CN108110618A - 一种多波长硅基微腔激光器阵列及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多波长硅基微腔激光器阵列及其制备方法，该制备方法包括：在硅衬底上依次外延生长锗层、成核层、缓冲层和激光器外延层；对所述激光器外延层的波导区域进行阱层混杂工艺；在所述激光器外延层上刻蚀形成耦合波导和至少两种尺寸大小的微腔，以分别对应激光器阵列至少两种不同的发射波长；完成所述多波长硅基微腔激光器阵列的制备。本发明涉及光通信器件领域，通过超高真空化学气相沉积与MOCVD的相结合，制作成硅基微腔激光器，通过控制微腔尺寸实现不同的波长输出，应用于硅基光电集成与硅基光子学。

Description

一种多波长硅基微腔激光器阵列及其制备方法
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，更具体地涉及多波长硅基微腔激光器阵列及其制备方法。
背景技术
微电子技术发展迅猛，但是即将遇到物理和工艺的双重瓶颈。为此，人们把目光转向光子并希望借助硅基光子集成技术实现下一次的信息产业革命。然而该技术中最重要的光源却一直没有实现硅基集成。尽管人们在以IV族材料为有源区的硅基光源以及硅基III-V族混合发光光源等方面进行了多年的探索，但这些成果都远未达到实用化的程度。
目前，采用特殊的方法(例如应变锗)可以制作室温下连续激射的硅/锗激光器，但是其发热严重、寿命较短、阈值电流密度较高；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，通过键和的方法也可以实现硅基微腔激光器，但是该方法仍面临很多问题，如成品率低等；而通过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，不过其工作电流太大。
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，本方法采用GaAs系激光器来解决硅基发光问题。Si和GaAs的晶格失配较大(大约为4％)、热失配较大，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-phase domain，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，故Si基III-V族材料的生长必须解决这几个问题。
发明内容
基于以上技术问题，本发明的主要目的在于，提出一种多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法及由此得到的产品，以解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在硅衬底上依次外延生长锗层、成核层、缓冲层和激光器外延层；
步骤2、对激光器外延层中的波导结构进行阱层混杂工艺；
步骤3、在所述激光器外延层上刻蚀形成耦合波导和至少两种尺寸大小的微腔，对应激光器阵列至少两种的发射波长；
步骤4、完成所述多波长硅基微腔激光器阵列的制备。
进一步地，所述微腔为圆环形状。
进一步地，所述微腔的圆环尺寸根据激光器的不同波长在外直径为10-20μ0、环形部分宽度为1.5-3μm的数值范围内选择。
进一步地，所述耦合波导为宽为0.5-1.5μm的长方体。
进一步地，在步骤3中，在激光器外延层上的刻蚀进行至缓冲层上表面为止，刻蚀方法为干法刻蚀和湿法腐蚀的结合方法。
进一步地，所述锗层采用UHVCVD外延生长形成，其缺陷密度小于1×106cm-2，表面粗糙度小于1nm；所述缓冲层的材料为GaAs，采用MOCVD外延生长形成，其缺陷密度小于1×106cm-2。
进一步地，所述缓冲层在抛光后进行激光器外延层的生长，其中抛光去除的缓冲层厚度小于100nm，抛光后表面粗糙度小于0.5nm。
进一步地，所述激光器阵列的发射波长大于1150nm。
进一步地，所述波导区域为发光区域外的有源区，所述阱层混杂工艺用于完成有源区波长的蓝移。
进一步地，所述有源区为GaAsP垒层和InGaAs阱层的组合，激光器阵列的发射波长大于1150nm。
作为本发明的另一方面，本发明提出一种多波长硅基微腔激光器阵列，所述阵列由上述多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法制备得到。
基于上述技术方案可知，本发明提出的多波长硅基微腔激光器阵列及其制备方法具有以下有益效果：
1、本发明采用不同尺寸的环形微腔实现了不同的波长，并且有源区为外径小于20μm的圆环，其面积更小，从而减少了穿透位错带来的吸收损耗；
2、本发明采用干法刻蚀与湿法腐蚀实现光滑的微腔侧壁，减少了激光器的损耗；
3、本发明对发光区域外的波导区域的量子阱进行混杂处理，从而降低了波导损耗；
4、本发明在硅基上采用UHVCVD外延生长形成锗层，作为衬底硅基和III-V族半导体材料的过渡层，从而解决了衬底与III-V族半导体材料之间的晶格失配和热失配问题；
5、本发明采用应变补偿的GaAsP垒层结合低温InGaAs阱层实现了硅基微腔激光器大于1150nm的激光输出，以减少Si的吸收损耗。
附图说明
