CN111262127B - 一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法、衬底和激光器 - Google Patents

一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法、衬底和激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，包括：S1：在供体衬底上赝晶生长InxGa1‑xAs外延层薄膜；S2：外延层薄膜远离供体衬底的一面为注入面，自注入面向外延层进行离子注入和在注入面表面沉积第一金属层，注入的离子在外延层内形成剥离层；S3：在支撑衬底表面沉积第二金属层；S4：通过将第一金属层和第二金属层键合使得支撑衬底、第二金属层、第一金属层、外延层和供体衬底依次连接形成整体；S5：将键合后的整体进行退火处理，沿剥离层将供体衬底剥离，外延层转移至支撑衬底上形成硅基InGaAs衬底；本发明还提供一种衬底及激光器；本发明能够突破现有二元化合物晶格常数对激光器的限制，扩大生长在衬底上的激光器在材料选择和结构设计的自由度。

Description

一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法、衬底和激光器
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法、衬底和激光器。
背景技术
随着互联网数据流量的急剧增长，从远距离、中距离光纤通信，到数据中心内、直至机柜内的数据通信，实现高速低成本大宽带的光-电通信系统具有显著的意义。为了提高数据的处理速度，在过去的几十年中，硅光子领域取得了巨大的进展，其中包括光学调制器、多路复用器、波导以及光电探测器等在内的重要器件均趋于成熟，但缺少硅基激光器是硅基集成的主要障碍。尽管硅是电子器件领域最广泛使用的材料，但由于其间接带隙会使得载流子辐射复合几率较低，因此很难成为有效光源。而III-V族直接带隙化合物半导体具有非常优异的光学性能。因此，可以采用外延生长将III-V族材料的器件与硅基集成在同一个基底上，利用III-V族直接带隙化合物半导体优越的光学性能改善硅难以作为光辐射材料的缺点。深入开展硅基III-V材料研究将对硅基光电子学领域科学技术的发展带来很大推动。
1.3μm和1.55μm波段是光通信的两个重要波段。硅(Si)基III-V衬底技术主要分为直接外延(monolithic)和键合(bonding)两种技术方向。而目前两种技术方向均是在Si上获得常规二元化合物衬底模板，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等，进而按照该衬底模板的晶格常数在其上外延与其晶格匹配的外延结构。但基于二元化合物衬底模板制得的激光器热稳定性较差；且为了保持激光波长的稳定，通常需采用外部制冷，这又导致了成本的增加和体积的增加，难以应用于大规模集成。而以铟镓砷(InGaAs)为衬底，则可以基于完全不同的晶格常数体系获得性能更佳的光通信激光器，且温度稳定性高，不需外部制冷，但目前尚无高质量、低成本的InGaAs衬底面世。
针对现有技术存在的上述缺陷，本申请旨在提供一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法、衬底和激光器。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法、衬底和激光器。
为了解决上述问题，本发明提供一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，包括：S1：在供体衬底上赝晶生长InxGa1-xAs外延层薄膜，x的取值范围在0.1至0.4之间；
S2：所述外延层薄膜远离所述供体衬底的一面为注入面，自所述注入面向所述外延层进行离子注入和在所述注入面表面沉积第一金属层，所述离子注入能够使得注入的离子在所述外延层内形成剥离层；
S3：在支撑衬底表面沉积第二金属层；
S4：通过将所述第一金属层和所述第二金属层键合使得所述支撑衬底、第二金属层、第一金属层、外延层和所述供体衬底依次连接形成整体；
S5：将键合后的所述整体放置在退火炉中进行退火处理，沿所述剥离层将所述供体衬底剥离，所述外延层转移至所述支撑衬底上形成硅基InGaAs衬底。
进一步地，步骤S2中，自所述注入面向所述外延层进行离子注入和在所述注入面表面沉积第一金属层为：
自所述注入面向所述外延层进行离子注入后，再在所述注入面表面沉积所述第一金属层；
或者为在所述注入面表面沉积所述第一金属层后，再自所述注入面向所述外延层进行离子注入。
具体地，所述离子注入的离子为H离子和/或He离子，所述离子注入的能量为5keV～1000keV，所述离子注入浓度为1×1016ions/cm2～2×1017ions/cm2。
具体地，所述外延层厚度在30～50nm范围内，所述剥离层至所述注入面之间的厚度为10～50nm。
优选地，所述第一金属层和所述第二金属层均为In金属层，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度之和在100nm～50μm范围内。
