大规模单片集成的硅基III-V族电泵激光器及其制备方法与流程

本发明涉及光电子技术领域，特别涉及了一种大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器及其制备方法。

背景技术：

过去的半个多世纪，以微电子技术和集成电路技术为代表的科技创新和产业革命引领全世界进入了一个高度信息化、网络化和智能化的时代。如今，微电子器件被广泛应用于通信、传感、数据处理和自动控制等领域，小到手机、平板电脑之类的消费电子产品，大到高铁、飞机等复杂的高科技工业产品，微电子器件的身影无处不在并发挥着不可替代的作用。为了满足信息时代对数据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。

为了解决上述问题，人们开始将电子和光子结合起来来实现光电子集成，这将是解决电子器件速度和带宽不足的可靠途径。考虑到工艺兼容性的问题，在硅上制造和集成各种光子器件是大势所趋。硅是目前世界上分布最多、最廉价、晶体质量最高的半导体材料。硅基光电子集成技术既能充分发挥硅基微电子的成熟工艺、高密度集成及价格低廉等优势，又能充分发挥光子的极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性等优点。近年来，硅基的光波导、光开关、调制器和探测器等基本光学元件已经发展的比较成熟。

但是，硅是间接带隙材料，其辐射复合发光效率极低，在硅基光电子集成的研究中，最大的难题是在硅衬底上大规模集成实用化的光源器件。近年来，硅基上单片集成iii-v材料的方法逐渐受到科研人员的青睐。值得关注的是，利用小尺寸选区外延和高深宽比限制技术，能在v形硅沟槽内直接异质外延出横截面积很小(＜1μm²)的高质量iii-v族波导材料，并已经实现了光致激光激射。目前所报道的光泵硅基iii-v族波导激光器的最大周期为3.25μm，该激光器之间的间隔为2.8μm。由于硅基iii-v族波导材料的周期非常小，制备出的金属电极面积也会非常小，这将不能实现焊接金线来注入电流，只有腐蚀掉或者绝缘掉众多周期的硅基iii-v族波导材料，才能制备出面积比较大的金属电极，但是这样会浪费原料且不利于超大规模集成。因此，由于硅基iii-v族波导材料的横截面尺寸和周期都非常小，如何焊接金线来实现电流注入将是一个很大的挑战，目前也没有实现电泵的标准方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器的制备方法，

(1)在soi衬底上制备第一二氧化硅层，并在第一二氧化硅层上制备周期性的矩形沟槽；

(2)腐蚀所述soi衬底，在矩形沟槽下方soi衬底的顶层硅中制备v形沟槽，v形沟槽与矩形沟槽形连通成连通沟槽；

(3)在所述连通沟槽中生长iii-v族波导结构；

(4)在步骤(3)得到的器件上表面制备第二二氧化硅层，仅保留iii-v族波导结构相邻的第一二氧化硅层和第二二氧化硅层；

(5)去除soi衬底的顶层硅，仅保留步骤(4)得到的第一二氧化硅层和iii-v族波导结构下方的顶层硅；

(6)步骤(5)结束后在soi衬底上制备电极a金属，电极a金属与iii-v族波导结构相间分布，且电极a金属左右两侧均与顶层硅相接触；

(7)在电极a金属上制备第三二氧化硅层，并去除iii-v族波导结构顶部的第二二氧化硅层和第三二氧化硅层，使iii-v族波导结构顶部裸露出来；

(8)在步骤(7)形成的器件上表面制备梳型电极b金属，使iii-v族波导结构顶部完全被梳型电极b金属覆盖；

(9)在电极b金属上制备梳型第四二氧化硅层，将电极b金属完全覆盖，去除部分第三二氧化硅层使部分电极a金属裸露，裸露的电极a金属与梳型第四二氧化硅层的梳型条齿相间分布；

(10)在步骤(9)形成的器件上制备电极c金属，所述电极c金属覆盖第四二氧化硅层的梳型条齿一端；

(11)去除没有覆盖电极c金属一端的第四二氧化硅层，使电极b金属裸露，解离后即完成了所述大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器的制备。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器，采用如上的方法制备得到。

基于上述技术方案可知，本发明的大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器及其制备方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：

