一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法与流程

本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其涉及一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法。

背景技术：

基于硅衬底的微电子技术推动着现代社会在不断的发展，目前各种以微电子技术为基础的信息通信产品已经深入到人们生活的各个方面，包括手机、计算机、智能汽车、全球定位系统等几乎一切需要用到芯片的场景。由于信息的爆炸性增长，人们对数据容量和数据传输速率的要求也越来越高。微电子技术是通过电来传输处理信息的。电子由于具有真实质量，在传输处理过程中会受到传输介质中其它原子的阻碍，从而导致电互连中数据传输速率受到限制，而且功耗巨大。特别是，数据中心、超大规模的超级计算机、下一代通信网络等需要大规模数据处理的应用场景下，目前所使用的基于微电子技术的微电子器件和微电子集成电路难以为继。硅基光子集成电路具有与目前cmos技术兼容、低的损耗、高的数据传输速率、宽的可用带宽等优势。因此，通过硅基光电集成技术将微电子技术的工艺优势和光子技术的性能优势结合，可以有效解决目前超大数据容量和超高数据传输速率的问题。

为了实现硅基光电集成，需要将各种光子器件制备在无偏角的单晶硅(001)衬底上。目前，在无偏角的硅(001)衬底上制备出性能良好的硅基激光器是硅基光电集成中最需要解决的研究课题。人们已经提出各种方法制备硅基激光器，包括多孔硅技术、硅纳米晶体技术、硅拉曼激光器技术、铒掺杂硅激光器、硅衬底上锗激光器和硅基ⅲ-ⅴ族激光器。其中直接外延硅基ⅲ-ⅴ族激光器是最有希望的一种方法，目前得到极大地关注。硅基ⅲ-ⅴ族激光器实现产品化面临的最大障碍是硅衬底与ⅲ-ⅴ族材料之间存在晶格常数不匹配、热膨胀系数不匹配、极性不匹配(反相畴)等问题。这些因素会导致激光器外延材料生长过程中出现高密度的穿透位错，进而影响激光器的发光性能。人们已经提出了多种方法来解决硅材料与ⅲ-ⅴ族材料之间的兼容性问题，包括高低温两步外延、缓冲层法和应变超晶格位错阻挡层法等。

最近，采用硅衬底上v型槽图形化衬底的技术来实现硅基ⅲ-ⅴ族激光器成为研究人员的研究重点。该方法主要是在硅衬底上沉积一层二氧化硅制备图形掩膜结构，然后通过各向异性湿法腐蚀的方法在硅衬底上刻蚀出v型槽图形窗口结构，最后在该图形窗口结构中外延生长ⅲ-ⅴ族材料。该方法可以有效的消除硅衬底与ⅲ-ⅴ族材料界面的反相畴。另外，v型槽窗口结构可以捕获堆垛层错，二氧化硅的侧壁可以阻挡穿透位错。因此，该方法可以降低位错对有源区的影响，提高激光器的发光性能。目前，研究人员已经在利用v型槽硅图形衬底方法制备硅基ⅲ-ⅴ族激光器外延材料方面取得了一些进展。例如美国加州大学圣塔芭芭拉分校和香港科技大学的研究人员已经利用v型槽硅图形衬底的方法成功实现了室温下电泵浦的1.3微米inas/ingaas量子点激光器和1.5微米ingaas/inalgaas量子阱激光器。他们在硅基v型槽窗口中采用两步法生长gaas缓冲层或者inp缓冲层，形成类似gaas的衬底或者inp的衬底，从而生长对应材料系的激光器结构。但是这种通过缓冲层过渡的方法会使得激光器有源区结构到衬底的部分太厚，不利于硅基光电集成，而且使得激光器外延材料生长时间过长。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法成为本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法，有效改善激光器外延材料生长质量，提高激光器的性能，极大的降低成本，更加符合产业化的需求。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料的制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：

