制備電泵硅基混合激光器的選區(qū)金屬鍵合方法

李艷平, 陶　利, 冉廣照, 陳娓兮

(北京大學(xué) 物理學(xué)院, 北京　100871)

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制備電泵硅基混合激光器的選區(qū)金屬鍵合方法

李艷平, 陶利, 冉廣照, 陳娓兮

(北京大學(xué) 物理學(xué)院, 北京100871)

為了解決制約硅基光電集成技術(shù)發(fā)展的硅基激光器等硅基光源的制備問(wèn)題,提出了一種新穎的選區(qū)金屬鍵合方法,解決了傳統(tǒng)金屬鍵合方法中光吸收損耗嚴(yán)重的問(wèn)題,并實(shí)現(xiàn)了直接鍵合方法中的高效率光耦合。該方法具有工藝簡(jiǎn)單,環(huán)境要求低,電、熱和機(jī)械性能優(yōu)越,鍵合溫度低、時(shí)間短,能夠有選擇性地將很小的單元結(jié)構(gòu)鍵合到硅基芯片上等優(yōu)點(diǎn)。該方法也可用于鍵合光探測(cè)器和光放大器等其他分立器件。

硅基激光； 選區(qū)金屬鍵合； III-V族材料； 光互連

隨著硅基光電集成技術(shù)的發(fā)展,光調(diào)制器、光波導(dǎo)、光探測(cè)器等分立器件已實(shí)現(xiàn)了與硅微電子電路的混合集成[1]。然而由于硅為間接帶隙半導(dǎo)體,帶間載流子復(fù)合發(fā)光效率低,一般純度、普通結(jié)構(gòu)的硅的發(fā)光效率只有10-4～10-5%,不能由硅直接制作高效的發(fā)光器件[2-3]。所以制作性能穩(wěn)定的硅基激光器已成為阻礙硅基光電集成發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

與間接帶隙的硅材料不同,大多數(shù)III-V族化合物半導(dǎo)體為直接帶隙材料,具有優(yōu)良的發(fā)光性能,其材料制備、器件制作已經(jīng)成熟。因此,人們想通過(guò)將III-V族材料優(yōu)秀的發(fā)光能力“嫁接”到硅材料上的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光[4]。最初想到的方法是在硅上直接外延生長(zhǎng)III-V族材料,但由于大的晶格失配(InP/Si為7.8%,GaAs/Si為4%)問(wèn)題,在硅上直接外延生長(zhǎng)的III-V族材料通常含有很高的位錯(cuò)密度(106cm-2或更高),使得材料特性劣化,制作出的器件抽運(yùn)閾值高,工作穩(wěn)定性差[1,5]。所以,這種制備方法逐漸被人們淡漠,而轉(zhuǎn)向采用鍵合方法。

鍵合(bonding)能夠很好地解決不同材料間的晶格失配問(wèn)題,除了極薄的(nm級(jí)) 鍵合界面層外,鍵合方法幾乎不會(huì)在材料中引入缺陷和位錯(cuò),使發(fā)光器件與微電子器件的硅基光電混合集成成為可能[6],鍵合方法是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化硅基光源的最有效方法。

1　鍵合方法介紹

根據(jù)是否需要借助鍵合媒介,鍵合方法可分為直接鍵合和有中間層的鍵合。有中間層的鍵合再根據(jù)鍵合媒介的不同又分為金屬鍵合和絕緣鍵合。

(1) 金屬鍵合。是指借助純金屬或合金,依靠金屬鍵、金屬熔融或金屬與材料間的擴(kuò)散等作用將兩種材料或器件結(jié)合在一起。金屬鍵合的優(yōu)點(diǎn)是熱應(yīng)力小、熱導(dǎo)率高、導(dǎo)電性好、對(duì)工藝要求較低,缺點(diǎn)是金屬對(duì)可見(jiàn)光和近紅外波段的光有強(qiáng)烈的吸收作用,致使發(fā)光較弱,這是長(zhǎng)期以來(lái)制約金屬鍵合發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

(2) 絕緣鍵合。是指使用氧化物、氮化物或者有機(jī)材料,如苯并環(huán)丁烯(BCB),聚酰亞胺等作為界面材料的一種鍵合方法。絕緣鍵合具有工藝簡(jiǎn)單、鍵合溫度低、鍵合強(qiáng)度高、成本低、能夠容忍一定程度的粗糙度以及與CMOS工藝相兼容的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是導(dǎo)熱導(dǎo)電性能不好、熱穩(wěn)定性較差、導(dǎo)致器件壽命較短。同時(shí)絕緣鍵合的光耦合問(wèn)題也在很大程度上限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

