制备电泵硅基混合激光器的选区金属键合方法

李艳平, 陶　利, 冉广照, 陈娓兮

(北京大学 物理学院, 北京　100871)



制备电泵硅基混合激光器的选区金属键合方法

李艳平, 陶利, 冉广照, 陈娓兮

(北京大学 物理学院, 北京100871)

为了解决制约硅基光电集成技术发展的硅基激光器等硅基光源的制备问题,提出了一种新颖的选区金属键合方法,解决了传统金属键合方法中光吸收损耗严重的问题,并实现了直接键合方法中的高效率光耦合。该方法具有工艺简单,环境要求低,电、热和机械性能优越,键合温度低、时间短,能够有选择性地将很小的单元结构键合到硅基芯片上等优点。该方法也可用于键合光探测器和光放大器等其他分立器件。

硅基激光； 选区金属键合； III-V族材料； 光互连

随着硅基光电集成技术的发展,光调制器、光波导、光探测器等分立器件已实现了与硅微电子电路的混合集成[1]。然而由于硅为间接带隙半导体,带间载流子复合发光效率低,一般纯度、普通结构的硅的发光效率只有10-4～10-5%,不能由硅直接制作高效的发光器件[2-3]。所以制作性能稳定的硅基激光器已成为阻碍硅基光电集成发展的关键问题。

与间接带隙的硅材料不同,大多数III-V族化合物半导体为直接带隙材料,具有优良的发光性能,其材料制备、器件制作已经成熟。因此,人们想通过将III-V族材料优秀的发光能力“嫁接”到硅材料上的途径来实现硅基发光[4]。最初想到的方法是在硅上直接外延生长III-V族材料,但由于大的晶格失配(InP/Si为7.8%,GaAs/Si为4%)问题,在硅上直接外延生长的III-V族材料通常含有很高的位错密度(106cm-2或更高),使得材料特性劣化,制作出的器件抽运阈值高,工作稳定性差[1,5]。所以,这种制备方法逐渐被人们淡漠,而转向采用键合方法。

键合(bonding)能够很好地解决不同材料间的晶格失配问题,除了极薄的(nm级) 键合界面层外,键合方法几乎不会在材料中引入缺陷和位错,使发光器件与微电子器件的硅基光电混合集成成为可能[6],键合方法是能够实现实用化硅基光源的最有效方法。

1　键合方法介绍

根据是否需要借助键合媒介,键合方法可分为直接键合和有中间层的键合。有中间层的键合再根据键合媒介的不同又分为金属键合和绝缘键合。

(1) 金属键合。是指借助纯金属或合金,依靠金属键、金属熔融或金属与材料间的扩散等作用将两种材料或器件结合在一起。金属键合的优点是热应力小、热导率高、导电性好、对工艺要求较低,缺点是金属对可见光和近红外波段的光有强烈的吸收作用,致使发光较弱,这是长期以来制约金属键合发展的瓶颈问题。

(2) 绝缘键合。是指使用氧化物、氮化物或者有机材料,如苯并环丁烯(BCB),聚酰亚胺等作为界面材料的一种键合方法。绝缘键合具有工艺简单、键合温度低、键合强度高、成本低、能够容忍一定程度的粗糙度以及与CMOS工艺相兼容的优点,缺点是导热导电性能不好、热稳定性较差、导致器件寿命较短。同时绝缘键合的光耦合问题也在很大程度上限制了其进一步发展。

(3) 直接键合。是指不需要界面材料,将两种材料直接键合在一起的一种方法。直接键合的优点是可以形成类异质结结构、导热性能好,然而直接键合对实验洁净环境的要求较为严苛(局部超净程度需要达到1级,一个高度为h的颗粒会导致直径为10 000h的面积上的键合失败),键合表面需要原子级的平整度(表面粗糙度需要在1 nm以下),并且需要长时间的加温加压处理(≥12 h),使得键合前的器件结构制作变得困难或不可能。此外,直接键合一般都是整个晶片键合,不仅浪费材料,也使集成不同器件变得不能实现。