步骤101：在单晶硅衬底上制备条形图形掩膜；

步骤102：在所述硅衬底上刻蚀v型槽窗口；

步骤103：在所述v型槽窗口区中选区生长缓冲层；

步骤104：在所述缓冲层上横向生长合并层；

步骤105：在所述合并层上生长应变超晶格位错阻挡层；

步骤106：在所述位错阻挡层上生长n型欧姆接触层；

步骤107：在所述n型欧姆接触层上生长n型下限制层；

步骤108：在所述n型下限制层上生长下波导层；

步骤109：在所述下波导层上生长多层量子点有源区；

步骤110：在所述量子点有源区上生长上波导层；

步骤111：在所述上波导层上生长p型上限制层；

步骤112：在所述p型上限制层上生长p型欧姆接触层，完成制备。

按以上技术方案，所述步骤101具体包括：在单晶硅(001)衬底上制备sio2条形图形掩膜。利用等离子体增强化学气相沉淀(pecvd)方法生长一定厚度的sio2层。然后，利用激光全息或深紫外光刻技术，将设计好的条形窗口图形转移到sio2层上。最后，运用反应离子刻蚀(rie)或感应耦合等离子体刻蚀(icp)技术，刻蚀出条形图形掩膜。

按以上技术方案，所述步骤102具体包括：硅衬底首先通过5％(体积比)的氢氟酸(hf)清洗，去除表面的氧化物。然后将硅衬底放入koh溶液中进行各向异性的湿法腐蚀，形成v型槽。

按以上技术方案，所述步骤103具体包括：将刻蚀有v型槽的硅衬底放入mocvd反应室中，在氢气环境下升温到220℃烘烤15-30分钟，然后在氢气和砷烷混合气体环境下升温到750-800℃，烘烤15-30分钟；烘烤结束适当降温后开始通过选区外延方式生长缓冲层，分为两步：第一步是生长低温缓冲层，将反应室温度降到400-420℃生长15-20nm的in0.23ga0.77as低温缓冲层，通入三甲基镓、三甲基铟和砷烷；第二步是生长高温缓冲层，将反应室温度升高到600-700℃，通入三甲基镓、三甲基铟和砷烷，当in0.23ga0.77as高温缓冲层生长厚度超出图形掩膜高度后停止生长。

按以上技术方案，所述步骤104具体包括：首先横向合并in0.23ga0.77as材料，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷，ⅴ/ⅲ比为400；然后是平面生长in0.23ga0.77as材料，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷。

按以上技术方案，所述步骤105具体包括：依次生长10nm的in0.2ga0.8as和10nm的in0.3ga0.7as，温度都为600-650℃，分别通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷，该过程循环4-6次；然后生长一层250nm厚的in0.23ga0.77as间隔层；上述过程重复3-5次。

按以上技术方案，所述步骤106具体包括：生长厚度为200-500nm的n型in0.23ga0.77as欧姆接触层，si掺杂源掺杂浓度为5×10¹⁸-10¹⁹cm^-3，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓、砷烷和硅烷。

按以上技术方案，所述步骤107具体包括：生长厚度为1.0-1.6微米的n型in0.23(al0.5ga0.5)0.77as下限制层，si掺杂源掺杂浓度为5×10¹⁷-10¹⁸cm^-3，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓、三甲基铝、砷烷和硅烷。

按以上技术方案，所述步骤108具体包括：在下限制层上生长in0.23ga0.77as下波导层，生长厚度为50-100nm，温度为600-650℃，通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷。

按以上技术方案，所述步骤109中：所述量子点有源区为多周期的inas/ingaas阱中点结构，总共厚度为210nm；其步骤具体包括：首先生长一层3nm厚的in0.30ga0.77as层，温度为500-600℃；然后生长一层约2nm厚的inas层，温度为480-520℃；接着生长一层约10nm厚的in0.23ga0.77as量子点盖层，温度为500-600℃；最后生长一层30-40nm厚的gaas间隔层，温度为550-600℃；上述过程重复若干次。

按以上技术方案，所述步骤110具体包括：在量子点有源区上生长in0.23ga0.77as上波导层，生长厚度为50-100nm，温度为600-650℃，通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷。

