电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法与流程

本公开涉及光电子技术领域，特别涉及一种电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法。

背景技术

信息技术是社会发展的主要驱动力之一，在其发展进程中，现代集成电路技术一直保持着超高速度的发展，硅基晶体管的高度集成是现代集成电路技术的基础与核心。为了满足信息时代对数据的计算与处理的更高要求，集成电路按照摩尔定律，通过不断缩小器件特征尺寸，以提高器件的性能，并实现更大规模的集成。随着集成电路技术发展到10纳米技术节点以下，硅集成电路技术在速度、功耗、集成度、可靠性等方面受到一系列基本物理问题和工艺技术的限制，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进则面临挑战。

然而，处于信息大爆炸时代的我们，对信息的传输、处理和存储能力的要求日益增高，为了突破电互连瓶颈，人们开始将目光转向光电子领域，即采用光子作为信号传输的载体。

为了满足高性能计算机高速发展的技术需求，片上光互连技术已经成为急待解决的关键性技术。为此，将微电子和光电子结合起来，既能充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成及价格低廉的优势，又能充分发挥光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优点。

硅基的光波导、光开关、光调制器和光探测器等基本光学器件已经发展比较成熟。2015年，美国加州大学伯克利分校、麻省理工学院和科罗拉多大学合作研究证明了在同一个硅基芯片内通信采用光互联技术的可行性。在该实验中，所有电子和光学器件都被制造在同一个硅基芯片内，但其最重要的部分“光源”却是外置的固体激光器。由于硅材料本身是间接带隙半导体，其辐射复合发光效率极低，以及硅中存在的俄歇复合和自由载流子吸收效应严重阻碍了光放大，因此，在硅基集成光子研究中，最大的难题是在硅衬底上集成实用化的光源器件。

近年来，硅基上异质集成iii-v材料的方法逐渐受到科研人员的青睐，这将会进一步推进硅基光互联的快速发展。目前，利用高深宽比限制技术，在v形硅沟槽内生长的iii-v族纳米材料，已能实现光致激光激射；但是，由于器件尺寸小，受工艺技术的限制，难以制备金属电极，导致难以实现电致激光激射。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法，包括：

在soi衬底上沉积二氧化硅，在所沉积的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟楷；

腐蚀所述soi衬底，在所述矩形沟楷的下方腐蚀出v形沟槽；

在所述v形沟槽和矩形沟槽中生长iii-v族激光器外延结构；

将所述iii-v族激光器外延结构的顶部抛光，刻蚀所述iii-v族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成fp腔；

沉积二氧化硅隔离层，刻蚀掉所述fp腔端面以外的二氧化硅隔离层，使二氧化硅隔离层覆盖在fp腔端面上；

制备p电极金属图形和n电极金属图形；

在fp腔上表面、p电极金属图形和二氧化硅隔离层之间的iii-v族激光器外延结构上制备二阶耦合光栅，由此完成所述电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备。

在一些实施例中，利用fib方法或利用光刻技术和icp方法，制备所述二阶耦合光栅；利用koh溶液腐蚀soi衬底，在矩形沟槽的下方腐蚀出v形沟槽；采用干法刻蚀iii-v族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成fp腔；溅射p电极金属，在fp腔上表面制备p电极金属图形；利用光刻技术和带胶剥离法，在n型缓冲层上制备n电极金属图形。

在一些实施例中，所选用的soi衬底顶层硅厚度h≥500nm，所述矩形沟槽宽度w与soi衬底顶层硅厚度h之间关系为h≤w≤2htan35.2°，矩形沟槽深度等于所沉积的二氧化硅厚度，矩形沟槽的深宽比≥2。

在一些实施例中，所腐蚀出的v形沟槽顶部宽度大于等于矩形沟槽宽度，所述v形沟槽深度小于所述soi衬底顶层硅厚度h。

在一些实施例中，将所述iii-v族激光器外延结构顶部抛光后，粗糙度小于1nm，顶层材料为p型接触层材料。

在一些实施例中，在所述v形沟槽和矩形沟槽中生长的所述iii-v族激光器外延结构包括5层，从下至上依次为：n型缓冲层，下包层，量子阱有源区，上包层及p型接触层。

在一些实施例中，在通过刻蚀形成fp腔时，刻蚀停止于n型缓冲层，fp腔长度在50nm～1000μm之间。

在一些实施例中，所沉积的二氧化硅隔离层厚度为100～200nm，所述二氧化硅隔离层覆盖在fp腔端面上，且覆盖在n型缓冲层和p型接触层上的长度之和小于5μm。

在一些实施例中，在制备p电极金属图形时，仅保留fp腔上表面的p电极金属，与p型接触层形成欧姆接触，所述p电极金属材料为ti/au；在fp腔长度方向上，所述p电极金属图形的长度比fp腔的长度短20～60μm，且位于fp腔中间。

