CN102437510B - 半导体激光器及其形成方法、形成激光介质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器，其包括：SOI衬底；形成在SOI衬底的顶层硅层内的激光介质，所述激光介质与SOI衬底的氧化硅绝缘层之间具有2nm到30nm的硅材料层。本发明还公开一种形成激光介质层的方法，其包括：提供SOI衬底；去除部分厚度的顶层硅层，至少保留一部分；在所保留的硅层上生长激光介质。本发明还包括一种半导体激光器的形成方法，其包括前述形成激光介质层的方法。本发明通过直接在SOI衬底上形成激光介质乃至整个激光器，解决或者说避免现有技术所面临的激光器或激光介质与硅基底难以结合的问题，使得激光器产生的光信号能够传输到硅器件中，可实现激光器与别的半导体器件的一体化。

Description

半导体激光器及其形成方法、形成激光介质的方法

技术领域

本发明属于半导体制造领域，尤其涉及半导体激光器以及在SOI衬底上形成激光介质、激光器的方法。

背景技术

随着科学技术的发展，激光器的材料、性能、应用等都越来越丰富广泛，但其结构一般包括以下三个部分：

1、激光介质

激光介质是获得激光的必要条件。它是可以实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系。它可以是气体、液体、固体或半导体。现有激光介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外。

2、激励源

是指为使激光介质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射激光介质，称为光激励；还有热激励、化学激励、核能激励等。

3、谐振腔

所谓光学谐振腔，是使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡的结构。谐振腔的作用为：①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。通常是由组成腔的两个反射镜的几何形状(反射面曲率半径)和相对组合方式所决定；②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。

半导体激光介质材料中最早发现，也是现在应用最广泛的材料为GaAs，其它III-V族化合物的激光性质都和GaAs十分相似。GaP和GaAs以不同的比例制成混合晶体GaAs_1-xP_x，可获得波长范围为0.84μm(纯GaAs)到0.64μm(40％GaP)的激光。InP可获得波长约为0.90μm的激光。GaSb、InAs和InSb激光波长分别为1.56μm、3.11μm和5.18μm。除了III-V族化合物可用于注入式激光器外，其它如一些II-IV族、IV-VI族化合物，特别是铅盐PbS、PbSe和PbTe等也能制成激光器，目前也发展出用如InGsAsP、AlGaAsSb等四元化合物制作激光器。

而对于半导体光电技术而言，最大的门槛就在于半导体激光介质材料与硅基底的结合。半导体器件的95％以上是用硅材料制作的，90％以上的大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的。由于半导体激光介质材料一般为III-V族化合物和II-IV族、IV-VI族化合物，其晶体结构与硅晶体的晶体结构不相似，晶格常数差别很大，晶格失配较高，以及热膨胀系数相差较大等因素，限制了在硅基底上形成激光介质材料，也限制了直接在硅基底上形成激光器的技术发展。

现在，厂商及研究机构的解决方法大致可分为3种：①放弃在硅上制作光源的现有做法，通过外置的激光元件向芯片内部导入光；②将利用化合物半导体制造的激光元件与硅芯片贴合；③通过某种手段使硅等直接发光。其中第一种和第二种的方法取得一些应用，第三种直接激光源还没有应用实例。

发明内容

本发明的目的是通过直接在SOI衬底上形成激光介质乃至整个激光器，解决或者说避免现有技术所面临的激光器或激光介质与硅基底难以结合的问题，使得激光器产生的光信号能够传输到硅器件中，可实现激光器与别的半导体器件的一体化。