优选地，其特征在于，所述供体衬底为InP或GaAs，所述支撑衬底为Si衬底或SiO2/Si衬底。
优选地，步骤S5中，所述退火处理在真空环境或惰性气体环境下进行，退火温度为200～300℃，退火时间为0.5～24小时。
本发明另一方面保护一种衬底，所述衬底采用上述技术方案所述的硅基InGaAs激光器衬底的制备方法制备而成。
本发明还保护一种激光器，包括上述技术方案所述的一种衬底和依次形成在所述衬底上的的第一接触层、第一波导层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二波导层、第二接触层和盖层。
进一步地，所述量子阱层的材料为In0.67GaAs，所述量子阱层的厚度在5nm～9nm范围内。
由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，能够突破现有二元化合物晶格常数对激光器的限制，从而扩大对模板层晶格常数的选择，进而扩大材料和生长在衬底上的激光器结构设计的自由度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。
图1是本发明实施例提供的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法的工艺流程图；
图2是本发明另一个实施例提供的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法的工艺流程图；
图3是本发明实施例提供的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法其各步骤所对应的结构示意图；
图4是本发明另一个实施例提供的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法其各步骤所对应的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种激光器的结构示意图。
图中：10-硅基InGaAs衬底，11-供体衬底，12-外延层，121-注入面，122-剥离层，13-第一金属层，14-第二金属层，15-支撑衬底，20-第一接触层，30-第一波导层，40-第一势垒层，50-量子阱层，60-第二势垒层，70-第二波导层，80-第二接触层，90-盖层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明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，以便这里描述的本发明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。
实施例1
请结合图1和图3，本实施例提供一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，包括：
S1：在供体衬底11上赝晶生长InxGa1-xAs外延层12薄膜，x的取值范围在0.1至0.4之间，所述供体衬底11为InP或GaAs；
S2：所述外延层12薄膜远离所述供体衬底11的一面为注入面121，自所述注入面121向所述外延层12进行离子注入和在所述注入面121表面沉积第一金属层13，所述离子注入能够使得注入的离子在所述外延层12内形成剥离层122；
需要说明的是，本说明书实施例中，步骤S2具体为：如图3(a)所示，自所述注入面121向所述外延层12进行离子注入，离子注入后注入的离子在所述外延层12内部形成剥离层122，再在所述注入面12表面沉积所述第一金属层13，如图3(b)所示；
S3：在支撑衬底15表面沉积第二金属层14，所述支撑衬底为Si衬底或SiO2/Si衬底；
S4：通过将所述第一金属层13和所述第二金属层14键合使得所述支撑衬底15、第二金属层14、第一金属层13、外延层12和所述供体衬底11依次连接形成整体，如图3(c)和图3(d)所示；
S5：将键合后的所述整体放置在退火炉中进行退火处理，沿所述剥离层122将所述供体衬底11剥离，所述外延层12转移至所述支撑衬底15上形成硅基InGaAs衬底10，如图3(e)所示。
需要说明的是，本说明书实施例中，步骤S2中，离子注入的离子为H离子和/或He离子，所述离子注入的能量为5keV～1000keV，所述离子注入浓度为1×1016ions/cm2～2×1017ions/cm2。
所述外延层厚度在30～50nm范围内，步骤S2中，离子注入后形成的所述剥离层122与所述注入面121之间的厚度为10nm～50nm，因此，在步骤S4中将外延层12自所述剥离层122处转移至所述支撑衬底15上形成硅基InGaAs衬底时，所述硅基InGaAs衬底10具有10nm～50nm厚的InGaAs外延层材料。
