CN108054182A - 一种化合物半导体硅基混合器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，提供一种化合物半导体硅基混合器件及其制备方法，其中制备方法，包括：在第一衬底上依次形成牺牲层、半导体功能层，形成第一组件；将第二衬底划分为光波导区和键合区，在所述光波导区上形成光波导结构，在所述键合区形成对准组件；在所述键合区表面形成键合凸台；将所述第一组件设置在所述键合区上，所述半导体功能层与所述键合凸台相键合，所述半导体功能层靠近所述光波导区的侧壁与所述光波导结构的端面耦合。该方法能够避免半导体功能层与光波导结构精准对位的问题(即在垂直以及水平方向上无源对准)；此外，提高了半导体器件的集成度和化合物半导体光电器件与硅基光波导的耦合精度，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种化合物半导体硅基混合器件及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的高速发展，人们对计算机的运算速度和信息存储量的要求也越来越高。而光子具有传播速度快，传输容量大，响应速度快，处理速度快、功耗低的特点。同时，还具有集成化以及高度的抗电磁干扰性的优势，带宽比电子大几个数量级。因此，人们希望将光子作为信息载体与成熟的硅微电子技术相结合，实现硅基光电集成。
其中，激光器是核心光电子元件之一，硅基激光器与硅基波导器件集成提供光源，是用于硅基光子集成的重要器件。现有技术中，激光器与硅基光电子集成电路的集成方式，采用以下几种方案：(1)通过光纤将激光器和硅基波导的连接；(2)将激光器芯片倒装至硅基波导；(3)利用化合物半导体材料作为增益截止，利用倏逝波导入硅基波导进行混合集成。然而，上述方案(1)中，由于采用光纤连接方式空间占比高，对准难度随器件密度大幅提高；上述方案(2)中，需要将制备完成的激光器芯片倒装至硅基波导上，有源对准难度较大、生产效率低；上述方案(3)中，由于采用的倏逝波耦合形式，容易导致硅基波导的耦合效率低，同时需要特殊生长的外延结构和较高的键合难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中由于硅基混合激光器的制备过程中对准难度大所导致的制备工艺复杂的缺陷。
鉴于此，本发明提供一种化合物半导体硅基混合器件的制备方法，包括以下步骤：
在第一衬底上依次形成牺牲层、半导体功能层，形成第一组件；
将第二衬底划分为光波导区和键合区，在所述光波导区上形成光波导结构，在所述键合区形成对准组件；
在所述键合区表面形成键合凸台；
将所述第一组件设置在所述键合区上，所述半导体功能层与所述键合凸台相键合，所述半导体功能层靠近所述光波导区的侧壁与所述光波导结构的端面耦合。
可选地，形成所述对准组件的步骤包括：
对所述键合区进行图案化并刻蚀，形成沟槽；
对所述沟槽进行图案化并刻蚀，形成若干立柱。
可选地，所述键合凸台的高度大于所述对准组件的高度。
可选地，所述将所述第一组件设置在所述键合区上步骤之前，还包括对所述第一组件进行切割，使其大小与所述键合区适配的步骤。
可选地，所述将所述第一组件设置在所述键合区上步骤之前，还包括对所述半导体功能层靠近所述光波导区的侧壁进行解理的步骤。
可选地，所述半导体功能层包括外延生长的第一半导体层，有源层以及第二半导体层，所述第一半导体层靠近所述牺牲层设置。
可选地，还包括剥离所述牺牲层的步骤。
可选地，所述化合物半导体层为砷类化合物层或铟类化合物层；所述键合凸台为金属钯凸台或金锡合金凸台。
可选地，所述牺牲层的厚度为20nm至150nm；减薄后的所述第一衬底的厚度为95μm至115μm。
本发明还提供一种硅基化合物半导体混合集成器件，根据上述任一项所述的制备方法所制备。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明实施例提供的化合物半导体硅基混合器件的制备方法，通过在第一衬底上形成牺牲层以及半导体功能层，然后将半导体功能层耦合至第二衬底的光波导结构上；最后，对半导体功能层进行处理以形成半导体器件。该方法能够避免半导体功能层与光波导结构精准对位的问题(即在垂直以及水平方向上无源对准)；此外，提高了半导体器件的集成度和化合物半导体光电器件与硅基光波导的耦合精度，提高了生产效率。
