CN103579902A

CN103579902A - 一种硅基微腔激光器的制作方法

Info

Publication number: CN103579902A
Application number: CN201310510520.2A
Authority: CN
Inventors: 周旭亮; 于红艳; 李梦珂; 潘教青; 王圩
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: CN103579902B

Abstract

本发明公开了一种硅基微腔激光器的制作方法，包括以下步骤：在硅衬底正面，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；将外延有锗层的硅衬底放入MOCVD反应室中，并先后分别生长低温成核砷化镓层和高温砷化镓层；将高温砷化镓层表面抛光后外延激光器结构；在激光器结构上干法刻蚀形成微腔和输出波导；在形成微腔和输出波导后沉积二氧化硅层，在微腔上方开出电极窗口；在二氧化硅层和电极窗口上表面制作正电极，并做电极隔离；在硅衬底背面制作背电极，完成器件的制作。本发明提出的上述方法利用超高真空化学气相外延与MOCVD结合实现高质量的III-V族层，抛光和清洗实现清洁平整表面；干法刻蚀与湿法腐蚀实现光滑的微腔侧壁，减少激光器损耗。

Description

一种硅基微腔激光器的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体衬底领域，尤其涉及一种硅基微腔激光器的制作方法，用于将超高真空化学气相沉积与MOCVD结合，制作硅基微腔激光器，应用于硅基光电集成与硅基光子学。

背景技术

半个世纪以来，作为微电子技术的材料基础，半导体硅推动了现代信息技术的高速发展，“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”集成电路芯片的性能得到大幅度提到，并且带来巨大的经济效益;但是，当晶体管特征尺寸逐步减少的同时生产成本也开始呈现指数增加。尤其在22nm节点之后，继续减少特征尺寸而提高性能的方法与急剧增加的成本相比，优势并不明显，并且小尺寸带来了诸如短沟道效应的弊端，金属互联、芯片内与芯片间的通信也成为制约硅基微电子继续发展的瓶颈。将传统的硅基大规模集成电路与光互联结合起来的光电子集成电路(Optoelectronic Integrated Circuit，OEIC)的提出可以解决部分瓶颈。

同时，硅基光子学发展几十年来，各个部件如光调制器、光探测器、光波导等分立器件已经十分成熟，但是一个重大不足是缺少实用型的硅基光源。由于硅(锗)为间接禁带半导体，直接制作基于硅(锗)材料的激光器是十分困难的。

目前，采用特殊的方法(例如应变锗)可以制作室温连续激射的硅/锗激光器，但是其发热严重、寿命较短，阈值电流密度较高(例如～0.28MA/cm2，R.E.Camacho-Aguilera et al.Opt.EXpress20，11316，2012)，对于硅基OEIC是不可行的;将化合物半导体激光器集成到硅衬底上是比较可行的方案，现阶段比较好的方式是将InP激光器键合到硅波导上实现硅基光源(A.W.Fang et al.Opt.EXpress16，4413，2008)，通过键和的方法也可以实现硅基微腔激光器(Hong-Quan Zhao et al，J.Appl.Phys.100，023513，2006)，但是该方法仍面对很多问题(例如低成品率);而通过锗(Ge)的过渡实现硅基InAs量子点低阈值1310nm激光器是直接外延获得硅基外延的一个突破(A.Lee et al.Opt.Expfess20，22181，2012)。

