CN107749565B - Si基垂直腔面发射芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Si基垂直腔面发射芯片，结构包括从下到上排列的n型电极，衬底，缓冲层，位于衬底上的下分布式布拉格反射镜，位于下分布式布拉格反射镜上的有源区，位于有源区上的上分布式布拉格反射镜，位于上分布式布拉格反射镜上的p型电极以及位于圆柱形台面周围的SiO2限制层。本发明在n型硅基板上制备硅掺杂的(AlxGa1‑x)2O3、(AlyGa1‑y)2O3叠层结构作为下分布式布拉格反射镜，并采用稀土掺杂的Ga2O3作为n型发光材料，以GaAs、AlGaAs或InP、InGaAsP叠层结构作为上分布式布拉格反射镜。作为本发明所述的硅基垂直腔面面发射光源，具有高热稳定性，高化学稳定性，且制备方法简单，可靠性高。

Description

Si基垂直腔面发射芯片
技术领域
本发明涉及Si基垂直腔面发射芯片，属于半导体电子技术领域。
背景技术
近年来，由于互联网的不断发展以及光学存储密度的不断提高，作为光通讯和光存储的核心器件的垂直腔面发射光源成为研究者关注的热点。垂直腔面发射激光器（VCSLE）的概念于1977年由日本东京工业大学的Kenich Iga提出。经过多年的发展其取得了长足的进步，特别是近些年随着智能手机的广泛普及，人们对高速无线通讯的要求越来越高，这极大的促进了垂直腔面发射光源的发展。除了传统的应用人们更是将其应用领域拓展到了人脸识别，虚拟现实（AR）/增强现实（VR），3D感测等领域。为了使其满足日益增长的性能要求，研究人员不断对其进行优化。Zhang等人通过优化VCSLE器件中电流的分布大大提高了VCSLE的外量子效率。Holger Moench等人对VCSLE中的DBR进行了优化设计，使VCSLE阵列的输出功率和输出效率均得到了提高。随着技术的进步垂直腔面发射光源将来在物联网，5G通讯等方面将会占有更重要的地位。
垂直腔面发射光源从衬底的不同可以分为三种，Ⅲ-Ⅴ族半导体基，蓝宝石基，Si基垂直腔面发射芯片，三种光源各有优缺点。其中GaAs基光源由于其较高的品质因数Q，而成为应用最为广泛的垂直腔面发射光源。加利福尼亚大学的光子技术中心为使VCSLE发射的850波长的光穿过衬底，采用晶片键合工艺将VCSLE结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug效率，最大值达到25%。硅基光源由于易于实现集成化、成本低、能耗低且工艺成熟一直是人们关注的热点，但是Si作为间接带隙半导体不能直接发光，在硅上外延生长GaAs作为有源层又很难实现硅基VCSLE的室温连续工作。所以，寻找合适的发光材料成为实现高性能硅基VCSLE的关键。
稀土掺杂半导体薄膜一种非常有前途的发光材料。稀土掺杂半导体薄膜材料的发光是由稀土材料的4f电子在其f-f组态之内或f-d组态之间跃迁产生的，其发光具有转换效率高，发光光谱跨度大等特点，且其发光特性与寄主材料的带隙有关，带隙越宽发光越稳定，室温下发光越强。M. Garter等人在GaN（3.4eV）中掺杂Er成功制备了绿光及红外发光二极管。同样S. Harako等人利用Er掺杂ZnO(3.3eV)也成功制备了绿光及红外发光二极管。与GaN、ZnO相比Ga2O3具有更大的带隙──4.9 eV，并且其具有较高的热稳定性和化学稳定性，被看作较好的稀土掺杂寄主材料。Chen等人已经证明Er掺杂Ga2O3在550 nm波长具有非常强的发光，且发光峰的半高宽非常窄，其发光二极管的驱动电压为6.2V低于Er掺杂GaN、ZnO。因此，稀土掺杂氧化镓作为有源层将为发光设备的设计与制备带来更多的机遇。
发明内容
为实现室温连续工作的硅基垂直腔面发射光源，本发明提供了一种在硅基上生长(AlxGa1-x)2O3/(AlyGa1-y)2O3叠层结构作为下分布式布拉格反射镜，以稀土掺杂Ga2O3作为有源层，以GaAs、AlGaAs或InP、InGaAsP等叠层结构作为上分布式布拉格反射镜的垂直腔面发射光源。