2.本发明实施例提供的化合物半导体硅基器件的制备方法，通过对第二衬底键合区的沟槽进行图案化，形成若干对应于光波导结构的高度的立柱，用于防止半导体功能层在键合过程中其相对于光波导结构的位置不会发生变化，进一步提高了其耦合效率。
3.本发明实施例提供的化合物半导体硅基混合器件的制备方法，通过对牺牲层厚度的限定，保证在有效剥离牺牲层的同时，能够避免剥离对半导体功能层的损伤，提高了半导体器件的效率。
4.本发明实施例提供的化合物半导体硅基混合器件的制备方法，其中，将键合凸台的高度设置为大于对准组件的高度，使得该键合凸台能够控制半导体功能层在纵向与光波导结构的耦合。
5.本发明实施例提供的化合物半导体硅基混合器件的制备方法，通过利用立柱控制对准高度，能够避免钯层溢流的问题，同时单侧沉积钯层凸台省去蒸镀两层金层的操作步骤，实现在简化工艺的基础上降低成本；此外，钯层可以同时与化合物半导体和硅形成欧姆接触，为器件金属接触设计提高了自由度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。
图1为本发明实施例1中化合物半导体硅基混合器件的制备方法的一个具体示意的方法流程图；
图2为本发明实施例1中第一衬底上形成半导体功能层的一个具体示意的结构示意图；
图3为本发明实施例1中半导体功能层的一个具体示意的结构示意图；
图4a至图4h为本发明实施例1中制备工艺结构流程图；
附图标记：11-第一衬底；12-牺牲层；13-半导体功能层；21-第二衬底；211-硅层；212-第一二氧化硅层；213-硅(或氮化硅)层；214-第二二氧化硅层；22-光波导区；23-键合区；24-对准组件；25-键合凸台。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种化合物半导体硅基混合器件的制备方法，用于制备硅基化合物半导体混合集成器件，如图1所示，该制备方法包括以下步骤：
步骤S11，在第一衬底上依次形成牺牲层以及半导体功能层，形成第一组件。
如图2所示，在第一衬底11利用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，简称为MBE)或金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称为MOCVD)上先生长牺牲层12，在牺牲层12上生长半导体功能层(半导体激光器、半导体光放大器、半导体光探测器等光的增益、吸收结构)13，从而形成第一组件。但是，本发明的保护范围并不限于此，所有能够在形成半导体功能层13的方法均属于本发明的保护范围。
其中，牺牲层12的厚度为20nm至150nm，具体厚度可以根据实际形成半导体器件的半导体功能层进行具体设置。牺牲层12为化合物半导体层，具体可以为砷类化合物层或铟类化合物层。第一衬底11以及牺牲层12的选择取决于所要形成的半导体器件的材料体系。例如，对于GaAs化合物半导体体系的半导体器件，可以采用砷化镓作为第一衬底11，采用AlAs或AlGaAs作为牺牲层12的材料，其中，Al的含量需要高于50％；对于InP化合物半导体体系的半导体器件，选用InAlAs或InGaAs或InGaAsP作为牺牲层12的材料。
此外，在牺牲层11上生长的半导体功能层为若干层的层叠结构，该半导体功能层13用于后续半导体器件的制备。其中，半导体功能层13包括层叠设置的第一半导体层，有源层以及第二半导体层。第一半导体层包括第一限制层和第一波导层，第二半导体层包括第二限制层和第二波导层；此外，第一半导体层靠近牺牲层设置。
具体地，半导体功能层13的结构如图3所示，从上往下依次为第二半导体层(第二波导层131，第二限制层132)，有源层133，第一半导体层(第一限制层134，第一波导层135)。其中，第二波导层131、第二限制层132，分别为P型波导层131与P型限制层132；第一限制层134、第一波导层135，分别为N型限制层134与N型波导层135。
步骤S12，将第二衬底划分为光波导区和键合区，在光波导区上形成光波导结构，在键合区形成对准组件。
第二衬底21可以为硅基衬底，具体可以选择绝缘层上硅(Silicon On Insulator，简称为SOI)。其中，该SOI的结构如图4a所示，包括Si层211，以及依次层叠在硅层211上的第一二氧化硅层212，硅(或氮化硅)层213。
