CN111262125A - 一种硅基激光器及其制备、解理方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种硅基激光器及其制备、解理方法，该解理方法通过获取硅衬底；将硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀出多个第一脊条，得到刻蚀后的硅衬底；在硅衬底上形成Ⅲ‑Ⅴ族薄膜层；在Ⅲ‑Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层；将激光器层的顶面沿第二方向刻蚀出多个第二脊条，得到硅基激光器；第二方向与第一方向互相垂直；将硅基激光器沿第二方向进行分割，得到多个硅基激光器长条。对于多个硅基激光器长条的每个硅基激光器长条：由于相邻的第一脊条之间有沟槽，硅衬底在沟槽底部较薄，因此在多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间施加外力，使得硅基激光器长条沿第一方向自然解理，如此，可以获得平整的激光器腔面，可以提高硅基激光器的解理效率。

Description

一种硅基激光器及其制备、解理方法

技术领域

本申请涉及激光器技术领域，特别涉及一种硅基激光器及其制备、解理方法。

背景技术

随着数据量的爆发式增加，传统的铜互联的方法已经不能满足需求，因此需要一种大的带宽和低功耗的互联方式。为了满足这一需求，硅光在最近几年快速发展起来，光具有大的带宽，高的传输速率。尽管硅基调制器以及硅探测器在成熟的Si CMOS技术支持下快速发展，但是一个可靠的，有效的电泵浦硅基激光器还是存在很多挑战。

Ⅳ族半导体例如硅、锗等，虽然别广泛应用于集成电路，但是由于它们是间接带隙，所以不是一个很好的光激发材料，这是硅光领域的壁垒之一。将Ⅲ-Ⅴ族半导体同硅衬底的异质集成实现硅基光源是最可行的方法。Ⅲ-Ⅴ族半导体具有优越的光学性质。但是由于Ⅲ-Ⅴ族半导体同硅衬底间存在较大的晶格失配以及热失配，通过外延生长很难在硅衬底上外延生长高质量的Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜，现在通过键合的方法可以有效地避免这一问题，通过离子束剥离技术或者键合后减薄等方法，可以在硅衬底上异质集成高质量Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜，在此薄膜基础上，可以继续生长制备激光器。

对于FP(Fabry-perot)激光器、DFP(Distributed Feedback Laser)激光器，是以FP腔为谐振腔激发激光的。Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底更容易解理，即在力的作用下容易沿着特定晶向形成平整的解理面。因此在Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底上同质外延制备FP或者DFP激光器时，可以通过Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底的自然解理来形成平整的谐振腔。

而对于硅衬底，虽然存在特定的解理面，但是很难形成平整的解理面，这就造成硅基激光器解离困难，良率极低。

发明内容

本申请实施例提供了一种硅基激光器及其制备、解理方法，可以提高硅基激光器的解理效率。

一方面，本申请实施例提供了一种硅基激光器的解理方法，包括：

获取硅衬底；

将硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀出多个第一脊条，得到刻蚀后的硅衬底；

在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层；

在Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层；

将激光器层的顶面沿第二方向刻蚀出多个第二脊条，得到硅基激光器；第二方向与第一方向互相垂直；

将硅基激光器沿第二方向进行分割，得到多个硅基激光器长条；

对于多个硅基激光器长条的每个硅基激光器长条：

在多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间施加外力，使得硅基激光器长条沿第一方向自然解理。

进一步地，获取硅衬底，包括：获取硅片；在硅片的顶面形成氧化硅层；氧化硅层的厚度为10纳米至1微米。对氧化硅层进行化学机械抛光，得到硅衬底；化学机械抛光后的氧化硅层的表面粗糙度小于1纳米。

进一步地，多个第一脊条的每个第一脊条的宽度小于激光器腔长；多个第一脊条的每个第一脊条的宽度为200纳米至1厘米。

进一步地，多个第一脊条的每个第一脊条的高度为500纳米至400微米；多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间的间距为30微米至500微米。

进一步地，Ⅲ-Ⅴ族薄膜层是单晶InP薄膜层。

进一步地，在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层，包括：通过离子束剥离方法在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层；在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层之后，在Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层之前，还包括：对硅衬底和Ⅲ-Ⅴ族薄膜层进行化学腐蚀、化学机械抛光和研磨减薄。