2　选区金属键合方法研究

2.1选区金属键合方法基本思想

上述3种键合方法都存在一些缺点和不足,我们希望能够找到一种新的键合方法,这种方法应具有工艺简单,环境要求较低,能够在较低的温度、压力以及较短的时间内,有选择性地将很小的单元结构键合到硅基芯片上,并与硅芯片上其他区域相互之间无影响；同时又能保证III-V族有源结构和硅波导之间形成高效率的光耦合,使激光的光场主要分布于硅波导中,沿着硅波导传输。

综合考虑上述3种键合方法,直接键合对实验环境要求严苛,目前为止还只是晶片键合；绝缘键合可以进行单元结构键合,但是介质散热性能差,而且要做成同面电极,不具备硅提供电流的特点；金属键合在各方面都很不错,只是金属会对光形成吸收。如果能解决金属对光的吸收损耗问题,并实现类似于直接键合一样的高效率光耦合,将有可能成为一种实用化的键合方法。

因此,我们提出了选区金属键合方法。它的核心思路是:将下层绝缘衬底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)片上的键合界面分成2部分,即将光耦合区(硅波导)和金属键合区在横向上分开(光耦合区内不蒸镀键合金属),并在硅波导和键合区之间设置一硅阻挡墙,以防止金属键合区内的金属在键合过程中流入光耦合区,影响器件的性能；然后将上层III-V 族结构的有源区与SOI片上的光耦合区对准,再利用键合区的金属将III-V族有源结构键合到SOI片上。这样键合金属既起到了键合黏附剂的作用,同时也是III-V族有源结构的电极,提供注入电流。该方法既有效地解决了金属对光的吸收损耗问题,保留了金属键合的优点,同时又使III-V族有源结构和硅波导之间实现了类似直接键合的高效率光耦合。

2.2选区金属键合方法研究进展

InGaAsP激光器的发射波长正好位于光通信的低损耗窗口,是光互连中最理想的光源。因此,我们的工作主要集中于InGaAsP有源结构和SOI片的选区金属键合,历经了薄片键合、厚片倒置键合和多波长阵列3个主要研究阶段。

2.2.1基于薄片的硅基选区金属键合

目前国内在n型InP衬底上外延InGaAsP激光器的技术远比在p型InP衬底上外延InGaAsP激光器的技术成熟,因此在上层III-V族有源结构的选取上首先考虑的是采用工艺成熟、性能优越的n衬底外延的InGaAsP多量子阱(MQW)结构。在硅基键合混合激光器的制备中,为了避免p-型外延层与硅键合造成较大的横向串联电阻和接触电阻,需用n-型外延层与硅键合以提高器件的性能；另外,为了使InGaAsP多量子阱中的光能以隐失波的方式有效耦合到SOI片上的硅波导中,实现较高的光耦合效率,要求III-V族有源结构的键合面要尽量靠近多量子阱层,因此必须将衬底去掉并把III-V族外延结构减薄(为了使减薄后的III-V族有源结构的键合面能够保持平整,在外延生长过程中,在n型InP层中特别设计增加了一层InGaAsP腐蚀阻挡层)，然后把减薄后的III-V族有源结构键合至硅衬底上,所以称为薄片键合,具体工艺可参阅文献[7-8]。

从2017年开始，对2011年前建成的烤房进行有计划的维修，其中2017年维修了40座，2018年维修了104座，同时，对地质灾害造成的4群58座危旧烤房进行核销。

在该工作中,需要保证减薄后的III-V族有源结构在键合时不碎裂,同时键合温度要尽可能低,以保证III-V族有源结构的性能不退化。所以要求键合金属既要与SOI有较好的黏附性,可将III-V族有源结构和SOI键合起来,又要具有较低的键合温度,还要与上层III-V族有源结构的n-InP键合层形成较好的欧姆接触以作为电极导入电流。经过尝试与对比分析,最终选择了从下到上顺序为AuGeNi/In/Sn的多层金属结构。其中,100 nm的AuGeNi与SOI能够形成良好的黏附性,680 nm质地柔软的In作为键合媒介,20 nm的Sn蒸发在In表面可以防止In被氧化。在这些金属中,Ge和Sn都是IV材料,能够形成InP的n型掺杂剂。键合温度取决于键合金属的选择,In作为键合媒介,所需键合温度仅为180 ℃,该温度对于器件来说足够低,不会影响其性能,比直接键合温度(300 °C )低许多；时间只需要5 min,比直接键合时间(12 h)短得多。可见,我们所提出的选区金属键合方法具有键合温度低、时间短的优点。

