一种半导体激光器无源对准耦合与高频封装用硅基板的制作方法

本实用新型涉及光电子器件领域，具体涉及一种半导体激光器无源对准耦合与高频封装用硅基板。

背景技术：

在光纤通信技术中，主要采用半导体激光器作为信号源。随着激光器芯片制备技术的不断完善，不但激光器芯片的成本大大降低，而且单个激光器芯片的调制频率也已达到10GHZ甚至几十GHZ。目前制约信号源特性和成本的关键因素主要在于封装技术。其挑战在于，一方面要使激光器的光最大程度地耦合到光纤中，另一方面要给激光器提供高频调制信号。对于光的耦合，主要有有源耦合和无源耦合两种方法。其中有源耦合方法使用的设备昂贵，耦合工艺也比较复杂；近年来迅速发展的采用硅V型槽定位的无源对准耦合方法(Electron. Lett.，Vol.31，No.9，P.730，Apr.1995.)具有工艺简单、易于大批量流水作业、生产效率高和成本低的特点，并且硅的微细加工工艺相当成熟，V型槽的精度可以作的相当高，完全可以满足激光器高耦合效率的要求，但在给激光器提供10GHz以上的高频调制信号时，需要通过在基底介质上制备的高频传输共面波导来进行。

普通的硅半导体衬底，由于在高频条件下的漏电损耗和电磁耦合损耗，不能直接在上面制作微波传输共面波导。针对这一问题，目前主要有以下两种解决方法：第一种方法是采用高阻硅，高阻硅的电阻率要求高于2500Ω•cm，例如(IEEE Trans. Microwave Theory Tech.，OVol.43，P.705，Apr.1995.)所介绍的方法，在这种高阻硅上可以直接制作微波传输共面波导，刻制V型槽和终止槽，制作工艺简单。但高阻硅的成本很高，与大规模低成本生产的初衷不符；第二种方法是在硅衬底上生长一层十几微米厚的SiO2绝缘介质材料，再在这层厚的SiO2介质上制作微波传输共面波导。由于在共面波导与硅衬底之间加入了十几微米厚的SiO2绝缘层，从而大大减少了微波传输损耗；但在硅的表面生长致密的厚SiO2介质层需要很长的时间或需采用昂贵的先进设备，此外由于SiO2层很厚，会使得V型槽的刻蚀难度加大，精度难以控制，从而对无源耦合效率产生影响；另外厚SiO2热导率差，不利于激光器芯片散热。中国专利文献CN1787304A公开了一种半导体激光器无源对准耦合与高频封装用硅基板，利用其实用新型不仅可以在普通的廉价低阻硅衬底上制备高精度光纤定位V型槽，而且可以在衬底上制备高频传输用共面波导，无需采用价格昂贵的高阻硅或厚的SiO2介质层，但是该硅基板结构仍然不足够简单，相应地制作该硅基板工艺周期较长，工艺复杂。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种新型半导体激光器无源耦合与高频封装用硅基板，该硅基板采用廉价的低阻硅作为硅衬底，通过金元素扩散形成几十到几百微米深度的高阻硅层，在扩散形成的高阻硅层上制作共面波导，本硅基板结构简单，其制备工艺简单，生产效率高，适宜用于批量生产，其技术方案如下：

一种半导体激光器无源对准耦合与高频封装用硅基板，包括一硅衬底，所述硅衬底表面设有由深能级杂质元素扩散形成的高阻硅层，所述高阻硅层的厚度为10~600微米，所述高阻硅层上设有由波导材料制成的用于高频传输用的共面波导，所述硅衬底表面还纵向设有一定位V型槽，该定位V型槽一端向外延伸为开口、另一端与高阻硅层相连。

进一步地，所述高阻硅层全覆盖于硅衬底上。

进一步地，所述高阻硅层设于硅衬底的一侧。

进一步地，所述高阻硅层的深能级杂质元素为金。

进一步地，所述波导材料为金。

进一步地，所述硅衬底为（100）晶面硅晶圆。

进一步地，所述定位V型槽是采用各向异性腐蚀工艺制作在硅衬底上。

进一步地，所述共面波导是采用光刻结合剥离工艺制作于高阻硅层上。

依据上述技术方案，本实用新型与现有技术相比，利用硅中的深能级杂质元素（如金、铜、锌、铂元素）形成载流子复合中心，其对自由载流子有补偿作用，经过掺杂深能级杂质元素的低阻值的硅，电阻率大大提高，可达到几十K甚至几百K的阻值，通过掺杂深能级杂质元素形成高阻硅层，对硅的导热性无影响。经过深能级杂质元素掺杂，硅的阻值最高可达几百KΩ•cm，可大大改善硅的高频性能。此外，本实用新型由于不涉及厚SiO2层的腐蚀问题，因而不会影响定位V型槽的制备精度，另外通过金化学溶液加高温扩散，形成很厚的高阻硅层，该工艺容易控制，并可根据共面波导分布选择区域扩散，比较灵活；本硅基板结构简单，仅仅包括在硅衬底表面上的高阻硅层、定位V型槽和共面波导，其制备工艺简单，生产效率高，适宜用于批量生产。

