硅基电注入激光器及其制备方法与流程

本发明属于光通信器件领域，更具体地涉及一种硅基电注入激光器及其制备方法。

背景技术：

过去几十年中，微电子技术发展迅猛，coms器件的特征尺寸已降低到10nm以内。然而伴随着器件尺寸缩小到10nm下，量子效应越加凸显，器件性能越发难以控制，器件的集成度更大，器件结构从二维向三维发展，工艺难度越来越高。因此，人们把延续“摩尔定律”即增强运算或通信能力的希望寄托在光子学特别是光电集成上。目前硅基光子学已高度发展，波导、光放大器、光探测器、光调制器等光子器件都可实现成熟应用，并集成在一起形成硅集成光子芯片。

但是，由于硅材料本身是间接带隙半导体，硅材料发光即制作光源十分困难；iiia-va族化合物材料为直接带隙，目前广泛用于半导体激光器制造，且半导体激光器体积小、性能优越且技术成熟。所以解决硅基光电集成中光源的缺失，最好的方法是引入iiia-va族化合物材料制作光源器件。

目前，在硅基上引入iiia-va族化合物激光器主要有两种方法，键合与直接外延。键合技术是通过特定贴合工艺将iiia-va族化合物激光器放置到硅波导上并将激光器的光引入硅波导，此技术工艺步骤复杂、成品率低，并且每次只能键合少量的激光器，可重复性低，不利于大规模工业生产。直接外延是在硅衬底上直接外延iiia-va族化合物材料再进一步制作激光器，但是目前硅衬底直接外延的电注入激光器都需要很厚的缓冲层(微米量级)来减少iiia-va族化合物与硅材料之间的晶格失配或反相畴引起的缺陷和热膨胀系数失配，因此有源区与硅衬底高度差太大，无法适用于进一步的硅基光电器件集成工艺。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种硅基电注入激光器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种硅基电注入激光器，包括：

绝缘硅衬底，其上表面的中心位置具有一v型槽；

n型位错限制层，形成于v型槽的表面，且其顶部与绝缘硅衬底的上表面平齐；

n型缓冲层，位于v型槽内，填满v型槽除n型位错限制层外的其他空间，且其上表面与绝缘硅衬底的上表面平齐；

外延结构，形成于n型缓冲层及n型位错限制层的上表面，外延结构与v型槽等宽。

进一步地，上述硅基电注入金属激光器还包括：

介质层，形成于外延结构上表面及侧面；

金属层，形成于介质层的上表面及侧面；以及

p型电极；

其中，介质层和金属层均延伸至绝缘硅衬底的上表面，且介质层和金属层的上表面有贯穿至外延结构上表面的矩形槽，且矩形槽的四周被介质层和金属层包围；p型电极形成于矩形槽中，其上表面与金属层的上表面平齐。

进一步地，上述硅基电注入激光器还包括n型电极，该n型电极形成于绝缘硅衬底上表面、与金属层绝缘的位置。

进一步地，上述n型位错限制层、n型缓冲层和外延结构的主体材料为iiia-va族化合物材料，例如inp、gaas、gainas等。

进一步地，形成n型位错限制层和n型缓冲层的温度为350℃～450℃。

进一步地，上述外延结构的宽度为100nm～600nm。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提出一种硅基电注入激光器的制备方法，包括：

