一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法。所述激光器包括：带有硅波导的SOI晶片；半导体外延片，其包括底部接触层和半导体激光器谐振腔；所述半导体激光器谐振腔位于所述底部接触层上方，且其中间刻蚀形成有散热通道；键合层，用于键合带有硅波导的SOI晶片和半导体外延片；N电极金属层，其位于底部接触层上方，且环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围；绝缘隔离层，其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面；P电极金属覆盖层，其位于绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。

【技术实现步骤摘要】
—种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法
[0001 ] 本专利技术涉及硅基光电集成
，尤其涉及。
技术介绍
随着硅基光电集成回路和光互连的发展，电泵浦的硅基光源是一个必不可少的因素。然而由于硅是一种间接带隙材料，发光效率低，因此不适合做光源。并且，在硅上直接生长直接带隙半导体材料，由于其晶格不匹配，生长难度很大。近些年来，SOI (绝缘体上的硅)平台由于其与CMOS工艺的兼容性以及对通信波长的光吸收小的特点，越来越受到人们的关注，一种利用键合技术将SOI与III/V半导体材料键合起来制作硅基光源的方法在硅基光电集成领域表现出了极大的应用前景。基于此，硅基法布里-波罗(FP)键合硅基激光器，分布式布拉格反射(DBR)和分布反馈(DFB)硅基单模FP腔激光器也相继间世。 微腔激光器由于其体积小、能耗低和便于集成的优点，在光互连和光子集成回路中有着巨大的应用前景。然而，硅基键合微腔激光器由于其本身体积很小以及键合层和掩埋氧化硅(BOX)层的热导率很低，导致硅基键合微腔激光器的热阻很大，从而严重影响激光器的输出特性。。图1示出了现有技术中微腔激光器的结构图，其包括:带有硅波导的SOI晶片，包括衬底1、掩埋氧化硅(BOX)层2和顶部硅波导3 ;键合层4 ;底部接触层5 ;半导体激光器谐振腔，包括:下限制层6，、有源区7、上限制层8 ；N电极金属层9 ;绝缘隔离层10 ；P电极金属覆盖层11 ;该结构为在完全用绝缘隔离层1(S12)限制、P电极金属覆盖层11没有完全覆盖半导体激光器谐振腔的普通激光器结构，该结构激光器产生的热量大部分存在于半导体激光器谐振腔中，并没有传导出去，因此导致激光器的散热性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种金属限制散热结构的硅基微腔激光器及其制作方法。其中，III/V族半导体外延片生长在P型InP衬底上，SOI上刻蚀出硅波导，通过键合技术将二者键合在一起，利用半导体加工技术刻蚀出微腔形状，并且在微腔中心刻蚀出散热通道，在激光器表面生长绝缘隔离层，最终再利用P电极金属覆盖层将半导体激光器谐振腔完全覆盖，从而达到散热降低热阻的目的。 本专利技术提出的一种基于金属限制散热结构的娃基微腔激光器，其特征在于，包括: 带有硅波导的SOI晶片； 半导体外延片，其包括底部接触层和半导体激光器谐振腔；所述半导体激光器谐振腔位于所述底部接触层上方，且其中间刻蚀形成有散热通道； 键合层，用于键合带有硅波导的SOI晶片和半导体外延片； N电极金属层，其位于底部接触层上方，且环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围； 绝缘隔离层，其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面； P电极金属覆盖层，其位于绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。 本专利技术还提出了一种基于金属限制散热结构的娃基微腔激光器的制造方法，其包括: 步骤1、在SOI晶片上刻蚀形成硅波导，并生长半导体外延片； 步骤2、利用键合层将所述SOI晶片和半导体外延片键合起来； 步骤3、在所述外延片上刻蚀形成半导体激光器谐振腔，并在底部保留一层底部接触层；同时，在所形成的半导体激光器谐振腔中间刻蚀形成散热通道； 步骤4、在所述底部接触层表面制作N电极金属层，使其环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围； 步骤5、生长绝缘隔离层，使其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面； 步骤6、生长P电极金属覆盖层，使其形成在绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。 本专利技术提出的金属限制散热结构的硅基微腔激光器，利用键合技术和半导体激光器制作工艺制作了金属完全限制的硅基微环激光器，该种结构的微环激光器优点是通过金属限制层，由于金属的热导率很高，可以使得激光器有源区产生的热量快速通过η电极金属层和P电极金属覆盖层传入更大的区域，从而有效的降低激光器有源区温度和热阻。 本专利技术提出的金属限制散热结构的硅基微腔激光器的优点在于:对于利用5102等介质材料作为限制层的硅基键合微腔激光器而言，硅衬底的热导率很大(在131Κ/(πι.Κ)左右)，因此可以很好的传导热量。