集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件及制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及到一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件及制造方法。

背景技术

伴随着海量数据时代的来临，数据传输难题将越来越大，硅光子是目前看起来最为有效的方法。但是硅光子的实用化仍面临的一大技术难题，那就是光源，这是由于硅是间接带隙材料，难以实现硅发光器件。而Ⅲ-Ⅴ族激光器已经实现了商业化，因此将Ⅲ-Ⅴ族材料集成到硅上是解决片上集成光源的一大途径。

目前将Ⅲ-Ⅴ族激光器集成到硅光芯片上的方法主要有：1)片间混合集成技术，但是集成度不高，且本质上还属于微封装技术；2)片上倒装焊技术，此方法可以将制备好的激光器芯片倒装焊到硅光芯片上，需要精确对准，耗费大量时间；3)片上键合异质集成技术，此方法直接将Ⅲ-Ⅴ族材料键合到硅光芯片上再进行激光器的制作，此方法开发难度大，良品率难以控制；4)片上直接生长异质集成技术，是最接近于CMOS集成工艺的异质集成技术，适合大规模量产，但是将Ⅲ-Ⅴ族材料生长到硅衬底上存在有晶格常数不匹配、热膨胀系数不匹配、极性不兼容的问题。

为提高Ⅲ-Ⅴ族材料的生长质量，可通过在硅上制作某些图形(如V形槽)来作为Ⅲ-Ⅴ族材料的生长面，降低材料的缺陷。如使用标准的SOI晶圆，若要使Ⅲ-Ⅴ族激光器的发光层对准硅光波导，则需要在SOI晶圆上开槽，然后在槽底制作可以降低Ⅲ-Ⅴ族材料外延生长缺陷的图形，这种情况下由于要在高台阶差的晶圆上进行凹槽内关键图形的曝光工艺，难以制作精细的图形。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件及制造方法，旨在解决目前在硅光器件上集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的制造难度大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件，包括由下至上的硅衬底A、第一氧化层、硅器件层和第二氧化层；其中，所述硅衬底A包括刻蚀区和非刻蚀区；所述刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层的区域外延生长量子点材料，制作得到Ⅲ-Ⅴ族激光器；所述非刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层之间配置有硅器件层制得的硅光器件。

可选的，所述量子点材料采用InAs/GaAs。

可选的，所述刻蚀区刻蚀有用于外延生长量子点材料的图形。

可选的，所述图形为若干条V形沟槽。

可选的，所述硅器件层采用注入离子的硅衬底B与硅衬底A键合。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件的制造方法，包括如下步骤：

S1：提供一硅衬底A；

S2：采用刻蚀工艺，在硅衬底A的刻蚀区刻蚀得到外延生长量子点材料的图形；

S3：在硅衬底A上沉积第一氧化层；

S4：提供一硅衬底B；

S5：利用硅衬底B与硅衬底A，在第一氧化层上制得硅器件层；

S6：利用硅器件层，制得硅光器件；

S7：在硅器件层上沉积第二氧化层；

S8：采用刻蚀工艺，在硅衬底A的刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层的区域开窗；

S9：在开窗区域外延生长量子点材料制作Ⅲ-Ⅴ族激光器。

可选的，所述量子点材料采用InAs/GaAs。

可选的，在沉积第一氧化层后，对第一氧化层进行化学机械抛光处理。

可选的，利用硅衬底B与硅衬底A，在第一氧化层上制得硅器件层，具体包括：利用智能剥离技术，将经过离子注入后的硅衬底B与硅衬底A进行键合，剥离掉剩余的硅，进行化学机械抛光处理后得到硅器件层。

可选的，所述图形为若干条V形沟槽。

可选的，所述外延的高度满足Ⅲ-Ⅴ族激光器的发光层与波导层相对应。

可选的，采用刻蚀工艺，在硅衬底A的刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层的区域开窗，具体包括：采用干法刻蚀，在硅衬底A的刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层区域开窗，保留少量第一氧化层；保留前述干法刻蚀时所覆盖的光刻胶，再采用湿法刻蚀，将剩余的第一氧化层刻蚀掉。

本发明提出了一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件及制造方法，该硅光器件包括由下至上的硅衬底A、第一氧化层、硅器件层和第二氧化层；其中，所述硅衬底A包括刻蚀区和非刻蚀区；所述刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层的区域外延生长量子点材料，制作得到Ⅲ-Ⅴ族激光器；所述非刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层之间配置有硅器件层制得的硅光器件。本发明通过预先在硅衬底上制作需要的图形，并在硅光器件制作完成后，在需要生长Ⅲ-Ⅴ族材料的地方打开窗口，进行Ⅲ-Ⅴ族材料的外延和激光器的制作，避免在深槽内进行精细图形的制作，降低工艺难度，解决了目前在硅光器件上集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的制造难度大的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例中集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件的结构示意图。

图2为本发明实施例中集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件制造方法的示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。

目前，在相关技术领域中，在硅光器件上集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的制造难度大。

为了解决这一问题，提出本发明的集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件及制造方法的各个实施例。本发明提供的集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件及制造方法，通过预先在硅衬底上制作需要的图形，并在硅光器件制作完成后，在需要生长Ⅲ-Ⅴ族材料的地方打开窗口，进行Ⅲ-Ⅴ族材料的外延和激光器的制作，避免在深槽内进行精细图形的制作，降低工艺难度。

参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件的示意图。

本实施例提供一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件，包括由下至上的硅衬底A、第一氧化层、硅器件层和第二氧化层。