需要说明的是，本说明书实施例中，步骤S2、步骤S3中分别采用的第一金属层13和第二金属层14均为In金属层，且所述第一金属层13和所述第二金属层14的厚度之和在100nm～50μm范围内。由于In金属的熔点为156.61℃，因此在步骤S5中，经退火处理后，键合后的第一金属层13和第二金属层14能够呈熔融状态，并丧失对InGaAs外延层12的晶格束缚力，使得InGaAs外延层12弛豫到自由晶格常数，具体地，步骤S5中，所述退火处理在真空环境或惰性气体环境下进行，退火温度为200～300℃，退火时间为0.5～24小时。
根据本说明书实施例提供的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，能够制备出晶格常数不同于传统激光器中常用的二元化合物晶格常数的硅基InGaAs衬底，InGaAs衬底能够满足1.3微米和1.55微米通信激光器的制备需求，并且InGaAs衬底与二元化合物衬底相比具有更深的势阱，因此InGaAs衬底具体更佳的温度稳定性，从而无需采用外部制冷，最终能够提高在此衬底基础上制备得到的激光器的性能。
本说明书实施例提供的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，能够突破现有二元化合物晶格常数对激光器的限制，从而扩大对模板层晶格常数的选择，进而扩大材料和生长在衬底上的激光器结构设计的自由度。
实施例2
请结合图2和图4，本实施例提供一种硅基激光器衬底的制备方法，方法包括：
S1’：在供体衬底11上赝晶生长InxGa1-xAs外延层12薄膜，x的取值范围在0.1至0.4之间，所述供体衬底11为InP或GaAs；
S2’：所述外延层12薄膜远离所述供体衬底11的一面为注入面121，在所述注入面121表面沉积所述第一金属层13后，如图4(a)，再自所述注入面121向所述外延层12进行离子注入，如图4(b)所示，离子注入后注入的离子能够透过所述第一金属层13在所述外延层12内部形成剥离层122；
S3’：在支撑衬底15表面沉积第二金属层14，所述支撑衬底15为Si衬底或SiO2/Si衬底；
S4’：通过将所述第一金属层13和所述第二金属层14键合使得所述支撑衬底15、第二金属层14、第一金属层13、外延层12和所述供体衬底11依次连接形成整体，如图4(c)和图4(d)所示；
S5’：将键合后的所述整体放置在退火炉中进行退火处理，沿所述剥离层122将所述供体衬底11剥离，所述外延层12转移至所述支撑衬底15上形成硅基InGaAs衬底10，如图4(e)所示。
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2’中：先在所述注入面121表面沉积所述第一金属层13，再自所述注入面121向所述外延层12进行离子注入，离子注入的能量和浓度能够使得注入的离子透过所述第一金属层13在所述外延层12内部形成剥离层122，便于后续剥离操作。
实施例3
本实施例提供一种衬底，所述衬底采用如实施例1或实施例2所述的硅基InGaAs激光器衬底的制备方法制备而成。
实施例4
如图5所示，本实施例提供一种激光器，包括衬底和依次形成在所述衬底上的第一接触层20、第一波导层30、第一势垒层40、量子阱层50、第二势垒层60、第二波导层70、第二接触层80和盖层90，所述衬底为由上述实施例1或实施例2提供的硅基InGaAs激光器衬底的制备方法制备得到的硅基InGaAs衬底10。
所述第一接触层20的材料为N型In0.28GaAs，所述第一接触层的厚度在260nm至400nm范围内；
所述第一波导层30包括依次生长在所述第一接触层20上的厚度在170nm至230nm范围内N型In0.28AlXGa0.72-XAs材料(其中x的取值在0.2至0.34范围内)、厚度在1200nm至1700nm范围内的N型In0.28Al0.344GaAs材料以及厚度在180nm至230nm范围内的In0.28AlXGa0.72-XAs材料(其中x的取值在0.2至0.34范围内)；
所述第一势垒层40为In0.28GaAs，所述第一势垒层40的厚度在100nm至180nm的范围内；
所述量子阱层50的材料为In0.63GaAs，所述量子阱层的厚度在5nm至9nm范围内；
所述第二势垒层60的材料为In0.28GaAs，所述第二势垒层60的厚度在100nm至150nm范围内；
所述第二波导层70包括依次生长在所述第二势垒层60上的厚度在180nm至230nm范围内的In0.28AlXGa0.72-XAs材料(其中x的取值在0至0.2之间)、厚度在1200nm至1700nm范围内的P型In0.28Al0.344GaAs材料以及厚度在170nm至230nm范围内P型In0.28AlXGa0.72-XAs材料(其中x的取值在0.2至0.34之间)；
所述第二接触层80的材料为P型In0.28GaAs，所述第二接触层80的厚度在200nm～400nm之间；
所述盖层90的材料为P型GaAs，所述盖层90的厚度在5nm至20nm范围内。
在一些实施例中，该基于所述硅基InGaAs衬底制备的激光器包括：
硅基InGaAs衬底10；
第一接触层20，第一接触处20生长于所述硅基InGaAs衬底10上，其材料为N型In0.28GaAs，厚度为300nm；
