CN103427332A

CN103427332A - 硅基锗激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN103427332A
Application number: CN2013103427150A
Authority: CN
Inventors: 刘智; 成步文; 李传波; 李亚明; 薛春来; 左玉华; 王启明
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: CN103427332B

Abstract

本发明提供了一种硅基锗激光器及其制备方法。该硅基锗激光器包括：硅材料，具有相应的晶向；锗层，外延生长于硅材料上，包括：锗脊形波导，由刻蚀锗层形成，构成全部或部分的激光谐振腔；p型掺杂区和n型掺杂区，位于锗脊形波导的两侧；p型掺杂区、锗脊形波导和n型掺杂区形成横向p-i-n二极管结构；绝缘介质层，形成于锗脊形波导、p型掺杂区和n型掺杂区的上方；以及p电极和n电极，形成于绝缘介质层的上方，分别与p型掺杂区和n型掺杂区电性连接。本发明采用水平横向p-i-n锗脊形波导结构，硅衬底不需要掺杂，在硅衬底上外延生长的锗层可以有很好的晶体质量，从而有利于硅基锗激光器整体性能的提升。

Description

硅基锗激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种硅基锗激光器及其制备方法。

背景技术

硅基光电子学将光子技术与成熟的硅微电子技术集成，在光通信、光互连、光传感等领域有广泛的应用前景，受到各国政府和科研工作者的高度重视，在近年取得了突飞猛进的发展，如高速硅电光调制器、光开关、复用/解复用器、高效光耦合器、高速硅基锗光电探测器等都已经成功研制出来，唯一没有很好解决的是硅基激光器。所以，硅基激光器被认为是硅基光电子学最闪亮的明珠，成为很多硅基光电子学研究者追求的最重要目标。

硅是间接带隙半导体材料，其发光效率很低，虽然已经实现了光泵浦的硅拉曼(Raman)激光器，但是到目前为止还没有实现真正意义的电泵浦硅激光器。虽然人们采用键合技术，将化合物半导体激光器键合到硅材料上，实现了硅基混合激光器，但是其工艺复杂，并且与CMOS工艺不兼容，人们还是希望能用硅材料或者与CMOS工艺兼容的N族材料实现硅基激光器。锗材料就是一种与CMOS工艺兼容的四族材料，而且已成功外延生长在硅衬底上。虽然锗与硅一样是间接带隙半导体，但是其直接带隙只比间接带隙大140meV，并且通过应变工程可以进一步减小带隙差，从而提高电子占据直接带隙能谷的几率，通过掺杂工程也可以提高电子占据直接带隙的几率，从而获得高效率的直接带隙复合发光，通过合理的器件结构设计，可以实现锗高效发光器件甚至锗激光器。

通过多年的努力，中科院半导体所与美国MIT(麻省理工学院)、斯坦福大学等分别实现了硅衬底上的锗发光二极管，随后MIT又实现了硅基锗光泵浦激光器。2012年，MIT实现了脉冲工作的硅基锗激光器。但是，他们的激光器是纵向p-i-n结构，锗材料生长在高掺杂的硅衬底上，并对锗材料进行了高浓度的n型掺杂，影响了锗外延层的质量；掺杂层以及电极对光的吸收没有很好避免；需要采用复杂而对锗材料不太成熟的化学机械抛光工艺，器件一致性不好；器件激射阈值太大，寿命非常短，不能实现连续工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种硅基锗激光器及其制备方法，以提高硅基锗激光器的整体性能。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基锗激光器。该硅基锗激光器包括：硅材料，具有相应的晶向；锗层，外延生长于硅材料上，包括：锗脊形波导，通过刻蚀锗层形成，构成全部或部分的激光谐振腔；p型掺杂区和n型掺杂区，位于锗脊形波导的两侧；p型掺杂区、锗脊形波导和n型掺杂区形成横向p-i-n二极管结构；绝缘介质层，形成于锗脊形波导、p型掺杂区和n型掺杂区的上方；以及p电极和n电极，形成于绝缘介质层的上方，分别与p型掺杂区和n型掺杂区电性连接。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种硅基锗激光器的制备方法。该制备方法包括：步骤A，在硅材料的表面外延生长锗层；步骤B，通过刻蚀锗层形成锗脊形波导，对该锗脊形波导两侧的锗层进行掺杂以形成p型掺杂区和n型掺杂区，p型掺杂区、锗脊形波导和n型掺杂区形成横向p-i-n二极管结构；步骤C，在锗脊形波导、p型掺杂区和n型掺杂区的上方沉积绝缘介质层；步骤D，形成分别与p型掺杂区和n型掺杂区电性连接的p电极和n电极；以及步骤E，在锗脊形波导的两端面之间形成光学谐振腔。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明硅基锗激光器及其制备方法具有以下有益效果：