为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
硅基垂直腔面发射光源，包括：n型电极，位于n型电极上的n型Si衬底，位于n型Si衬底上的缓冲层，位于缓冲层上面的下分布式布拉格反射镜，位于下分布式布拉格反射镜上的有源层，位于有源层上的上分布式布拉格反射镜，位于上分布式布拉格反射镜上的P型电极，以及位于下分布式布拉格反射镜、有源层、上分布式布拉格反射镜三部分围成的圆柱形台面周围位于圆柱形台面周围的SiO2限制层。其具体工艺为：
（1）清洗n型Si衬底并用氢氟酸处理衬底表面氧化层，利用脉冲光激光沉积或磁控溅射在处理好衬底上外延生长Ga2O3缓冲层；
（2）在缓冲上面交替生长不同掺杂浓度的Al掺杂氧化镓混合物，作为下分布式布拉格反射镜；
（3）在下分布式布拉格反射镜上外延生长稀土掺杂Ga2O3作为有源层；
（4）在有源层上交替生长两种介质材料作为上分布式布拉格反射镜；
（5）将缓冲层、下分布式布拉格反射镜、有源层、上分布式布拉格反射镜构成的外延结构通过半导体工艺制备形成圆柱形台面，其中半导体工艺为一次光刻、显影、干法刻蚀、湿法刻蚀中的任意一种；
（6）在形成圆柱形台面的样品上利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或者化学气相沉积（CVD）或低压力化学气相沉积（LPCVD），生长一层SiO2限制层包裹圆柱形台面，形成圆柱形台柱；
（7）在圆柱形台面上方采用常规的半导体工艺经二次光刻、显影、刻蚀制作出出光口；
（8）得到出光窗口后进行三次光刻、显影制作出电极窗口；
（9）采用带胶剥离技术将圆柱形台柱制作P型电极；
（10）将衬底底部减薄、抛光后制备负电极，形成光子集成器件。
步骤（2）中的下布拉格反射镜由(AlxGa1-x)2O3、(AlyGa1-y)2O3叠层构成，Al的掺杂浓度为1~17 at. %，且两种介质材料Al掺杂浓度不同。
步骤（2）中下布拉格反射镜中每个(AlxGa1-x)2O3、(AlyGa1-y)2O3叠层结构为一个周期， (AlxGa1-x)2O3、(AlyGa1-y)2O3叠层结构周期重复1~50个。
步骤（3）中稀土掺杂元素包括Eu、Er、Tm，掺杂浓度为1~10 at %。
步骤（4）中上分布式布拉格反射镜介质材料为GaB、AGaB，其中A包括In、Al，B包括P、As、Sb。
步骤（4）中上分布式布拉格反射镜中每个GaB、AGaB叠层结构为一个周期，GaB、AGaB叠层结构周期重复1~50个。
本发明的Si基垂直腔面发射芯片具有如下优点：
以稀土掺杂氧化镓为有源层其发光具有转化效率高，发光峰半高宽比较窄，且具有较高的热稳定性与化学稳定性能够承受较高的击穿电压。
易于获得不同波段的光子集成器件，氧化镓作为稀土元素掺杂的优良寄主材料可以比较容易的实现不同的稀土掺杂，实现不同波段的发光器件。
以Al掺杂Ga2O3为下分布式布拉格反射镜介质材料，降低了布拉格反射镜设计及生长难度，更容易制备高质量高反射率的布拉格反射镜降低了成本。
工艺标准化，与现有的半导体器件制备工艺兼容，有利于批量生产。
附图说明
图1为本发明在硅基上生长的外延材料的结构示意图；
图2为本发明经过一次光刻显影刻蚀后形成圆柱形台面结构的示意图；
图3为本发明得到的Si基垂直腔面发射芯片的示意图；
其中，10-n型电极；20-衬底；30-缓冲层；40-下分布式布拉格反射镜；50-稀土掺杂氧化镓有源层；60-上分布式布拉格反射镜；70-P型电极；80-SiO2限制层；90-出光窗口。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
硅基垂直腔面发射光源，包括n型电极，n型电极上的n型Si衬底20，位于Si衬底20上的缓冲层30，位于所述缓冲层30上的下分布式布拉格反射镜40，位于所述下分布式布拉格反射镜40上的稀土掺杂氧化镓有源层50，位于稀土掺杂氧化镓有源层50上的上分布式布拉格反射镜60，位于上分布式布拉格反射镜60上的P型电极70，以及SiO2限制层80；SiO2限制层位于下分布式布拉格反射镜40、有源层50、上分布式布拉格反射镜60三部分围成的圆柱形台面周围。