其中，如图4a所示，第二衬底21划分为光波导区22以及键合区23。光波导区22利用光波导结构形成硅基光电集成电路；键合区23用于混合集成化合物半导体器件。在光波导区22形成光波导结构的同时，如图4b所示，可以将对应于键合区23部分的硅(或氮化硅)层213完全刻蚀至第一二氧化硅层212。
作为本实施例的一种可选实施方式，在第二衬底21上对应于光波导区22区域制备的集成电路为硅基光电子集成电路。
其中，硅基光电子集成电路部分可以采用SOI、Silica on Silicon或SiN on Si技术。在进行键合沟槽刻蚀之前完成硅基光电子集成电路的制备，其中，在SOI最上层即硅层部分进行光波导结构的刻蚀，之后可有PECVD沉积与SOI二氧化硅相同厚度的光隔离层。
此外，对应于不同硅光集成部分的设计，在光波导结构中可引入光调制器等有源部分。
具体地，形成光波导结构的过程如图4c所示，在对应于光波导区的硅(或氮化硅)层213以及对应于键合区的第一二氧化硅层212层表面沉积一层二氧化硅层，即第二二氧化硅层214。即，在第二衬底21的光波导区上形成的光波导结构，可以包括第一二氧化硅层212、硅(或氮化硅)层213以及第二二氧化硅层214。
在键合区24形成对准组件24，可以将键合区进行两次图案化并刻蚀，先后形成沟槽以及位于沟槽内部的若干对准组件24。其中，对准组件24可以为立柱，也可以其他形状的对准组件，只需保证该对准组件能够防止半导体功能层13在键合过程中其相对于光波导结构的位置不会发生变化即可。在本实施例中，对准组件24为立柱。
其中，将键合区进行图案化并刻蚀，形成若干立柱的步骤包括：
步骤S121，通过第一刻蚀工艺，刻蚀出沟槽形成键合区域。
其中，预留槽的刻蚀分为两部分进行。首先，如图4d所示，对第二衬底21对应于键合区23的部分进行衬底干法刻蚀，刻蚀出沟槽形成键合区域。即通过第一刻蚀工艺将对应于键合区23的第二二氧化硅层214的厚度减薄，该步骤中沟槽的刻蚀深度取决于第一衬底11上生长的化合物半导体结构；此外，该刻蚀的厚度决定了化合物半导体器件的光场高度。经过第一刻蚀工艺之后，该化合物半导体器件的结构如图4d所示。
作为本实施例的一种可选实施方式，沟槽的刻蚀深度为第一衬底11上生长的化合物半导体表面至有源区中心位置的高度。
步骤S122，通过第二刻蚀工艺，在刻蚀沟槽区域形成若干对应于光波导结构高度的立柱。
如图4e所示，在对应于键合区23，通过第二刻蚀工艺形成若干立柱24。其中，立柱24之间的区域为耦合凸台25所在区域。由于后续将半导体功能层13与键合区23进行键合时，所形成的半导体器件的光场要与光波导区域进行耦合，因此，半导体功能层13的有源区中心需要与光波导中心进行对准。即，采用立柱24对形成半导体器件的半导体功能层的高度进行控制。
在本实施例中，立柱24的刻蚀高度延伸至第二衬底21的硅基表面，能够提高该化合物半导体硅基混合器件的散热性。立柱24的刻蚀高度取决于用于键合的键合凸台25的要求，一般在250nm以上。即，对准组件24的刻蚀高度可以根据键合凸台25的要求进行具体设置。
步骤S13，在键合区表面形成键合凸台。
在上述两步刻蚀完成之后，在立柱24之间区域形成键合凸台25。具体地，可以在立柱24表面涂覆一层光刻胶，在立柱24之间以及立柱24表面通过电子束蒸镀的方式沉积键合凸台25，沉积完成之后，将立柱24表面的光刻胶去除，从而能够形成如图4f所示的结构。但是，本发明的保护范围并不限于此，所有能够形成键合凸台25的方法均属于本发明的保护范围。
其中，键合凸台25的高度大于对准组件24的高度，有利于半导体功能层13与光波导结构的耦合。键合凸台25可以为金属钯凸台，通过利用立柱控制对准高度，能够避免钯层溢流的问题，同时单侧沉积钯层凸台省去蒸镀两层金的操作步骤，实现在简化工艺的基础上降低成本；此外，金属钯凸台可以同时与化合物半导体和硅基形成欧姆接触，为器件金属接触设计提高了自由度。
作为本实施例的一种可选实施方式，键合凸台25可以为金锡合金凸台。
步骤S14，将第一组件设置在键合区上，半导体功能层与键合凸台相键合，半导体功能层靠近光波导区的侧壁与光波导结构的端面耦合。
整理第一组件的大小，使之与第二衬底21的键合区适配，结构如图4g所示。具体地，可以采用物理方法将第一衬底11进行减薄，并将第一衬底11、牺牲层12以及半导体功能层13中用于对准光波导区22的侧壁进行解理。可选地，在解理面沉积化合物半导体增益波长所对应的抗反射膜，从而提高半导体功能层13与光波导区的耦合效率。
作为本实施例的一种可选实施方式，减薄后的第一衬底11的厚度为95μm至115μm。