(1)采用水平横向p-i-n锗脊形波导结构，硅衬底不需要掺杂，在硅衬底上外延生长的锗层有很好的晶体质量，从而有利于硅基锗激光器整体性能的提升；

(2)p型和n型掺杂区通过离子注入或扩散方法获得，可以合理设计离子注入或扩散区域，降低其对光的吸收引起的损耗，同时保障良好的电流注入效率；

(3)两电极制作在离光场较远的锗脊形波导两侧，可以避免电极对光的吸收，并且电流不需流经位错密度高的硅与锗的界面，大大减少非辐射复合；

(4)制作工艺简单，与CMOS工艺兼容，不需要化学机械抛光工艺，器件一致性好，寿命长，可以实现连续工作。

附图说明

图1为根据本发明实施例硅基脊形波导结构锗激光器的结构示意图；

图2A为制备图1所示硅基脊形波导结构锗激光器的流程图；

图2B为制备图1所示硅基脊形波导结构锗激光器过程中，执行各工艺步骤后器件的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

10-硅衬底；

20-锗层；

21-p型掺杂区；22-锗脊形波导；23-n型掺杂区

31-p电极； 32-n电极；

40-绝缘介质层。

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，对本发明进一步详细说明。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

本发明提供了一种横向p-i-n结构的硅基锗激光器及其制备方法。整个器件采用常规半导体器件工艺制作，与CMOS工艺兼容性好。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种硅基锗激光器。请参照图1，本实施例硅基锗激光器包括：硅衬底10；锗层20，外延生长于硅衬底10上的，其中该锗层20经刻蚀形成锗脊形波导22，而该锗脊形波导20两侧的锗层分别经掺杂形成p型掺杂区21和n型掺杂区23，p型掺杂区21、锗脊形波导22和n型掺杂区23形成横向p-i-n二极管结构；绝缘介质层40，形成于锗脊形波导22、p型掺杂区21和n型掺杂区23的上方，实现三者与外界环境的电性隔离；p电极31和n电极32，形成于锗层20的上方，分别与p型掺杂区21和n型掺杂区23电性连接；其中，锗脊形波导的两端面之间形成光学谐振腔，该光学谐振腔产生的激光从锗脊形波导的一端面射出。

以下分别对本实施例硅基锗激光器的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，硅衬底为不掺杂硅材料或掺杂浓度小于1×10¹⁶cm^-3的低掺杂硅材料。在该硅衬底上可以外延生长出高质量的锗层，从而有利于提升硅基锗激光器的整体性能。

此外，本实施例采用(100)晶向的硅衬底10作为生长锗层20的基体，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，硅衬底可以用SOI(Silicon on Insulator)衬底代替。

本实施例中，最初沉积锗层的厚度为800nm，其是不掺杂的锗材料。而后经过刻蚀，保留中间未刻蚀的锗层作为锗脊形波导22。锗脊形波导两侧经过刻蚀，剩余锗层的厚度为450nm，锗脊形波导两侧锗层分别经p型掺杂和n型掺杂形成p型掺杂区21和n型掺杂区23。

