一文詳解氧化剝離技術(shù)（1）

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。

光發(fā)射器與硅電子器件的融合是許多應(yīng)用的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，例如芯片級(jí)光互連、片上光學(xué)系統(tǒng)、光通信芯片等。[1]. 在這些應(yīng)用中，光發(fā)射機(jī)通常被設(shè)想為鍵合到硅集成電路頂層金屬化層的ⅲ-ⅴ族化合物半導(dǎo)體垂直腔面發(fā)射激光器陣列[2，3]。材料的不同以及硅和ⅲ-ⅴ族技術(shù)的不兼容性，使得快速ⅲ-ⅴ族光發(fā)射器和光電探測(cè)器的密集陣列與硅的混合集成技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)新興ⅲ-ⅴ族/硅系統(tǒng)的真正障礙。

由于熱膨脹系數(shù)差異引起的應(yīng)力(6.8x10-6 vs。2.6x10-6分別用于和Si)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[4，5]。我們的有限元分析[1]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。(I)簡(jiǎn)單的襯底濕化學(xué)減薄至嵌入的鋁酸鹽蝕刻停止層被用于許多

研究[5，6]。濕化學(xué)物質(zhì)(如NH4OH-H2O2-H2O)經(jīng)常侵蝕用于粘合的金屬或聚合物層。保護(hù)結(jié)構(gòu)的邊緣和附著表面導(dǎo)致蝕刻的高度不均勻性，并使得該技術(shù)不可靠且難以擴(kuò)展。此外，它產(chǎn)生大量的化學(xué)廢物。

(ii) 當(dāng)GaAs/低鋁濃度AlxGa1-xAs結(jié)構(gòu)與GaAs襯底分離時(shí)，由Yablonovitch [7]提出的外延剝離技術(shù)被證明是非常有效的。該方法包括使用氫氟酸或緩沖氧化物蝕刻來選擇性橫向蝕刻AlAs犧牲層。然而，x >0.7的層相對(duì)于AlAs具有太低的蝕刻選擇性。事實(shí)上，對(duì)于x=0.8-1 [8]，蝕刻速率僅變化10倍。為了利用幾個(gè)數(shù)量級(jí)的選擇性，要分離的結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含x<0.6的層.然而，在具有外延分布布拉格反射器的垂直腔面發(fā)射激光器的特殊情況下，周期數(shù)應(yīng)該加倍，以獲得與GaAs/DBR光纖激光器相同的反射率。因此，將外延剝離方法應(yīng)用于垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)是有問題的。

(iii) 最近展示了一種智能切割技術(shù)[9，10]。該方法依賴于光元件注入來產(chǎn)生局部應(yīng)力釋放層。在第二階段，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火，以沿著受應(yīng)力層產(chǎn)生裂紋，并釋放注入?yún)^(qū)域上的薄層。智能切割方法對(duì)于分離幾乎任何半導(dǎo)體襯底上的多數(shù)載流子器件或無源結(jié)構(gòu)都非常有用(已經(jīng)證明了硅、GaAs和磷化銦層的釋放)，它們對(duì)注入引起的缺陷不敏感。對(duì)于激光結(jié)構(gòu)，這種方法不適用。

最近，我們引入了一種新的襯底去除工藝，即氧化剝離法[11]，該工藝為釋放的外延結(jié)構(gòu)提供了高平面性和低粗糙度，并且可以用于制造包含DBR的高效發(fā)光器件，例如VCSELs。本文報(bào)道了利用氧化剝離技術(shù)和金鍺合金金屬鍵合技術(shù)在硅襯底上制作混合集成垂直腔面發(fā)射激光器。襯底移除、器件分離、氧化物孔的形成、鍵合和接觸退火步驟在單個(gè)過程中進(jìn)行。

Dallesasse等人提出了濕式橫向氧化工藝。[12]并且后來被廣泛用于通過在接近VCSEL有源區(qū)的地方形成AlOx層來形成電流和光限制孔徑[13，14]，或者形成高反射率寬阻帶DBRs [15]。該工藝基于嵌入結(jié)構(gòu)中的鋁鎵砷層的蒸汽氧化。已經(jīng)證明，該工藝對(duì)于鋁鎵砷層中鋁含量的微小差異具有足夠的選擇性[11]。

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[12]。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。

圖1顯示了100納米厚的鋁鎵砷層在不同溫度下的橫向氧化速率的相關(guān)性。為了提高分子束外延提供的高鋁含量層組成的準(zhǔn)確性和再現(xiàn)性，我們采用了由(Al0 . 6ga 0 . 4as)1ML(AlS)YMl疊層組成的短周期超晶格，其中y = 3-19個(gè)單層，以實(shí)現(xiàn)x = 0.90-0.98的平均鋁含量。

從圖1可以看出，通過僅降低百分之幾的鋁含量，可以顯著降低氧化速率，因此，濕式氧化工藝提供了相對(duì)于鋁含量的高選擇性。將AlAs與All0.9Ga0.1As進(jìn)行比較，取決于氧化溫度，可以獲得約1:10至1:100的選擇性。這使得所提出的技術(shù)適用于大多數(shù)光電器件，如布拉格反射器中使用的x=0.85-0.9合金的VCSELs。觀察到氧化過程隨時(shí)間線性進(jìn)行，并且SPSLs的速率明顯高于平均鋁含量相同的合金。