步骤1、在绝缘硅衬底的上表面生长sio2层，并在sio2层的中间位置刻蚀出贯穿sio2层的第一矩形槽；

步骤2、腐蚀绝缘硅衬底，在与第一矩形槽相对应的位置，形成与第一矩形槽等宽的v型槽；

步骤3、在v型槽和第一矩形槽内生长形成n型位错限制层、n型缓冲层和外延结构；

步骤4、腐蚀去除sio2层的剩余部分，完成硅基电注入激光器的制备。

进一步地，上述步骤3中，在v型槽的表面依次生长形成n型位错限制层和n型缓冲层，n型位错限制层和n型缓冲层的顶部与绝缘硅衬底的上表面平齐，n型缓冲层填满v型槽。

进一步地，上述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4-1、腐蚀去除sio2层的剩余部分；

步骤4-2、在外延结构的上表面和侧面依次沉积介质层和金属层，介质层和金属层均延伸至绝缘硅衬底的上表面；

步骤4-3、在介质层和金属层中腐蚀形成贯穿至外延结构的第二矩形槽，第二矩形槽的四周被介质层和金属层所包围；

步骤4-4、在第二矩形槽中沉积p型电极，p型电极与金属层的上表面平齐；

步骤4-5、在绝缘硅衬底的上表面，与金属层绝缘的位置沉积n型电极，完成硅基电注入激光器的制备。

本发明提出的硅基电注入激光器及其制备方法，具有以下有益效果：

1、由于直接外延采用选区v型槽工艺，不易产生缺陷及反相畴，并可大大降低缓冲层的厚度，因此器件的总体厚度小，降低了硅基光电集成中其余器件工艺实施的难度；

2、由于外延结构、介质层和金属层形成“半导体-介质-金属”结构，因此光场集中在金属腔内，能够提高激光器的增益，摆脱常规激光器设计时的尺寸限制效应，实现亚波长纳米级激光器，有利于硅基光源的集成与小型化；

3、由于在硅衬底上直接外延iiia-va族化合物材料，因此本发明提出的硅基电注入激光器的可重复性高，适用于工业生产；并且iiia-va族化合物材料有源区所产生的激光可直接进入硅衬底，实现了电注入发光，有利于硅基光电集成。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器的制备流程图；

图2是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器在绝缘硅衬底上生长sio2层后的横向截面图；

图3是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器在形成第一矩形槽后的横向截面图；

图4是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器在形成v型槽后的横向截面图；

图5是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器在形成外延结构后的横向截面图；

图6是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器在腐蚀去除剩余sio2层后的横向截面图；

图7是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器在生长介质层后的横向截面图；

图8是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器在形成p型电极后的横向截面图；

图9是本发明一实施例提出的硅基电注入激光器在完成制备后的横向截面图；

图10是本发明另一实施例提出的硅基电注入激光器的俯视图；

图11是本发明另一实施例提出的硅基电注入激光器的沿中心的纵向截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

现阶段通过硅衬底v型槽结构选区外延可有效减少反相畴等缺陷及缓冲层厚度，但只实现了光注入激光器，不具备实用性。

本发明通过硅衬底选区外延可有效抑制iiia-va族化合物材料和硅材料之间晶格失配及反相畴等引起的缺陷，在硅基上生长高质量的iiia-va化合物材料有源区；并通过金属腔激光器技术，有效增强了光增益，并引入电极，实现了硅基电注入激光器。该激光器发射的光可直接泄露进底部的硅衬底，适用于硅基光电集成与硅基光子学。

本发明公开了一种硅基电注入激光器，包括：

绝缘硅衬底，其上表面的中心位置具有一v型槽；

n型位错限制层，形成于v型槽的表面，且其顶部与绝缘硅衬底的上表面平齐；

n型缓冲层，位于v型槽内，填满v型槽除n型位错限制层外的其他空间，且其上表面与绝缘硅衬底的上表面平齐；

外延结构，形成于n型缓冲层及n型位错限制层的上表面，外延结构与v型槽等宽。

在本发明的一些实施例中，上述硅基电注入金属激光器还包括：

介质层，形成于外延结构上表面及侧面；

金属层，形成于介质层的上表面及侧面；以及

p型电极；

其中，介质层和金属层均延伸至绝缘硅衬底的上表面，且介质层和金属层的上表面有贯穿至外延结构的矩形槽，矩形槽的四周均被所述介质层和金属层包围；p型电极形成于矩形槽中，其上表面与金属层的上表面平齐。

在本发明的一些实施例中，上述硅基电注入激光器还包括n型电极，该n型电极形成于绝缘硅衬底上表面、与金属层绝缘的位置。

在本发明的一些实施例中，上述n型位错限制层、n型缓冲层和外延结构的主体结构均为iiia-va族化合物材料，该iiia-va族化合物材料指的是一个选自iiia族，一个选自va族，形成的多元化合物材料，例如inp、gaas、ingaas等；由于在硅衬底上直接外延iiia-va族化合物材料，因此本发明提出的硅基电注入激光器的可重复性高，适用于工业生产；并且iiia-va族化合物材料有源区所产生的激光可直接进入硅衬底，实现了电注入发光，有利于硅基光电集成。

