一种激光器结构的制备方法及其结构

1.本发明涉及器件制备领域，尤其涉及一种激光器结构的制备方法及其结构。


背景技术：

2.随着信息通讯的高速发展，光子集成电路在光纤通信和高速计算等方面发挥着越来越重要的作用。由于硅是间接带隙结构，以其为衬底的传统集成电路亟待寻找有效的片上光源来实现高效的光子集成。相比之下，磷化铟inp和砷化镓gaas等
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体具有直接带隙结构，是取代片外光源，作为片上光源的极佳选择。近年来，基于
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体和硅之间不同方法的异质集成，即硅基
ⅲ‑ⅴ
器件取得了惊人的进展，被广泛应用于激光器、光电探测器、放大器及调制器等领域。
3.在硅基激光器、激光二极管等高功率光学器件制备过程中，硅基
ⅲ‑ⅴ
器件目前在工艺方面亟待解决的是散热问题。由于
ⅲ‑ⅴ
族半导体与硅衬底的异质集成常常通过sio2作为中间介质层来实现键合亦或是存在埋氧层，而sio2的热导系数非常低，具体为0.27w/cm
·
k，使得器件温度极易升高，进而会影响器件性能和寿命。例如散热受阻会限制输出功率和密度等等，尤其在激光器等器件中表现极为明显。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种激光器结构的制备方法及其结构，可以提高后续制备的激光器结构的热导率，改善激光器结构的性能以及提高激光器结构的寿命。并且，基于氮化硅在光学方面的大带宽和低传输功率，可以使得激光器结构与其他器件的进行耦合。
5.本技术实施例提供了一种激光器结构的制备方法，包括：
6.获取第一衬底结构和第二衬底结构；第一衬底结构包括第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层，第一衬底层具有待刻蚀面，第二衬底结构具有待注入面；
7.从待刻蚀面对第一衬底结构进行刻蚀处理，得到待生长区域；待生长区域的高度与第一衬底层和第二衬底层的高度和相等；
8.在待生长区域制备绝缘结构；绝缘结构与第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层连接设置；
9.对绝缘结构进行刻蚀处理，得到波导结构；波导结构与第三衬底层连接设置，波导结构与第一衬底层间隔设置，且与第二衬底层间隔设置；
10.从待注入面对第二衬底结构进行离子注入，使得在第二衬底结构内形成缺陷层；
11.对待刻蚀面和待注入面进行键合处理，得到异质衬底结构；
12.在异质衬底结构上制备外延结构和激光器脊条结构，得到激光器结构；激光器脊条结构在异质衬底结构的位置与波导结构在异质衬底结构的位置对应重合。
13.进一步地，对待刻蚀面和待注入面进行键合处理，得到异质衬底结构之前，还包括：
14.将第一衬底结构和第二衬底结构置于键合机腔内进行气体激活处理，得到表面激
活的第一衬底结构和表面激活的第二衬底结构；气体激活处理的气体包括氧气、氮气和氩气。
15.进一步地，第一衬底层的材料为硅；
16.第二衬底层的材料为二氧化硅；
17.第三衬底层的材料为硅；
18.第一衬底层的厚度小于第三衬底层的厚度。
19.进一步地，第二衬底结构的材料为
ⅲ‑ⅴ
族化合物；
20.ⅲ‑ⅴ
族化合物包括磷化铟和砷化镓。
21.进一步地，从待注入面对第二衬底结构进行离子注入的注入能量的设定区间为50kev-1000kev；
22.从待注入面对第二衬底结构进行离子注入的注入剂量的设定区间为0.5
×
10
16
cm-2-1.5
×
10
17
cm-2
；
23.从待注入面对第二衬底结构进行离子注入的离子种类为轻离子；轻离子包括氢离子和氦离子。
24.进一步地，对待刻蚀面和待注入面进行键合处理，得到异质衬底结构，包括：
25.将待刻蚀面与待注入面进行键合处理，使得第一衬底结构和第二衬底结构连接；
26.沿第二衬底结构中的缺陷层剥离部分第二衬底结构，得到异质衬底结构。
27.进一步地，在异质衬底结构上制备外延结构和激光器脊条结构，包括：