(1)本发明为在soi衬底上的高深宽比沟槽内生长的横截面积小且密集排布的iii-v族波导结构，提供了一种无需腐蚀掉或绝缘掉任何iii-v族波导结构就能制备出适合金线焊接的金属电极制备方案，从而实现电注入；该方案不仅解决了因器件尺寸小和周期小而造成的难以焊接金线的问题，而且不浪费任何一个硅基iii-v族波导结构，非常有利于超大规模硅基光电子单片集成；

(2)本发明提供的大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器还考虑到了减少光泄漏损耗问题：选用soi衬底，阻止了光向衬底硅的泄漏；只保留部分顶层硅，减少了光向顶层硅的泄漏；

(3)本发明提供的大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器为边发射激光器，便于光场向硅波导的耦合，有利于后续光电器件的单片集成。

附图说明

图1为本发明实施例中制备了周期性二氧化硅矩形沟槽后的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例中制备了v形硅沟槽后的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例中生长了iii-v族波导结构后的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例中第二次制备二氧化硅图形后的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例中仅保留部分顶层硅后的剖面结构示意图；

图6为本发明实施例中制备电极a金属后的剖面结构示意图；

图7a为本发明实施例中第三次制备二氧化硅图形后的俯视方向结构示意图；

图7b为本发明实施例中第三次制备二氧化硅图形后的剖面结构示意图；

图8a为本发明实施例中制备电极b金属后的俯视方向结构示意图；

图8b为本发明实施例中制备电极b金属后沿a-a面的剖面结构示意图；

图8c为本发明实施例中制备电极b金属后沿b-b面的剖面结构示意图；

图9a为本发明实施例中第四次制备二氧化硅图形后的俯视方向结构示意图；

图9b为本发明实施例中第四次制备二氧化硅图形后沿c-c面的剖面示意图；

图9c为本发明实施例中第四次制备二氧化硅图形后沿d-d面的剖面结构示意图；

图10a为本发明实施例中制备电极c金属后的俯视方向结构示意图；

图10b为本发明实施例中制备电极c金属后沿e-e面的剖面结构示意图；

图10c为本发明实施例中制备电极c金属后沿f-f面的剖面结构示意图；

图11a为本发明实施例中完成硅基iii-v族激光器制备后的俯视方向结构示意图；

图11b为本发明实施例中完成硅基iii-v族激光器制备后沿g-g面的剖面结构示意图；

图11c为本发明实施例中完成硅基iii-v族激光器制备后沿h-h面的剖面结构示意图。

附图标记说明：

1-soi衬底、1.1-衬底硅、1.2-掩埋氧化层、1.3-顶层硅、2.1-第一次制备的二氧化硅、2.2-第二次制备的二氧化硅、2.3-第三次制备的二氧化硅、2.4-第四次制备的二氧化硅、3-矩形沟槽、4-v形沟槽、5-iii-v族波导结构、6-电极a金属、7-电极b金属、8-电极c金属。

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。

本发明公开了一种大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器的制备方法，包括：

(1)在soi衬底上制备第一二氧化硅层，并在第一二氧化硅层上制备周期性的矩形沟槽；

(2)腐蚀所述soi衬底，在矩形沟槽下方soi衬底的顶层硅中制备v形沟槽，v形沟槽与矩形沟槽形连通成连通沟槽；

(3)在所述连通沟槽中生长iii-v族波导结构；

(4)在步骤(3)得到的器件上表面制备第二二氧化硅层，仅保留iii-v族波导结构相邻的第一二氧化硅层和第二二氧化硅层；

(5)去除soi衬底的顶层硅，仅保留步骤(4)得到的第一二氧化硅层和iii-v族波导结构下方的顶层硅；

(6)步骤(5)结束后在soi衬底上制备电极a金属，电极a金属与iii-v族波导结构相间分布，且电极a金属左右两侧均与顶层硅相接触；

(7)在电极a金属上制备第三二氧化硅层，并去除iii-v族波导结构顶部的第二二氧化硅层和第三二氧化硅层，使iii-v族波导结构顶部裸露出来；

(8)在步骤(7)形成的器件上表面制备梳型电极b金属，使iii-v族波导结构顶部完全被梳型电极b金属覆盖；

(9)在电极b金属上制备梳型第四二氧化硅层，将电极b金属完全覆盖，去除部分第三二氧化硅层使部分电极a金属裸露，裸露的电极a金属与梳型第四二氧化硅层的梳型条齿相间分布；