附图说明

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二的结构示意图。

其中，其中，1、硅衬底；2、高阻硅层；3、定位V型槽；4、共面波导。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一

参阅图1所示，本实用新型一种半导体激光器无源对准耦合与高频封装用硅基板，包括：一硅衬底1，该硅衬底1的上方全覆盖有高阻硅层2，该硅衬底1是普通硅衬底；一定位V型槽3，该定位V型槽3纵向制作在硅衬底1的表面；该定位V型槽3是采用各向异性腐蚀的方法制作在硅衬底1上；高频传输用的共面波导4，共面波导4制作在高阻硅层2上，其中共面波导4是利用光刻结合剥离工艺形成。

硅衬底1采用n型，阻值10Ω•cm的（100）晶面硅晶圆。将配好的氯金酸和无水乙醇按体积比 5:2 的比例混合，滴到清洗干净的硅衬底1上并待其均匀分布于表面后，再用红外灯烘干。在1000度氮气环境下扩散1小时，金可充分扩散到硅衬底1一百微米深处，形成100KΩ•cm的高阻硅层2。然后在硅衬底1上先生长一掩膜层Si3N4；利用光刻和干法刻蚀的方法刻出定位V型槽开口，利用质量百分比25~45%的氢氧化钾溶液，温度控制在50~85度范围，可获得0.6~1.2um/min的（100）晶面腐蚀速率，（111）晶面几乎无腐蚀速率，腐蚀出对准用的定位V型槽5；再用氢氟酸腐蚀去除Si3N4。采用Aligner光刻设备，在高阻硅层2上涂布3~5um的光刻胶形成光刻胶图层， 调整曝光量和显影时间，将光掩膜版图形转移到光刻胶图层上。用电子束蒸发设备蒸发Cr/Au, 保持蒸发设备内衬底温度低于150度以避免光刻胶高温变性， 蒸发速率控制在10~20埃每秒。蒸发完毕用溶剂浸泡，辅助超声波清洗，制作由波导材料制成的出共面波导4。由此，这种简单的新型无源对准耦合与高频封装用硅基板就制作成了。

本实用新型的显著特点在于：可以采用廉价的低阻普通硅衬底，通过金化学溶液加高温扩散工艺，形成很厚的高阻硅层2。无需采用高价的高阻硅衬底或者生长几十微米厚的SiO2中间层；工艺简单，成本低廉，有利于规模化生产。

实施例2

如图2，本实用新型一种半导体激光器无源对准耦合与高频封装用硅基板，包括：一硅衬底1，该硅衬底1的表面一侧设有有高阻硅层2，该硅衬底1是普通硅衬底；一定位V型槽3，该定位V型槽3纵向制作在硅衬底1的表面，该定位V型槽3一端向外延伸为开口、另一端与高阻硅层2相连；该定位V型槽3是采用各向异性腐蚀的方法制作在硅衬底1上；高频传输用的共面波导4，共面波导4制作在高阻硅层2上，其中共面波导4是利用光刻结合剥离工艺形成。

硅衬底1采用n型，阻值10Ω•cm的（100）晶面硅晶圆。先生长一层200nm厚度的二氧化硅膜层，刻蚀出需要形成高阻部分。将配好的氯金酸和无水乙醇按体积比 5:2 的比例混合，滴到清洗干净的硅衬底1上并待其均匀分布于表面后，再用红外灯烘干。在1000度氮气环境下扩散2小时，金可充分扩散到硅两百微米深处，形成200KΩ•cm的高阻硅层2，然后用BOE去除二氧化硅膜层。然后在硅衬底1上先生长一掩膜层Si3N4；利用光刻和干法刻蚀的方法刻出定位V型槽开口，利用质量百分比25~45%的氢氧化钾溶液，温度控制在50~85度范围，可获得0.6~1.2um/min的（100）晶面腐蚀速率，（111）晶面几乎无腐蚀速率，腐蚀出对准用的定位V型槽3，再用氢氟酸腐蚀去除Si3N4。采用Aligner光刻设备，在高阻硅层2上涂布3~5um的光刻胶形成光刻胶图层， 调整曝光量和显影时间，将光掩膜版图形转移到光刻胶图层上。用电子束蒸发设备蒸发Cr/Au, 保持蒸发设备内衬底温度低于150度以避免光刻胶高温变性， 蒸发速率控制在10~20埃每秒。蒸发完毕用溶剂浸泡，辅助超声波清洗，制作出由波导材料制成的出共面波导4。由此，这种简单的新型无源对准耦合与高频封装用硅基板就制作成了。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。