(3) 直接鍵合。是指不需要界面材料,將兩種材料直接鍵合在一起的一種方法。直接鍵合的優(yōu)點(diǎn)是可以形成類(lèi)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱性能好,然而直接鍵合對(duì)實(shí)驗(yàn)潔凈環(huán)境的要求較為嚴(yán)苛(局部超凈程度需要達(dá)到1級(jí),一個(gè)高度為h的顆粒會(huì)導(dǎo)致直徑為10 000h的面積上的鍵合失敗),鍵合表面需要原子級(jí)的平整度(表面粗糙度需要在1 nm以下),并且需要長(zhǎng)時(shí)間的加溫加壓處理(≥12 h),使得鍵合前的器件結(jié)構(gòu)制作變得困難或不可能。此外,直接鍵合一般都是整個(gè)晶片鍵合,不僅浪費(fèi)材料,也使集成不同器件變得不能實(shí)現(xiàn)。

2　選區(qū)金屬鍵合方法研究

2.1選區(qū)金屬鍵合方法基本思想

上述3種鍵合方法都存在一些缺點(diǎn)和不足,我們希望能夠找到一種新的鍵合方法,這種方法應(yīng)具有工藝簡(jiǎn)單,環(huán)境要求較低,能夠在較低的溫度、壓力以及較短的時(shí)間內(nèi),有選擇性地將很小的單元結(jié)構(gòu)鍵合到硅基芯片上,并與硅芯片上其他區(qū)域相互之間無(wú)影響；同時(shí)又能保證III-V族有源結(jié)構(gòu)和硅波導(dǎo)之間形成高效率的光耦合,使激光的光場(chǎng)主要分布于硅波導(dǎo)中,沿著硅波導(dǎo)傳輸。

綜合考慮上述3種鍵合方法,直接鍵合對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求嚴(yán)苛,目前為止還只是晶片鍵合；絕緣鍵合可以進(jìn)行單元結(jié)構(gòu)鍵合,但是介質(zhì)散熱性能差,而且要做成同面電極,不具備硅提供電流的特點(diǎn)；金屬鍵合在各方面都很不錯(cuò),只是金屬會(huì)對(duì)光形成吸收。如果能解決金屬對(duì)光的吸收損耗問(wèn)題,并實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于直接鍵合一樣的高效率光耦合,將有可能成為一種實(shí)用化的鍵合方法。

因此,我們提出了選區(qū)金屬鍵合方法。它的核心思路是:將下層絕緣襯底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)片上的鍵合界面分成2部分,即將光耦合區(qū)(硅波導(dǎo))和金屬鍵合區(qū)在橫向上分開(kāi)(光耦合區(qū)內(nèi)不蒸鍍鍵合金屬),并在硅波導(dǎo)和鍵合區(qū)之間設(shè)置一硅阻擋墻,以防止金屬鍵合區(qū)內(nèi)的金屬在鍵合過(guò)程中流入光耦合區(qū),影響器件的性能；然后將上層III-V 族結(jié)構(gòu)的有源區(qū)與SOI片上的光耦合區(qū)對(duì)準(zhǔn),再利用鍵合區(qū)的金屬將III-V族有源結(jié)構(gòu)鍵合到SOI片上。這樣鍵合金屬既起到了鍵合黏附劑的作用,同時(shí)也是III-V族有源結(jié)構(gòu)的電極,提供注入電流。該方法既有效地解決了金屬對(duì)光的吸收損耗問(wèn)題,保留了金屬鍵合的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又使III-V族有源結(jié)構(gòu)和硅波導(dǎo)之間實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似直接鍵合的高效率光耦合。

2.2選區(qū)金屬鍵合方法研究進(jìn)展

InGaAsP激光器的發(fā)射波長(zhǎng)正好位于光通信的低損耗窗口,是光互連中最理想的光源。因此,我們的工作主要集中于InGaAsP有源結(jié)構(gòu)和SOI片的選區(qū)金屬鍵合,歷經(jīng)了薄片鍵合、厚片倒置鍵合和多波長(zhǎng)陣列3個(gè)主要研究階段。