28.在异质衬底结构上依次制备缓冲层、第一波导层、第一势垒层、有源区、第二波导层、第二势垒层和包覆层，得到外延结构；
29.对外延结构进行流片制备处理，得到激光器脊条结构。
30.进一步地，绝缘结构的材料为氮化硅。
31.进一步地，波导结构的宽度与激光器脊条结构的宽度的比值的设定区间为0.5-1。
32.相应地，本技术实施例提供了一种激光器结构，激光器结构是基于上述制备方法得到结构，激光器结构包括：
33.异质衬底结构，包括：
34.第一衬底结构；第一衬底结构包括第一衬底层、第二衬底层、第三衬底层和待生长区域；
35.设置在待生长区域内的波导结构；波导结构与第三衬底层连接设置，波导结构与第一衬底层间隔设置，且与第二衬底层间隔设置；
36.设置在第一衬底结构上的第二衬底结构；
37.外延结构，外延结构设置在异质衬底结构的第二衬底结构上；
38.外延结构包括激光器脊条结构；激光器脊条结构在异质衬底结构的位置与波导结构在异质衬底结构的位置对应重合。
39.本技术实施例具有如下有益效果：
40.本技术实施例所公开的一种激光器结构的制备方法及其结构，包括获取第一衬底结构和第二衬底结构；第一衬底结构包括第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层，第一衬底层具有待刻蚀面，第二衬底结构具有待注入面；从待刻蚀面对第一衬底结构进行刻蚀处理，得到待生长区域；待生长区域的高度与第一衬底层和第二衬底层的高度和相等；在待生长
区域制备绝缘结构；绝缘结构与第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层连接设置；对绝缘结构进行刻蚀处理，得到波导结构；波导结构与第三衬底层连接设置，波导结构与第一衬底层间隔设置，且与第二衬底层间隔设置；从待注入面对第二衬底结构进行离子注入，使得在第二衬底结构内形成缺陷层；对待刻蚀面和待注入面进行键合处理，得到异质衬底结构；在异质衬底结构上制备外延结构和激光器脊条结构，得到激光器结构；激光器脊条结构在异质衬底结构的位置与波导结构在异质衬底结构的位置对应重合。基于本技术实施例通过在第一衬底结构中制备高导热绝缘结构，可以提高后续制备的激光器结构的热导率，改善激光器结构的性能以及提高激光器结构的寿命。并且，基于氮化硅在光学方面的大带宽和低传输功率，可以使得激光器结构与其他器件的进行耦合。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
42.图1是本技术实施例提供的一种激光器结构的制备方法的流程示意图；
43.图2是本技术实施例提供的一种激光器结构的制备方法的示意图；
44.图3是本技术实施例提供的一种激光器结构的示意图。
具体实施方式
45.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一个实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.此处所称的“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”和“第三”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“具有”和“为”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
47.下面介绍本技术一种激光器结构的制备方法的具体实施例，图1是本技术实施例提供的一种激光器结构的制备方法的流程示意图，图2是本技术实施例提供的一种激光器结构的制备方法的示意图。本说明书提供了如实施例或流程图所示的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序
仅仅为众多执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
48.具体的如图1和2所示，该制备方法可以包括：
49.s101：获取第一衬底结构和第二衬底结构；第一衬底结构包括第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层，第一衬底层具有待刻蚀面，第二衬底结构具有待注入面。