Si基垂直腔面发射芯片的制备方法，具体步骤如下：
（1）清洗Si衬底20并用氢氟酸处理衬底20表面氧化层，利用脉冲光激光沉积或磁控溅射，在处理好的衬底20上外延生长Ga2O3缓冲层30；
（2）在缓冲层30上面交替生长不同掺杂浓度的Al掺杂氧化镓混合物，作为下分布式布拉格反射镜40；
（3）在下分布式布拉格反射镜40上外延生长稀土掺杂Ga2O3作为有源层50；
（4）在有源层50上交替生长两种介质材料作为上分布式布拉格反射镜60；
（5）将缓冲层30、下分布式布拉格反射镜40、有源层50、上分布式布拉格反射镜60构成的外延结构，如图1所示，通过半导体工艺制备形成圆柱形台面，其中半导体工艺为一次光刻、显影、干法刻蚀、湿法刻蚀中的任意一种；
（6）在所述形成圆柱形台面的样品上利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或者化学气相沉积（CVD）或低压力化学气相沉积（LPCVD），生长一层SiO2限制层（80）包裹圆柱形台面，形成圆柱形台柱；
（7）在圆柱形台面上方采用常规的半导体工艺经二次光刻、显影、刻蚀制作出出光口90；
（8）得到出光窗口后进行三次光刻、显影制作出电极窗口；
（9）采用带胶剥离技术将圆柱形台柱制作P型电极70；
（10）将Si衬底20底部减薄、抛光后制备成负电极，形成光子集成器件。
实施例1
本实施例提供一种硅基垂直腔面发射光源，如图3所示，硅基垂直腔面发射光源结构包括n型电极10，衬底20，缓冲层30，下分布式布拉格反射镜40，有源层50，上分布式布拉格反射镜60，P型电极70，限制层80，出光窗口90。
在本实施案例中，衬底20为n型硅晶片，为整个光源结构提供支撑。在衬底上利用脉冲激光沉积外延生长缓冲层30，缓冲层材料为Ga2O3，厚度为500nm，为生长高质量下分布式布拉格反射镜40提供过渡。然后在缓冲层上生长下分布式布拉格反射镜40，下分布式布拉格反射镜40由周期生长的介质材料401 (AlxGa1-x)2O3与402 (AlyGa1-y)2O3叠层构成，Al的掺杂浓度1~17 at. %，且x≠y，为增强第一反射率介质材料401与第二反射率介质材料402生长厚度d=λ/4N，λ为工作波长，N为介质折射率。交替生长的叠层结构的周期数可以选择为1~50个周期。在生长好的下分布式布拉格反射镜上生长有源层50，本实施例中有源层为Ga2O3掺杂Er，有源层厚度为600 nm，Er掺杂浓度为1~10 at.%。以上步骤是在脉冲激光沉积设备真空室中依次顺序完成，保证了样品高质量。然后利用分子束外延技术在上述样品上生长上分布式布拉格反射镜60，上分布式布拉格反射镜60由介质材料601GaB与602AGaB交替周期性生长得到。其中A包括In、Al，B包括P、As、Sb，生长周期可选择1~50。至此，介质材料生长基本完成，下面介绍本实施例中垂直腔的制作工艺。
将上述生长好的介质材料经一次光刻，显影，刻蚀得到如图2所示的圆柱形台面。其中刻蚀上分布式布拉格反射镜刻蚀采用湿法腐蚀，溶液为磷酸、双氧水、水的混合溶液，腐蚀至有源层。有源层、下分布式布拉格反射镜、缓冲层的腐蚀采用干法腐蚀的方法，本实施例中应用反应离子束刻蚀，所用刻蚀气体为SF6和Ar的混合气体，形成圆柱形台面。
在上述得到的圆柱形台面周围生长SiO2，将圆柱形台面包裹形成限制层80。然后进行二次光刻、显影、刻蚀，在圆柱形台面上刻蚀出出光窗口90。得到出光窗口后进行三次光刻、显影制作出电极窗口，采用带胶剥离技术得到P型电极70，本实施例中P型电极为Ti/Au。在衬底底部采用减薄，抛光后制备n型电极，形成光子集成器件，本实施例中n型电极为Au、Ge、Ni、Au合金。至此Si垂直腔面发射光源制备完成。
实施例2
本实施例提供一种硅基垂直腔面发射光源，如图3所示，硅基垂直腔面发射光源结构包括n型电极10，衬底20，缓冲层30，下分布式布拉格反射镜40，有源层50，上分布式布拉格反射镜60，P型电极70，限制层80，出光窗口90。