具体而言，所述硅衬底A包括刻蚀区和非刻蚀区；所述刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层的区域外延生长量子点材料，制作得到Ⅲ-Ⅴ族激光器；所述非刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层之间配置有硅器件层制得的硅光器件。

在优选的实施例中，所述刻蚀区刻蚀有用于外延生长量子点材料的图形，图形为若干条V形沟槽。由此，通过预先在硅衬底上制作需要的图形，避免在深槽内进行精细图形的制作。

在优选的实施例中，所述硅器件层采用注入离子的硅衬底B与硅衬底A键合。由此，制得硅器件层，进而在硅器件层上进行硅光器件的制作。

在优选的实施例中，所述量子点材料采用InAs/GaAs。

容易理解的，将Ⅲ-Ⅴ族材料直接生长到硅衬底上存在有晶格常数不匹配、热膨胀系数不匹配、极性不兼容的问题，导致生长的Ⅲ-Ⅴ族材料出现较高的位错密度，从而影响器件的性能。

相关研究表明(J.Norman et al.,"Electrically pumped continuous wavequantum dot lasers epitaxially grown on patterned,on-axis(001)Si,"OptExpress,vol.25,no.4,pp.3927-3934,Feb 20 2017.)，如在晶面硅衬底上制作V形槽，可降低生长的Ⅲ-Ⅴ族材料的缺陷。如要实现Ⅲ-Ⅴ族激光器发光位置与在SOI晶圆上制作的硅光波导的对齐，则要首先在SOI晶圆上刻蚀形成一个深槽，此时在深槽的底部制作生长Ⅲ-Ⅴ族材料的图形是比较困难的。

在此基础上，本申请则要在硅衬底上预先制作精细图形结构，在后续适当工艺步骤下打开Ⅲ-Ⅴ族材料的外延窗口，避免在深槽内进行精细图形的制作，降低工艺难度。

本实施例中，提供一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件，通过预先在硅衬底上制作需要的图形，并在硅光器件制作完成后，在需要生长Ⅲ-Ⅴ族材料的地方打开窗口，进行Ⅲ-Ⅴ族材料的外延和激光器的制作，避免在深槽内进行精细图形的制作，降低工艺难度。

在优选的实施例中，本申请还提供了一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件的制造方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1：提供一硅衬底A；

S2：采用刻蚀工艺，在硅衬底A的刻蚀区刻蚀得到外延生长量子点材料的图形；

S3：在硅衬底A上沉积第一氧化层；

S4：提供一硅衬底B；

S5：利用硅衬底B与硅衬底A，在第一氧化层上制得硅器件层；

S6：利用硅器件层，制得硅光器件；

S7：在硅器件层上沉积第二氧化层；

S8：采用刻蚀工艺，在硅衬底A的刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层的区域开窗；

S9：在开窗区域外延生长量子点材料制作Ⅲ-Ⅴ族激光器。

在优选的实施例中，在沉积第一氧化层后，对第一氧化层进行化学机械抛光处理，得到平整的SiO

在优选的实施例中，在硅衬底A的刻蚀区刻蚀得到外延生长量子点材料的图形，具体为：若干条V行沟槽。

在优选的实施例中，所述量子点材料采用InAs/GaAs。

需要说明的是，在制备硅器件层时，利用智能剥离技术(I.Radu,A.Boussagol,A.Barthelemy,and S.Vincent,"Fundamentals of Wafer Bonding for SOI:FromPhysical Mechanisms Towards Advanced Modeling,"ECS Transactions,vol.16,no.8,pp.349-360,2008.)，将经过离子注入后的硅衬底B与硅衬底A进行键合，剥离掉剩余的硅，进行化学机械抛光处理后得到硅器件层。

由此，可在制得的硅器件层上进行硅光器件的制作，在此之后，在硅器件层上沉积SiO

需要说明的是，在对硅衬底A的刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层的区域开窗时，具体包括：采用干法刻蚀，在硅衬底A的刻蚀区对应的第一氧化层和第二氧化层区域开窗，保留少量第一氧化层；再采用湿法刻蚀，将剩余的第一氧化层刻蚀掉(包括刻蚀区上和刻蚀区中预先制作图形中的SiO

本实施例中，仅通过调节外延高度即可实现，外延生长InAs/GaAs量子点材料制作Ⅲ-Ⅴ族激光器满足发光层与波导层相对应。

容易理解的，本实施例通过预先在硅衬底上制作需要的图形，避免在深槽内进行精细图形的制作，然后按照智能剥离技术原理，通过氧化层沉积、氢离子注入富集形成氢离子层、键合、退火氢离子层断裂剥离、化学机械抛光等工艺步骤，将硅器件层转移到预先处理过的硅衬底上，制作硅光器件，沉积上包层。制作完成硅光器件后，在需要生长Ⅲ-Ⅴ族材料的地方打开窗口，进行Ⅲ-Ⅴ族材料的外延和激光器的制作。

在本实施例中，提供了一种集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件及制造方法，通过预先在硅衬底上制作需要的图形，并在硅光器件制作完成后，在需要生长Ⅲ-Ⅴ族材料的地方打开窗口，进行Ⅲ-Ⅴ族材料的外延和激光器的制作，避免在深槽内进行精细图形的制作，降低工艺难度，解决了目前在硅光器件上集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的制造难度大的技术问题。

本发明集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件制造方法的其他实施例或具体实现方式可参照上述各集成Ⅲ-Ⅴ族激光器的硅光器件实施例，此处不再赘述。

以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。