專利名稱：與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基dbr激光器及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器及其工藝。
背景技術(shù)：
隨著標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝特征尺寸的迅速減小，器件的密度和費(fèi)用得到很大改善。然而，電學(xué)互連線上的能量損耗及電磁干擾已經(jīng)成為制約硅基微電子集成電路發(fā)展的瓶頸。光互連依據(jù)其在傳輸帶寬、抗干擾能力及能量消耗上的明顯優(yōu)勢(shì)，有望成為解決這一問題的有效途徑。硅材料是微電子集成電路工藝的主要材料，在超大規(guī)模集成電路方面發(fā)揮了極為重要的作用。利用硅作為基本材料，采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝制作光電子器件和光電子集成回路，在成本上和工藝成熟度上具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，必將成為制作光電子芯片和解決電互連問題的首選方案。
與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基光發(fā)射器件是硅基光電子集成回路中的重要組成部分。由于該器件具有適于集成、成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在下一代光互連系統(tǒng)中作為芯片間或芯片內(nèi)部的光電接口具有非常廣闊的應(yīng)用前景。但是如何增強(qiáng)電光轉(zhuǎn)換效率、制作適于集成的硅基光發(fā)射器件，是研究中需要解決的難題。本發(fā)明的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，是利用SOI晶片做襯底，在外延層上制作PN結(jié)發(fā)光二極管。二極管兩側(cè)分別制作分布布拉格反射鏡，形成諧振腔。當(dāng)達(dá)到閾值條件時(shí)，能實(shí)現(xiàn)有效的激光輸出。而且該器件采用DBR作為諧振腔，結(jié)構(gòu)上適合于與硅基光電子集成回路中其它器件實(shí)現(xiàn)集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其具有制作工藝成熟、成本低、適于集成、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在下一代光互連和全硅光學(xué)芯片中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
本發(fā)明采用SOI晶片為襯底，利用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，有源區(qū)兩側(cè)的無源區(qū)內(nèi)分別設(shè)置DBR全反射器和DBR半反射器，構(gòu)成諧振腔。
本發(fā)明是通過以下方法來實(shí)現(xiàn)的一種與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征是，采用SOI(Silicon-on-Insulator)晶片為襯底，利用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，有源區(qū)兩端的無源區(qū)內(nèi)分別制作分布布拉格(DBR，distributed Bragg reflector)全反射器和分布布拉格半反射器，構(gòu)成諧振腔，包括一SOI襯底；一PN結(jié)發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結(jié)構(gòu)，P+區(qū)為條形結(jié)構(gòu)，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結(jié)，N+區(qū)、P+區(qū)分別引出金屬電極；一DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵全反射器，在光柵內(nèi)部引入λ/4相移區(qū)；一DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵半反射器，用于與DBR強(qiáng)反射器形成諧振腔，輸出激光；硅基DBR激光器兩側(cè)分別制作隔離槽，可以在Y方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露；外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。
所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，PN結(jié)發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結(jié)構(gòu)，P+區(qū)為條形結(jié)構(gòu)，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結(jié)。
所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。
所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，采用DBR全反射器和DBR半反射器做諧振腔，適合與硅基光電子集成回路中其它器件如硅基光波導(dǎo)/調(diào)制器、硅基光電探測(cè)器/接收機(jī)和微電子集成電路的集成。