(10)在步骤(9)形成的器件上制备电极c金属，所述电极c金属覆盖第四二氧化硅层的梳型条齿一端；

(11)去除没有覆盖电极c金属一端的第四二氧化硅层，使电极b金属裸露，解离后即完成了所述大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器的制备。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中两个相邻的所述矩形沟槽之间的间隔≤50μm。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述矩形沟槽的深度等于第一二氧化硅层的厚度。

在本发明的一些实施例中，步骤(2)中所述v形沟槽的顶部宽度不小于矩形沟槽的宽度，深度不高于soi衬底的顶层硅的厚度。

在本发明的一些实施例中，所述iii-v族波导结构包括缓冲层、下包层、多量子阱有源区、上包层、接触层。

在本发明的一些实施例中，所述soi衬底的顶层硅是n型重掺杂或p型重掺杂。

在本发明的一些实施例中，当所述soi衬底的顶层硅是n型重掺杂时，iii-v族波导结构的缓冲层为n型掺杂，接触层为p型掺杂；当soi衬底的顶层硅是p型重掺杂时，iii-v族波导结构的缓冲层为p型掺杂，接触层为n型掺杂。

在本发明的一些实施例中，当所述soi衬底的顶层硅是n型重掺杂时，n电极由电极a金属和电极c金属组成，p电极为电极b金属；当soi衬底的顶层硅是p型重掺杂时，p电极由电极a金属和电极c金属组成，n电极为电极b金属。

在本发明的一些实施例中，所述电极a金属与soi衬底的顶层硅形成欧姆接触，与所述电极c金属电导通；

所述电极b金属与iii-v族波导结构的接触层形成欧姆接触，与所述电极a金属电绝缘，与所述电极c金属电绝缘。

本发明还公开了一种大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器，采用如上所述的制备方法得到。

在一个示例性实施例中，本发明的大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器，其制备过程包括以下步骤：

步骤1：在顶层硅为n型重掺杂或p型重掺杂的soi衬底上首次制备二氧化硅层，并在二氧化硅层上制备密集排列的周期性的矩形沟槽。所述矩形沟槽的深度等于所述首次制备的二氧化硅厚度。相邻两个所述矩形沟槽之间的间隔≤50μm。其中，本发明所涉及的制备方法对矩形沟槽间隔很大的样品不适用，比如，相邻两个矩形沟槽之间的间隔为100μm时，则足以用来制备能够满足金线焊接的大面积电极金属；最重要的是，相邻两个矩形沟槽之间的间隔大，便不能实现硅基iii-v族电泵激光器的超大规模单片集成。

步骤2：在矩形沟槽下方的顶层硅中制备v形沟槽，v形沟槽与二氧化硅矩形沟槽连通成连通沟槽。其中，所述v形沟槽的顶部宽度不小于矩形沟槽的宽度，深度不大于顶层硅的厚度。

步骤3：在连通沟槽内生长iii-v族波导结构，包括但不限于以下五层：缓冲层，下包层，多量子阱有源区，上包层，接触层。其中，当soi衬底的顶层硅是n型重掺杂时，缓冲层为n型掺杂，接触层为p型掺杂；当soi衬底的顶层硅是p型重掺杂时，缓冲层为p型掺杂，接触层为n型掺杂。

步骤4：在器件上表面第二次制备二氧化硅图形，仅保留紧挨iii-v族波导结构左右两侧的二氧化硅及其上方的二氧化硅。

步骤5：以二氧化硅为掩膜，刻蚀或腐蚀顶层硅，仅保留二氧化硅和iii-v族波导结构下方的顶层硅。其中，iii-v族波导结构左右两侧的二氧化硅宽度越窄，保留下来的部分顶层硅的宽度就越窄，从而越可以减少iii-v族波导结构中的光向顶层硅的泄漏。

步骤6：制备能与顶层硅形成欧姆接触的电极a金属，电极a金属的左右两侧与顶层硅相接触，iii-v族波导结构顶部不被电极a金属覆盖。其中，所述的电极a金属是与iii-v族波导结构相间分布的一个个细长条，细长条形的电极a金属面积小，无法用来焊接金线。