在本发明的一些实施例中，形成n型位错限制层和n型缓冲层的温度为350℃～450℃；从而可抑制“岛状生长”模式，促进“层-层”生长模式，使材料表面更为平滑，有助于后续材料生长。

在本发明的一些实施例中，上述外延结构的宽度为100nm～600nm。

本发明还公开了一种硅基电注入激光器的制备方法，包括：

步骤1、在绝缘硅衬底的上表面生长sio2层，并在sio2层的的中间位置刻蚀出贯穿sio2层的第一矩形槽；

步骤2、腐蚀绝缘硅衬底，在与第一矩形槽相对应的位置，形成与第一矩形槽等宽的v型槽；

步骤3、在v型槽和第一矩形槽内生长形成n型位错限制层、n型缓冲层和外延结构；

步骤4、腐蚀去除sio2层的剩余部分，完成硅基电注入激光器的制备。

由于直接外延采用选区v型槽工艺，不易产生缺陷及反相畴，并可大大降低缓冲层的厚度，因此器件的总体厚度小，降低了硅基光电集成中其余器件工艺实施的难度。

在本发明的一些实施例中，上述步骤3中，在v型槽的表面依次生长形成n型位错限制层和n型缓冲层，n型位错限制层和n型缓冲层的顶部与绝缘硅衬底的上表面平齐，n型缓冲层填满v型槽。

在本发明的一些实施例中，上述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4-1、腐蚀去除sio2层的剩余部分；

步骤4-2、在外延结构的上表面和侧面依次沉积介质层和金属层，介质层和金属层均延伸至绝缘硅衬底的上表面；

步骤4-3、在介质层和金属层中腐蚀形成贯穿至外延结构的第二矩形槽，第二矩形槽的四周均被介质层和金属层包围；

步骤4-4、在第二矩形槽中沉积p型电极，p型电极与金属层的上表面平齐；

步骤4-5、在绝缘硅衬底的上表面、与金属层绝缘的位置沉积n型电极，完成硅基电注入激光器的制备。

外延结构、介质层和金属层形成“半导体-介质-金属”结构，因此光场集中在金属腔内，可摆脱常规激光器设计时的尺寸限制效应，实现亚波长纳米级激光器，有利于硅基光源的集成与小型化。

在本发明的一些实施例中，上述绝缘硅衬底的上表面为si的(100)方向，该绝缘硅衬底具有n型掺杂。

在本发明的一些实施例中，第一矩形槽的刻蚀深度与sio2层的厚度相同，即为刻蚀到sio2层与绝缘硅衬底的界面。从而在sio2沟槽中，iiia-va族化合物材料中的穿透位错即缺陷主要沿(111)方向发展，因此缺陷会斜向发展到iiia-va族化合物材料与第一矩形槽侧壁的界面，在此处释放应力、终止发展。

在本发明的一些实施例中，上述n型位错限制层为n型掺杂的gaas材料，其生长温度为350℃～450℃，厚度为5nm～20nm。

在本发明的一些实施例中，上述n型缓冲层为n型掺杂inp材料，其生长温度为350℃～450℃，厚度为生长到v型槽顶部的厚度。

在本发明的一些实施例中，上述外延结构包括n型下限制层、有源区、p型上限制层和p型接触层；其中n型下限制层为n型掺杂的inp材料，其生长温度为550℃～680℃，其厚度为50nm～200nm；有源区为1～5个量子阱结构，材料为gainas/gaas，其中阱材料为gainas，每个阱层的厚度为4nm～8nm，垒材料为inp，每个垒层的厚度为9nm～12nm，有源区的生长温度为550℃～680℃；上限制层为p型掺杂的inp材料，其生长温度为550℃～680℃，其厚度为50nm～200nm；p型接触层为p型掺杂的gainas材料，其生长温度为550℃～680℃，其厚度为10nm～50nm。

在本发明的一些实施例中，上述介质层为sinx或sio2等电介质材料，其厚度为5nm～20nm；上述金属层为ag或au等金属材料。

在本发明的一些实施例中，p型电极由能够形成p型欧姆接触的材料构成，例如auzn、tiau，其厚度应设置在100nm～1000nm之间，可通过热蒸发或磁控溅射技术获得。