如图4g所示，将半导体功能层13与键合凸台25键合。其中，若键合凸台25为钯层，则可以采用flip-chip键合机进行热键合；若键合凸台25为金锡合金层，则可以采用flip-chip键合机进行热键合。
其中，在键合过程中，键合凸台25会在不同的受力情况下进行收缩，回直接影响到键合后半导体器件在绑定后的相对于光波导的高度。因此，通过精确控制立柱24的高度，即使键合凸台25在键合中产生形变，可以利用立柱24作为控制高度的阻挡结构，从而能够保证半导体器件相对于硅基光波导的位置不产生变化。
如图4h所示，在键合步骤完成之后，将牺牲层12剥离。具体可以采用：利用化学溶液法，使得溶液与牺牲层发生反应，将牺牲层12剥离，从而能够将第一衬底11剥离；或者，首先将第一衬底11减薄，再利用溶液法进行牺牲层11侧剥离。
剥离牺牲层12以及第一衬底11之后，对半导体功能层13进行处理，以制备半导体器件。所制备出的半导体器件可以为半导体激光器、半导体放大器、半导体光探测器等等。
本实施例中将化合物半导体剥离技术与硅基光电集成技术有机结合，提高了硅光芯片的集成度、制造精度以及生产效率，有效搭建了有源化合物半导体芯片与无源硅光集成芯片的混合集成。
该方法制备的半导体器件，能够提高半导体器件在硅光芯片系统上的集成度，生产复杂度，工艺精度以及光耦合效率。此外，在该制备方法的基础上，可以实现不同硅光芯片与化合物半导体器件的混合集成，例如可以为硅基可调激光器、硅基光收发器、硅基神经网络芯片等等。
实施例2
本发明实施例提供一种硅基化合物半导体混合集成器件，采用本发明实施例1中的化合物半导体硅基混合器件的制备方法所制备。
未在本实施例中具体描述的化合物半导体体硅基混合器件的结构细节，请参照实施例1，在此不再赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种化合物半导体硅基混合器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在第一衬底上依次形成牺牲层、半导体功能层，形成第一组件；
将第二衬底划分为光波导区和键合区，在所述光波导区上形成光波导结构，在所述键合区形成对准组件；
在所述键合区表面形成键合凸台；
将所述第一组件设置在所述键合区上，所述半导体功能层与所述键合凸台相键合，所述半导体功能层靠近所述光波导区的侧壁与所述光波导结构的端面耦合。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述对准组件的步骤包括：
对所述键合区进行图案化并刻蚀，形成沟槽；
对所述沟槽进行图案化并刻蚀，形成若干立柱。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述键合凸台的高度大于所述对准组件的高度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述将所述第一组件设置在所述键合区上步骤之前，还包括对所述第一组件进行切割，使其大小与所述键合区适配的步骤。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述将所述第一组件设置在所述键合区上步骤之前，还包括对所述半导体功能层靠近所述光波导区的侧壁进行解理的步骤。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述半导体功能层包括外延生长的第一半导体层，有源层以及第二半导体层，所述第一半导体层靠近所述牺牲层设置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括剥离所述牺牲层的步骤。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述化合物半导体层为砷类化合物层或铟类化合物层；所述键合凸台为金属钯凸台或金锡合金凸台。
9.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度为20nm至150nm；减薄后的所述第一衬底的厚度为95μm至115μm。
10.一种硅基化合物半导体混合集成器件，其特征在于，根据权利要求1至9中任一项所述的制备方法所制备。
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