2.2.1基于薄片的硅基選區(qū)金屬鍵合

目前國(guó)內(nèi)在n型InP襯底上外延InGaAsP激光器的技術(shù)遠(yuǎn)比在p型InP襯底上外延InGaAsP激光器的技術(shù)成熟,因此在上層III-V族有源結(jié)構(gòu)的選取上首先考慮的是采用工藝成熟、性能優(yōu)越的n襯底外延的InGaAsP多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。在硅基鍵合混合激光器的制備中,為了避免p-型外延層與硅鍵合造成較大的橫向串聯(lián)電阻和接觸電阻,需用n-型外延層與硅鍵合以提高器件的性能；另外,為了使InGaAsP多量子阱中的光能以隱失波的方式有效耦合到SOI片上的硅波導(dǎo)中,實(shí)現(xiàn)較高的光耦合效率,要求III-V族有源結(jié)構(gòu)的鍵合面要盡量靠近多量子阱層,因此必須將襯底去掉并把III-V族外延結(jié)構(gòu)減薄(為了使減薄后的III-V族有源結(jié)構(gòu)的鍵合面能夠保持平整,在外延生長(zhǎng)過(guò)程中,在n型InP層中特別設(shè)計(jì)增加了一層InGaAsP腐蝕阻擋層)，然后把減薄后的III-V族有源結(jié)構(gòu)鍵合至硅襯底上,所以稱(chēng)為薄片鍵合,具體工藝可參閱文獻(xiàn)[7-8]。

從2017年開(kāi)始，對(duì)2011年前建成的烤房進(jìn)行有計(jì)劃的維修，其中2017年維修了40座，2018年維修了104座，同時(shí)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害造成的4群58座危舊烤房進(jìn)行核銷(xiāo)。

在該工作中,需要保證減薄后的III-V族有源結(jié)構(gòu)在鍵合時(shí)不碎裂,同時(shí)鍵合溫度要盡可能低,以保證III-V族有源結(jié)構(gòu)的性能不退化。所以要求鍵合金屬既要與SOI有較好的黏附性,可將III-V族有源結(jié)構(gòu)和SOI鍵合起來(lái),又要具有較低的鍵合溫度,還要與上層III-V族有源結(jié)構(gòu)的n-InP鍵合層形成較好的歐姆接觸以作為電極導(dǎo)入電流。經(jīng)過(guò)嘗試與對(duì)比分析,最終選擇了從下到上順序?yàn)锳uGeNi/In/Sn的多層金屬結(jié)構(gòu)。其中,100 nm的AuGeNi與SOI能夠形成良好的黏附性,680 nm質(zhì)地柔軟的In作為鍵合媒介,20 nm的Sn蒸發(fā)在In表面可以防止In被氧化。在這些金屬中,Ge和Sn都是IV材料,能夠形成InP的n型摻雜劑。鍵合溫度取決于鍵合金屬的選擇,In作為鍵合媒介,所需鍵合溫度僅為180 ℃,該溫度對(duì)于器件來(lái)說(shuō)足夠低,不會(huì)影響其性能,比直接鍵合溫度(300 °C )低許多；時(shí)間只需要5 min,比直接鍵合時(shí)間(12 h)短得多?？梢?jiàn),我們所提出的選區(qū)金屬鍵合方法具有鍵合溫度低、時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

利用此方法制備的硅基混合激光器的截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示,電子從側(cè)面的金屬鍵合區(qū)域通過(guò)n-InP鍵合層橫向流動(dòng)到波導(dǎo)區(qū)域,空穴從III-V族的脊形結(jié)構(gòu)向下流動(dòng),然后電子和空穴在InGaAsP多量子阱中復(fù)合發(fā)光。 III-V族的脊形結(jié)構(gòu)與硅波導(dǎo)共同組成新的復(fù)合波導(dǎo),光場(chǎng)被限制在此區(qū)域。從器件端面的掃描電鏡(SEM)照片(見(jiàn)圖1(b))可以看出,InGaAsP脊形結(jié)構(gòu)與下面的硅波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)得很好,幾乎沒(méi)有空氣縫隙(圖1(b))。從光耦合的角度來(lái)看,采用的選區(qū)金屬鍵合方法和直接鍵合方法的效果相當(dāng),光可以隱失波的形式從InGaAsP多量子阱中有效地耦合到硅波導(dǎo)中。根據(jù)無(wú)源軟件計(jì)算,該器件在硅波導(dǎo)中的光能耦合效率高達(dá)94%[8]。該混合激光器在室溫脈沖電泵浦條件下,閾值電流密度為1.7 kA/cm2,斜率效率為0.05 W/A,激射波長(zhǎng)為1554 nm。200 mA電流下,輸出光功率為3.1 mW(見(jiàn)圖2)，圖2中I為脈沖電流，V為脈沖電壓，λ為激光波長(zhǎng)，P為光功率，Ip為光強(qiáng)度。在連續(xù)電注入條件下,10 ℃時(shí)最大輸出功率為0.45 mW,在30℃的環(huán)境溫度下,激光器仍能保持連續(xù)工作狀態(tài)(見(jiàn)圖3)。