在一些实施例中，所制备的n电极金属覆盖在n型缓冲层上，与所述n型缓冲层形成欧姆接触，所述n电极金属材料为augeni/au，厚度为100～1000nm；所述n电极金属覆盖fp腔两端面上的二氧化硅隔离层，但不接触p接触层，从而在iii-v族材料的fp腔两端面形成“金属-二氧化硅-半导体”结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本公开电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法，工艺简单，易于实现，制造成本低。

(2)本公开电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法，在iii-v族材料的fp腔两端面，利用n电极金属对光场产生的强反射作用来提高激光器的品质因子；再利用二阶耦合光栅，将不断放大的激光从器件的上表面出射出去。本公开为硅基iii-v族纳米激光器外延片提供了一种实现电注入的方案，解决了因器件尺寸小而导致的金属电极难以制备的难题。

附图说明

通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。

图1至图10为本公开制备电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的流程图，其中：

图1为在soi衬底上制备矩形沟槽后的结构示意图；

图2为在soi衬底的顶层硅上制备v形沟槽后的结构示意图；

图3为在v形沟槽和矩形沟槽内外延iii-v族材料后的结构示意图；

图4为iii-v族激光器外延结构图；

图5为将iii-v族外延材料顶部磨平抛光后的结构示意图；

图6为干法刻蚀fp腔后的结构示意图；

图7为在fp腔两端面制备二氧化硅隔离层后的结构示意图；

图8为制备p电极金属图形后的结构示意图；

图9为制备n电极金属图形后的结构示意图；

图10为制备二阶耦合光栅后的结构示意图。

<符号说明>

1-soi衬底、2-二氧化硅、3-矩形沟槽、4-v形沟槽、5-iii-v族激光器外延结构、5.1-n型缓冲层、5.2-下包层、5.3-量子阱有源区、5.4-上包层，5.5-p型接触层、6-二氧化硅隔离层、7-p电极金属图形、8-n电极金属图形、9-二阶耦合光栅。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。

本公开提供了一种电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法，工艺简单，易于实现，制造成本低。所述电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法包括：

在soi衬底上沉积二氧化硅，在所沉积的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟槽；

腐蚀所述soi衬底，在所述矩形沟槽的下方腐蚀出v形沟槽；在所述v形沟槽和矩形沟槽中生长iii-v族激光器外延结构；将所述iii-v族激光器外延结构的顶部抛光；刻蚀所述iii-v族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成fp腔；沉积二氧化硅隔离层，刻蚀掉所述fp腔端面以外的二氧化硅隔离层，使二氧化硅隔离层覆盖在fp腔端面上；制备p电极金属图形和n电极金属图形；在fp腔上表面、p电极金属图形和二氧化硅隔离层之间的iii-v族激光器外延结构上制备二阶耦合光栅，由此完成所述电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备。

本公开电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法，在iii-v族材料的fp腔两端面，利用n电极金属对光场产生的强反射作用来提高激光器的品质因子；再利用二阶耦合光栅，将不断放大的激光从器件的上表面出射出去；为硅基iii-v族纳米激光器外延片提供了一种实现电注入的方案，解决了因器件尺寸小而导致的金属电极难以制备的难题。

可选的，本公开利用koh溶液腐蚀soi衬底，在矩形沟槽的下方腐蚀出v形沟槽；采用干法刻蚀iii-v族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成fp腔；溅射p电极金属，在fp腔上表面制备p电极金属图形；利用光刻技术和带胶剥离法，在n型缓冲层上制备n电极金属图形；利用fib方法或利用光刻技术和icp方法，制备所述二阶耦合光栅。

具体的，所选用的soi衬底顶层硅厚度h≥500nm，所述矩形沟槽宽度w与soi衬底顶层硅厚度h之间关系为h≤w≤2htan35.2°，矩形沟槽深度等于所沉积的二氧化硅厚度，矩形沟槽的深宽比≥2。