50.本技术实施例中，第一衬底结构可以为绝缘体上硅soi，包括埋氧层，该埋氧层可以为二氧化硅层。也即是，第一衬底层的材料可以为硅，第二衬底层的材料可以为二氧化硅，第三衬底层的材料可以为硅。第一衬底层可以设置在第二衬底层上，第二衬底层可以设置在第三衬底层上。可选地，第二衬底层的厚度的设定区间可以为100nm-5μm。
51.本技术实施例中，第二衬底结构的材料可以为
ⅲ‑ⅴ
族化合物。该
ⅲ‑ⅴ
族化合物可以为磷化铟inp，也可以为砷化镓gaas。
52.在一种可选的实施方式中，第一衬底层可以具有待刻蚀面。可选地，第一衬底层背离第二衬底层的表面即上表面可以为待刻蚀面。第二衬底结构可以具有待注入面。可选地，第二衬底结构地上表面可以为待注入面。图2中a示例了一种第一衬底结构的示意图。
53.s103：从待刻蚀面对第一衬底结构进行刻蚀处理，得到待生长区域；待生长区域的高度与第一衬底层和第二衬底层的高度和相等。
54.本技术实施例中，在获取第一衬底结构和第二衬底结构之后，可以从第一衬底层的待刻蚀面对第一衬底结构进行刻蚀处理，得到待生长区域，该待生长区域的高度与第一衬底层和第二衬底层的高度和相等。在一种可选的实施方式中，可以利用光刻及湿法腐蚀在顶层硅和二氧化硅层中制备出平行沟槽图案。在另一种可选的实施方式中，可以利用干法刻蚀刻蚀在顶层硅和二氧化硅层中制备出平行沟槽图案。该沟槽之间的间距的设定区间可以为100μm-500μm，宽度的设定区间可以为5μm-20μm，具体数值可以取决于激光器结构以及版图设计，刻蚀深度取决于二氧化硅层的厚度，制备出的沟槽需要暴露底层硅。图2中b示例了一种对第一衬底结构进程刻蚀处理，得到待生长区域的示意图。
55.s105：在待生长区域制备绝缘结构；绝缘结构与第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层连接设置。
56.本技术实施例中，在得到待生长区域之后，可以利用等离子体增强化学气相沉积技术在待生长区域制备绝缘结构，即外延生长氮化硅si3n4等高导热绝缘材料。图2中c示例了一种在待生长区域制备绝缘结构的示意图。通过在第一衬底结构中制备高导热绝缘结构，可以提高后续制备的激光器结构的热导率，改善激光器结构的性能以及提高激光器结构的寿命。并且，基于氮化硅在光学方面的大带宽和低传输功率，可以使得激光器结构与其他器件的进行耦合。
57.s107：对绝缘结构进行刻蚀处理，得到波导结构；波导结构与第三衬底层连接设置，波导结构与第一衬底层间隔设置，且与第二衬底层间隔设置。
58.本技术实施例中，可以利用光刻及干法刻蚀去除氮化硅si3n4与顶层硅si接触边缘的部分氮化硅si3n4，以及去除氮化硅si3n4与二氧化硅sio2接触边缘的部分氮化硅si3n4，形成si3n4波导，使得si3n4波导与顶层硅的侧面间隔设置，且与二氧化硅层的侧面间隔设置，去除深度和si3n4波导的厚度相等。图2中d示例了一种对绝缘结构进行刻蚀处理得到波导结构的示意图。
59.s109：从待注入面对第二衬底结构进行离子注入，使得在第二衬底结构内形成缺陷层。
60.本技术实施例中，可以从第二衬底结构的待注入面对第二衬底结构进行离子注入，使得在第二衬底结构内形成缺陷层。其中，从待注入面对第二衬底结构进行离子注入的注入能量的设定区间可以为50kev-1000kev。从待注入面对第二衬底结构进行离子注入的注入剂量的设定区间可以为0.5
×
10
16
cm-2-1.5
×
10
17
cm-2
。从待注入面对第二衬底结构进行离子注入的离子种类为可以轻离子，该轻离子可以为氢离子h，也可以为氦离子he。图2中e示例了一种对第二衬底结构进行离子注入的示意图。
61.本技术实施例中，在从待注入面对第二衬底结构进行离子注入之前，可以利用化学气相沉积在第二衬底的待注入面制备沉积层，来减少后续在对第二衬底结构进行离子注入的过程中对第二衬底结构的表面的污染。可选地，沉积层的材料可以为二氧化硅sio2，沉积层的厚度可以小于等于200nm。
62.s111：对待刻蚀面和待注入面进行键合处理，得到异质衬底结构。