另一方面，本申请实施例提供了一种硅基激光器的制备方法，包括：

获取硅衬底；

将硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀出多个第一脊条，得到刻蚀后的硅衬底；

在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层；

在Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层；

将激光器层的顶面沿第二方向刻蚀出多个第二脊条，得到硅基激光器；第二方向与第一方向互相垂直；

将硅基激光器沿第二方向进行分割，得到多个硅基激光器长条。

另一方面，本申请实施例提供了一种硅基激光器，依次包括硅衬底、Ⅲ-Ⅴ族薄膜层和激光器层；

硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀有多个第一脊条；

激光器层的顶面沿第二方向刻蚀有多个第二脊条；第二方向与第一方向互相垂直。

进一步地，多个第一脊条的每个第一脊条的宽度小于激光器腔长；多个第一脊条的每个第一脊条的宽度为200纳米至1厘米；多个第一脊条的每个第一脊条的高度为500纳米至400微米；多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间的间距为30微米至500微米。

进一步地，Ⅲ-Ⅴ族薄膜层是单晶InP薄膜层。

本申请实施例提供的一种硅基激光器及其制备、解理方法具有如下有益效果：

通过获取硅衬底；将硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀出多个第一脊条，得到刻蚀后的硅衬底；在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层；在Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层；将激光器层的顶面沿第二方向刻蚀出多个第二脊条，得到硅基激光器；第二方向与第一方向互相垂直；将硅基激光器沿第二方向进行分割，得到多个硅基激光器长条。对于多个硅基激光器长条的每个硅基激光器长条：由于相邻的第一脊条之间有沟槽，硅衬底在沟槽底部较薄，因此在多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间施加外力，使得硅基激光器长条沿第一方向自然解理，如此，可以获得平整的激光器腔面，可以提高硅基激光器的解理效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种硅基激光器的解理方法的流程示意图；

图2是本申请实施例提供的一种硅基激光器的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种硅基激光器的截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

请参阅图1至图3，图1是本申请实施例提供的一种硅基激光器的解理方法的流程示意图，图2是本申请实施例提供的一种硅基激光器的结构示意图，图3是本申请实施例提供的一种硅基激光器的截面示意图。该制备方法包括：

S101：获取硅衬底。

S103：将硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀出多个第一脊条，得到刻蚀后的硅衬底。

S105：在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层。

S107：在Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层。

S109：将激光器层的顶面沿第二方向刻蚀出多个第二脊条，得到硅基激光器；第二方向与第一方向互相垂直。

S111：将硅基激光器沿第二方向进行分割，得到多个硅基激光器长条。

S113：对于多个硅基激光器长条的每个硅基激光器长条：在多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间施加外力，使得硅基激光器长条沿第一方向自然解理。

可选的，获取硅衬底，包括：获取硅片；在硅片的顶面形成氧化硅层；氧化硅层的厚度为10纳米至1微米。对氧化硅层进行化学机械抛光，得到硅衬底；化学机械抛光后的氧化硅层的表面粗糙度小于1纳米。

一种可选的在硅片的顶面形成氧化硅层的实施方式中，通过沉积或者热氧化的方法在硅片的顶面形成氧化硅层。

可选的，多个第一脊条的每个第一脊条的宽度小于激光器腔长；多个第一脊条的每个第一脊条的宽度为200纳米至1厘米。

可选的，多个第一脊条的每个第一脊条的高度为500纳米至400微米；多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间的间距为30微米至500微米。

可选的，Ⅲ-Ⅴ族薄膜层是单晶InP薄膜层。且单晶InP薄膜层的定位边与硅衬底的定位边平行。

可选的，在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层，包括：通过离子束剥离方法在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层。如此，构成InP与硅叠加的异质衬底。

可选的，在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层之后，在Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层之前，还包括：对硅衬底和Ⅲ-Ⅴ族薄膜层进行化学腐蚀、化学机械抛光和研磨减薄。

可选的，外延生长包括分子束外延和化学气相外延。

一种可选的将硅基激光器沿第二方向进行分割的实施方式中，使用划片机或划片刀沿第二方向分割硅基激光器。

本申请实施例通过上述解理方法，首先制备得到硅基激光器长条，对于多个硅基激光器长条的每个硅基激光器长条：由于相邻的第一脊条之间有沟槽，硅衬底在沟槽底部较薄，因此在多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间施加外力，使得硅基激光器长条沿第一方向自然解理，如此，可以获得平整的激光器腔面，可以提高硅基激光器的解理效率。

