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摘要
? ? ? ?降低混合集成結構中由于熱膨脹系數差異而產生的應力需要去除襯底，這是關鍵因素之一。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很難用于制作全外延介質阻擋半導體激光器。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和硅上單獨元件的垂直腔面發(fā)射激光器結構，減少了工藝步驟的數量，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的氧化剝離結構的金屬鍵合。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處理步驟中完成。測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)現制造的器件的串聯電阻約為100歐姆。對于孔徑為25 m的器件，證明了閾值電流為8 mA的激射。
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介紹
? ? ? 由于熱膨脹系數差異引起的應力集成技術應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層會使應力值降低3-6倍，這可能會增強系統的完整性，防止用于焊接的焊料凸塊斷裂/空隙化以及應力導致的激光二極管退化。第二個重要步驟是分離基于GaAs的部件，以減少粘合結構的面積，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，但是這種技術仍然具有挑戰(zhàn)性，特別是當與硅芯片上的已處理器件的分離相結合時。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器時，具有特定的問題。
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GaAs基質釋放的濕法氧化
? ? ? 濕法氧化工藝的主要優(yōu)點是對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結構生長過程中對成分進行精確控制，以實現可再現的氧化。然而，高鋁含量合金的生長在再現性方面是有問題的。分子束外延提供了一種采用短周期超晶格(也稱為數字合金)的方法，這種超晶格由幾個單層(ML)厚的層組成，與合金相比，可以增強對成分的控制。在分子束外延中，在不改變滲出池溫度的情況下，可以生長多種組成的單光子晶體硅。此外，與合金相比，SPSL在生長過程中保持原子級光滑表面，這在生長總厚度超過10 μm的非常厚的結構(如垂直腔面發(fā)射激光器)時尤其重要。
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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。虛線的開放符號對應合金，實線的封閉符號對應短周期超晶格。帶有十字的細線顯示了緩沖氧化物蝕刻溶液的濕法蝕刻速率對成分的依賴性，這對于參考文獻中的外延剝離(ELO)是典型的。
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結果和討論
? ? ? 大多數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。
? ? ? 在實驗中，金鍺合金是一個自然的選擇，因為它是n型GaAs廣泛使用的歐姆接觸金屬。在所采用的鍵合技術中，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。金屬也有利于集成所需的高導熱性.另一方面，金屬結合的問題是對可能用于進一步加工的濕化學物質的穩(wěn)定性差。無論在外延剝離技術中使用哪種鍵合材料，襯底釋放和器件分離步驟都應該在鍵合周期中完成。否則，冷卻后結構可能會斷裂。
? ? ? 通過氧化剝離技術在硅、二氧化硅晶片上制造的器件臺面的光學圖像和光纖截面如圖6所示。
? ? ? ?氧化剝離方法結合了外延剝離(ELO)的有益特性和引言中描述的智能切割技術。類似于智能切割方法，橫向氧化產生應力層，但不通過器件結構注入。與ELO類似，濕式氧化是對薄層的橫向修改，不涉及對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具有高度選擇性。此外，氧化剝離允許在單個熱處理工藝步驟中獲得結合、器件層釋放和器件分離。
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結論??
? ? ? 混合集成垂直腔面發(fā)射激光器通過氧化剝離技術制作在硅片上。通過反應離子蝕刻形成的器件臺面使用金、鍺合金的金屬結合結合到硅晶片。通過垂直腔面發(fā)射激光器結構的濕法橫向氧化，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、電學和光學特性。?
? ? ? 本文所提出的技術可以用于各種基于GaAs的器件的異質集成，例如激光器、發(fā)光二極管、光電探測器、晶體管等。硅或其他襯底。這些應用包括各種大型寬帶光通信和互連模塊，包括芯片級光互連、需要將高性能ⅲ-ⅴ族半導體元件與硅電路集成的各種射頻和微波系統、利用光和微波技術的各種傳感器應用。
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