为了实现上述目的，本发明提供了一种半导体激光器，包括：

SOI衬底；

形成在SOI衬底的顶层硅层内的激光介质，所述激光介质与SOI衬底的氧化硅绝缘层之间具有硅材料层。

可选的，所述激光介质与所述氧化硅绝缘层之间的所述硅材料层的厚度为2nm到30nm。

可选的，所述激光介质的材料为GaP、GaAs、InP、InGaAs、GaInAsP中的一种或多种。

可选的，还包括形成于SOI衬底内或SOI衬底上的谐振腔、光波导。

本发明还提供了一种形成激光介质层的方法，包括：

提供SOI衬底；

去除部分厚度的顶层硅层，至少保留一部分硅层；

在所保留的硅层上生长激光介质。

可选的，所述去除部分厚度的顶层硅层的步骤，包括：

在顶层硅层上形成图形化的光刻胶；

利用光刻胶做掩模，刻蚀顶层硅层的部分厚度，形成开口。

可选的，所述去除部分厚度的顶层硅层的步骤，为进行化学机械研磨。

可选的，所保留的硅材料层厚度为2nm到30nm。

可选的，在所保留的硅层上生长激光介质后，进行退火。

可选的，所述激光介质的材质为GaP、GaAs、InP、InGaAs、GaInAsP中的一种或多种。

可选的，形成的激光介质分布为单个区域或呈阵列式分布的多个区域。

本发明还提供了一种半导体激光器的形成方法，其利用上述形成激光介质的方式的方法形成激光介质。

可选的，形成激光介质后，利用半导体制作工艺在顶层硅层内或上形成谐振腔、光波导。

本发明使用SOI衬底形成激光介质，SOI衬底不仅提供了一层掩埋的绝缘层，且其顶层硅层也提供了制备平面光波导以及其它光学器件的条件。另外，通过控制刻蚀的工艺参数以及时间以使得在掩埋绝缘层(二氧化硅)上保留一薄层不同于一般的体硅材料的硅晶体，它是近似为二维的薄膜，具有一定的延展性。可以在其上面生长晶格常数具有较小差异的异质晶体，如III-V族的激光介质材料。并利用光学曝光的方法可以很准确的定义生长激光介质材料的区域，然后利用干法刻蚀对SOI硅片的顶层硅层进行蚀刻，在指定的位置制备光有源器件，以利于光电器件的整合及集成。

本发明在SOI上形成激光器，使得本发明的激光器与半导体制程互容，可与电器件实现很好的整合，可以制备出电光调制器件以及光-光调制器件。对于未来高速芯片的发展具有潜在的意义。另外，本发明的激光器，可以采用标准的半导体生产工艺生产，工艺简单、稳定、方便易行。

附图说明

图1为第一实施例中形成半导体激光器的制作工艺流程图。

图2至图5为第一实施例中形成激光介质及激光器的示意图。

图6为第二实施例中形成激光介质的制作工艺流程图。

图7至图10为第二实施例中的形成激光介质的示意图。

具体实施方式

针对半导体激光介质材料与硅基底难以结合的问题，发明人提出一种将半导体激光介质材料直接形成在SOI衬底上的方法，解决或者说避免现有技术所面临的激光器或激光介质与硅基底难以结合的问题，从而实现激光器与硅基底半导体器件的一体化，使得激光器产生的光信号能够传输到硅器件中。

本发明的实施方法包括：

S1：提供SOI衬底。SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)技术是在顶层硅和底层硅之间引入了一层掩埋的氧化层，形成的SOI衬底从底至上包括底层硅、氧化硅绝缘层和顶层硅。

S2：去掉部分顶层硅，在氧化硅绝缘层上保留一薄层硅。

可以采取的方式为：在顶层硅层中通过刻蚀形成开口。开口的底部还保留一层硅材料，这一层硅厚度较薄，薄到这层硅的晶体不同于一般的体硅材料，它是近似为二维的薄膜，具有一定的延展性，可以在其上面生长晶格常数具有较小差异的异质晶体。一般来说，这层硅材料的厚度范围为2nm到30nm。

也可以采用另外的方式。比如，通过化学机械研磨磨掉部分厚度的顶层硅的硅材料，保留薄到满足上述要求的硅，厚度范围为2nm到30nm。

S3：生长出所需要的激光介质材料。

所采用的生长激光介质的方法，可以是分子束外延、化学气相沉积、磁控溅射等。激光介质材料可以包括GaP、GaAs、InP、InGaAs、GaInAsP等等。

激光介质材料能够在SOI衬底上生长起来的原因是：氧化硅绝缘层上保留的一薄层硅的晶格结构不稳定，所以，III-V族化合物和II-IV族化合物的半导体激光介质材料的原子，能够附着这一薄层硅的晶键生长起来。