在Si衬底上外延高质量的III-V族半导体材料是制备Si基激光器的前提。砷化镓是研究较为成熟的III-V族光电子材料，该方法采用GaAs系激光器来解决硅基发光问题。Si和GaAs的晶格适配较大(4％)，热适配较大，因此在异质外延时会产生大量的位错。同时，由于极性材料在非极性衬底上外延以及衬底台阶的存在，外延层中会产生大量的反相畴(Anti-phasedomain，APD)，反相畴边界(Anti-phase boundary，APB)是载流子的散射和复合中心，同时在禁带引入缺陷能级。这些位错和反相畴边界会一直延伸到外延层的表面，严重影响了外延层的质量。Si基III-V族材料的生长必须解决这几个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利甩MOCVD和干法刻蚀等工艺制备硅基微腔激光器(波长大于1100nm)的方法，为Si基光互连提供光源。本发明提出的该方法通过锗层实现了硅到砷化镓的过渡，锗表面砷化镓的成核来实现高质量的III-V族化合物半导体层，通过干法刻蚀等工艺实现微腔激光器，并通过III-V族波导输出，提供了可在硅波导传输的光。

本发明提供了一种硅基微腔激光器的制作方法，包括以下步骤:

步骤1:在硅衬底正面，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层;

步骤2:将外延有锗层的硅衬底放入MOCVD反应室中，并先后分别生长低温成核砷化镓层和高温砷化镓层;

步骤3:将高温砷化镓层表面抛光后外延激光器结构;

步骤4:在激光器结构上干法刻蚀形成微腔和输出波导;

步骤5:在形成微腔和输出波导后沉积二氧化硅层，在微腔上方开出电极窗口;

步骤6:在二氧化硅层和电极窗口上表面制作正电极，并做电极隔离;

步骤7:在硅衬底背面制作背电极，完成器件的制作。

本发明提出的上述方法通过超高真空气相外延技术在硅的表面外延锗层实现了硅到砷化镓的晶格常数的过渡，选用偏角度的硅衬底来获得双原子台阶的锗表面;再加上MOCVD外延解决锗表面砷化镓的低温成核来实现高质量的III-V族化合物半导体层;采用发光波长大于1100nm的InGaAs有源区，减少硅波导的吸收损耗，比较好的外延可以实现大于1200nm的激光输出;通过干法刻蚀等工艺实现微腔激光器，并通过III-V族波导输出，提供了可在硅波导(也可选用氧化硅或者氮化硅)传输的光，为硅基光互连与硅基光子学奠定基础。

本发明提出的上述方法的特点是:

1、超高真空化学气相外延与MOCVD结合实现高质量的III-V族层，抛光和清洗实现清洁平整表面;

2、干法刻蚀与湿法腐蚀实现光滑的微腔侧壁，减少激光器损耗;

3、低温InGaAs有源区实现了大于1100nm的激光输出。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例及附图对本发明坐进一步描述，其中:

图1为本发明提出的硅基微腔激光器的制作方法流程图;

图2为根据本发明提出的硅基微腔激光器制作方法外延各层结构后的截面图;

图3为根据本发明提出的硅基微腔激光器制作方法刻蚀出激光器微腔和输出波导后的截面图;

图4为根据本发明提出的硅基微腔激光器制作方法刻蚀出激光器微腔和输出波导后的俯视图;

图5为根据本发明提出的硅基微腔激光器制作方法沉积二氧化硅层后的截面图;

图6为根据本发明提出的硅基微腔激光器制作方法开出电极窗口后的截面图;

图7为根据本发明提出的硅基微腔激光器制作方法制作正负电极后的截面图;

图8为根据本发明提出的硅基微腔激光器制作方法制作完成的器件结构示意图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明提出的一种硅基微腔激光器的制作方法流程图。图2-8示出了根据本发明提出的上述方法制作硅基微腔激光器的工艺流程图。如图1-8所示，该制作方法包括以下步骤:

步骤1:在硅衬底1的正面，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层2;

步骤2:将外延有锗层2的硅衬底1立即放入MOCVD反应室中，先后生长低温成核砷化镓层3和高温砷化镓层4;

步骤3：将高温砷化镓层4表面抛光后外延激光器结构5，如图2所示;

步骤4:干法刻蚀形成微腔51和输出波导52，如图3-4所示，所述微腔51为圆盘状，输出波导52为窄边与微腔51相连的长方体，并且沿着<011>方向;