然而，由于键合层和掩埋氧化硅层的热导率很低(在IK/(m.K)左右)，因此有源区中产生的热量很难传导至硅衬底中，导致有源区的温度升高很大，因此激光器的热阻较大。本专利技术提出的金属限制散热结构的硅基微腔激光器，通过金属限制层作为散热层，由于金属的热导率(约150Κ/(πι.Κ))很高，可以将激光器有源区产生的热量通过N电极金属层和P电极金属覆盖层传入更大的区域，从而有效的降低热阻和激光器有源区温度，提高激光器的性能。 【附图说明】 图1为现有技术中硅基微腔激光器的结构截面示意图； 图2(a)为本专利技术中散热通道刻蚀至底部接触层并利用金属限制的硅基微腔激光器结构示意图； 图2(b)为本专利技术中散热通道刻蚀至BOX层并利用金属限制的硅基微腔激光器结构示意图； 图2(c)为本专利技术中散热通道刻蚀至硅衬底层并利用金属限制的硅基微腔激光器结构示意图； 图3为利用有限元方法计算的图1和图2示出的不同结构下激光器的热阻随激光器半径及BCB键合层厚度的变化关系示意图。 【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，对本专利技术作进一步的详细说明。 本专利技术提出了一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其具有通过在半导体激光器谐振腔中间刻蚀散热通道并用金属限制的散热结构。金属限制层作为散热层，由于金属的热导率很高，可以将激光器有源区产生的热量通过N电极金属层和P电极金属覆盖层传入更大的区域，从而有效的降低热阻和激光器有源区温度，提高激光器的性能。 下面结合图2所示，以DVS-BCB键合微环激光器为例对本专利技术提出的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器作进一步详细的描述。 本专利技术提出的一种基于金属限制散热结构的娃基微腔激光器，其包括: 带有硅波导的SOI晶片，包括:娃衬底1，其热导率为131Κ/(πι.Κ)，为热的良导体；所述硅衬底I可选用带有硅波导的SOI晶片；掩埋氧化硅(BOX)层2，位于硅衬底I上方；该层的作用主要用于隔离光场，防止光损耗，该层的S12的热导率为1.27K/(m.Κ)，因此该层严重阻碍了热量向娃衬底的传输；顶部娃波导3,位于掩埋氧化娃层2上方。娃波导3的作用是通过垂直耦合方式将半导体激光器谐振腔中产生的激光耦合进硅波导3中，从而实现硅上出光。 键合层4，键合层4是将III/V半导体外延片和SOI片键合起来的一层，位于二者之间。通过键合层4，III/V半导体外延片中产生的激光可以耦合到SOI顶部硅波导3中。若采用BCB键合方式，则选用BCB (苯并环丁烯)键合层，其热阻为0.3Κ/(πι.Κ);热量在该层会受到极大的阻碍，是导致激光器热阻变大的重要因素。 底部接触层5，该层位于键合层4的上方。其选用半导体材料，用于沉积N电极，提供电流注入。 半导体激光器谐振腔，用于产生激光，其是通过半导体刻蚀工艺将III/V半导体外延片刻蚀至底部接触层5形成的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，包括：带有硅波导的SOI晶片；半导体外延片，其包括底部接触层和半导体激光器谐振腔；所述半导体激光器谐振腔位于所述底部接触层上方，且其中间刻蚀形成有散热通道；键合层，用于键合带有硅波导的SOI晶片和半导体外延片；N电极金属层，其位于底部接触层上方，且环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围；绝缘隔离层，其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面；P电极金属覆盖层，其位于绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属限制散热结构的娃基微腔激光器，其特征在于，包括: 带有娃波导的SOI晶片； 半导体外延片，其包括底部接触层和半导体激光器谐振腔；所述半导体激光器谐振腔位于所述底部接触层上方，且其中间刻蚀形成有散热通道； 键合层，用于键合带有硅波导的SOI晶片和半导体外延片；N电极金属层，其位于底部接触层上方，且环绕形成在所述半导体激光器谐振腔周围； 绝缘隔离层，其覆盖在N电极金属层、底部接触层以及半导体激光器谐振腔表面； P电极金属覆盖层，其位于绝缘隔离层和半导体激光器谐振腔上方，且完全覆盖半导体激光器谐振腔侧面和散热通道表面。2.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，其中，所述带硅波导的SOI晶片包括: 娃衬底层； 掩埋氧化娃层，其位于娃衬底层的上方； 顶部硅波导，位于掩埋氧化硅层上方。3.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，其中所述的键合层材料为BCB、S12或金属。4.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，其中所述的底部接触层为半导体材料。5.根据权利要求1所述的基于金属限制散热结构的硅基微腔激光器，其特征在于，半导体激光器谐振腔用于产生激光，包括: 下限制层，位于底部接触层之上； 有源区，位于下限制层之上； 上限制层，位于有源区之上。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋少帅，唐明英，杜云，黄永箴，
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