在本发明的一些实施例中，n型电极可由能形成n型欧姆接触的材料构成，例如augeni，其厚度应设置在150nm～1000nm之间，可通过热蒸发或磁控溅射方法获得。需要说明的是，n型电极严禁与p型电极1有连接。

在本发明的一些实施例中，上述外延结构的长度(即与v型槽的v型面垂直的方向)为1μm～10μm，外延结构的宽度与v型槽的宽度相等。

本发明的一些实施例中，提供了一种硅基电注入激光器的详细制备方法，包含以下步骤：

步骤1、在绝缘硅衬底的上表面生长sio2层，并在sio2层的中间位置刻蚀出贯穿sio2层的第一矩形槽；具体包括：

步骤1-1、在soi(silicononinsulator)衬底的顶层si上覆盖生长sio2层；

步骤1-2、使用光刻、icp方法，在sio2层上沿(110)方向刻蚀沟槽，沟槽侧壁垂直、刻蚀到sio2层与顶层si界面；

步骤2、腐蚀绝缘硅衬底，在与第一矩形槽相对应的位置，形成与第一矩形槽等宽的v型槽；具体地分别使用hf溶液、去离子水清洗，清除沟槽底部残余sio2材料、露出顶层si材料，使用koh溶液腐蚀沟槽底部，使形成两个si(111)面构成v型；

步骤3、使用mocvd技术，在沟槽内依次生长iiia-va族化合物材料的n型位错限制层、n型缓冲层、n型下限制层、有源区、p型上限制层、p型接触层；

步骤4、腐蚀去除sio2层的剩余部分，完成硅基电注入激光器的制备；具体地包括以下步骤：

步骤4-1、将soi衬底顶层si上的sio2完全腐蚀去除，使用光刻、icp方法将iiia-va族化合物材料刻蚀成长方体；

步骤4-2、在iiia-va族化合物材料表面沉积介质层，在介质层表面沉积金属层；

步骤4-3、通过光刻在顶部金属层之上定义第二矩形槽区域，第二矩形槽被介质层和金属层所包围，通过腐蚀将该区域内的金属与介质去除，沉积金属，制作p型电极；

步骤4-4、在顶层si上、器件的一侧，沉积金属，制作n型电极。

以下通过具体实施例，对本发明提出的硅基电注入激光器及其制备方法进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种硅基电注入激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在绝缘硅衬底的上表面生长sio2层，并在sio2层的的中间位置刻蚀出贯穿sio2层的第一矩形槽；具体包括：

步骤1-1、如图2所示，在soi(silicononinsulator)衬底1的顶层上覆盖生长sio2层2，该sio2层2的厚度为600nm，可使用热氧化部分soi衬底1的顶层或pecvd等方法制备，剩余的soi衬底1的顶层厚度为1μm；并且，soi衬底1是n型掺杂的；

步骤1-2、如图3所示，使用光刻、icp的方法，在sio2层2上沿[110]方向刻蚀形成第一矩形槽3，该第一矩形槽3的宽度为400nm；第一矩形槽3的侧壁垂直，刻蚀深度与sio2层2的厚度相同，即为刻蚀到sio2层2与soi衬底1的界面。在sio2沟槽中，iiia-va族化合物材料中的穿透位错即缺陷主要沿(111)方向发展，因此缺陷会斜向发展到iiia-va族化合物材料与sio2沟槽侧壁的界面，在此处释放应力、终止发展；

步骤2、如图4所示，腐蚀绝缘硅衬底，在与第一矩形槽相对应的位置，形成与第一矩形槽等宽的v型槽；具体地，分别使用hf溶液、去离子水清洗，清除第一矩形槽3底部残余的sio2材料、露出顶层soi衬底1，使用koh溶液腐蚀第一矩形槽3的底部，使soi衬底1中形成由两个si(111)面构成的v型槽4，由于si(111)面为双原子台阶，可抑制iiia-va族化合物在si上成核时反相畴的形成，减少反相畴边界这一位错产生，这一步为后续第一矩形槽3内、soi衬底1上iiia-va族化合物的外延提供了优良的初始条件；