请参照图1，该锗脊形波导沿该锗层20(110)方向延伸，其厚度为最初锗层的厚度800nm，其材料是未掺杂的锗材料。

请参照图1，p型掺杂区21和n型掺杂区23形成于锗脊形波导的两侧，其厚度为450nm，其材料为经过掺杂的锗材料。掺杂的方法可以选用离子注入法或扩散法等。

p型掺杂区21和n型掺杂区23可以与锗脊形波导侧边沿有很小的距离(小于200nm)，也可以扩展到锗脊形波导的侧边沿内。

在本发明的一个优选实施例中，p型掺杂区21和n型掺杂区23渗透进锗脊形波导22侧边沿内距离为50nm，从而可以使电流有效注入锗脊形波导中心不掺杂的锗区域，同时避免过多的高掺杂区域对光的吸收损耗。

本实施例中，通过对掺杂的区域的设计，可以降低掺杂区对光的吸收引起的损耗，同时保障良好的电流注入效率。

p电极31和n电极32分别位于锗脊形波导两侧的p型掺杂区21和n型掺杂区23上。p电极31和n电极32与锗脊形波导侧边沿的距离大于2μm，从而最大限度的避免了电极对光的吸收，并且电流不需流经位错密度高的硅与锗的界面，极大减少界面处位错引起的非辐射复合。

请参照图1，本实施例中，硅衬底10和整个锗层20的端面与锗脊形波导22延伸的方向垂直，从而在锗脊形波导22的两端面之间形成光学谐振腔，但本发明并不以此为限。本发明硅基激光器在片上应用时，该谐振腔的范围除了该锗脊形波导之外，还可以沿锗脊形波导方向延伸，比如可以延伸到片上与其相邻的硅波导中。锗脊形波导作为有源层材料，由所述横向p-i-n二极管结构产生的激光从锗脊形波导22的两端面中反射率较小的一个出射。

此外，本实施例中，采用的硅衬底是(100)晶向材料，硅衬底10和整个锗层20的端面被解理为(110)面，本发明并不以此为限。本发明硅基激光器在片上应用时，只要锗脊形波导22的两端面刻蚀成垂直光滑的腔面，或者在锗脊形波导22的两端面刻蚀形成起到光反射作用的波导光栅，同样能够实现本发明。

需要说明的是，本实施例中，采用的(100)晶向的硅材料作为衬底，而后期形成锗脊形波导延伸的方向为其(110)晶向，脊形波导的两端面为(110)面，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，硅材料的晶向还可以为(111)取向，而后期形成的锗脊形波导的方向为(110)晶向，锗脊形波导解理面为(110)晶向；或者硅材料的取向还可以为(110)取向，而后期形成的锗脊形波导的方向为其(111)晶向，锗脊形波导解理面为(111)晶向等方案均能够实现本发明。

至此，本实施例硅基锗激光器介绍完毕。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种上述实施例硅基锗激光器的制备方法。请参照图2A和图2B，该制备方法包括：

步骤A，在不掺杂或低掺杂(掺杂浓度小于1×10¹⁶cm^-3)的(100)晶向的硅衬底10上，外延生长厚度约800nm的不掺杂锗层20，如图2B中(1)所示；

其中，外延生成不掺杂锗层20的方法采用化学气相沉积方法或者分子束外延方法。锗层20的厚度也可以根据需要在300nm～1μm之间选择。

此外，在生长不掺杂锗层20之后，还可以通过快速高温热退火提高锗层的晶体质量和张应变，以提高不掺杂锗层20的质量。

步骤B，刻蚀锗层20形成沿(110)方向延伸的锗脊形波导22，对该锗脊形波导两侧的锗层进行掺杂以形成p型掺杂区21和n型掺杂区23，从而p型掺杂区21、锗脊形波导22和n型掺杂区23形成横向p-i-n二极管结构；

该形成锗脊形波导22、p型掺杂区21和n型掺杂区23的步骤B进一步又可以包括：

子步骤B1，光刻并刻蚀部分锗层，其中刻蚀的深度为350nm，从而形成沿(110)方向延伸的锗脊形波导22，如图2B中(2)所示；

其中，锗脊形波导22的宽度、长度以及刻蚀的深度可以根据实际设计要求进行选择。本发明中，最初沉积锗层的厚度d介于100nm～10000nm之间，而刻蚀的深度L可以介于d/10～4d/5之间。优选地，最初沉积锗层的厚度d介于200nm～1000nm之间，刻蚀深度L在3d/10～7d/10之间。最优地，最初沉积锗层的厚度d介于500nm～800nm之间，刻蚀深度L在d/2左右。

