[发明专利]硅光子学中的III-V芯片制备和集成

说明书

通过将III‑V晶片固定到转移晶片来制造复合半导体激光器。去除III‑V晶片的衬底，并且将该III‑V晶片刻蚀成多个芯片，同时将该III‑V晶片固定到转移晶片。将该转移晶片单片化。该转移晶片的一部分用作手柄，用于将芯片键合在硅器件的凹槽中。该芯片用作半导体激光器的增益介质。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年5月11日提交的名称为“硅光子学中的III-V芯片制备和集成”的美国临时专利申请No.62/334,895的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文用于所有目的。

背景技术

本申请涉及用于硅光子学的半导体键合(bonding)。更具体地，但不限于，将III-V芯片与硅平台集成以制作光学器件。有时在硅集成电路上部署高级电子功能(例如，光子器件偏置控制、调制、放大、数据串行化和反串行化、成帧和路由)。其中一个原因是存在用于设计和制造硅集成电路的全球基础设施，这使得能够以市场支持的成本生产具有非常先进功能和性能的器件。由于其间接能量带隙，硅尚未用于光发射或光放大。

化合物半导体(例如，磷化铟、砷化镓以及相关的三元和四元材料)因具有直接能量带隙，已经用于光通信，特别是用于发光器件和光电二极管。然而，由于以这些材料制造器件和电路的成本较高，因此在这些材料上集成先进的电子功能受限于利基(niche)及高性能应用。此外，由于材料之间的晶格失配，三元和四元材料与硅的集成是具有挑战性的。

发明内容

在一些实施方案中，在较大的硅晶片上处理较小的III-V晶片以降低制造成本。在一些实施方案中，使用光刻和/或干法刻蚀而非使用切割、划线和/或分割来限定III-V芯片的刻面位置。在一些实施方案中，减小了III-V芯片的尺寸，因此III-V芯片的尺寸不受切割、划线和/或分割方法的约束。

在一些实施方案中，通过将增益芯片键合到硅器件来制作复合半导体激光器的方法包括：将粘合剂施加到转移衬底以形成转移晶片；通过使器件晶片与粘合剂接触，将该器件晶片固定到该转移晶片上；在将该器件晶片固定到该转移晶片上之后去除该器件晶片的一部分；在器件晶片中刻蚀沟槽以形成多个芯片，其中，刻蚀沟槽在去除该器件晶片的一部分之后进行；在转移衬底中刻蚀沟槽以单片化芯片单元，其中该芯片单元包括：多个芯片中的一个芯片，以及该转移晶片的一部分；在单片化芯片单元之后将该芯片与目标器件对准，其中该转移晶片的一部分用作手柄以使该芯片与该目标器件对准；将该芯片键合到该目标器件上；并去除一部分粘合剂以将该转移晶片的一部分与芯片断开。在一些实施方案中，该器件晶片是III-V晶片且该目标器件是硅器件；在该器件晶片中刻蚀沟槽之后刻蚀该转移衬底；该器件晶片包括背面、正面和将正面与背面分开的刻蚀阻断层，该背面为III-V衬底，该正面包括有源区，有源区为多层量子阱结构，去除该器件晶片的一部分去除了该器件晶片的背面；和/或该器件晶片是第一晶片，并且该方法还包括：将第二晶片固定到该粘合剂上，在将该第二晶片固定到粘合剂上之后去除该第二晶片的一部分，并在第二晶片中刻蚀沟槽以形成多个芯片，其中在该第二晶片中刻蚀沟槽在去除该第二晶片的一部分之后进行。在一些实施方案中，该目标器件包括：包括硅的器件衬底，该器件衬底形成底；包括硅的器件层，其中：该器件层形成壁，该目标器件中的凹槽由底和壁限定，以及在该器件层中形成光波导；将该芯片与该硅器件对准包括将该芯片与该目标器件的凹槽对准；该芯片包括：刻面和有源区，该刻面为刻蚀端面；以及该芯片的有源区与该器件层中的光波导光学对准，使得复合半导体激光器配置为引导来自该芯片有源区的光穿过该芯片的刻面，穿过该器件层的壁并进入该光波导。在一些实施方案中，该方法还包括：包括在粘合剂中形成沟槽；施加阻断层，其中该阻断层位于转移衬底和粘合剂之间；在该器件晶片中刻蚀沟槽之后施加钝化层；和/或在单片化芯片单元之前，将键合材料施加到该器件晶片上的焊盘上。