按以上技术方案，所述步骤111具体包括：生长厚度为1.0-1.6微米的p型in0.23(al0.5ga0.5)0.77as下限制层，zn掺杂源掺杂浓度为5×10¹⁷-10¹⁸cm^-3，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓、三甲基铝、砷烷和二乙基锌。

按以上技术方案，所述步骤112具体包括：生长厚度为200-300nm的p型in0.23ga0.77as欧姆接触层，zn掺杂源掺杂浓度为5×10¹⁹-10²⁰cm^-3，温度为500-550℃，通入三甲基铟、三甲基镓、砷烷和二乙基锌。

一种根据上述制备方法制备的1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料，其不同之处在于：其包括单晶硅衬底，所述单晶硅衬底上刻蚀有周期性的v型槽窗口和条形图形掩膜结构，所述衬底上由下至上依次包括缓冲层、合并层、应变超晶格位错阻挡层、n型欧姆接触层、n型下限制层、下波导层、量子点有源区、上波导层、p型上限制层和p型欧姆接触层。

由上述方案，本发明公开了一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法，采用硅衬底上的v型槽结构有效消除了硅基ⅲ-ⅴ材料异质外延中的反相畴，同时通过sio2的侧壁阻挡位错作用有效降低了穿透位错对有源区的影响。传统的硅基1.55微米波长激光器需要通过在硅衬底上生长缓冲层过渡到inp材料，然后才能生长inp材料系的1.55微米波长激光器，而本专利中采用的方案不需要采用过渡到inp材料就可以制备1.55微米波长激光器，降低了材料生长时间，增加了激光器的散热特性。本发明专利在硅基v型槽中生长的缓冲层和合并层都采用in0.23ga0.77as材料，一方面可以有效降低与硅衬底的晶格失配，另一方面可以确保与1.55微米波长的量子点激光器外延材料匹配生长，不影响激光器结构的材料生长质量。本发明专利中采用了in0.2ga0.8as/in0.3ga0.7as应变超晶格位错阻挡层，该方法可以有效阻挡穿透位错，提高激光器有源区的材料生长质量，改善其性能。本发明可以有效改善硅衬底上1.55波长微米量子点激光器的材料生长质量，提高激光器的性能。该激光器制备方法能够大面积、高重复性、均匀地完成材料生长和制备，成本极大降低，更加符合产业化的需求。

附图说明

图1为本发明实施例制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例激光器外延材料的结构示意图；

图3为本发明实施例激光器外延材料的v型槽窗口制备过程及选区生长缓冲层的过程示意图；

图4为本发明实施例激光器外延材料结构的光场分布和折射率分布示意图；

图5为本发明实施例激光器外延材料的量子点有源区的光限制因子与in0.23(al0.5ga0.5)0.77as限制层厚度的关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1至图5，本发明一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料的制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：

步骤101：在单晶硅(001)衬底上制备sio2条形图形掩膜；

步骤102：在硅衬底上利用湿法腐蚀的方法刻蚀v型槽窗口；

步骤103：在所述v型槽窗口区选区生长in0.23ga0.77as缓冲层；

步骤104：在所述缓冲层上横向生长in0.23ga0.77as合并层；

步骤105：在所述合并层上生长in0.2ga0.8as/in0.3ga0.7as应变超晶格位错阻挡层；

步骤106：在所述位错阻挡层上生长n型in0.23ga0.77as欧姆接触层；

步骤107：在所述欧姆接触层上生长n型in0.23(al0.5ga0.5)0.77as下限制层；

步骤108：在所述下限制层上生长in0.23ga0.77as下波导层；

步骤109：在所述下波导层上生长多层量子点有源区；

步骤110：在所述量子点有源区上生长in0.23ga0.77as上波导层；

步骤111：在所述上波导层上生长p型in0.23(al0.5ga0.5)0.77as上限制层；

步骤112：在所述上限制层上生长p型in0.23ga0.77as欧姆接触层，完成制备。

优选地，所用的单晶硅衬底晶面为(100)晶面，无偏角，为本征或低阻n型硅片，厚度为400微米±25微米。

优选地，在单晶硅衬底上制备sio2条形图形掩膜可以包括：利用等离子体增强化学气相沉淀(pecvd)方法生长一定厚度的sio2层。然后，利用激光全息技术，将设计好的图形转移到sio2层上。最后，运用反应离子刻蚀(rie)或感应耦合等离子体刻蚀(icp)技术，刻蚀出条形图形窗口，得到的二氧化硅光栅结构厚度为300nm，二氧化硅的方形槽宽度为500nm，其占空比为50％。