子步骤B2，对锗脊形波导22两侧经过刻蚀的锗层进行离子注入并退火激活，形成p型掺杂区21和n型掺杂区23，如图2B中(3)所示。

其中，p型掺杂区21和n型掺杂区23可以与锗脊形波导22的边沿有很小的距离，也可以扩展到锗脊形波导的侧边内(如图1所示)，这可以更好实现电流的注入。

本实施例中，为了减小工艺难度，采用自对准斜角度离子注入，实现对锗脊形波导侧面的p型和n型掺杂。

此外，虽然本实施例采用离子注入的方式来形成p型掺杂区21和n型掺杂区23，但本发明并不以此为限。本领域技术人员还可以采用扩散法或其他方法来形成p型掺杂区21和n型掺杂区23，其均为本领域的惯用技术手段，也不是本发明的创新之处，此处不再赘述。

步骤C，在锗脊形波导22、p型掺杂区21和n型掺杂区23的上方沉积绝缘介质层40，如图2B中(4)所示；

本步骤中，绝缘介质层可以是二氧化硅、或氮化硅等，沉积的方法可以是磁控溅射或者等离子增强化学气相沉积等半导体薄膜沉积工艺。

步骤D，形成分别与p型掺杂区21和n型掺杂区23电性连接的p电极31和n电极32，如图2B中(5)所示；

该形成p电极31和n电极32的步骤D进一步又可以包括：

子步骤D1，光刻并腐蚀绝缘介质材料，在介质绝缘层上制备电极孔，分别裸露出部分的p型掺杂区和n型掺杂区；

子步骤D2，在整个介质绝缘层和电极孔上方沉积金属层；

子步骤D3，采用腐蚀或者带胶剥离技术，形成分离的，远离锗脊形波导22的p电极31和n电极32，进行退火，实现电极与相应掺杂区的欧姆接触。

步骤E，在与锗脊形波导22延伸的方向垂直的锗层20的两端面形成(110)解理面，制备出光学谐振腔。

器件激射需要形成光学腔面，形成光学腔。硅和锗的自然解理面一般是(111)面，如果解理面为(111)面，对于(100)晶向的硅和锗，端面与波导方向不垂直，形成不了光学腔。

为了制备光学谐振腔，可以控制工艺实现端面(110)解理面，也可以通过以下方式制备光学谐振腔：

子步骤E1，沿(110)方向对与锗脊形波导22延伸的方向垂直的硅衬底10和锗层20的端面解理；

子步骤E2，通过化学机械抛光获得垂直于锗脊形波导方向的端面。

由于半导体材料与空气大的折射率差，制备的端面不经过镀膜就可以有较高的反射率，可以实现光学腔。

步骤F，在锗脊形波导22的一个端面镀高反射膜。

经过本步骤，在通过p电极和n电极对本发明硅基锗激光器加电后，激光由反射率较低的腔面出射。

然而，本步骤并不一定是必须的，在不镀高反膜的情况下，在满足相应条件后，也能实现激射。

本实施例硅基锗激光器的制备方法中，均是采用现有半导体工艺成熟的技术，制作工艺比较简单，与CMOS工艺兼容性好，成本低，实用性强。

至此，本实施例硅基锗激光器制备方法介绍完毕。

上文已经结合附图对本发明硅基锗激光器及其制备方法进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：形成p型掺杂区21和n型掺杂区23的方法可以用杂质扩散方法。

综上所述，本发明提供了一种硅基锗激光器及其制备方法。该硅基锗激光器结构新颖，保障高质量锗材料的外延生长，尽量减小光吸收损耗，降低非辐射复合，而且制备工艺简单，与CMOS工艺兼容，有可能成为硅基光电子集成的主要激光光源，在光通信、光互连、光电集成等方面有重要应用价值。

