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摘要
? ? ? ?降低混合集成結(jié)構(gòu)中由于熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的應(yīng)力需要去除襯底，這是關(guān)鍵因素之一。由于鋁犧牲層和高鋁含量DBR層之間的刻蝕選擇性低，常用的外延剝離技術(shù)很難用于制作全外延介質(zhì)阻擋半導(dǎo)體激光器。提出并論證了一種新的去除底物的方法——氧化剝離法。與外延剝離法相比，該工藝對(duì)鋁含量顯示出更高的選擇性，外延剝離法允許釋放具有外延DBR和硅上單獨(dú)元件的垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，減少了工藝步驟的數(shù)量，并最終降低了制造/集成器件的成本。金鍺合金用于分子束外延生長(zhǎng)的氧化剝離結(jié)構(gòu)的金屬鍵合。1米厚的AlAs嵌入犧牲層被橫向氧化，以從GaAs襯底釋放部分處理的器件。在硅襯底上制作了分離式垂直腔面發(fā)射激光器的2D陣列。接觸退火、襯底去除、器件分離、鍵合和氧化物孔的形成在單個(gè)處理步驟中完成。測(cè)量了所制備器件的電致發(fā)光光譜、伏安特性和π特性。發(fā)現(xiàn)制造的器件的串聯(lián)電阻約為100歐姆。對(duì)于孔徑為25 m的器件，證明了閾值電流為8 mA的激射。
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介紹
? ? ? 由于熱膨脹系數(shù)差異引起的應(yīng)力集成技術(shù)應(yīng)包括襯底釋放和器件分離。去除或減薄GaAs襯底是將熱失配應(yīng)力降低到可接受水平的重要第一步。我們的有限元分析表明，減薄附著的GaAs層會(huì)使應(yīng)力值降低3-6倍，這可能會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的完整性，防止用于焊接的焊料凸塊斷裂/空隙化以及應(yīng)力導(dǎo)致的激光二極管退化。第二個(gè)重要步驟是分離基于GaAs的部件，以減少粘合結(jié)構(gòu)的面積，并因此防止變薄的ⅲ-ⅴ層的翹曲和破裂。
? ? ??雖然有幾種方法被證明可以去除GaAs襯底，但是這種技術(shù)仍然具有挑戰(zhàn)性，特別是當(dāng)與硅芯片上的已處理器件的分離相結(jié)合時(shí)。三種最廣泛使用的襯底去除方法:(一)濕法蝕刻，(二)智能切割和(三)外延剝離當(dāng)用于制造高效的基于鋁鎵砷的發(fā)光器件，如垂直腔面發(fā)射激光器和諧振腔光電探測(cè)器時(shí)，具有特定的問題。
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GaAs基質(zhì)釋放的濕法氧化
? ? ? 濕法氧化工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)鋁鎵砷合金中的鋁含量有極高的選擇性。這一特性要求在異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程中對(duì)成分進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)可再現(xiàn)的氧化。然而，高鋁含量合金的生長(zhǎng)在再現(xiàn)性方面是有問題的。分子束外延提供了一種采用短周期超晶格(也稱為數(shù)字合金)的方法，這種超晶格由幾個(gè)單層(ML)厚的層組成，與合金相比，可以增強(qiáng)對(duì)成分的控制。在分子束外延中，在不改變滲出池溫度的情況下，可以生長(zhǎng)多種組成的單光子晶體硅。此外，與合金相比，SPSL在生長(zhǎng)過程中保持原子級(jí)光滑表面，這在生長(zhǎng)總厚度超過10 μm的非常厚的結(jié)構(gòu)(如垂直腔面發(fā)射激光器)時(shí)尤其重要。
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? ? ? 圖1 氧化速率與各種氧化溫度下的鋁含量，說明濕式氧化工藝相對(duì)于100納米厚的待氧化層的鋁含量的選擇性。虛線的開放符號(hào)對(duì)應(yīng)合金，實(shí)線的封閉符號(hào)對(duì)應(yīng)短周期超晶格。帶有十字的細(xì)線顯示了緩沖氧化物蝕刻溶液的濕法蝕刻速率對(duì)成分的依賴性，這對(duì)于參考文獻(xiàn)中的外延剝離(ELO)是典型的。
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結(jié)果和討論
? ? ? 大多數(shù)典型的鍵合方案包括焊料凸塊，類似于倒裝芯片封裝、聚合物膠或金屬合金，以將光電子元件附著到硅上。
? ? ? 在實(shí)驗(yàn)中，金鍺合金是一個(gè)自然的選擇，因?yàn)樗?/span>n型GaAs廣泛使用的歐姆接觸金屬。在所采用的鍵合技術(shù)中，鍵合合金成為硅上金屬化方案的一部分，并用作光電元件的電觸點(diǎn)。金屬也有利于集成所需的高導(dǎo)熱性.另一方面，金屬結(jié)合的問題是對(duì)可能用于進(jìn)一步加工的濕化學(xué)物質(zhì)的穩(wěn)定性差。無(wú)論在外延剝離技術(shù)中使用哪種鍵合材料，襯底釋放和器件分離步驟都應(yīng)該在鍵合周期中完成。否則，冷卻后結(jié)構(gòu)可能會(huì)斷裂。
? ? ? 通過氧化剝離技術(shù)在硅、二氧化硅晶片上制造的器件臺(tái)面的光學(xué)圖像和光纖截面如圖6所示。
? ? ? ?氧化剝離方法結(jié)合了外延剝離(ELO)的有益特性和引言中描述的智能切割技術(shù)。類似于智能切割方法，橫向氧化產(chǎn)生應(yīng)力層，但不通過器件結(jié)構(gòu)注入。與ELO類似，濕式氧化是對(duì)薄層的橫向修改，不涉及對(duì)GaAs襯底主體的蝕刻。與ELO不同，濕法氧化在鋁鎵砷化合物中鋁含量高時(shí)具有高度選擇性。此外，氧化剝離允許在單個(gè)熱處理工藝步驟中獲得結(jié)合、器件層釋放和器件分離。
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結(jié)論??
? ? ? 混合集成垂直腔面發(fā)射激光器通過氧化剝離技術(shù)制作在硅片上。通過反應(yīng)離子蝕刻形成的器件臺(tái)面使用金、鍺合金的金屬結(jié)合結(jié)合到硅晶片。通過垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的濕法橫向氧化，在相同的處理步驟中完成襯底去除、鍵合、接觸退火和氧化物孔的形成。本文展示了所制備器件的激光、電學(xué)和光學(xué)特性。?
? ? ? 本文所提出的技術(shù)可以用于各種基于GaAs的器件的異質(zhì)集成，例如激光器、發(fā)光二極管、光電探測(cè)器、晶體管等。硅或其他襯底。這些應(yīng)用包括各種大型寬帶光通信和互連模塊，包括芯片級(jí)光互連、需要將高性能ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體元件與硅電路集成的各種射頻和微波系統(tǒng)、利用光和微波技術(shù)的各種傳感器應(yīng)用。
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