63.本技术实施例中，可以将第一衬底结构和第二衬底结构置于键合机腔内进行气体激活处理，得到表面激活的第一衬底结构和表面激活的第二衬底结构。其中，气体激活处理的气体可以为氧气o2，也可以为n2，还可以为氩气ar。
64.本技术实施例中，可以将表面激活后的第一衬底结构和表面激活的第二衬底结构在键合机中进行键合，如将待刻蚀面与待注入面进行键合处理，使得第一衬底结构和第二衬底结构连接。其中，将将待刻蚀面与待注入面进行键合的键合方式包括直接键合、介质键合以及表面激活键合。在将待刻蚀面与待注入面键合后，可以将键合后的衬底置于退火炉中进行高温退火处理，使得第二衬底结构沿着缺陷层剥离，得到异质衬底结构。图2中f示例了一种将第一衬底结构和第二衬底结构进行键合的示意图，图2中g示例了一种异质衬底结构的示意图。
65.s113：在异质衬底结构上制备外延结构和激光器脊条结构，得到激光器结构；激光器脊条结构在异质衬底结构的位置与波导结构在异质衬底结构的位置对应重合。
66.本技术实施例中，在得到异质衬底结构之后，可以在异质衬底结构上制备外延结构和激光器脊条结构，得到激光器结构。其中，激光器脊条结构在异质衬底结构的位置与波导结构在异质衬底结构的位置对应重合。图2中h示例了一种在异质衬底结构上制备外延结构的示意图，图2中i示例了一种激光器结构的示意图。
67.在一种可选的实施方式中，可以在异质衬底结构上依次制备缓冲层、第一波导层、第一势垒层、有源区、第二波导层、第二势垒层和包覆层，得到外延结构，然后对外延结构进行流片制备处理，得到激光器脊条结构。其中，波导结构在异质衬底结构的位置与激光器脊条结构在异质衬底结构的位置对应重合，波导结构的宽度与激光器脊条结构的宽度的比值的设定区间可以为0.5-1。也即是，si3n4波导宽度小于脊条结构宽度，且大于脊条结构宽度的一半，便于形成有效波导。
68.本技术实施例中，激光器结构可以为量子阱激光器，可以为量子点激光器，其激光器的类型可以通过调整有源区实现。
69.下面基于上文中描述的激光器结构的制备方法，举一实例进行说明。
70.获取一soi衬底，该soi衬底的埋氧层的厚度可以为1μm，顶层硅的厚度可以为2μm。
然后可以利用光刻和湿法刻蚀在顶层硅和埋氧层层中制备出平行沟槽图案，该沟槽的深度为3μm，宽度可以为8μm，沟槽间的间距可以为200μm。并且，可以利用等离子体增强化学气相沉积在沟槽内生长3μm的氮化硅si3n4薄膜，以确保氮化硅si3n4填满沟槽。之后，可以对填满氮化硅si3n4的第一衬底结构进行抛光处理，去除多余的si3n4，并对其进行光刻及电感耦合等离子体(inductive coupled plasma emission spectrometer,icp)刻蚀，来去除氮化硅si3n4与二氧化硅sio2接触边缘的部分氮化硅si3n4，形成si3n4波导，使得si3n4波导与顶层硅的侧面间隔设置，且与二氧化硅层的侧面间隔设置，刻蚀的深度可以为3μm。在获取soi衬底的同时，还可以获取一磷化铟inp衬底，利用中束离子注入机，在75kev能量下，对磷化铟inp衬底注入1
×
1016cm-2剂量的氢h离子。然后，将soi衬底和inp衬底置于键合机进行清洗，并在键合机内进行氧气o2表面激活，再将表面激活的soi衬底与表面激活的inp衬底进行亲水性键合，得到键合对，并将键合对在200℃的退火炉中进行退火处理，趋使inp衬底沿缺陷层剥离，得到异质衬底结构。然后对剥离所获的inp衬底薄膜表面进行抛光处理，获得光滑平整的inp薄膜表面。再对异质衬底结构的inp薄膜进行外延生长，自下而上依次生长inp缓冲层、ingaasp波导层、ingaas势垒层、有源区、ingaas势垒层、ingaasp波导层、inp包覆层以及ingaas顶层，然后结合激光器结构、其他有源器件以及氮化硅si3n4波导结构的设计版图，对外延结构进行流片制备，得到激光器结构。可选地，可以在包覆层上制备ingaas顶层，然后在ingaas顶层制备氮化硅si3n4，以及在氮化硅si3n4的部分区域制备金属电极层，得到激光器结构。
