一种硅基激光器及其制备方法与流程

1.本技术涉及激光器制备技术领域，特别是涉及一种硅基激光器及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g网络、大数据互联网以及光通信技术的发展，用户对互联网的高速传输性、稳定性的需求越来越高。而激光器是构建新型网络世界、实现互联网的高速传输和稳定性的重要一环。因此，如何设计激光器的结构，以及如何制备符合当今新型网络世界的激光器，是个重要的技术问题。
3.现有的激光器通常是以普通的三五族材料为基底，以体材料或者量子阱为有源区增益介质。然后将制备好的激光器作为光源用于现有的硅基微纳工艺平台，形成相应的光电子器件，用于5g网络、大数据互联网等新一代基础设施。
4.然而，现有的激光器，由于所采用三五材料为基底和体材料或者量子阱为有源区增益介质，使得激光器与目前现有的硅基微纳工艺平台兼容性较差，限制了光电子器件发光特性的良好实现，从而影响数据的传输性能和稳定性。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种硅基激光器及其制备方法，以解决现有技术中的激光器与现有硅基微纳工艺平台的兼容性较差的问题。
6.为了解决上述技术问题，本技术实施例公开了如下技术方案：
7.一种硅基激光器，所述硅基激光器包括：设置于底层的硅基底，设置于上层的激光器层，以及设置于所述硅基底和激光器层之间的缓冲层，且所述激光器层以三五族量子点材料为有源区增益介质，所述缓冲层中设置有应变超晶格层。
8.可选地，所述激光器层包括从下往上依次设置的n型欧姆接触层、n型波导层、量子点有源区增益介质层、p型波导层、p型欧姆接触层。
9.可选地，所述缓冲层包括：成核层和应变超晶格层，所述成核层与硅基底接触，所述应变超晶格层与激光器层接触。
10.一种硅基激光器的制备方法，所述方法包括：
11.以硅材料为基底，形成硅基底；
12.在所述硅基底上生长含有应变超晶格层的缓冲层；
13.对称生长以三五族量子点材料为有源区增益介质的激光器层；
14.根据设定的工艺流程，对包含有所述硅基底、缓冲层以及激光器层的全结构外延片进行工艺制备，生成硅基激光器，所述设定的工艺流程包括：光刻、刻蚀、电极制备、划片解理以及打线封装过程。
15.可选地，在所述硅基底上生长含有应变超晶格层的缓冲层之前，所述方法还包括：
16.对所述硅基底进行生长前预处理。
17.可选地，对所述硅基底进行生长前预处理的方法，包括：
18.去除硅晶圆片中的杂质，所述杂质包括：水气、二氧化碳；
19.去除硅晶圆片表面的氧化层，获取有完整晶格结构的硅材料表面。
20.可选地，在所述硅基底上生长含有应变超晶格层的缓冲层的方法，包括：
21.生长用于接触硅基底的成核层；
22.生长用于接触激光器层的应变超晶格层。
23.可选地，所述对称生长以三五族量子点材料为有源区增益介质的激光器层，包括：
24.以三五族量子点材料为增益介质生长有源区增益介质层；
25.在所述有源区增益介质层的上下两侧分别生长p型波导层和n型波导层；
26.在所述p型波导层的上侧以及n型波导层的下侧，分别生长p型欧姆接触层以及n型欧姆接触层。
27.可选地，根据设定的工艺流程，对包含有所述硅基底、缓冲层以及激光器层的全结构外延片进行工艺制备，生成硅基激光器的方法，包括：
28.利用掩膜介质作掩膜，在包括有所述硅基底、缓冲层以及激光器层的全结构外延片上形成设定的图形，所述掩膜介质包括：光刻胶以及二氧化硅；
29.根据所述设定的图形，在所述全结构外延片上刻蚀出脊条，形成脊形波导结构；
30.根据所述设定的图形，在所述脊条旁边刻蚀，露出n型欧姆接触层；
31.刻蚀完毕后，在p型欧姆接触区和n型欧姆接触区分别进行蒸金属，形成p电极和n电极；
32.根据设定的硅基激光器尺寸，对所述全结构外延片进行划片解理；
33.对划片解理后的全结构外延片进行打线封装，形成硅基激光器。
34.可选地，根据设定的工艺流程，对包含有所述硅基底、缓冲层以及激光器层的全结构外延片进行工艺制备，生成硅基激光器之后，所述方法还包括：
35.对所述激光器进行光学性能和电学性能校验。
36.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