步骤5:在刻蚀形成的微腔51和输出波导52的上表面沉积二氧化硅层6，如图5所示;并在微腔51上方开出电极窗口，如图6所示;

步骤6:在二氧化硅层6上表面及电极窗口制作正电极7，如图7所示，并做电极隔离;

步骤7:在衬底背面制作背电极8，完成器件的制作，如图8所示。

其中，硅衬底1为偏[011]方向4°的低阻n型(100)衬底，经过标准硅片清洗后放入反应室。

其中，锗层2需要达到小于1×10⁶cm^-2的缺陷密度以及小于1nm的表面粗糙度，锗层2的掺杂浓度为n型1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁸cm^-3之间。

其中，生长高温砷化镓层4、激光器结构5的温度相同，均在620～660℃之间;高温砷化镓层4的缺陷密度在1×10⁶cm^-2以下，掺杂浓度为n型1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁸cm^-3之间。

其中，步骤3中抛光去除砷化镓层4上的砷化镓的厚度小于100nm，最后达到的粗糙度小于0.5nm。

其中，激光器结构5从下至上依次包括n型GaAs缓冲层，n型Al_0.5Ga_0.5As包层，Al_0.25Ga_0.25As下限制层，GaAs波导层，有源区，GaAs波导层，Al_0.25Ga_0.25As上限制层，p型Al_0.5Ga_0.5As包层，p型GaAs接触层。有源区为两个周期的InGaAs阱和GaAs垒，发光波长大于1100nm。

其中，刻蚀微腔51和输出波导52的深度到高温砷化镓层4。

其中，微腔51为直径5～15μm的圆盘，输出波导52为宽0.5～1.5μm的长方体。

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，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

1.一种硅基微腔激光器的制作方法，包括以下步骤:

步骤1:在硅衬底正面，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层；

步骤3:将高温砷化镓层表面抛光后外延激光器结构;

步骤4:在激光器结构上干法刻蚀形成微腔和输出波导;

步骤7:在硅衬底背面制作背电极，完成器件的制作。

2.根据权利要求1所述的一种硅基微腔激光器的制作方法，其中，硅衬底为偏[011]方向4°的低阻n型(100)衬底，经过标准硅片清洗后放入反应室。

3.根据权利要求1所述的一种硅基微腔激光器的制作方法，其中锗层的缺陷密度小于1×10⁶cm^-2，表面粗糙度小于1nm，锗层的掺杂浓度为n型1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁸cm^-3之间。

4.根据权利要求1所述的一种硅基微腔激光器的制作方法，其中生长高温砷化镓层和激光器结构的温度相同，均为620～660℃之间;高温砷化镓层的缺陷密度在１×１０⁶cm^-2以下，掺杂浓度为n型1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁸cm^-3之间。

5.根据权利要求1所述的一种硅基微腔激光器的制作方法，其中抛光去除高温砷化镓层的厚度小于100nm，最后达到的粗糙度小于0.5nm。

6.根据权利要求1所述的一种硅基微腔激光器的制作方法，其中激光器结构从下至上依次包括n型GaAs缓冲层、n型A10.5Ga0.5As包层、Al_0.25Ga_0.25As下限制层、GaAs波导层、有源区、GaAs波导层、Al_0.25Ga_0.25As上限制层、p型Al_0.5Ga_0.5As包层和p型GaAs接触层。

7.根据权利要求5所述的一种硅基微腔激光器的制作方法，其中，有源区为两个周期的InGaAs阱和GaAs垒，发光波长大于1100nm。

8.根据权利要求1所述的一种硅基微腔激光器的制作方法，其中刻蚀微腔和输出波导的深度到高温砷化镓层。

9.根据权利要求1所述的一种硅基微腔激光器的制作方法，其中微腔为直径5～15μm的圆盘，输出波导为宽0.5～1.5μm的长方体，输出波导的一端与微腔相连。