所腐蚀出的v形沟槽顶部宽度大于等于矩形沟槽宽度，所述v形沟槽深度小于所述soi衬底顶层硅厚度h。在所述v形沟槽和矩形沟槽中生长的所述iii-v族激光器外延结构包括5层，从下至上依次为：n型缓冲层，下包层，量子阱有源区，上包层及p型接触层。将所述iii-v族激光器外延结构顶部抛光后，粗糙度小于1nm，顶层材料为p型接触层材料。下面结合顶层硅厚度h＝500nm的soi衬底，并结合图1-图10，对本公开电注入硅基iii-v族纳米激光器阵列的制备方法作进一步的详细说明。

步骤1：如图1所示，在顶层硅厚度为500nm的soi衬底1上沉积厚度为1000～2000nm的二氧化硅2，采用光刻技术和icp方法，沿着soi衬底1顶层si的<110>方向，在所沉积的二氧化硅2上刻蚀出周期性的矩形沟槽3；其中，矩形沟槽3的宽度为500nm，深度等于所沉积二氧化硅2的厚度。

步骤2：如图2所示，用koh溶液腐蚀soi衬底1，在矩形沟槽3下方形成v形沟槽4，所腐蚀出的v形沟槽4顶部宽度大于等于矩形沟槽宽度，但必须在v形沟槽深度到达500nm前停止腐蚀，即不能暴露出soi中的氧化层；将片子放在稀hcl中浸泡1～2min，目的是去除附着在矩形沟槽3和v形沟槽4内壁上的koh与si的化学反应产物，用去离子水将片子清洗干净。

步骤3：如图3、4所示，利用mocvd或者mbe在v形沟槽4和矩形沟槽3中依次生长iii-v族激光器外延结构5包括但不限于以下五层：n型缓冲层5.1，下包层5.2，量子阱有源区5.3，上包层5.4，p型接触层5.5。

步骤4：如图5所示，利用cmp方法将iii-v族激光器外延结构的顶部抛光，抛光后的顶层材料依然是p型接触层5.5，表面粗糙度小于1nm。

步骤5：如图6所示，采用光刻技术和icp方法，刻蚀iii-v族激光器外延结构5和矩形沟槽3两边的二氧化硅2，形成fp腔。具体的，沿沟槽(矩形沟槽3/v形沟槽4)延伸方向，刻蚀所述soi衬底1两端部上的iii-v族激光器外延结构5中的5.2至5.5层(刻蚀停止于n型缓冲层5.1)和沟槽的两边二氧化硅，保留所述soi衬底1中部的iii-v族激光器外延结构5和沟槽的两边二氧化硅，为iii-v族材料刻蚀出fp腔，以及为在n型缓冲层5.1上制备n电极做准备；其中，所制备的fp腔长度l2在50nm～1000μm之间，fp腔两端面的粗糙度应尽量低，以提高端面反射率。

步骤6：如图7所示，利用pecvd沉积二氧化硅隔离层，所沉积的二氧化硅隔离层厚度为100～200nm，通过光刻技术和湿法腐蚀，刻蚀掉fp腔端面以外的二氧化硅隔离层，使二氧化硅隔离层6覆盖在fp腔端面上；由于工艺限制，难以实现二氧化硅隔离层6只覆盖fp腔端面，因此，二氧化硅隔离层6可以覆盖在fp腔端面附近的n型缓冲层和p型接触层上，其中，在腔长方向上，在n型缓冲层5.1和p型接触层5.5上表面覆盖的二氧化硅隔离层6的长度之和小于5μm。

步骤7：如图8所示，溅射能与p型接触层5.5形成欧姆接触的金属，例如ti/au，其厚度应设为100～1000nm之间。通过光刻技术和湿法腐蚀，仅保留fp腔上表面的p电极金属；其中，在腔长方向上，p电极金属图形7的长度l7比fp腔的长度l2短20～60μm，且位于fp腔中间，即fp腔两端的上表面各留出10～30μm的间距不覆盖p电极金属。

步骤8：如图9所示，利用光刻技术和带胶剥离法，制备n电极金属图形8，热蒸发能与n型缓冲层形成欧姆接触的金属，比如augeni/au，其厚度应设为100～1000nm之间。其中，n电极金属还需覆盖fp腔两端面上的二氧化硅隔离层，但不能接触到p接触层，从而在iii-v族材料的fp腔两端面形成“金属-二氧化硅-半导体”结构，增强fp腔两端面的反射率，提高激光器的品质因子。

步骤9：如图10所示，在fp腔上表面、p电极金属图形和二氧化硅隔离层之间的iii-v族材料上，利用fib方法或利用光刻技术和icp方法，刻蚀二阶耦合光栅9，使fp腔中不断被放大的激光出射，完成电注入硅基纳米激光器阵列的制备。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

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