图1是根据本发明一实施例提出的制作流程图；
图2是根据本发明一实施例提出的完成步骤1后器件的截面图；
图3是根据本发明一实施例提出的步骤2完成后器件的俯视图；
图4是根据本发明一实施例提出的步骤2完成后器件的A-A’剖视图；
图5是根据本发明一实施例提出的完成步骤4中沉积二氧化硅层之后器件的A-A’剖面图；
图6是根据本发明一实施例提出的完成步骤4中开出电极窗口之后器件的A-A’剖面图；
图7是根据本发明一实施例提出的步骤4之后器件的A-A’截面图；
图8是根据本发明一实施例提出的完成正电极制备后器件的俯视图。
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。
作为一个优选实施方式，本发明公开了一种多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在硅衬底上依次外延生长锗层、成核层、缓冲层和激光器外延层；
步骤2、对激光器外延层中发光区域外的波导区域进行阱层混杂工艺；
步骤3、在激光器外延层上刻蚀形成耦合波导和至少两种尺寸大小的微腔，对应激光器阵列至少两种的发射波长；
步骤4、沉积二氧化硅层、开窗口、制作电极，完成多波长硅基微腔激光器阵列的制备。
其中，硅衬底为偏切角的n型(100)衬底，经过标准硅片清洗后放入外延生长反应室。
其中，锗层为采用UHVCVD外延生长形成，其为N型低阻的锗，其缺陷密度小于1×106cm-2，表面粗糙度小于1nm。锗层为硅衬底与III-V族半导体材料的过渡层，从而解决衬底与III-V族半导体材料之间的晶格失配和热失配问题。
其中，成核层为GaAs，成核层保证了III-V族半导体材料的高质量生长。
其中，缓冲层为GaAs，其缺陷密度小于1×106cm-2且为N型低阻层。
其中，在生长激光器外延层前，应先对缓冲层进行抛光去除，去除缓冲层的厚度小于100nm，抛光后粗糙度小于0.5nm。
其中，激光器外延层包括自上而下叠置的n型GaAs缓冲层、n型AlGaAs包层、AlGaAs下限制层、GaAs波导层、有源区、GaAs波导层、AlGaAs上限制层、p型AlGaAs包层、p型GaAs接触层。其中有源区由周期形成的InGaAs阱层和GaAsP垒层组成，发射波长大于1150nm，以减少Si的吸收损耗。
其中，步骤2对激光器外延层中发光区域外的波导区域进行阱层混杂工艺，是为了使得耦合波导的带隙波长蓝移并减小波导损耗。
其中，刻蚀形成微腔和耦合波导的方法为将干法刻蚀与湿法腐蚀相结合，刻蚀至缓冲层上表面为止，形成外直径为10～20μm、宽度为1.5～3μm的圆环，从而形成侧壁光滑的微腔，减少穿透位错带来的吸收损耗，减小激光器的损耗；同时形成宽度为0.5～1.5μm的长方体从而形成耦合波导，可根据波长需求来调节微腔的尺寸。其中外径为10μm、宽度为1.5μm的微腔对应的激射波长为1170nm左右，微腔外径每增加20nm，对应的激射波长变化2nm，对于给定的激射波长，微腔制作时尺寸的变化值调整范围在10～100nm，对应的激射波长变化值在1～10nm范围调整。
其中，在形成微腔和耦合波导后，在激光器外延层上沉积二氧化硅层，并在二氧化硅层中微腔相对应位置的上方开出电极窗口。随后制作正电极，并作相应的电极隔离图形，最后制作背电极，至此完成器件的制备。
本发明另一方面公开了一种多波长硅基微腔激光器阵列，根据以上激光器阵列的制备方法制备得到。
以下通过多个实施例分别对多波长硅基微腔激光器及其制备方法进行详细描述。
实施例1
如图1-8所述，本实施例提供一种多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，如图1所示，此方法包括以下步骤：
步骤1、在硅衬底上依次外延生长锗层、成核层、缓冲层和激光器外延层；该步骤具体包括如下子步骤：
步骤1-1、选用偏切角的N型低阻硅衬底1，经过标准硅片清洗后放入超高真空化学气相沉积反应室；
步骤1-2、如图2所示，采用UHVCVD方法在硅衬底1上表面外延锗层2，其需要达到小于1×106cm-2的缺陷密度以及小于1nm的表面粗糙度，并且为N型低阻。
步骤1-3、如图2所示，采用MOCVD在锗层2上表面生长砷化镓成核层3，并在砷化镓成核层3的上表面生长N型低阻的砷化镓缓冲层4，其中砷化镓缓冲层4的缺陷密度小于1×106cm-2；
步骤1-4、对砷化镓缓冲层4进行抛光处理，抛光去除砷化镓缓冲层4的厚度小于100nm，最后达到的粗糙度小于0.5nm；
步骤1-5、如图2所示，采用MOCVD在抛光处理后的砷化镓缓冲层4的上表面外延生长激光器外延层5，其自下而上叠置包括n型GaAs缓冲层、n型Al0.3Ga0.7As包层、Al0.15Ga0.85As下限制层、GaAs波导层、有源区、GaAs波导层、Al0.15Ga0.85As上限制层、p型Al0.3Ga0.7As包层、p型GaAs接触层；其中有源区为两个周期的InGaAs量子阱和GaAsP垒，其发光波长大于1150nm，以减少Si的吸收损耗。
步骤2、对激光器外延层的波导区域进行量子阱混杂工艺，使得耦合波导带隙波长蓝移至少30nm，以减少波导的吸收损耗；