步骤3、如图5所示，在v型槽4和第一矩形槽3内生长形成n型位错限制层5、n型缓冲层6和外延结构；具体地，使用mocvd技术，在第一矩形槽3和v型槽4内依次生长iiia-va族化合物材料的n型位错限制层5、n型缓冲层6、n型下限制层7、有源区8、p型上限制层9、p型接触层10；

其中n型位错限制层5为n型掺杂gaas材料，生长温度为400℃，厚度为10nm；n型位错限制层5生长时，ga源使用tega，使低温生长时ga源的分解效率更高；n型缓冲层6为n型掺杂inp材料，生长温度为400℃，厚度为生长到v型槽4的顶部；n型下限制层7为n型掺杂inp材料，生长温度为650℃，厚度为150nm；有源区8为gainas/gaas量子阱，量子阱周期为4，生长温度为650℃，阱材料为gainas，厚度为5nm，垒材料为inp，厚度为10nm；p型上限制层9为p型掺杂inp材料，生长温度为650℃，厚度为150nm；p型接触层10为p型掺杂gainas材料，生长温度为650℃，厚度为20nm。

其中采用的mocvd方法，生长n型位错限制层5和n型缓冲层6时采用400℃的低温生长，可抑制“岛状生长”模式，促进“层-层”生长模式，使材料表面更为平滑，有助于后续材料生长。

步骤4、腐蚀去除sio2层2的剩余部分，完成硅基电注入激光器的制备；具体地包括以下步骤：

步骤4-1、如图6所示，将soi衬底1顶层上的sio2层2完全腐蚀去除，使用光刻、icp方法将iiia-va族化合物材料刻蚀成长方体；该长方体，沿与v型槽v型面垂直的方向，即(110)方向，长度为6μm，宽度保持沟槽内外延材料的宽度，可略微腐蚀长方体侧面，使侧壁更光滑；

步骤4-2、如图7所示，在iiia-va族化合物材料表面及侧面沉积一介质层11，材料为sinx电介质，厚度为10nm；在介质层表面及侧面沉积一金属层12，材料为au金属；

步骤4-3、如图8所示，通过光刻、腐蚀等工艺，在p型接触层10上方的介质层11与金属层12上开窗口，制作p型电极13；p型电极13由能够形成p型欧姆接触的材料构成，本实施例中p型电极13采用材料为tiau，厚度为200nm，通过磁控溅射技术获得；

步骤4-4、如图9所示，在soi衬底1的上表面、器件的一侧，制作n型电极14，n型电极14可由能形成n型欧姆接触的材料构成，本实施例的n型电极14采用augeni材料，厚度为300nm，通过热蒸发技术获得。需要说明的是，n型电极14严禁与p型电极13有连接。

实施例2

如图9所示，本实施例提出一种硅基电注入激光器，包括：

绝缘硅衬底1，其上表面的中心位置具有一v型槽4；

n型位错限制层5，形成于v型槽4的表面，且其上表面与绝缘硅衬底2平齐；

n型缓冲层6，位于v型槽4内，填满v型槽4除n型位错限制层5外的其他空间，且其上表面与绝缘硅衬底1平齐；

外延结构，形成于n型缓冲层6及n型位错限制层5的上表面，外延结构与v型槽4等宽。

其中，上述硅基电注入激光器还包括：

介质层11，形成于外延结构上表面及侧面；

金属层12，形成于介质层11的上表面及侧面；以及

p型电极13；

其中，介质层11和金属层12均延伸至绝缘硅衬底1的上表面，且介质层11和金属层12的上表面有贯穿至外延结构的矩形槽，矩形槽的四周均被介质层11和金属层12所包围；p型电极13形成于矩形槽中，其上表面与金属层12的上表面平齐。

上述硅基电注入激光器还包括n型电极13，该n型电极形成于绝缘硅衬底上表面、与金属层绝缘的位置；

其中，外延结构具体包括n型下限制层7、有源区8、p型上限制层9和p型接触层10。

本实施例提出的硅基电注入激光器可采用实施例1中的制备方法，制备得到。如图9所示为本实施例提出的硅基电注入激光器的横向(即与v型槽的v型面平行的方向)中心截面图，图10为硅基电注入激光器的俯视图，而图11是该激光器的纵向(即与v型槽的v型面垂直的方向)中心截面图。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。