在本实施案例中，衬底20为n型硅晶片，为整个光源结构提供支撑。在衬底上利用脉冲激光沉积外延生长缓冲层30，缓冲层材料为Ga2O3，厚度为500nm，为生长高质量下分布式布拉格反射镜40提供过渡。然后在缓冲层上生长下分布式布拉格反射镜40，下分布式布拉格反射镜40由周期生长的介质材料401 (AlxGa1-x)2O3与402 (AlyGa1-y)2O3叠层构成，Al的掺杂浓度1~17 at. %，且x≠y，为增强反射率介质材料401与402生长厚度d=λ/4N，λ为工作波长，N为介质折射率。交替生长的叠层结构的周期数可以选择为1~50个周期。在生长好的下分布式布拉格反射镜上生长有源层50，本实施例中有源层为Ga2O3掺杂Eu，有源层厚度为600 nm，Eu掺杂浓度为1~10 at.%。以上步骤是在脉冲激光沉积设备真空室中依次顺序完成，保证了样品高质量。然后利用分子束外延技术在上述样品上生长上分布式布拉格反射镜60，上分布式布拉格反射镜60由介质材料601GaB与602AGaB交替周期性生长得到。其中，其中A包括In、Al，B包括P、As、Sb，生长周期可选择1~50。至此，介质材料生长基本完成，下面介绍本实施例中垂直腔的制作工艺。
将上述生长好的介质材料经一次光刻，显影，刻蚀得到如图2所示的圆柱形台面。其中刻蚀上分布式布拉格反射镜刻蚀采用湿法腐蚀，溶液为磷酸、双氧水、水的混合溶液，腐蚀至有源层。有源层、下分布式布拉格反射镜、缓冲层的腐蚀采用干法腐蚀的方法，本实施例中应用反应离子束刻蚀，所用刻蚀气体为SF6和Ar的混合气体，形成圆柱形台面。
在上述得到的圆柱形台面上生长SiO2，将圆柱形台面包裹形成限制层80。然后进行二次光刻、显影、刻蚀，在圆柱形台面上刻蚀出出光窗口90。得到出光窗口后进行三次光刻、显影制作出电极窗口，采用带胶剥离技术得到P型电极70，本实施例中P型电极为Ti/Au。在衬底一侧采用减薄，抛光后制备n型电极，形成光子集成器件，本实施例中n型电极为Au、Ge、Ni、Au合金。至此Si垂直腔面发射光源制备完成。
实施例3
本实施例提供一种硅基垂直腔面发射光源，如图3所示，硅基垂直腔面发射光源结构包括n型电极10，衬底20，缓冲层30，下分布式布拉格反射镜40，有源层50，上分布式布拉格反射镜60，P型电极70，限制层80，出光窗口90。
在本实施案例中，衬底20为n型硅晶片，为整个光源结构提供支撑。在衬底上利用脉冲激光沉积外延生长缓冲层30，缓冲层材料为Ga2O3，厚度为500nm，为生长高质量下分布式布拉格反射镜40提供过渡。然后在缓冲层上生长下分布式布拉格反射镜40，下分布式布拉格反射镜40由周期生长的介质材料401 (AlxGa1-x)2O3与402 (AlyGa1-y)2O3叠层构成，Al的掺杂浓度1~17 at. %，且x≠y，为增强反射率介质材料401与402生长厚度d=λ/4N，λ为工作波长，N为介质折射率。交替生长的叠层结构的周期数可以选择为1~50个周期。在生长好的下分布式布拉格反射镜上生长有源层50，本实施例中有源层为Ga2O3掺杂Tm，有源层厚度为600 nm，Tm掺杂浓度为1~10 at.%。以上步骤是在脉冲激光沉积设备真空室中依次顺序完成，保证了样品高质量。然后利用分子束外延技术在上述样品上生长上分布式布拉格反射镜60，上分布式布拉格反射镜60由介质材料601GaB与602AGaB交替周期性生长得到。其中，其中A包括In、Al，B包括P、As、Sb，可重复1~50个生长周期。至此，介质材料生长基本完成，下面介绍本实施例中垂直腔的制作工艺。
将上述生长好的介质材料经一次光刻，显影，刻蚀得到如图2所示的圆柱形台面。其中刻蚀上分布式布拉格反射镜刻蚀采用湿法腐蚀，溶液为磷酸、双氧水、水的混合溶液，腐蚀至有源层。有源层、下分布式布拉格反射镜、缓冲层的腐蚀采用干法腐蚀的方法，本实施例中应用反应离子束刻蚀，所用刻蚀气体为SF6和Ar的混合气体，形成圆柱形台面。