优选地，在所述的硅衬底上利用湿法腐蚀的方法刻蚀v型槽窗口可以包括：硅衬底首先通过5％(体积比)的氢氟酸(hf)清洗，去除表面的氧化物。然后将硅衬底放入koh溶液中进行各向异性的湿法腐蚀，形成v型槽。得到v型槽的表面是(111)晶面，槽宽度为500nm的v型槽硅图形衬底。

优选地，在所述的v型槽窗口中选区生长in0.23ga0.77as缓冲层可以包括：将刻蚀有v型槽的硅衬底放入mocvd反应室中，在氢气环境下升温到220℃烘烤15分钟，然后在氢气和砷烷混合气体环境下升温到900℃，烘烤15分钟。烘烤结束适当降温后开始通过选区外延方式生长in0.23ga0.77as缓冲层。第一步是生长低温缓冲层，将反应室温度降到420℃生长20nm的in0.23ga0.77as低温缓冲层，通入三甲基镓(流量为1.74×10^-5mol/min)、三甲基铟(流量为8.03×10^-7mol/min)和砷烷(流量为5.2×10^-3mol/min)；第二步是生长高温缓冲层，将反应室温度在10分钟内升高到600℃，通入三甲基镓(流量为2.59×10^-5mol/min)、三甲基铟(流量为4.02×10^-6mol/min)和砷烷(流量为5.57×10^-3mol/min)，当in0.23ga0.77as高温缓冲层厚度超出sio2图形掩膜高度时停止生长。

优选地，在所述的in0.23ga0.77as缓冲层上横向生长in0.23ga0.77as合并层可以包括：在in0.23ga0.77as高温缓冲层停止生长后开始横向生长in0.23ga0.77as合并层。首先是横向合并in0.23ga0.77as材料，温度为600℃，通入三甲基铟(流量为4.02×10^-6mol/min)、三甲基镓(流量为1.38×10^-5mol/min)和砷烷(流量为5.58×10^-3mol/min)，ⅴ/ⅲ比为400，生长时间为900s；然后是平面生长in0.23ga0.77as材料，温度为600℃，通入一定流量的三甲基铟(流量为4.02×10^-6mol/min)、三甲基镓(流量为2.60×10^-5mol/min)和砷烷(流量为5.58×10^-3mol/min)，生长时间为900s。

优选地，在所述的in0.23ga0.77as合并层上生长in0.2ga0.8as/in0.3ga0.7as应变超晶格位错阻挡层可以包括：依次生长10nm的in0.2ga0.8as和10nm的in0.3ga0.7as。生长in0.2ga0.8as时，温度为600℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min，三甲基镓流量为2.60×10^-5mol/min，砷烷流量为5.58×10^-3mol/min。生长in0.3ga0.7as时，温度为600℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min，三甲基镓流量为1.52×10^-5mol/min，砷烷流量为5.58×10^-3mol/min。该过程循环5次。然后生长一层250nm后的in0.23ga0.77as间隔层，温度为600℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min，三甲基镓流量为2.10×10^-5mol/min，砷烷流量为5.57×10^-3mol/min。上述过程重复4次。

优选地，在所述的位错阻挡层上生长n型in0.23ga0.77as欧姆接触层包括：生长厚度为300nm，si掺杂源掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，温度为650℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min、三甲基镓流量为2.10×10^-5mol/min、砷烷流量为5.57×10^-3mol/min和硅烷流量为4.3×10^-6mol/min。

优选地，在所述的n型欧姆接触层上生长n型in0.23(al0.5ga0.5)0.77as下限制层包括：生长厚度为1.4微米，si掺杂源掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，温度为650℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min、三甲基镓流量为1.05×10^-5mol/min、三甲基铝流量为1.05×10^-5mol/min、砷烷流量为5.57×10^-3mol/min和硅烷流量为4.3×10^-7mol/min。