第一波导层30，第一波导层30生在在第一接触层20上，第一波导层30包括包括厚度为200nm的N型In0.28AlXGa0.72-XAs材料(其中x的取值在0.2至0.34范围内)、厚度为1500nm的N型In0.28Al0.344GaAs材料以及厚度为200nm的In0.28AlXGa0.72-XAs材料(其中x的取值在0.2至0.34范围内)；
第一势垒层40，第一势垒层40生长在第一波导层上，第一势垒层40的材料为In0.28GaAs，厚度为130nm；
量子阱层50，量子阱层50生长在第一势垒层40上，量子阱层50的材料为In0.63GaAs，厚度为7nm；
第二势垒层60，第二势垒层60生长在量子阱层50上，其材料为In0.28GaAs，厚度为130nm；
第二波导层70，第二波导层70生长在第二势垒层60上，依次包括厚度为200nm的In0.28AlXGa0.72-XAs材料(其中x的取值在0至0.2之间)、厚度为1500nm的P型In0.28Al0.344GaAs材料以及厚度为200nm的P型In0.28AlXGa0.72-XAs材料(其中x的取值在0.2至0.34之间)；
第二接触层80，第二接触层80生长在第二波导层70上，其材料为P型In0.28GaAs，其厚度为250nm；
以及生长在第二接触层80上的盖层90，盖层90的材料为P型GaAs，其厚度为10nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
并且，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。

Claims (9)

1.一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，其特征在于，包括：
S1：在供体衬底上赝晶生长InxGa1-xAs外延层薄膜，x的取值范围在0.1至0.4之间；
S2：所述外延层薄膜远离所述供体衬底的一面为注入面，自所述注入面向所述外延层进行离子注入和在所述注入面表面沉积第一金属层，所述离子注入能够使得注入的离子在所述外延层内形成剥离层；
S3：在支撑衬底表面沉积第二金属层；其中，所述供体衬底为InP或GaAs，所述支撑衬底为Si衬底或SiO2/Si衬底；
S4：通过将所述第一金属层和所述第二金属层键合使得所述支撑衬底、第二金属层、第一金属层、外延层和所述供体衬底依次连接形成整体；
S5：将键合后的所述整体放置在退火炉中进行退火处理，沿所述剥离层将所述供体衬底剥离，所述外延层转移至所述支撑衬底上形成硅基InGaAs衬底；其中，经退火处理后的所述第一金属层和所述第二金属层能够呈熔融状态，并丧失对InGaAs外延层的晶格束缚力，使得InGaAs外延层驰豫到自由晶格常数。
2.根据权利要求1所述的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，其特征在于，步骤S2中，自所述注入面向所述外延层进行离子注入和在所述注入面表面沉积第一金属层为：
自所述注入面向所述外延层进行离子注入后，再在所述注入面表面沉积所述第一金属层；
或者为在所述注入面表面沉积所述第一金属层后，再自所述注入面向所述外延层进行离子注入。
3.根据权利要求2所述的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，其特征在于，所述离子注入的离子为H离子和/或He离子，所述离子注入的能量为5keV～1000keV，所述离子注入浓度为1×1016ions/cm2～2×1017ions/cm2。
4.根据权利要求2所述的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，其特征在于，所述外延层厚度在30～50nm范围内，所述剥离层至所述注入面之间的厚度为10～50nm。
5.根据权利要求1所述的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层均为In金属层，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度之和在100nm～50μm范围内。
6.根据权利要求1所述的一种硅基InGaAs激光器衬底的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述退火处理在真空环境或惰性气体环境下进行，退火温度为200～300℃，退火时间为0.5～24小时。
7.一种衬底，其特征在于，所述衬底采用如权利要求1至6任意一项所述的硅基InGaAs激光器衬底的制备方法制备而成。
8.一种激光器，其特征在于，包括如权利要求7所述的一种衬底和依次形成在所述衬底上的第一接触层、第一波导层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二波导层、第二接触层和盖层。
9.根据权利要求8所述的一种激光器，其特征在于，所述量子阱层的材料为In0.67GaAs，所述量子阱层的厚度在5nm～9nm范围内。
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