在上述得到的圆柱形台面上生长SiO2，将圆柱形台面包裹形成限制层80。然后进行二次光刻、显影、刻蚀，在圆柱形台面上刻蚀出出光窗口90。得到出光窗口后进行三次光刻、显影制作出电极窗口，采用带胶剥离技术得到P型电极70，本实施例中P型电极为Ti/Au。在衬底一侧采用减薄，抛光后制备n型电极，形成光子集成器件，本实施例中n型电极为Au、Ge、Ni、Au合金。至此Si垂直腔面发射光源制备完成。
本发明首次使用稀土掺杂Ga2O3作为有源层来制备硅基垂直腔面发射光源，结合了稀土与Ga2O3的优势，使本发明的光源具有发光转换效率高，发光峰半高宽窄，高热稳定性、高化学稳定性等特点。且本发明的Si基垂直腔面发射芯片的制备工艺与传统半导体工艺兼容，适合工业大规模生产。
以上仅是本发明的具体实施方法，应当指出，在工艺实施的过程中还有若干替代方法，且对于本技术领域的普通技术人员来说在不脱离本申请的原理前提下，还可以作出若干变形，这些方法与变形也应视为本申请的保护范围。

Claims (1)

1.Si基垂直腔面发射芯片，其特征在于，包括：n型电极，位于所述n型电极上的n型Si衬底（20），位于所述Si衬底（20）上的缓冲层（30），位于所述缓冲层（30）上的下分布式布拉格反射镜（40），位于所述下分布式布拉格反射镜（40）上的稀土掺杂氧化镓有源层（50），位于所述稀土掺杂氧化镓有源层（50）上的上分布式布拉格反射镜（60），位于所述上分布式布拉格反射镜（60）上的P型电极（70），以及SiO2限制层（80）；所述SiO2限制层位于下分布式布拉格反射镜（40）、有源层（50）、上分布式布拉格反射镜（60）三部分围成的圆柱形台面周围；所述下分布式布拉格反射镜（40）由(AlxGa1-x)2O3、(AlyGa1-y)2O3叠层构成，所述Al的掺杂浓度为1~17 at. %，且两种介质材料Al掺杂浓度不同；所述下分布式布拉格反射镜（40）中每个(AlxGa1-x)2O3、(AlyGa1-y)2O3叠层结构为一个周期，所述(AlxGa1-x)2O3、(AlyGa1-y)2O3叠层结构周期重复1~50个；所述有源层（50）中掺杂的稀土元素包括Eu、Er或Tm；
所述有源层（50）中掺杂的稀土元素的浓度为1~10 at %；
所述的上分布式布拉格反射镜（60）由GaB、AGaB叠层构成，其中A包括In和Al中的一个，B包括P、As和Sb中的一个；
所述上分布式布拉格反射镜中每个GaB、AGaB叠层结构为一个周期，所述GaB、AGaB叠层结构周期重复1~50个。
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Characteristics of thulium doped gallium oxide films grown by pulsed laser deposition;Qixin Guo;《Thin Solid Films》;20170824;正文第2-3节 *
Effects of dopant contents on structural, morphological and optical properties of Er doped Ga2O3 films;Zhengwei Chen;《Superlattices and Microstructures》;20151224;正文第2-3节 *
Efficient pure green emission from Er-doped Ga2O3 films;Zhengwei Chen 等;《CrystengComm》;20170705;正文第3节、图8 *
Low temperature growth of europium doped Ga2O3 luminescent films;Zhengwei Chen 等;《Journal of Crystal Growth》;20150831;正文第2-3节 *

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