优选地，在所述的n型下限制层上生长in0.23ga0.77as下波导层包括：生长厚度为50nm，温度为600℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min、三甲基镓流量为2.10×10^-5mol/min、砷烷流量为5.57×10^-3mol/min。

优选地，在所述的下波导层上生长多层量子点有源区包括：量子点有源区为5周期的inas/ingaas阱中点结构，总共厚度为210nm。首先生长一层3nm厚的in0.23ga0.77as生长层，温度为500℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min、三甲基镓流量为2.10×10^-5mol/min、砷烷流量为5.57×10^-3mol/min；然后生长一层约2nm厚的inas层，温度为500℃，通入三甲基铟流量为8.6×10^-7mol/min，砷烷流量为4.9×10^-6mol/min；接着生长一层7nm厚的in0.23ga0.77as量子点盖层，温度为500℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min、三甲基镓流量为2.10×10^-5mol/min、砷烷流量为5.57×10^-3mol/min；最后生长一层40nm厚的gaas间隔层，温度为600℃，通入三甲基镓流量为4×10^-5mol/min，砷烷流量为2.7×10^-3mol/min。上述过程重复5次。

优选地，在所述的量子点有源区上生长in0.23ga0.77as上波导层包括：生长厚度为50nm，温度为600℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min、三甲基镓流量为2.10×10^-5mol/min、砷烷流量为5.57×10^-3mol/min。

优选地，在所述的上波导层上生长p型in0.23(al0.5ga0.5)0.77as上限制层包括：生长厚度为1.6微米，zn掺杂源掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，温度为650℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min、三甲基镓流量为1.05×10^-5mol/min、三甲基铝流量为1.05×10^-5mol/min、砷烷流量为5.57×10^-3mol/min和二乙基锌流量为9.2×10^-7mol/min。

优选地，在所述的p型上限制层上生长p型in0.23ga0.77as欧姆接触层包括：生长厚度为200nm，zn掺杂源掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3，温度为550℃，通入三甲基铟流量为4.02×10^-6mol/min、三甲基镓流量为2.10×10^-5mol/min、砷烷流量为5.57×10^-3mol/min和二乙基锌流量为3.7×10^-6mol/min。

本发明提供了一种基于v型槽图形衬底的1.55微米波长硅基inas/ingaas量子点激光器外延材料的金属有机化合物化学气相沉淀(metalorganicchemicalvapordeposition，mocvd)制备方法。该激光器采用v型槽硅图形化衬底，还包括了二氧化硅条形图形掩膜和窗口结构。其中v型槽采用不同的宽度参数，v型槽是沿着(111)晶面腐蚀的条形光栅结构。sio2条形图形窗口的宽度高度采用不同的参数。所述单晶硅衬底为无偏角的硅衬底，晶面为(001)晶面，为本征型或者低阻n型掺杂。本发明中采用的方案不需要过渡到inp材料就可以制备1.55微米激光器，省去了缓冲层过渡结构，降低了材料生长时间，更有利与于硅基光电集成。该制备方法在硅基v型槽窗口中生长in0.23ga0.77as缓冲层，而且横向生长部分也是采用in0.23ga0.77as材料，这样一方面可以降低与硅衬底的晶格失配，另一方面可以确保与1.55微米波长的量子点激光器外延材料匹配生长，不影响激光器结构的材料生长质量。同时我们还采用了in0.2ga0.8as/in0.3ga0.7as多周期的超晶格位错阻挡层来进一步降低位错密度。相对于量子阱激光器而言，量子点激光器具有更大的位错容忍性，具有更好的温度稳定性，使用寿命更长。该硅基量子点激光器主要用于单片硅基光电集成芯片中的激光光源元件。本发明可以有效改善硅基1.55微米波长量子点激光器的材料生长质量，提高激光器的性能。该激光器制备方法能够大面积、高重复性、均匀地完成材料生长和制备，成本极大降低，更加符合产业化的需求。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。