激光介质在SOI衬底上形成后，可以采取辅助的工艺以增强其性能。也可以形成另外的部件，以形成完整的半导体激光器。例如：

S4：进行退火工艺，以使生长的激光介质材料的晶格结构更稳定。退火温度为600℃-1200℃之间，时间从5s～600s。

若之前运用的是化学机械研磨磨掉顶层硅的硅材料，保留一薄层硅，再在整个表面生长激光介质材料，那么根据实际需要，还可以在退火后，在激光介质层中刻蚀出开口，沉积硅材料填充开口。

S5：运用化学机械研磨工艺，进行全局平坦化。

这样就在SOI衬底上形成了激光器的激光介质。

激光器的激光介质可以按照阵列式方式排布在多个相互隔离的区域。

S6：形成或增加谐振腔、激励源等，以在SOI上形成完整的半导体激光器。

以上述方法形成的半导体激光器，包括：

激励源；

形成在SOI衬底的顶层硅层中的激光介质；

谐振腔。

其中，激励源激发激光介质中的激光介质材料发生粒子数反转并产生光的受激辐射，通过谐振腔的多次反馈形成激光振荡从而对激光进行放大，最后，足够强度和亮度的激光传出激光器。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度，宽度及深度的三维空间尺寸。

以下以两个具体实施例为例，详细描述本发明的实施情况：

具体实施例一：

具体实施例一中，用GaAs在顶层硅中形成激光介质，最终制得本发明的半导体激光器。图1是实施例一半导体激光器的制作流程图。图2到图5为第一实施例中形成激光介质及激光器的示意图。

下面结合图1至图5对制作方法作详细说明。

执行步骤S11：提供SOI衬底。如图2所示，由下至上，分别为SOI衬底的底层硅层300、氧化硅绝缘层301、顶层硅层302。其中，顶层硅层302的厚度为

执行步骤S12：对顶层硅进行刻蚀以形成开口，开口下方保留一层厚度为2nm～30nm的硅。

在顶层硅层302的硅材料上，用光刻胶做掩模，刻蚀一宽400nm、长500nm的开口1，保证开口1的下方留有厚度为8nm的一薄层硅2，形成的结构如图3所示。刻蚀方法为等离子体干法刻蚀。刻蚀采用等离子体刻蚀，在本实施例中，本步骤中可采用C₄F₈、C₅F₈、C₄F₆、CF₄、CHF₃、CH₂F₂中的至少两种作为主刻蚀气体，刻蚀速率为1500～Ar、O₂作为辅助刻蚀气体，比率为主蚀刻气体流量的5～15倍。反应腔的压强为20-120mTorr，时间为80-120秒。去掉光刻胶，清洗，烘干。

步骤S13：生长激光介质材料GaAs。

通过化学气相沉积，使得GaAs附着这层晶格结构不稳定的硅2在SOI基底上生长起来，以形成激光介质4。形成的结构如图4所示。

本实例中采用有机金属化学气相沉积的方法来制备高纯的GaAs材料。所使用的原料包括三乙基镓、AsH₃以及载气He。其生长的具体参数为：三乙基镓流量为2000mgm、AsH₃流量为2200sccm、载气He流量为2000sccm。环境压强为8.2Torr，RF功率为750W，温度为400℃。生长速率为生长时间为50s。

执行步骤S14：进行退火工艺；

执行退火工艺，目的是使得生长的砷化镓的晶格结构更规整。退火温度为1000℃，时间为5min。

执行步骤S15：进行全局平坦化；

使用反刻蚀法及化学机械研磨法来进行全局平坦化，使得形成有激光介质的SOI衬底表面平坦。

执行步骤S16：形成或增加谐振腔、光波导以及激励源，形成完整的激光器。

具体的，形成谐振腔和光波导的方法为：

在形成好激光介质4的顶层硅302上形成掩膜，进行等离子体干法刻蚀，以在从激光介质区域两相对的侧边，从激光介质区域边缘开始、沿着预设的激光方向等间距的刻蚀出一些相同的薄片状长方体的槽，然后沉积氧化硅，直到把这些槽填满，并且在表面累积上厚度为的二氧化硅，形成二氧化硅层303，二氧化硅层303的厚度为形成结构具体如图5所示。

其中，谐振腔为从紧贴激光介质4区域相对的两侧开始的第一介质A、第二介质B周期性交错形成的类光栅结构L1，L2，图中可见，类光栅结构L1，L2均形成在顶层硅层302中。第一介质A和第二介质B的折射率不同。

