硅基III-V族模斑转换集成激光器及制备方法

本公开涉及半导体、光电，尤其涉及一种硅基iii-v族模斑转换集成激光器及制备方法。

背景技术：

1、自集成电路概念出现以来，集成电路上元件尺寸按照摩尔定律不断发展，芯片上集成的元件越来越多。随着集成度的不断提高，元件尺寸不断减小，集成技术面临功耗、速度、量子效应等挑战。采用光互连技术可以实现低功耗、高带宽传输并解决量子效应的问题。并且硅具有成本低、应用范围广、工艺成熟等优势，二者结合使得硅基光电子集成技术成为目前主流方向。但硅是间接带隙半导体，跃迁效率不高，使得硅基光源制备极为困难。iii-v族材料为直接带隙，具有优异的光电特性，因此，如何将iii-v族半导体激光器更有效地集成在硅上是一项具有挑战性的技术课题。

技术实现思路

1、基于上述问题，本公开提供了一种硅基iii-v族模斑转换集成激光器及制备方法，以缓解现有技术中iii-v族半导体激光器与硅集成时存在的技术问题。

2、(一)技术方案

3、本公开的一个方面，提供一种硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，包括：

4、在无偏角标准soi的第一区域制备波导结构；

5、对无偏角标准soi的第二区域进行处理以暴露出硅衬底并在硅衬底上制备单畴锑化物缓冲层；

6、在单畴锑化物缓冲层上制备砷化物外延层；

7、在砷化物外延层上引入in元素制备位错捕获层；以及

8、在位错捕获层上进行选区外延以制备激光器结构层和模斑转换器结构层，完成硅基iii-v族模斑转换集成激光器的制备。

9、根据本公开实施例，在硅衬底上制备单畴锑化物缓冲层包括：第一温度下在硅衬底上生长锑化物成核层和第一锑化物缓冲层；以及第二温度下在第一锑化物缓冲层上生长第二锑化物缓冲层，完成单畴锑化物缓冲层的制备。

10、根据本公开实施例，在单畴锑化物缓冲层上制备砷化物外延层，包括：第三温度下在单畴锑化物缓冲层上生长第一砷化物外延层；以及第四温度下在第一砷化物外延层上生长第二砷化物外延层，完成砷化物外延层的制备。

11、根据本公开实施例，位错捕获层的制备材料选自ingaas/gaas、ingaalas/gaas、inalas/gaas、inalgaas、inalas和ingaas。

12、根据本公开实施例，位错捕获层的总厚度在200～500nm，位错捕获层包括多层子位错捕获层，每层子位错捕获层的厚度在8～10nm。

13、根据本公开实施例，激光器结构层自下而上包括n型下限制层、n型下渐变限制层、有源区层、p型上渐变限制层、p型上限制层；有源区层的材料为gaas上inas量子点，厚度在150～250nm。

14、根据本公开实施例，模斑转换器结构层自下而上包括n型下限制层、n型下渐变限制层、核心区层、p型上渐变限制层、p型上限制层；核心区层的材料为gaas，厚度范围在200～400nm。

15、根据本公开实施例，n型下限制层为gaas、algaas，n型掺杂选自si或te，掺杂浓度在1.5×1018cm-3，厚度在1～2μm；n型下渐变限制层为alxga1-xas，x从0.6渐变至0.1，n型掺杂选自si或te，掺杂浓度从1.5×1018cm-3渐变至3×1017cm-3，厚度在1～2μm；p型上渐变限制层为alxga1-xas，x从0.1渐变至0.6，p型掺杂选自be或mg，掺杂浓度从3×1017cm-3渐变至1.5×1018cm-3，厚度在1～2μm；p型上限制层为gaas，p型掺杂选自be或mg，掺杂浓度1.5×1018cm-3，厚度在1～2μm。

16、根据本公开实施例，模斑转换器结构层中的核心区层的出光一侧厚度较入光一侧厚度小，核心区层入光一侧与激光器结构层中的有源区底部相接。

17、本公开的另一方面，提供一种硅基iii-v族模斑转换集成激光器，采用以上任一项的制备方法制备而成，硅基iii-v族模斑转换集成激光器，包括：波导结构层，在无偏角标准soi的第一区域制备而成；单畴锑化物缓冲层，对无偏角标准soi的第二区域进行处理以暴露出硅衬底并在硅衬底上制备而成；砷化物外延层，位于单畴锑化物缓冲层上；位错捕获层，位于砷化物外延层上；激光器结构层，位于位错捕获层上；以及模斑转换器结构层，位于位错捕获层上且与激光器结构层相接，用于将激光器结构层出射的光耦合至波导结构层中。

18、(二)有益效果

19、从上述技术方案可以看出，本公开硅基iii-v族模斑转换集成激光器及制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

20、(1)采用标准soi衬底，与cmos工艺兼容，便于后续解理；

21、(2)采用超薄缓冲层实现砷化镓缓冲层外延，避免热裂纹；

22、(3)在捕获层和波导层中引入in元素，限制穿透位错的滑移，避免有源区增益劣化。

技术特征：

1.一种硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，包括：

2.根据权利要求1所述的硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，在所述硅衬底上制备单畴锑化物缓冲层包括：

3.根据权利要求1所述的硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，在所述单畴锑化物缓冲层上制备砷化物外延层，包括：

4.根据权利要求1所述的硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，位错捕获层的制备材料选自ingaas/gaas、ingaalas/gaas、inalas/gaas、inalgaas、inalas和ingaas。

5.根据权利要求4所述的硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，

6.根据权利要求1所述的硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，所述激光器结构层自下而上包括n型下限制层、n型下渐变限制层、有源区层、p型上渐变限制层、p型上限制层；所述有源区层的材料为gaas上inas量子点，厚度在150～250nm。

7.根据权利要求1所述的硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，所述模斑转换器结构层自下而上包括n型下限制层、n型下渐变限制层、核心区层、p型上渐变限制层、p型上限制层；所述核心区层的材料为gaas，厚度范围在200～400nm。

8.根据权利要求6-7任一项所述的硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，其中：

9.根据权利要求7所述的硅基iii-v族模斑转换集成激光器制备方法，模斑转换器结构层中的核心区层的出光一侧厚度较入光一侧厚度小，核心区层入光一侧与激光器结构层中的有源区底部相接。

10.一种硅基iii-v族模斑转换集成激光器，采用如权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备而成，所述硅基iii-v族模斑转换集成激光器，包括：

技术总结
本公开提供一种硅基III‑V族模斑转换集成激光器制备方法，包括：在无偏角标准SOI的第一区域制备波导结构；对无偏角标准SOI的第二区域进行处理以暴露出硅衬底并在硅衬底上制备单畴锑化物缓冲层；在单畴锑化物缓冲层上制备砷化物外延层；在砷化物外延层上引入In元素制备位错捕获层；以及在位错捕获层上进行选区外延以制备激光器结构层和模斑转换器结构层，完成硅基III‑V族模斑转换集成激光器的制备。同时，还提供一种通过上述制备方法制备的硅基III‑V族模斑转换集成激光器。

技术研发人员：程焜,赵超,占文康,徐波,王占国
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16