利用此方法制备的硅基混合激光器的截面结构示意图如图1(a)所示,电子从侧面的金属键合区域通过n-InP键合层横向流动到波导区域,空穴从III-V族的脊形结构向下流动,然后电子和空穴在InGaAsP多量子阱中复合发光。 III-V族的脊形结构与硅波导共同组成新的复合波导,光场被限制在此区域。从器件端面的扫描电镜(SEM)照片(见图1(b))可以看出,InGaAsP脊形结构与下面的硅波导对准得很好,几乎没有空气缝隙(图1(b))。从光耦合的角度来看,采用的选区金属键合方法和直接键合方法的效果相当,光可以隐失波的形式从InGaAsP多量子阱中有效地耦合到硅波导中。根据无源软件计算,该器件在硅波导中的光能耦合效率高达94%[8]。该混合激光器在室温脉冲电泵浦条件下,阈值电流密度为1.7 kA/cm2,斜率效率为0.05 W/A,激射波长为1554 nm。200 mA电流下,输出光功率为3.1 mW(见图2)，图2中I为脉冲电流，V为脉冲电压，λ为激光波长，P为光功率，Ip为光强度。在连续电注入条件下,10 ℃时最大输出功率为0.45 mW,在30℃的环境温度下,激光器仍能保持连续工作状态(见图3)。

图1　薄片键合硅基混合激光器的截面结构示意图和SEM照片

图2　脉冲电压-电流曲线和光功率-电流曲线(插图为光谱图)

图3　不同环境温度下连续电泵浦的光功率-电流曲线

2.2.2基于厚片倒置的硅基选区金属键合

在薄片选区金属键合的工作中,III-V族有源结构采用的是脊形波导结构。减薄后,脊形结构厚度只有2～3 μm,而在脊形结构的两侧厚度不足1 μm。这样一个不平的结构,在键合时较薄的地方比较容易发生断裂,使得器件的成品率受到限制。如果上层III-V族有源结构采用p型InP衬底上外延的InGaAsP多量子阱结构,那么最后生长的将是n-InP外延层,无需减薄,可将其直接“倒扣”键合在SOI片上,这将大大降低键合难度并提高成品率。因此,我们在薄片键合的基础上,开始进行厚片倒置键合的研究。

最初,在p型InP衬底上生长III-V族有源结构的制备中,采用了工艺简单、可靠性好的氧化物条形结构，即在外延片上沉积一层SiO2薄膜后,再腐蚀出一个电流窗口用以注入电子。这种增益导引结构缺少光学的横向限制作用,导致较高的阈值电流,并且存在用什么材料把电流引入窗口区的问题。为此,我们提出了导电透明键合的概念,即在窗口之上沉积一层导电透明的中间键合介质,避免了利用薄金属造成的光损耗。氧化铟锡(ITO)是一种n型半导体,可以通过掺杂有效地改变电阻率。通过实验参数优化,找到了透光率最佳、同时电阻率也相对较小的ITO制备条件,在660～1 630 nm的波长范围内,厚度为100 nm的ITO薄膜透射率超过了90%,每个方块电阻为23.4 Ω,此时的InGaAsP多量子阱结构的串联电阻为3.2 Ω,该电阻与普通激光器的串联电阻大小相当,说明ITO与III-V族有源结构形成了良好的欧姆接触。