当激光介质4在外加激励下，发生粒子数反转同时产生光的受激辐射，会有各个方向的激光产生，其中会有沿着紧贴着激光介质4区域的类光栅结构中的第一介质A传播的激光。在第一、第二介质A、B的交界面，由于第一介质A和第二介质B的折射率不同，会有部分光会发生在界面处发生反射和折射，光之间相互干涉，而又沿着第一介质A返回到激光介质4去激发新的受激辐射产生新的激光。而没有发生反射的光就继续沿着第二介质B、第一介质A传播，到下一个第一介质A和第二介质B的交界面，部分光发生反射，返回，部分光继续传播。反射回去光之间相互干涉，返回到激光介质4区域去激发新的受激辐射产生新的激光。这样就形成了光在两侧类光栅结构之间的反复震荡。也即构成了激光器的谐振腔结构。

第一介质A的单元宽度和第二介质B的单元宽度与激光在真空内传播的波长关系具体为：

n1*a+n2*b＝kλ/2

其中，a为第一介质A的单元厚度，n1为第一介质A的折射率，b为第二介质B的单元厚度，折射率为n2，k为正整数，λ为激光在真空波长，且n1≠n2。

本实施例中，激光介质4的材料为砷化镓，其被激发产生的激光波长为0.84μm。且第一介质A为硅，折射率为3.42，第二介质B为氧化硅，折射率为1.54。一单位厚度的第一介质A和紧邻的一单位厚度的第二介质B为谐振腔的一个子单元，经过发明人仔细研究和反复实践后发现，本实施例中，第一介质A的单元厚度a为0.123um，b为0.273um。同时子单元的的叠加次数为20时，其对激光的反射率可以达到98％以上。故在本实施例中，一侧类光栅结构L1的子单元的重复次数为20，另一侧类光栅结构L2的AB重复单元的重复次数为12，使得10％的激光能够沿着L2的方向传播出来。

再次，本实施例中的光波导的功能由顶层硅层上厚度为的二氧化硅层303、顶层硅302以及氧化硅绝缘层301组合实现的。当激光在能够沿着L2的方向传播出来后，激光的传播介质为谐振腔外面的硅(未图示)。而传播激光的硅上面和下面介质层都是折射率小于硅的氧化硅，所以，光能局限在其中传播。

另外，可以通过半导体制作工艺形成激励源(未图示)，则构成了大体完整的半导体激光器。比如，激励源的激励方式为电注入、电子束激励、和光泵浦方式，或者其它任意可实现的方式。优选的，为用半导体制作工艺可以实现的方式。

从上述实施方式可以发现，由于本发明优点在于：

一、可以通过控制刻蚀的工艺参数以及时间在SOI衬底的氧化硅绝缘层上保留一薄层硅晶体，它近似为二维的薄膜，具有一定的延展性，故利用其生长一般难以在硅基底上生长的激光介质材料(本实施例中为GaAs)；并且利用光学曝光的方法可以很准确的定义生长激光介质材料的区域，形成激光介质。

二、SOI衬底不仅提供了一层掩埋的绝缘层，且其顶层硅层也提供了制备平面光波导以及其它光学器件的条件。在SOI衬底特定位置形成好激光介质区域后，可以利用SOI衬底的特定结构形成硅基底上的激光器，其可以实现与电器件很好的整合，可以制备出电光调制器件以及光-光调制器件。

三、本发明的激光器，可以采用标准的常用的基于硅基底的半导体生产工艺生产，工艺简单、稳定、方便易行。

具体实施例二：

具体实施例二中，为在顶层硅中以InGaAs为例形成激光介质。并且激光介质的形成方式为采用化学机械研磨方式磨平顶层硅，仅留一薄层硅，然后沉积激光介质材料，再通过在沉积好的激光介质材料层中刻蚀开口，沉积硅材料填充开口，再运用化学机械研磨进行平坦化的方式最终形成激光介质，并且激光介质区域的排布为阵列式排布。