步骤3、对激光器外延层干法刻蚀并湿法腐蚀侧壁光滑的微腔51和耦合波导52，刻蚀深度到砷化镓缓冲层4的上表面为止；微腔51的外径为20μm，环宽为2μm对应激射波长为1160nm左右的激光器结构，利用回音壁模式(WGM)调节微腔尺寸使其变化值在10～100nm调整，对应的激射波长变化值在1～10nm调整。完成微腔和耦合波导制作后微腔和耦合波导结构的俯视图如图3所示，本实施例以三个不同尺寸20.0μm、20.05μm和20.1μm的微腔为例，以形成三种波长的激光器阵列，图4为图3中A-A’的剖面图；
步骤4、完成多波长硅基微腔激光器阵列的制备，该步骤具体包括如下子步骤：
步骤4-1、如A-A’处的剖面图图5所示，在刻蚀形成有微腔51和耦合波导52的激光器外延层5的上方沉积二氧化硅层6，并在微腔51的上方开出电极窗口，其形成的电极窗口在A-A’处的剖面图如图6所示；
步骤4-2、如A-A’处的剖面图图7所示，在电极窗口处制作正电极7，并做电极隔离图形，用于将大面积电极隔开，电极隔离图形的俯视图如图8所示；
步骤4-3、如A-A’处的剖面图图7所示，在硅衬底的下表面制作背电极8，完成激光器阵列器件的制作。
上述微腔的尺寸可选择其他数值，以对应不同波长的激光器阵列的制备，从而实现多波长硅基微腔激光器阵列的制备。
实施例2
本实施例提供一种多波长硅基微腔激光器阵列，如A-A’处的剖面图图7所示，对该激光器阵列进行描述。
激光器阵列自下而上包括N型低阻硅基衬底1、N型低阻锗层2、砷化镓成核层3、砷化镓缓冲层4、脊台结构的激光器外延层5、二氧化硅层6、正电极7，还包括位于硅基衬底1下方的负电极8。
其中，激光器外延层5的上表面有刻蚀至缓冲层上表面的圆环结构的微腔和长方体结构的耦合波导，正电极7通过电极隔离图形与微腔相对应。
其中二氧化硅层6在于微腔结构相对应的位置具有电极窗口，且正电极7在所述电极窗口处。
其中，激光器外延层5自下而上叠置包括n型GaAs缓冲层、n型Al0.3Ga0.7As包层、Al0.15Ga0.85As下限制层、GaAs波导层、有源区、GaAs波导层、Al0.15Ga0.85As上限制层、p型Al0.3Ga0.7As包层、p型GaAs接触层；其中有源区为两个周期的InGaAs量子阱和GaAsP垒，其发光波长大于1150nm。
其中，N型低阻锗层2的缺陷密度小于1×106cm-2，表面粗糙度小于1nm；砷化镓缓冲层4的缺陷密度小于1×106cm-2。
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 (10)

1.一种多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在硅衬底上依次外延生长锗层、成核层、缓冲层和激光器外延层；
步骤2、对所述激光器外延层的波导区域进行阱层混杂工艺；
步骤3、在所述激光器外延层上刻蚀形成耦合波导和至少两种尺寸大小的微腔，对应激光器阵列至少两种的发射波长；
步骤4、完成所述多波长硅基微腔激光器阵列的制备。
2.如权利要求1所述的多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述微腔为圆环形状。
3.如权利要求2所述的多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述微腔的圆环尺寸根据激光器的不同波长在外直径为10-20μm、环形部分宽度为1.5-3μm的数值范围内设计。
4.如权利要求1所述的多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述耦合波导为宽为0.5-1.5μm的长方体。
5.如权利要求1所述的多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，其特征在于，在步骤3中，在所述激光器外延层上的刻蚀进行至所述缓冲层上表面为止，所述刻蚀方法为干法刻蚀与湿法腐蚀的结合方法。
6.如权利要求1所述的多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述锗层采用UHVCVD外延生长形成，其缺陷密度小于1×106cm-2，表面粗糙度小于1nm；所述缓冲层的材料为GaAs，采用MOCVD外延生长形成，其缺陷密度小于1×106cm-2。
7.如权利要求6所述的多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述缓冲层在抛光后进行激光器外延层的生长，所述抛光去除的缓冲层厚度小于100nm，抛光后表面粗糙度小于0.5nm。
8.如权利要求1所述的多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述波导区域为发光区域外的有源区，所述阱层混杂工艺用于完成波导处有源区波长的蓝移。
9.如权利要求8所述的多波长硅基微腔激光器阵列的制备方法，其特征在于，所述有源区为GaAsP垒层和InGaAs阱层的组合，所述激光器阵列的发射波长大于1150nm。
10.一种多波长硅基微腔激光器阵列，其特征在于，由权利要求1至9中任意一项所述的制备方法制备得到。
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