圖1　薄片鍵合硅基混合激光器的截面結(jié)構(gòu)示意圖和SEM照片

圖2　脈沖電壓-電流曲線和光功率-電流曲線(插圖為光譜圖)

圖3　不同環(huán)境溫度下連續(xù)電泵浦的光功率-電流曲線

2.2.2基于厚片倒置的硅基選區(qū)金屬鍵合

在薄片選區(qū)金屬鍵合的工作中,III-V族有源結(jié)構(gòu)采用的是脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。減薄后,脊形結(jié)構(gòu)厚度只有2～3 μm,而在脊形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)厚度不足1 μm。這樣一個(gè)不平的結(jié)構(gòu),在鍵合時(shí)較薄的地方比較容易發(fā)生斷裂,使得器件的成品率受到限制。如果上層III-V族有源結(jié)構(gòu)采用p型InP襯底上外延的InGaAsP多量子阱結(jié)構(gòu),那么最后生長(zhǎng)的將是n-InP外延層,無(wú)需減薄,可將其直接“倒扣”鍵合在SOI片上,這將大大降低鍵合難度并提高成品率。因此,我們?cè)诒∑I合的基礎(chǔ)上,開(kāi)始進(jìn)行厚片倒置鍵合的研究。

最初,在p型InP襯底上生長(zhǎng)III-V族有源結(jié)構(gòu)的制備中,采用了工藝簡(jiǎn)單、可靠性好的氧化物條形結(jié)構(gòu)，即在外延片上沉積一層SiO2薄膜后,再腐蝕出一個(gè)電流窗口用以注入電子。這種增益導(dǎo)引結(jié)構(gòu)缺少光學(xué)的橫向限制作用,導(dǎo)致較高的閾值電流,并且存在用什么材料把電流引入窗口區(qū)的問(wèn)題。為此,我們提出了導(dǎo)電透明鍵合的概念,即在窗口之上沉積一層導(dǎo)電透明的中間鍵合介質(zhì),避免了利用薄金屬造成的光損耗。氧化銦錫(ITO)是一種n型半導(dǎo)體,可以通過(guò)摻雜有效地改變電阻率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化,找到了透光率最佳、同時(shí)電阻率也相對(duì)較小的ITO制備條件,在660～1 630 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi),厚度為100 nm的ITO薄膜透射率超過(guò)了90%,每個(gè)方塊電阻為23.4 Ω,此時(shí)的InGaAsP多量子阱結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電阻為3.2 Ω,該電阻與普通激光器的串聯(lián)電阻大小相當(dāng),說(shuō)明ITO與III-V族有源結(jié)構(gòu)形成了良好的歐姆接觸。

首次利用透明導(dǎo)電薄膜ITO作為III-V族有源結(jié)構(gòu)的n型電極,采用選區(qū)金屬鍵合方法所制備出的硅基透明電極厚片倒置鍵合混合激光器[9]的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示。在p型InP襯底上外延的氧化條形InGaAsP多量子阱結(jié)構(gòu)倒扣鍵合在預(yù)先刻好波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI片上,InGaAsP多量子阱結(jié)構(gòu)的電流窗口與硅波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn),其n型電極為透明導(dǎo)電薄膜ITO?？昭◤膒型InP襯底上的AuZn電極層中注入,電子則從鍵合金屬注入,沿著ITO薄膜橫向流至電流窗口后,再注入到多量子阱中與空穴復(fù)合。多量子阱中產(chǎn)生的光透過(guò)ITO薄膜以隱失波的方式耦合到硅波導(dǎo)中。采用這種方法鍵合時(shí),無(wú)需先行去掉襯底和減薄外延層,降低了工藝難度,提高了成品率。鍵合后的硅基透明電極混合激光器的掃描電鏡照片見(jiàn)圖4(b)所示,可見(jiàn)硅波導(dǎo)與InGaAsP多量子阱結(jié)構(gòu)的電流窗口對(duì)準(zhǔn)得很好,保證了光向硅波導(dǎo)的有效耦合。