图6是实施例二中形成激光介质的制作流程图。图7到图10为第二实施例中形成激光介质及激光器的示意图。

下面结合图6至图10对制作方法作详细说明。

首先，执行步骤S21：提供SOI衬底，由下至上，SOI衬底包括底层硅层300、氧化硅绝缘层301、顶层硅层302。其中，顶层硅层302的厚度为

执行步骤S22：进行化学机械研磨，顶层硅中仅保留厚度为12nm的一薄层硅。如图7所示。

执行步骤S23：生长激光介质材料InGaAs。

运用沉积工艺使得InGaAs附着仅有一薄层的、晶格结构不稳定的顶层硅层302在SOI基底上生长起来。如图8所示，在厚度只有12nm的顶层硅层302上生长起InGaAs层304。

本实例中亦采用有机金属化学气相沉积的方法来制备高纯的InGaAs材料，所使用的原料包括三乙基镓、AsH₃、三甲基铟以及载气He。其生长的具体参数为：三乙基镓流量为1000mgm、三甲基铟流量为1200mgm、AsH3流量为2500sccm、载气He流量为2500sccm。环境压强为16.5Torr，RF功率为800W，温度为655℃。生长速率为生长时间为80s。

执行步骤S24：进行退火工艺，目的是使得生长的InGaAs的晶格结构更规整。

退火的温度为950℃，退火时间为5min，退火是在惰性气体中进行。

执行步骤S25：在激光介质材料层中刻蚀出开口。

利用光刻胶做掩模，在激光介质材料层，即InGaAs材料层上按阵列状刻蚀出若干开口。可采用Cl₂/CH₄/H₂感应耦合等离子体(ICP)刻蚀InGaAs材料层。此步骤中的刻蚀InGaAs的方法在这里不作详细描述，本领域技术人员应该能够了解到其具体实施方式。

本步骤还包括去掉光刻胶，清洗，烘干的过程。

执行步骤S26：通过化学气相沉积，沉积硅材料以填充开口。沉积硅材料的方式可以用低压化学气相沉积，在通过热分解硅烷来沉积硅。具体为，使用纯硅烷或者含量为20％～30％的硅烷和氮气的混合气体作为反应气体，压强为0.2～1.0Torr，温度为575～650℃，淀积速率为100～可以加入乙硼烷提高反应速率。淀积时间为70s～120s。

执行步骤S27：进行全局平坦化。

使用反刻蚀法及化学机械研磨法来进行全局平坦化，使得表面平坦。形成结构如图9、图10所示。

从上述实施方式可以发现，本发明优点在于可以很准确的定义生长激光介质材料的区域，有利于光电器件的整合及集成。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：

SOI衬底；

形成在SOI衬底的顶层硅层内的激光介质，所述激光介质与SOI衬底的氧化硅绝缘层之间具有硅材料层；

所述激光介质与所述氧化硅绝缘层之间的所述硅材料层的厚度为2nm到30nm。

2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光介质的材料为GaP、GaAs、InP、InGaAs、GaInAsP中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，还包括形成于SOI衬底内或SOI衬底上的谐振腔、光波导。

4.一种形成激光介质的方法，其特征在于，包括：

提供SOI衬底；

去除部分厚度的顶层硅层，至少保留一部分硅层；

在所保留的硅层上生长激光介质；

所保留的硅层厚度为2nm到30nm。

5.如权利要求4所述的形成激光介质的方法，其特征在于，所述去除部分厚度的顶层硅层的步骤，包括：

在顶层硅层上形成图形化的光刻胶；

利用光刻胶做掩模，刻蚀部分厚度的顶层硅层，形成开口。

6.如权利要求4所述的形成激光介质的方法，其特征在于，所述去除部分厚度的顶层硅层的步骤中采用的是化学机械研磨。

7.如权利要求4所述的形成激光介质的方法，其特征在于，在所保留的硅层上生长激光介质后，进行退火。

8.如权利要求4所述的形成激光介质的方法，其特征在于，所述激光介质的材质为GaP、GaAs、InP、InGaAs、GaInAsP中的一种或多种。

9.如权利要求4所述的形成激光介质的方法，其特征在于，形成的激光介质为单个区域或呈阵列式分布的多个区域。

10.一种半导体激光器的形成方法，其特征在于，其利用如权利要求4至9任一项所述的方法形成激光介质。

11.如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，形成激光介质后，利用半导体制作工艺在顶层硅层内或上形成谐振腔、光波导。