37.本技术提供一种硅基激光器，该硅基激光器包括从下往上的三部分：硅基底、缓冲层以及激光器层。本实施例采用的基底是硅，为一种间接带隙半导体，是目前半导体市场主导材料，材料来源广泛，经济划算，便于拓宽激光器的应用市场。而且硅基底使得激光器能够与目前现有的硅基微纳工艺平台兼容，大大提高激光器的兼容性。缓冲层中设置有应变超晶格层，缓冲层的设置，能够有效过滤不同材料异质外延产生的穿透位错等缺陷，达到邻近生长层的晶格匹配，有利于提高生长质量，进一步提高激光器的兼容性和稳定性。激光器层以三五族量子点材料为有源区增益介质。量子点具有纳米量级的尺寸，能够在三个维度上实现良好的量子限制，具有极高的量子效应；同时量子点在激光器中易于调控，能够产生更高的增益，具有优秀的发光性质，弥补了硅发光能力不足的劣势，有利于大大提高激光器的性能；此外，三五族材料量子点作为增益介质是一种点集合体，对于诸如穿透位错等生长缺陷的容忍度高，与体材料和量子阱材料相比具有显著优势，更适用于大失配体系结构，有利于进一步提高激光器的兼容性和稳定性。
38.本技术还提供一种硅基激光器的制备方法，该方法首先以硅材料为基底，然后在该硅基底上生长含有应变超晶格层的缓冲层，再对称生长以三五族量子点材料为有源区增益介质的激光器层；最后根据设定的工艺流程，对包含有以上硅基底、缓冲层以及激光器层
的全结构外延片进行工艺制备，生成硅基激光器。本实施例中的方法以半导体市场的主流材料硅材料为基底，材料便于获取，从而使得本方法便于推广，而且硅基底更容易与目前现有的硅基微纳工艺平台兼容，有利于大大提高激光器的兼容性。本实施例中所生长的缓冲层中含有应变超晶格层，能够有效过滤不同材料异质外延产生的穿透位错等缺陷，从而达到邻近生成层的晶格匹配，有利于提高激光器的兼容性，且大大降低穿透位错对激光器层的影响，为后续器件工艺制备奠定良好的外延基础，有利于提高激光器的稳定性。本实施例对称生长以三五族量子点材料为有源区增益介质的激光器层，有源区中的载流子能够在三个维度上均受到量子限制，具有极高的量子效应，提供更高的增益，提升激光器的发光性能；且三五族量子点是一种点集合体，对于穿透位错等生长缺陷容忍度高，有利于提高激光器的兼容性和稳定性。
39.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
40.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
41.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本技术实施例所提供的一种硅基激光器的结构示意图；
43.图2为本技术实施例中激光器层的结构示意图；
44.图3为本技术实施例所提供的一种硅基激光器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
45.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
46.为了更好地理解本技术，下面结合附图来详细解释本技术的实施方式。
47.实施例一
48.参见图1，图1为本技术实施例所提供的一种硅基激光器的结构示意图。由图1可知，本实施例中的硅基激光器主要包括从下往上的三部分：硅基底、缓冲层以及激光器层。硅基底设置于底层，激光器层设置于上层，硅基底和激光器层之间设置有缓冲层，且激光器层以三五族量子点材料为有源区增益介质，缓冲层中设置有应变超晶格层。
49.硅是地壳中含量最丰富的半导体材料元素，在大自然中广泛以二氧化硅sio2和硅酸盐等形式存在。本实施例采用硅基底，硅基底更容易与现有的硅基微纳工艺平台兼容，有利于大大提高激光器的兼容性。而且硅材料来源易得，有利于该激光器的推广应用，有利于降低激光器的成本。
50.本实施例在硅基底和激光器层之间设置缓冲层，并在缓冲层中设置应变超晶格层，这种结构设计，能够有效释放硅基底与激光层中三五族材料晶格失配所产生的应力，减少穿透位错等缺陷的沿生长方向向上传播，有利于保持激光器结构的完整性，提高激光器的稳定性。
51.三五族材料量子点具有纳米量级的尺寸，能够在三个维度上实现良好的量子限制，具有极高的量子效应，本实施例采用三五族材料量子点材料作为发光器件的有源区材料，能够产生更高的增益，有效提高激光器的发光性能。同时三五族材料量子点是一种点集合体，对于诸如穿透位错等生长缺陷的容忍度高，相比于现有技术中采用的体材料和量子阱材料，能够进一步提高激光器的兼容性和稳定性。
52.进一步地，本实施例中激光器层的结构可以参见图2所示，由图2可知，激光器层包括：从下往上依次设置的n型欧姆接触层、n型波导层、量子点有源区增益介质层、p型波导层、p型欧姆接触层。也就是激光器层中间层为量子点有源区增益介质层，中间层的上下两侧分别为p型波导层和n型波导层，再往外上下两侧分别为p型欧姆接触层和n型欧姆接触层。本实施例中p型波导层和n型波导层为掺杂的波导层，p型欧姆接触层和n型欧姆接触层为重掺杂的欧姆接触层。这种结构设计，既能够具备良好的电学性能，方便电极制备，又兼备优秀的光学性能，实现激光器的高效发光，同时有利于提高激光器的兼容性和稳定性。