步骤7：在器件上表面第三次制备二氧化硅图形，仅使iii-v族波导结构的顶部不被二氧化硅覆盖。

步骤8：制备能与接触层形成欧姆接触的电极b金属，iii-v族波导结构的顶部完全被电极b金属覆盖。其中，所述电极b金属为梳型结构，梳型条齿端的电极b金属仅覆盖iii-v族波导结构顶部及其左右两侧极窄的二氧化硅(或者不覆盖二氧化硅)，此端的电极b金属是与iii-v族波导结构数量相等的细长条，细长条形的电极b金属面积小，无法用来焊接金线；梳型非条齿端的电极b金属覆盖iii-v族波导结构顶部及其左右两侧全部的二氧化硅，此端的电极b金属面积大，用以焊接金线。

步骤9：在器件上表面第四次制备二氧化硅图形，将电极b金属完全覆盖，去除电极b金属梳型条齿端的部分二氧化硅使部分电极a金属裸露。其中，裸露的电极a金属与电极b金属的梳型条齿相间分布，且与电极b金属电绝缘。

步骤10：制备电极c金属，仅保留覆盖在裸露电极a金属端的电极c金属，电极c金属与电极a金属电导通，与电极b金属电绝缘。其中，电极c金属和电极a金属共同构成器件的一个电极；当soi衬底的顶层硅是n型重掺杂时，此电极为负极；当soi衬底的顶层硅是p型重掺杂时，此电极为正极。

步骤11：去除覆盖在梳型非条齿端电极b金属上方的且不被电极c金属覆盖的二氧化硅，裸露出梳型非条齿的电极b金属，作为器件的另一个电极。其中，当soi衬底的顶层硅是n型重掺杂时，此电极为正极；当soi衬底的顶层硅是p型重掺杂时，此电极为负极。解离后完成大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器的制备。

其中，与电极a金属电导通的大面积电极c金属用以焊接金线，作为器件的一个电极，该端的器件结构为：

soi衬底，自下而上依次为衬底硅，掩埋氧化层，带有v形沟槽的部分顶层硅；

部分顶层硅的下方是掩埋氧化层，左右两侧是电极a金属，上方是iii-v族波导结构和二氧化硅；

电极a金属的下方是掩埋氧化层，左右两侧是部分顶层硅，上方是大面积电极c金属；

iii-v族波导结构的下方是部分顶层硅，左右两侧是二氧化硅，上方是细长条形电极b金属；

细长条形电极b金属的下方是iii-v族波导结构，左右两侧和上方都是二氧化硅；

二氧化硅的内部是iii-v族波导结构和细长条形电极b金属；外部被部分顶层硅、电极a金属和电极c金属包围；

大面积电极c金属位于最上方。

其中，梳型非条齿端的大面积电极b金属用以焊接金线，作为器件的另一个电极，该端的器件结构为：

soi衬底，自下而上依次为衬底硅，掩埋氧化层，带有v形沟槽的部分顶层硅；

部分顶层硅的下方是掩埋氧化层，左右两侧是电极a金属，上方是iii-v族波导结构和二氧化硅；

电极a金属的下方是掩埋氧化层，左右两侧是部分顶层硅，上方是二氧化硅；

iii-v族波导结构的下方是部分顶层硅，左右两侧是二氧化硅，上方是大面积电极金属b；

二氧化硅下方是电极a金属和部分顶层硅，左右两侧是iii-v族波导结构，上方是大面积电极b金属；

大面积电极b金属位于最上方。

其中，俯视器件上表面，大面积电极b金属和大面积电极c金属之间隔有一个二氧化硅细长条。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

下面将以顶层硅为n型重掺杂的soi衬底为例，并结合图1-图11，陈述大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器的具体制备步骤：

步骤1：如图1所示，通过热氧化技术在soi衬底上获得厚度为600nm的顶层硅1.3和厚度为1400nm的二氧化硅2.1，通过采用图形转移技术和干法刻蚀技术，沿着顶层硅1.3的<110>方向，在所制备的二氧化硅2.1上刻蚀出周期性的矩形沟槽3。其中，矩形沟槽3的宽度为700nm，深度等于所制备的二氧化硅2.1厚度，相邻矩形沟槽之间的间隔为5μm。