首次利用透明导电薄膜ITO作为III-V族有源结构的n型电极,采用选区金属键合方法所制备出的硅基透明电极厚片倒置键合混合激光器[9]的结构示意图如图4(a)所示。在p型InP衬底上外延的氧化条形InGaAsP多量子阱结构倒扣键合在预先刻好波导结构的SOI片上,InGaAsP多量子阱结构的电流窗口与硅波导对准,其n型电极为透明导电薄膜ITO。空穴从p型InP衬底上的AuZn电极层中注入,电子则从键合金属注入,沿着ITO薄膜横向流至电流窗口后,再注入到多量子阱中与空穴复合。多量子阱中产生的光透过ITO薄膜以隐失波的方式耦合到硅波导中。采用这种方法键合时,无需先行去掉衬底和减薄外延层,降低了工艺难度,提高了成品率。键合后的硅基透明电极混合激光器的扫描电镜照片见图4(b)所示,可见硅波导与InGaAsP多量子阱结构的电流窗口对准得很好,保证了光向硅波导的有效耦合。

图4　硅基透明电极厚片倒置键合混合激光器的结构示意图和SEM照片

III-V族有源结构改成厚片后,在键合过程中不容易压碎,因而键合金属的选择也可以更加广泛。AuSn合金(质量分数为80%的Au,20%的Sn)具有良好的抗疲劳、抗蔓延、抗腐蚀、导热性高、键合强度高以及不流动等优点,是金属键合和光电子器件封装中广泛应用的一种材料[10]。所以,在后续的工作中,键合金属均选为AuSn合金,并在蒸镀AuSn前,先蒸镀一层很薄的金属Cr(约5 nm),用于增加键合金属与SOI的黏附性。另外,键合金属选用硬度高、流动性差的AuSn合金后,实验中发现,当键合区与硅波导之间的距离≥5 μm时,键合金属就不会对光耦合区有影响,此时便去掉了硅波导两侧的硅阻挡墙,精简了下层SOI片的结构,降低了工艺难度。

这种带衬底的厚片倒置键合方法是高效生产硅基混合激光器的可靠方法,是我们改进的选区金属键合技术。

图5　厚片倒置键合硅基混合激光器的截面结构示意图

图6　室温时BRS结构器件的电压-电流曲线和光功率-电流曲线

图7　激射光谱

2.2.3多波长硅基选区金属键合

多波长阵列激光是硅光源的基本形式,方便利用波分复用技术实现高的信息发送速率。基于上述研究成果,我们通过全息曝光技术在SOI硅波导上制作均匀分布反馈式(DFB)光栅来选取单模,采用不同宽度硅波导来改变有效折射率,已实现了四波长的硅基键合混合激光器[13]。上层的III-V族有源结构采用对侧向电流及光场限制作用较好的He离子注入掩埋脊条结构。混合激光器的结构示意图见图8,器件的串联电阻和阈值电流密度分别为10.6 Ω和5.56 kA/cm2。图9为该器件的光谱图和红外显微镜照片。基于上述设计,我们目前也实现了通信波段八通道阵列,并在研制波长可调谐的硅基混合激光器。

图8　四波长InGaAsP-Si混合激光器的结构示意图

图9　光谱图及红外显微镜照片

除了上述在硅波导上制备均匀的DFB光栅或分布布拉格反射式(DBR)光栅选取单模、改变硅波导宽度来实现多波长混合激光器的方法外,也可以通过在硅波导上制备不同周期的DFB或DBR光栅或者取样光栅来实现多波长硅基混合激光器。

3　结语

在硅基混合激光器的研究工作中,创新性地提出了选区金属键合方法。该方法具有工艺相对简单、环境要求较低,导电导热性能好,灵活性高等优点。利用此方法,已开展了薄片键合、厚片倒置键合以及多波长阵列键合的研究,并取得了一系列重要成果。利用此方法所制备的电泵键合硅基混合激光器可作为有效的硅基光源应用于单片硅基光电集成、光互联等领域。此外,该方法也可用于键合光探测器和光放大器等分立器件,为实现光互联奠定重要基础。

References)

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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

国家自然科学基金项目(61404003，11174018)；国家基础研究项目(2013CB632105，2013CB921901)资助

李艳平(1981—)，女，黑龙江大庆，理学博士，工程师，研究方向为纳米半导体及光电子物理.E-mail：liyanping@pku.edu.cn

TN248

A

1002-4956(2016)10-0049-06