一文详解氧化剥离技术（1）-电子发烧友网

降低混合集成结构中由于热膨胀系数差异而产生的应力需要去除衬底，这是关键因素之一。由于铝牺牲层和高铝含量DBR层之间的刻蚀选择性低，常用的外延剥离技术很难用于制作全外延介质阻挡半导体激光器。提出并论证了一种新的去除底物的方法——氧化剥离法。与外延剥离法相比，该工艺对铝含量显示出更高的选择性，外延剥离法允许释放具有外延DBR和硅上单独元件的垂直腔面发射激光器结构，减少了工艺步骤的数量，并最终降低了制造/集成器件的成本。金锗合金用于分子束外延生长的氧化剥离结构的金属键合。1米厚的AlAs嵌入牺牲层被横向氧化，以从GaAs衬底释放部分处理的器件。在硅衬底上制作了分离式垂直腔面发射激光器的2D阵列。接触退火、衬底去除、器件分离、键合和氧化物孔的形成在单个处理步骤中完成。测量了所制备器件的电致发光光谱、伏安特性和π特性。发现制造的器件的串联电阻约为100欧姆。对于孔径为25 m的器件，证明了阈值电流为8 mA的激射。

光发射器与硅电子器件的融合是许多应用的长期挑战，例如芯片级光互连、片上光学系统、光通信芯片等。[1]. 在这些应用中，光发射机通常被设想为键合到硅集成电路顶层金属化层的ⅲ-ⅴ族化合物半导体垂直腔面发射激光器阵列[2，3]。材料的不同以及硅和ⅲ-ⅴ族技术的不兼容性，使得快速ⅲ-ⅴ族光发射器和光电探测器的密集阵列与硅的混合集成技术成为实现新兴ⅲ-ⅴ族/硅系统的真正障碍。

由于热膨胀系数差异引起的应力(6.8x10-6 vs。2.6x10-6分别用于和Si)集成技术应包括衬底释放和器件分离。去除或减薄GaAs衬底是将热失配应力降低到可接受水平的重要第一步[4，5]。我们的有限元分析[1]表明，减薄附着的GaAs层会使应力值降低3-6倍，这可能会增强系统的完整性，防止用于焊接的焊料凸块断裂/空隙化以及应力导致的激光二极管退化。第二个重要步骤是分离基于GaAs的部件，以减少粘合结构的面积，并因此防止变薄的ⅲ-ⅴ层的翘曲和破裂。

虽然有几种方法被证明可以去除GaAs衬底，但是这种技术仍然具有挑战性，特别是当与硅芯片上的已处理器件的分离相结合时。三种最广泛使用的衬底去除方法:(一)湿法蚀刻，(二)智能切割和(三)外延剥离当用于制造高效的基于铝镓砷的发光器件，如垂直腔面发射激光器和谐振腔光电探测器时，具有特定的问题。(I)简单的衬底湿化学减薄至嵌入的铝酸盐蚀刻停止层被用于许多

研究[5，6]。湿化学物质(如NH4OH-H2O2-H2O)经常侵蚀用于粘合的金属或聚合物层。保护结构的边缘和附着表面导致蚀刻的高度不均匀性，并使得该技术不可靠且难以扩展。此外，它产生大量的化学废物。

(ii) 当GaAs/低铝浓度AlxGa1-xAs结构与GaAs衬底分离时，由Yablonovitch [7]提出的外延剥离技术被证明是非常有效的。该方法包括使用氢氟酸或缓冲氧化物蚀刻来选择性横向蚀刻AlAs牺牲层。然而，x >0.7的层相对于AlAs具有太低的蚀刻选择性。事实上，对于x=0.8-1 [8]，蚀刻速率仅变化10倍。为了利用几个数量级的选择性，要分离的结构应该包含x<0.6的层.然而，在具有外延分布布拉格反射器的垂直腔面发射激光器的特殊情况下，周期数应该加倍，以获得与GaAs/DBR光纤激光器相同的反射率。因此，将外延剥离方法应用于垂直腔面发射激光器结构是有问题的。

(iii) 最近展示了一种智能切割技术[9，10]。该方法依赖于光元件注入来产生局部应力释放层。在第二阶段，对该结构进行退火，以沿着受应力层产生裂纹，并释放注入区域上的薄层。智能切割方法对于分离几乎任何半导体衬底上的多数载流子器件或无源结构都非常有用(已经证明了硅、GaAs和磷化铟层的释放)，它们对注入引起的缺陷不敏感。对于激光结构，这种方法不适用。

最近，我们引入了一种新的衬底去除工艺，即氧化剥离法[11]，该工艺为释放的外延结构提供了高平面性和低粗糙度，并且可以用于制造包含DBR的高效发光器件，例如VCSELs。本文报道了利用氧化剥离技术和金锗合金金属键合技术在硅衬底上制作混合集成垂直腔面发射激光器。衬底移除、器件分离、氧化物孔的形成、键合和接触退火步骤在单个过程中进行。

Dallesasse等人提出了湿式横向氧化工艺。[12]并且后来被广泛用于通过在接近VCSEL有源区的地方形成AlOx层来形成电流和光限制孔径[13，14]，或者形成高反射率宽阻带DBRs [15]。该工艺基于嵌入结构中的铝镓砷层的蒸汽氧化。已经证明，该工艺对于铝镓砷层中铝含量的微小差异具有足够的选择性[11]。

湿法氧化工艺的主要优点是对铝镓砷合金中的铝含量有极高的选择性。这一特性要求在异质结构生长过程中对成分进行精确控制，以实现可再现的氧化[12]。然而，高铝含量合金的生长在再现性方面是有问题的。分子束外延提供了一种采用短周期超晶格(也称为数字合金)的方法，这种超晶格由几个单层(ML)厚的层组成，与合金相比，可以增强对成分的控制。在分子束外延中，在不改变渗出池温度的情况下，可以生长多种组成的单光子晶体硅。此外，与合金相比，SPSL在生长过程中保持原子级光滑表面，这在生长总厚度超过10 μm的非常厚的结构(如垂直腔面发射激光器)时尤其重要。

图1显示了100纳米厚的铝镓砷层在不同温度下的横向氧化速率的相关性。为了提高分子束外延提供的高铝含量层组成的准确性和再现性，我们采用了由(Al0 . 6ga 0 . 4as)1ML(AlS)YMl叠层组成的短周期超晶格，其中y = 3-19个单层，以实现x = 0.90-0.98的平均铝含量。

从图1可以看出，通过仅降低百分之几的铝含量，可以显著降低氧化速率，因此，湿式氧化工艺提供了相对于铝含量的高选择性。将AlAs与All0.9Ga0.1As进行比较，取决于氧化温度，可以获得约1:10至1:100的选择性。这使得所提出的技术适用于大多数光电器件，如布拉格反射器中使用的x=0.85-0.9合金的VCSELs。观察到氧化过程随时间线性进行，并且SPSLs的速率明显高于平均铝含量相同的合金。