步骤2：如图2所示，用koh溶液腐蚀soi衬底1，在矩形沟槽3下方腐蚀出v形沟槽4，矩形沟槽3和v形沟槽4连通成了连通沟槽。所腐蚀出的v形沟槽4的顶部宽度不小于矩形沟槽3的宽度，在v形沟槽3的深度到达600nm前停止腐蚀，即不能暴露出soi衬底中的掩埋氧化层1.2。将样品放在稀hcl中浸泡1-2min，去除附着在连通沟槽内壁上的koh与硅的化学反应产物，用去离子水将片子清洗干净。

步骤3：如图3所示，利用mocvd(金属有机化学气相沉积)或者mbe(分子束外延)在连通沟槽内依次生长iii-v族波导结构5，自下而上包括但不限于以下五层：n型缓冲层，下包层，多量子阱有源区，上包层，p型接触层。

步骤4：如图4所示，利用pecvd第二次制备二氧化硅2.2，其厚度可设为100nm～300nm之间，通过采用图形转移技术和干法刻蚀技术(或湿法腐蚀技术)，仅保留紧挨iii-v族波导结构5左右两侧的二氧化硅2.1和其上方二氧化硅2.2。其中，在iii-v族波导结构5左右两侧保留下来的二氧化硅2.1各200nm～500nm宽。

步骤5：如图5所示，通过采用图形转移技术和干法刻蚀技术(或湿法腐蚀技术)，以二氧化硅为掩膜，刻蚀(或腐蚀)顶层硅1.3，仅保留二氧化硅2.2和iii-v族波导结构5下方的部分顶层硅1.3。

步骤6：如图6所示，溅射能与n型顶层硅形成欧姆接触的电极a金属6，例如ti金属或者ni金属，其厚度可设为500nm～800nm之间，去除iii-v族波导结构顶部的电极a金属。电极a金属6是与iii-v族波导结构5相间分布的一个个细长条，且电极a金属6左右两侧与部分顶层硅1.3相接触。

步骤7：如图7a和图7b所示，利用pecvd第三次制备二氧化硅2.3，其厚度可设为500nm～1000nm之间，通过采用图形转移技术和干法刻蚀技术(或湿法腐蚀技术)，使电极a金属6完全被二氧化硅2.3覆盖，去除iii-v族波导结构5顶部的二氧化硅2.3，使iii-v族波导结构5的顶部裸露出来。

步骤8：如图8a-8c所示，溅射能与p型接触层形成欧姆接触的电极b金属7，例如tiau，其厚度可设为300nm～800nm之间，通过采用图形转移技术和干法刻蚀技术(或湿法腐蚀技术)来制备梳型电极b金属图形。电极b金属7的梳型条齿端仅覆盖iii-v族波导结构5顶部及其左右两侧极窄的二氧化硅(或者不覆盖二氧化硅)，此端的电极b金属7是与iii-v族波导结构5数量相等的细长条，细长条形的电极b金属7面积小，无法用来焊接金线；电极b金属7的梳型非条齿端覆盖iii-v族波导结构5顶部及其左右两侧全部的二氧化硅，此端的电极b金属7面积大，用以焊接金线。

步骤9：如图9a-9c所示，利用pecvd第四次制备二氧化硅2.4，其厚度可设为100nm～500nm之间，通过采用图形转移技术和干法刻蚀技术(或湿法腐蚀技术)，使覆盖在电极b金属7上的二氧化硅2.4的形状跟电极b金属7的形状相似，为梳型结构，且二氧化硅2.4将电极b金属7完全覆盖，去除掉其他位置的二氧化硅2.4以及二氧化硅2.4下方的二氧化硅2.3，使部分电极a金属6裸露，裸露的部分电极a金属6与被二氧化硅2.4覆盖的细长条形电极b金属7相间分布。

步骤10：如图10a-10c所示，溅射电极c金属8，例如au金属，其厚度可设为500nm～1000nm之间，通过采用图形转移技术和刻蚀技术，只保留裸露出部分电极a金属6那端的电极c金属8，电极c金属8面积大，用以焊接金线。

步骤11：如图11a-11c所示，通过采用图形转移技术和干法刻蚀技术(或湿法腐蚀技术)，去除覆盖在梳型非条齿端电极b金属7上方的且不被电极c金属8覆盖的二氧化硅2.4，裸露出大面积电极b金属7，用以焊接金线，解离后即完成了大规模单片集成的硅基iii-v族电泵激光器的制备。

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。