53.缓冲层包括：成核层和应变超晶格层，其中，成核层与硅基底接触，应变超晶格层与激光器层接触。成核层和应变超晶格层组成的两层结构的缓冲层，能够及时释放底层硅基底和上层激光器层之间晶格失配产生的应力，有效降低位错等缺陷对激光器性能的影响，大大提高激光器的兼容性和稳定性。
54.实施例二
55.在图1和图2所示实施例的基础上参见图3，图3为本技术实施例所提供的一种硅基激光器的制备方法的流程示意图。由图3可知，本实施例中硅基激光器的制备方法主要包括如下过程：
56.s1：以硅材料为基底，形成硅基底。
57.本实施例中的制备方法不包括硅基底的制作，直接采用硅材料的基底成品，在此基础上进行缓冲层的生长以及激光器层的生长。
58.s3：在硅基底上生长含有应变超晶格层的缓冲层。
59.具体地，步骤s3包括如下过程：
60.s31：生长用于接触硅基底的成核层。
61.s32：生长用于接触激光器层的应变超晶格层。
62.通过以上步骤s31和s32，先生长成核层，然后在成核层上面生长应变超晶格层，从而实现缓冲层与底层硅基底的接触，以及上层激光器层的接触。为释放硅基底与激光器层之间的应力提供物质基础，从而提高激光器的兼容性和稳定性。
63.进一步地，在硅基底上生长含有应变超晶格层的缓冲层之前，还包括有步骤s2：对硅基底进行生长前预处理。具体地，步骤s2包括如下过程：
64.s21：去除硅晶圆片中的杂质，杂质包括：水气、二氧化碳。
65.s22：去除硅晶圆片表面的氧化层，获取有完整晶格结构的硅材料表面。
66.通过对硅基底进行生长前预处理，能够有效去除不必要的杂质，为后续在硅基底
上生长缓冲层奠定良好的外延基础，有利于分子束外延技术的顺利应用，从而提高生长质量，提高激光器的兼容性和稳定性。
67.继续参见图3可知，在硅基底上生长含有应变超晶格层的缓冲层之后，执行步骤s4：对称生长以三五族量子点材料为有源区增益介质的激光器层。
68.具体地，步骤s4包括如下过程：
69.s41：以三五族量子点材料为增益介质生长有源区增益介质层。
70.s42：在有源区增益介质层的上下两侧分别生长p型波导层和n型波导层。
71.s43：在p型波导层的上侧以及n型波导层的下侧，分别生长p型欧姆接触层以及n型欧姆接触层。
72.由以上步骤s41-s43可知，本实施例在生长激光器层时，采用对称生长的方式，分别生长波导层和欧姆接触层，这种方式形成了激光器层的完整波导结构，进而有利于提高整个硅基激光器的增益。本实施例中激光器采用三五族量子点材料为增益介质来生长有源区增益介质层，这种方法能够充分利用三五族材料晶格差异较大而界面应变能不大的性质得到应变自组装量子点，适应于大失配体系，从而有效提高激光器的兼容性和稳定性。而且这种方法能够充分利用三五族量子点具有极高的量子限制的特性，大大提高激光器的发光性能。
73.继续参见图3可知，在硅基底上依次生长完毕缓冲层和激光器层之后，执行步骤s5：根据设定的工艺流程，对包含有硅基底、缓冲层以及激光器层的全结构外延片进行工艺制备，生成硅基激光器。
74.其中，设定的工艺流程包括：光刻、刻蚀、电极制备、划片解理以及打线封装过程。
75.具体地，步骤s5包括如下过程：
76.s51：利用掩模介质，作掩膜，在包括有硅基底、缓冲层以及激光器层的全结构外延片上形成设定的图形。本实施例中的掩膜介质可以采用光刻胶或者二氧化硅。
77.s52：根据设定的图形，在全结构外延片上刻蚀出脊条，形成脊形波导结构。
78.s53：根据设定的图形，在脊条旁边刻蚀，露出n型欧姆接触层。
79.在脊条旁边刻蚀露出n型欧姆接触层后，整个全结构外延片表面上就具备了p型欧姆接触区和n型欧姆接触区。
80.s54：刻蚀完毕后，在p型欧姆接触区和n型欧姆接触区分别进行蒸金属，形成p电极和n电极。
81.本实施例中蒸金属的方法采用现有技术中的方法，可以采用磁控溅射法或者热蒸发的方法。
82.s55：根据设定的硅基激光器尺寸，对全结构外延片进行划片解理。
83.s56：对划片解理后的全结构外延片进行打线封装，形成硅基激光器。
84.进一步地，本实施例的方法还包括步骤s6：对激光器进行光学性能和电学性能校验。
85.具体地，光学性能校验方法可以利用光学显微镜观察硅基激光器表面，扫描电子显微镜或者透射电子显微镜观察激光器截面。电学性能校验方法可以利用探针台测量电流电压曲线，观察硅基激光器的电学性能是否良好。通过步骤s6，能够对制备的硅基激光器进行进一步的性能确认，从而进一步提高硅基激光器的性能和质量。
86.该实施例中未详细描述的部分，可以参见图1和图2所示的实施例一，两个实施例之间可以互相参照，在此不再赘述。
87.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。