成金属种子层，所述种子层可以让互联金属层与电极金属层更好的导通，降低缺陷。金属种子层的材料可以为Ti,Ni，TiGe,TiP，NiGe,Ni2P，AuGeNi等一种或者任意种组合。本专利技术中挖的所述凹槽也可以是孔，为了描述的方便，本申请统一以槽来代替。为了更好的方便键合和沉积种子层，所述凹槽横截面优选为上大下小的倒梯形结构。所述电极金属层形成的具体工艺包括：沉积金属层，与所述互联金属层相应位置通过光刻、蚀刻工艺形成所述电极金属层。所述电极金属层材料为Ti、Ni、TiGe、TiP、NiGe、Ni2P、AuGeNi中的任一或任意组合。所述SOI制造工艺和外延片制造工艺完成后晶圆二氧化硅层面和极金属层进行插入键合，使得外延片上所述金属层插入晶圆连接孔或槽中；后续还可进行退火工艺，其中，退火温度为200~400℃，可以进一步提高键合后的效果。本专利技术的一种背向集成激光器件的制造方法，与现有技术相比具有以下优点：（1）本专利技术采用背向式激光器集成方案，通过改变电极的制作顺序，形成底部电极。减小器件中电阻；据估算，器件的总电阻可降低为原来的66%，可以降低器件产生的焦耳热，提高器件效率；（2）底部电极的制作，可使得有源区的刻蚀端面位于于激光器件侧面接触面之外，可有效降低有源区端面缺陷造成的非辐射复合，提高载流子注入效率；（3）底部电极的制作，与原有的互联金属一起，可形成金属散热通道，降低器件的热阻抗，从而改善器件热性能。附图说明图1为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S1处理后的产品结构示意图；图2为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S2处理后的产品结构示意图；图3为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S3处理后的产品结构示意图；图4为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S4处理后的产品结构示意图；图5为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤S5处理后的产品结构示意图；图6为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤A1处理后的产品结构示意图；图7为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤A2处理后的产品结构示意图；图8为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤B1处理后的产品结构示意图；图9为本实施例的一种背向集成激光器件的制造方法中步骤B2处理后的产品结构示意图；图10为本实施例的背向集成激光器件的预先沉积电极的器件n型III-V横向长度标注图；图11为本实施例的背向集成激光器件的预先沉积电极的器件示意图；图12为本实施例的背向集成激光器件的预先沉积电极的器件的散热通道示意图；图13为传统的激光器件背向集成工艺中步骤C1处理后的产品结构示意图；图14为传统的激光器件背向集成工艺中步骤C2处理后的产品结构示意图；图15为传统的激光器件背向集成工艺中步骤C3处理后的产品结构示意图；图16为传统的激光器件背向集成工艺中步骤C4处理后的产品结构示意图；图17为传统的激光器件背向集成工艺中步骤C5处理后的产品结构示意图；图18为传统的激光器件背向集成工艺中的器件横向长度标注图；图19为传统的激光器件背向集成工艺的器件示意图。附图标记：1-载体晶圆；2-SiO2层；3-互联金属层；4-波导结构；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种背向集成激光器件，包括基底、所述基底内设的波导结构、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底键合，有源激光器件上部设有第一金属电极，其特征在于，所述基底内设有第二金属电极结构，所述第二金属电极结构位于波导结构两侧且与波导结构不接触；所述第二金属电极结构上方全部或部分覆盖有有源层，所述第二金属电极结构包括互联金属层和电极金属层，所述第二金属电极结构由预先制备好的所述电极金属层插入互联金属层上方的凹槽中并与所述互联金属层导通制得的。/n

【技术特征摘要】
1.一种背向集成激光器件，包括基底、所述基底内设的波导结构、有源激光器件，有源激光器件通过半导体材料层与基底键合，有源激光器件上部设有第一金属电极，其特征在于，所述基底内设有第二金属电极结构，所述第二金属电极结构位于波导结构两侧且与波导结构不接触；所述第二金属电极结构上方全部或部分覆盖有有源层，所述第二金属电极结构包括互联金属层和电极金属层，所述第二金属电极结构由预先制备好的所述电极金属层插入互联金属层上方的凹槽中并与所述互联金属层导通制得的。


2.根据权利要求1所述的一种背向集成激光器件，其特征在于，所述第二金属电极结构位于有源器件侧边正下方。


3.一种背向集成激光器件的制造方法，其特征在于，包括对SOI晶圆制造工艺和外延片制造工艺；
所述SOI晶圆制造工艺为：第一步、对SOI晶圆进行前段工艺，与氧化硅层内形成波导结构，在硅光后段工艺中，在波导结构两侧挖槽沉积互联金属层；第二步、将SOI晶圆与载体晶圆进行键合；去除SOI晶圆上硅衬底层，于互联金属层相应位置挖凹槽至互联金属层；
外延片制造工艺为：于外延片上有源层一侧表面与所述互联金属层相应位置形成电极金属层；
将经所述SOI制造工艺后的晶圆二氧化硅层面和外延片制造工艺后电极金属层一面键合，使得互联金属层和电极金属层导通形成第二金属电极结构；形成有源激光器件，于有源激光器件上端制作金属电极形成第一金属电极。

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【专利技术属性】
技术研发人员：翟文豪，刘思旸，张燕，
申请(专利权)人：联合微电子中心有限责任公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50