圖1是與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器俯視圖；圖2是與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器剖面圖(A-A’)。圖中未畫出外層的SiO2層和金屬層；圖3是與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器剖面圖(B-B’)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器及其工藝，其具體結(jié)構(gòu)請(qǐng)參閱說明書附圖，包括一SOI襯底；一PN結(jié)發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結(jié)構(gòu)，P+區(qū)為條形結(jié)構(gòu)，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結(jié)，N+區(qū)、P+區(qū)分別引出金屬電極；一DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵反射器，在光柵內(nèi)部引入λ/4相移區(qū)；一DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵反射器，用于與DBR強(qiáng)反射器形成諧振腔，輸出激光。
硅基DBR激光器兩側(cè)分別制作隔離槽，可以在Y方向上(如說明書附圖所示)進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。
外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上(如說明書附圖所示)進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。
本發(fā)明采用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝，首先選擇鍵合工藝制作的SOI晶片。要求晶片的SiO2埋層為1μm，P型外延層厚度為2μm。在P型外延層上分別制作N+區(qū)和P+區(qū)，N+區(qū)設(shè)計(jì)成折線形狀，如圖1所示。采用刻蝕技術(shù)制作DBR反射器，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。靠近P+區(qū)一側(cè)的為DBR全反射器，在全反射器內(nèi)部引入λ/4相移?？拷麼+區(qū)一側(cè)的為DBR半反射器，與DBR全反射器形成諧振腔，并輸出激光。采用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在硅基DBR激光器兩側(cè)刻蝕隔離槽，如圖1和圖3所示。
器件結(jié)構(gòu)制作完成后，淀積外層SiO2層。隔離槽可以在Y方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。同時(shí)，外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上(如說明書附圖所示)進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。利用光刻技術(shù)刻出引線孔，鍍金屬電極。P+區(qū)接金屬電極1，為歐姆接觸，如圖2所示，該電極接地；N+區(qū)接金屬電極2，該電極接正電壓，N+區(qū)與P型外延層形成N+P二極管，在反向電壓下將形成耗盡區(qū)，載流子發(fā)生輻射復(fù)合，便產(chǎn)生光子。該器件為橫向工作模式，在外加電壓下，載流子在X方向上移動(dòng)，使產(chǎn)生的光沿X方向傳播，在DBR全反射器和DBR半反射器形成的諧振腔內(nèi)產(chǎn)生受激輻射放大，產(chǎn)生激光，經(jīng)DBR半反射器輸出。
本發(fā)明的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，采用SOI晶片為襯底，利用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，有源區(qū)兩端的無源區(qū)內(nèi)分別制作分布布拉格全反射器和分布布拉格半反射器，主要工藝步驟如下(一)準(zhǔn)備SOI晶片；(二)長(zhǎng)薄氧化層，淀積Si3N4；(三)有源區(qū)光刻，刻出P+區(qū)和N+區(qū)；(四)場(chǎng)區(qū)光刻，刻出場(chǎng)區(qū)注入孔，場(chǎng)區(qū)注入；(五)長(zhǎng)場(chǎng)氧，漂去SiO2及Si3N4，然后長(zhǎng)薄氧；(六)P+區(qū)光刻，刻出P+區(qū)，硼注入，形成P+區(qū)；(七)N+區(qū)光刻，刻出N+區(qū)，磷注入，形成N+區(qū)；(八)光刻，刻出DBR光柵區(qū)域；(九)在外延層上刻蝕DBR全反射器和DBR半反射器；(十)長(zhǎng)薄氧；(十一)光刻，刻出隔離槽區(qū)域；(十二)深刻蝕，刻出隔離槽；(十三)淀積外層SiO2層；(十四)長(zhǎng)PSG；(十五)引線孔光刻；(十六)鋁引線光刻，鍍鋁電極；其中，N+區(qū)摻雜濃度為1×1019cm-3，P+區(qū)摻雜濃度為1×1019cm-3。
所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，制作有源區(qū)PN結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，無源區(qū)內(nèi)制作DBR全反射器和DBR半反射器，制作硅基DBR激光器兩側(cè)隔離槽，均采用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝。
所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作DBR全反射器，在光柵內(nèi)部引入λ/4相移區(qū)。
所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作DBR半反射器，用于與DBR強(qiáng)反射器形成諧振腔，輸出激光。