圖4　硅基透明電極厚片倒置鍵合混合激光器的結(jié)構(gòu)示意圖和SEM照片

III-V族有源結(jié)構(gòu)改成厚片后,在鍵合過(guò)程中不容易壓碎,因而鍵合金屬的選擇也可以更加廣泛。AuSn合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的Au,20%的Sn)具有良好的抗疲勞、抗蔓延、抗腐蝕、導(dǎo)熱性高、鍵合強(qiáng)度高以及不流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),是金屬鍵合和光電子器件封裝中廣泛應(yīng)用的一種材料[10]。所以,在后續(xù)的工作中,鍵合金屬均選為AuSn合金,并在蒸鍍AuSn前,先蒸鍍一層很薄的金屬Cr(約5 nm),用于增加鍵合金屬與SOI的黏附性。另外,鍵合金屬選用硬度高、流動(dòng)性差的AuSn合金后,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)鍵合區(qū)與硅波導(dǎo)之間的距離≥5 μm時(shí),鍵合金屬就不會(huì)對(duì)光耦合區(qū)有影響,此時(shí)便去掉了硅波導(dǎo)兩側(cè)的硅阻擋墻,精簡(jiǎn)了下層SOI片的結(jié)構(gòu),降低了工藝難度。

這種帶襯底的厚片倒置鍵合方法是高效生產(chǎn)硅基混合激光器的可靠方法,是我們改進(jìn)的選區(qū)金屬鍵合技術(shù)。

圖5　厚片倒置鍵合硅基混合激光器的截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖6　室溫時(shí)BRS結(jié)構(gòu)器件的電壓-電流曲線和光功率-電流曲線

圖7　激射光譜

2.2.3多波長(zhǎng)硅基選區(qū)金屬鍵合

多波長(zhǎng)陣列激光是硅光源的基本形式,方便利用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)高的信息發(fā)送速率。基于上述研究成果,我們通過(guò)全息曝光技術(shù)在SOI硅波導(dǎo)上制作均勻分布反饋式(DFB)光柵來(lái)選取單模,采用不同寬度硅波導(dǎo)來(lái)改變有效折射率,已實(shí)現(xiàn)了四波長(zhǎng)的硅基鍵合混合激光器[13]。上層的III-V族有源結(jié)構(gòu)采用對(duì)側(cè)向電流及光場(chǎng)限制作用較好的He離子注入掩埋脊條結(jié)構(gòu)?；旌霞す馄鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖8,器件的串聯(lián)電阻和閾值電流密度分別為10.6 Ω和5.56 kA/cm2。圖9為該器件的光譜圖和紅外顯微鏡照片?；谏鲜鲈O(shè)計(jì),我們目前也實(shí)現(xiàn)了通信波段八通道陣列,并在研制波長(zhǎng)可調(diào)諧的硅基混合激光器。

圖8　四波長(zhǎng)InGaAsP-Si混合激光器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖9　光譜圖及紅外顯微鏡照片

除了上述在硅波導(dǎo)上制備均勻的DFB光柵或分布布拉格反射式(DBR)光柵選取單模、改變硅波導(dǎo)寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)混合激光器的方法外,也可以通過(guò)在硅波導(dǎo)上制備不同周期的DFB或DBR光柵或者取樣光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)硅基混合激光器。

3　結(jié)語(yǔ)

在硅基混合激光器的研究工作中,創(chuàng)新性地提出了選區(qū)金屬鍵合方法。該方法具有工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、環(huán)境要求較低,導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好,靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。利用此方法,已開(kāi)展了薄片鍵合、厚片倒置鍵合以及多波長(zhǎng)陣列鍵合的研究,并取得了一系列重要成果。利用此方法所制備的電泵鍵合硅基混合激光器可作為有效的硅基光源應(yīng)用于單片硅基光電集成、光互聯(lián)等領(lǐng)域。此外,該方法也可用于鍵合光探測(cè)器和光放大器等分立器件,為實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)奠定重要基礎(chǔ)。

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A selective area metal bonding method for electrically pumped silicon-based hybrid lasers

Li Yanping, Tao Li, Ran Guangzhao, Chen Weixi

(School of Physics,Peking University,Beijing 100871, China)

For the fabrication of silicon-based lasers,which restricts the development of silicon-based optoelectronic integrated technology,a new method of selective area metal bonding is proposed, which solves the problem of the optical absorption loss in the traditional metal bonding method,and realizes the high efficiency optical coupling in the direct bonding method. This method has advantages of simple process,low requirement for environment,excellent electrical,thermal and mechanical properties,low bonding temperature and short bonding time,as well as can selectively be bonded to silicon based chip with little unit structure. In addition,the method can also be used for bonding optical detectors and optical amplifiers and so on.

silicon-based laser; selective area metal bonding; III-V materials; optical interconnection

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.014

2016-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61404003，11174018)；國(guó)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013CB632105，2013CB921901)資助

李艷平(1981—)，女，黑龍江大慶，理學(xué)博士，工程師，研究方向?yàn)榧{米半導(dǎo)體及光電子物理.E-mail：liyanping@pku.edu.cn

TN248

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1002-4956(2016)10-0049-06