需要说明的是，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

此外，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，所应理解的是，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。

Claims

1.一种硅基锗激光器，其特征在于，包括：

硅材料，具有相应的晶向；

锗层，外延生长于所述硅材料上，包括：

锗脊形波导，由刻蚀锗层形成；

p型掺杂区和n型掺杂区，形成于所述锗脊形波导的两侧；

所述p型掺杂区、锗脊形波导和n型掺杂区形成横向p-i-n二极管结构，所述锗脊形波导作为有源层构成全部或部分的激光谐振腔；

绝缘介质层，形成于所述锗层的上方；以及

p电极和n电极，形成于所述绝缘介质层的上方，所述锗脊形波导的两侧，分别与所述p型掺杂区和n型掺杂区电性连接。

2.根据权利要求1所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述硅材料为未掺杂或掺杂浓度小于1×10¹⁶cm^-3的硅材料。

3.根据权利要求1所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述硅材料的晶向为(100)方向，所述锗脊形波导沿其(110)晶向方向延伸；或

所述硅材料的晶向为(110)方向，所述锗脊形波导沿其(111)晶向方向延伸。

4.根据权利要求1所述的硅基锗激光器，其特征在于：所述p型掺杂区和n型掺杂区与所述锗脊形波导侧边沿的距离小于200nm；或

所述p型掺杂区和n型掺杂区扩散至所述锗脊形波导的侧边沿内。

5.根据权利要求4所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述p型掺杂区和n型掺杂区渗透进所述锗脊形波导侧边沿内的距离为50nm。

6.根据权利要求1所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述p电极和n电极与所述锗脊形波导侧边沿的距离大于1μm。

7.根据权利要求1所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述锗脊形波导的两端面与该锗脊形波导延伸的方向垂直。

8.根据权利要求1所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述锗脊形波导的两端面之间构成激光谐振腔，其中：

所述锗脊形波导的两端面为解理面，或者

所述锗脊形波导的两端面经刻蚀形成能起到光反射作用的波导光栅。

9.根据权利要求8所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述锗脊形波导两端面的解理面为(110)晶向或(111)晶向。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述锗脊形波导两端面其中之一镀有高反射膜。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的硅基锗激光器，其特征在于，所述硅材料为硅衬底或SOI衬底上层的硅材料。

12.一种制备方法，用于制备权利要求1至11中任一项所述的硅基锗激光器，其特征在于，包括：

步骤A，在硅材料的表面外延生长锗层；

步骤B，刻蚀锗层形成锗脊形波导，对该锗脊形波导两侧的锗层进行掺杂以形成p型掺杂区和n型掺杂区，所述p型掺杂区、锗脊形波导和n型掺杂区形成横向p-i-n二极管结构；

步骤C，在所述锗脊形波导、p型掺杂区和n型掺杂区的上方沉积绝缘介质层；

步骤D，形成分别与所述p型掺杂区和n型掺杂区电性连接的p电极和n电极；以及

步骤E，在所述锗脊形波导的两端面之间形成光学谐振腔。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述硅材料的晶向为(100)方向，所述步骤B包括：

子步骤B1，刻蚀部分锗层，形成沿(110)方向延伸的锗脊形波导；

子步骤B2，对所述锗脊形波导两侧的锗层进行掺杂，形成p型掺杂区和n型掺杂区，所述掺杂方法为离子注入方法或扩散方法。

14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述子步骤B2中，采用自对准斜角度离子注入法对所述锗脊形波导两侧的锗层进行掺杂，形成p型掺杂区和n型掺杂区。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤E包括：

将所述锗脊形波导的两端面解离为(110)面或在锗脊形波导的两端面刻蚀形成能起到光反射作用的波导光栅；或者

通过刻蚀或解理和化学机械抛光获得垂直于所述锗脊形波导方向的端面。

16.根据权利要求12至14中任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括：

步骤F，在所述锗脊形波导的两端面其中之一镀高反射膜，从而将该锗脊形波导的另一端面作为激光出射面。