所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，硅基DBR激光器兩側(cè)分別制作隔離槽，可以在Y方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。
權(quán)利要求
1.一種與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征是，采用SOI晶片為襯底，利用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，有源區(qū)兩端的無源區(qū)內(nèi)分別制作分布布拉格全反射器和分布布拉格半反射器，構(gòu)成諧振腔，包括一SOI襯底；一PN結(jié)發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結(jié)構(gòu)，P+區(qū)為條形結(jié)構(gòu)，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結(jié)，N+區(qū)、P+區(qū)分別引出金屬電極；一DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵全反射器，在光柵內(nèi)部引入λ/4相移區(qū)；一DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作布拉格光柵半反射器，用于與DBR強(qiáng)反射器形成諧振腔，輸出激光；硅基DBR激光器兩側(cè)分別制作隔離槽，可以在Y方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露；外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征在于，PN結(jié)發(fā)光二極管，N+區(qū)做成折線結(jié)構(gòu)，P+區(qū)為條形結(jié)構(gòu)，N+區(qū)與P型外延層形成N+P結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征在于，外層SiO2層與SOI襯底的埋層SiO2層在Z方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器，其特征在于，采用DBR全反射器和DBR半反射器做諧振腔，適合與硅基光電子集成回路中其它器件，硅基光波導(dǎo)/調(diào)制器、硅基光電探測(cè)器/接收機(jī)和微電子集成電路的集成。
5.一種與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征是，采用SOI晶片為襯底，利用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，有源區(qū)兩端的無源區(qū)內(nèi)分別制作分布布拉格全反射器和分布布拉格半反射器，主要工藝步驟如下(一)準(zhǔn)備SOI晶片；(二)長(zhǎng)薄氧化層，淀積Si3N4；(三)有源區(qū)光刻，刻出P+區(qū)和N+區(qū)；(四)場(chǎng)區(qū)光刻，刻出場(chǎng)區(qū)注入孔，場(chǎng)區(qū)注入；(五)長(zhǎng)場(chǎng)氧，漂去SiO2及Si3N4，然后長(zhǎng)薄氧；(六)P+區(qū)光刻，刻出P+區(qū)，硼注入，形成P+區(qū)；(七)N+區(qū)光刻，刻出N+區(qū)，磷注入，形成N+區(qū)；(八)光刻，刻出DBR光柵區(qū)域；(九)在外延層上刻蝕DBR全反射器和DBR半反射器；(十)長(zhǎng)薄氧；(十一)光刻，刻出隔離槽區(qū)域；(十二)深刻蝕，刻出隔離槽；(十三)淀積外層SiO2層；(十四)長(zhǎng)PSG；(十五)引線孔光刻；(十六)鋁引線光刻，鍍鋁電極；其中，N+區(qū)摻雜濃度為1×1019cm-3，P+區(qū)摻雜濃度為1×1019cm-3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征在于，制作有源區(qū)PN結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，無源區(qū)內(nèi)制作DBR全反射器和DBR半反射器，制作硅基DBR激光器兩側(cè)隔離槽，均采用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征在于，DBR全反射器，利用光刻工藝在外延層上制作DBR全反射器，在光柵內(nèi)部引入λ/4相移區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征在于，DBR半反射器，利用光刻工藝在外延層上制作DBR半反射器，用于與DBR強(qiáng)反射器形成諧振腔，輸出激光。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器制作工藝，其特征在于，硅基DBR激光器兩側(cè)分別制作隔離槽，可以在Y方向上進(jìn)行光學(xué)限制，防止光信號(hào)泄露。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的硅基DBR激光器及其工藝。本發(fā)明采用SOI晶片為襯底，利用與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的工藝制作，有源區(qū)采用PN結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，有源區(qū)兩側(cè)的無源區(qū)內(nèi)分別設(shè)置DBR布拉格全反射器和DBR半反射器，構(gòu)成諧振腔。
文檔編號(hào)H01L21/84GK1941525SQ20051010526
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者陳弘達(dá), 劉海軍, 高鵬, 顧明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所