71.采用本技术实施例所提供的激光器结构的制备方法，通过在第一衬底结构中制备高导热绝缘结构，可以提高后续制备的激光器结构的热导率，改善激光器结构的性能以及提高激光器结构的寿命。并且，基于氮化硅在光学方面的大带宽和低传输功率，可以使得激光器结构与其他器件的进行耦合。
72.本技术实施例还提供的一种激光器结构，图3是本技术实施例提供的一种激光器结构的示意图，该激光器结构可以是基于上文中描述的激光器结构的制备得到的结构。
73.如图3所示，该激光器结构可以包括异质衬底结构300和外延结构400。其中，异质衬底结构300可以包括第一衬底结构310。该第一衬底结构310可以包括第一衬底层311、第二衬底层312、第三衬底层313和待生长区域314。其中，待生长区域内314可以制备有波导结构315，该波导结构315可以与第三衬底层313连接设置，波导结构315与第一衬底层311间隔设置，且与第二衬底层312间隔设置。异质衬底结构300可以还包括第二衬底结构320，该第二衬底结构320可以设置在第一衬底结构310上。外延结构400可以设置在异质衬底结构300的第二衬底结构320上，该外延结构400可以经过流光制备得到激光器脊条结构410，该激光器脊条结构410在异质衬底结构的位置与波导结构315在异质衬底结构的位置对应重合。
74.本技术实施例中的结构与制备方法实施例基于同样的申请构思。
75.采用本技术实施例所提供的激光器结构，由于第一衬底结构中制备有高导热绝缘结构，相较于现有激光器结构可以提高激光器结构的热导率，改善激光器结构的性能以及提高激光器结构的寿命。并且，基于氮化硅在光学方面的大带宽和低传输功率，可以使得激光器结构与其他器件的进行耦合。
76.由上述本技术提供的激光器结构的制备方法或激光器结构的实施例可见，本技术中制备方法包括获取第一衬底结构和第二衬底结构；第一衬底结构包括第一衬底层、第二
衬底层和第三衬底层，第一衬底层具有待刻蚀面，第二衬底结构具有待注入面；从待刻蚀面对第一衬底结构进行刻蚀处理，得到待生长区域；待生长区域的高度与第一衬底层和第二衬底层的高度和相等；在待生长区域制备绝缘结构；绝缘结构与第一衬底层、第二衬底层和第三衬底层连接设置；对绝缘结构进行刻蚀处理，得到波导结构；波导结构与第三衬底层连接设置，波导结构与第一衬底层间隔设置，且与第二衬底层间隔设置；从待注入面对第二衬底结构进行离子注入，使得在第二衬底结构内形成缺陷层；对待刻蚀面和待注入面进行键合处理，得到异质衬底结构；在异质衬底结构上制备外延结构和激光器脊条结构，得到激光器结构；脊条结构在异质衬底结构的位置与波导结构在异质衬底结构的位置对应重合。基于本技术实施例通过在第一衬底结构中制备高导热绝缘结构，可以提高后续制备的激光器结构的热导率，改善激光器结构的性能以及提高激光器结构的寿命。并且，基于氮化硅在光学方面的大带宽和低传输功率，可以使得激光器结构与其他器件的进行耦合。
77.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的相连或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
78.需要说明的是：上述本技术实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，且上述本说明书对特定的实施例进行了描述，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同的实施例中的顺序来执行并且能够实现预期的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出特定顺序或者而连接顺序才能够实现期望的结果，在某些实施方式中，多任务并行处理也是可以的或者可能是有利的。
79.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的均为与其他实施例的不同之处。尤其，对于结构的实施例而言，由于其基于相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
80.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。