本申请实施例还提供了一种硅基激光器的制备方法，包括：获取硅衬底；将硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀出多个第一脊条，得到刻蚀后的硅衬底；在硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层；在Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层；将激光器层的顶面沿第二方向刻蚀出多个第二脊条，得到硅基激光器；第二方向与第一方向互相垂直；将硅基激光器沿第二方向进行分割，得到多个硅基激光器长条。

本申请实施例还提供了一种硅基激光器。如图2所示，该硅基激光器依次包括硅衬底100、Ⅲ-Ⅴ族薄膜层200和激光器层300；

硅衬底100的顶面沿第一方向刻蚀有多个第一脊条101；

激光器层300的顶面沿第二方向刻蚀有多个第二脊条301；第二方向与第一方向互相垂直。

可选的，如图3所示，多个第一脊条101的每个第一脊条的宽度W1小于激光器腔长W2；多个第一脊条101的每个第一脊条的宽度W1为200纳米至1厘米。

可选的，多个第一脊条101的每个第一脊条的高度H1为500纳米至400微米；多个第一脊条101中相邻的两个第一脊条之间的间距W3为30微米至500微米。

可选的，Ⅲ-Ⅴ族薄膜层200是单晶InP薄膜层。

可选的，激光器的种类可以包括FP激光器和DFB激光器。

本申请实施例中的硅基激光器及其制备方法与硅基激光器的解理方法基于同样地申请构思。通过该解理方法可以解决硅基激光器不能很好的形成自然解理腔面的难题，可以提高硅基激光器的解理效率。

需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基激光器的解理方法，其特征在于，包括：

获取硅衬底；

将所述硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀出多个第一脊条，得到所述刻蚀后的硅衬底；

在所述硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层；

在所述Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层；

将所述激光器层的顶面沿第二方向刻蚀出多个第二脊条，得到硅基激光器；所述第二方向与所述第一方向互相垂直；

将所述硅基激光器沿所述第二方向进行分割，得到多个硅基激光器长条；

对于所述多个硅基激光器长条的每个硅基激光器长条：

在所述多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间施加外力，使得所述硅基激光器长条沿所述第一方向自然解理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取硅衬底，包括：

获取硅片；

在所述硅片的顶面形成氧化硅层；所述氧化硅层的厚度为10纳米至1微米。

对所述氧化硅层进行化学机械抛光，得到所述硅衬底；所述化学机械抛光后的氧化硅层的表面粗糙度小于1纳米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个第一脊条的每个第一脊条的宽度小于激光器腔长；

所述多个第一脊条的每个第一脊条的宽度为200纳米至1厘米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述多个第一脊条的每个第一脊条的高度为500纳米至400微米；

所述多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间的间距为30微米至500微米。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Ⅲ-Ⅴ族薄膜层是单晶InP薄膜层。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层，包括：

通过离子束剥离方法在所述硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层；

所述在所述硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层之后，所述在所述Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层之前，还包括：

对所述硅衬底和所述Ⅲ-Ⅴ族薄膜层进行化学腐蚀、化学机械抛光和研磨减薄。

7.一种硅基激光器的制备方法，其特征在于，包括：

获取硅衬底；

将所述硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀出多个第一脊条，得到所述刻蚀后的硅衬底；

在所述硅衬底上形成Ⅲ-Ⅴ族薄膜层；

在所述Ⅲ-Ⅴ族薄膜层外延生长形成激光器层；

将所述激光器层的顶面沿第二方向刻蚀出多个第二脊条，得到硅基激光器；所述第二方向与所述第一方向互相垂直；

将所述硅基激光器沿所述第二方向进行分割，得到多个硅基激光器长条。

8.一种硅基激光器，其特征在于，依次包括硅衬底、Ⅲ-Ⅴ族薄膜层和激光器层；

所述硅衬底的顶面沿第一方向刻蚀有多个第一脊条；

所述激光器层的顶面沿第二方向刻蚀有多个第二脊条；所述第二方向与所述第一方向互相垂直。

9.根据权利要求8所述的硅基激光器，其特征在于，

所述多个第一脊条的每个第一脊条的宽度小于激光器腔长；

所述多个第一脊条的每个第一脊条的宽度为200纳米至1厘米；

所述多个第一脊条的每个第一脊条的高度为500纳米至400微米；

所述多个第一脊条中相邻的两个第一脊条之间的间距为30微米至500微米。

10.根据权利要求8所述的硅基激光器，其特征在于，所述Ⅲ-Ⅴ族薄膜层是单晶InP薄膜层。

Images