CN111600195B

CN111600195B - 一种硅基单片集成激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN111600195B
Application number: CN202010383180.1A
Authority: CN
Inventors: 仇超; 朱俊波; 龚谦; 赵瑛璇; 李伟; 盛振; 武爱民; 甘甫烷
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-05-08
Also published as: CN111600195A

Abstract

本发明涉及半导体和光电集成技术领域，特别是涉及一种硅基单片集成激光器及其制备方法，包括：衬底层、埋氧化层、硅波导器件、上覆层和三维波导器件；所述埋氧化层上设有图形化的限向结构；所述限向结构内设有激光器结构；所述硅波导器件设置在所述埋氧化层上；所述埋氧化层、所述激光器结构和所述硅波导器件远离所述衬底层的表面形成第一表面，所述上覆层设置在所述第一表面上；所述三维波导器件设置在所述上覆层上。通过在激光器结构有源区上方引入三维波导结构，实现激光器结构有源区和硅波导之间高质量的光学连接。

Description

一种硅基单片集成激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体和光电集成技术领域，特别是涉及一种硅基单片集成激光器及其制备方法。

背景技术

随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。

硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光功能器件，如硅基激光器、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等。近十年来硅基电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等器件都得到了快速发展，硅基光电集成实用化面临的技术难题在于光源，由于硅是间接带隙半导体，发光效率低，带边吸收系数低，难以实现硅发光器件。

现有的实现硅基片上光源的方案为：利用绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)材料的底层硅衬底，设计Ge的厚度和三五族材料的厚度，恰好等于埋氧化层的厚度，从而实现三五族材料与顶层硅在厚度方向上的对准，使得三五族激光器和硅光子器件在垂直方向上自动对准；然而由于Ge和三五族材料生长在由于衬底硅层，需要通过刻蚀深槽，露出衬底硅表面。由于阴影效应(shadowing effect)，在外延生长区的四周材料缺陷多，难以作为有源增益区使用，导致有源区和硅波导结构之间的光学连接成为难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的硅基单片集成激光器在外延生长区的四周材料缺陷多，导致有源区和硅波导结构之间难以形成良好的光学连接的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种硅基单片集成激光器，包括：衬底层、埋氧化层、硅波导器件、上覆层和三维波导器件；

所述埋氧化层设置在所述衬底层上；

所述埋氧化层上设有图形化的限向结构；

所述限向结构内设有激光器结构，所述激光器结构的厚度大于所述限向结构的深度；

所述硅波导器件设置在所述埋氧化层上；

所述埋氧化层、所述激光器结构和所述硅波导器件远离所述衬底层的表面形成第一表面，所述上覆层设置在所述第一表面上；

所述三维波导器件设置在所述上覆层上，所述三维波导器件包括第一端和第二端，所述第一端在水平面上的投影至少部分与所述激光器结构在水平面上的投影重合，所述第二端在水平面上的投影至少部分与所述硅波导器件在水平面上的投影重合。

进一步的，所述三维波导器件的厚度为100nm-2000nm。

进一步的，所述三维波导器件的材质为多晶硅、非晶硅或氮化硅。

进一步的，所述三维波导器件与所述上覆层的连接面为第一连接面；

所述激光器结构与所述上覆层的连接面为第二连接面；

所述硅波导器件与所述上覆层的连接面为第三连接面；

所述第一连接面至所述第二连接面的距离为1nm-1000nm；和/或，

所述第一连接面至所述第三连接面的距离为1nm-1000nm。

第二方面，本申请实施例公开了一种硅基单片集成激光器的制备方法，包括：

刻蚀绝缘体上硅晶圆，所述绝缘体上硅晶圆包括衬底层、埋氧化层和顶层硅，刻蚀所述埋氧化层和所述顶层硅形成限向结构；

在所述限向结构内沉积激光器结构；

刻蚀所述顶层硅形成硅波导器件；

在所述埋氧化层、所述激光器结构和所述硅波导器件的表面沉积上覆层；

在所述上覆层上沉积三维波导器件；

其中，所述三维波导器件包括第一端和第二端，所述第一端在水平面上的投影至少部分与所述激光器结构在水平面上的投影重合，所述第二端在水平面上的投影至少部分与所述硅波导器件在水平面上的投影重合。

进一步的，所述刻蚀绝缘体上硅晶圆之前，还包括：

提供绝缘体上硅晶圆，在所述绝缘体上硅晶圆的表面淀积图形化掩模。

进一步的，所述在所述限向结构内沉积激光器结构之前，还包括：

在所述限向结构内沉积Ge外延层，所述Ge外延层设置在所述衬底层上。

进一步的，所述在所述限向结构内沉积激光器结构，包括：

在所述Ge外延层上形成GaAs底层；

在所述GaAs底层上形成InGaAs应力缓冲层；

在所述InGaAs缓冲层上形成InGaAs应力释放层，所述InGaAs应力缓冲层及InGaAs应力释放层的界面区域形成发光层；

在所述InGaAs应力释放层上形成GaAs帽层。

进一步的，所述上覆层材质为SiO₂、Si₃N₄或SiON。

进一步的，所述在所述上覆层上沉积三维波导器件之前，还包括：

将所述上覆层抛光，控制所述激光器结构上的所述上覆层的厚度为1nm-1000nm。

采用上述技术方案，本申请实施例所述的硅基单片集成激光器及其制备方法具有如下有益效果：

本申请实施例所述的硅基单片集成激光器，通过在激光器结构有源区上方引入三维波导结构，实现激光器结构有源区和硅波导之间高质量的光学连接；同时，由于引入了三维波导跳层结构，降低了对激光器结构有源区厚度的要求。

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为本申请一个实施例的硅基单片集成激光器结构示意图；

图2为本申请一个实施例的硅基单片集成激光器的俯视图；

图3为本申请实施例提供的一种硅基单片集成激光器的制备方法的流程图；

图4为本申请实施例提供的一种沉积激光器结构的方法流程图；

图5为本申请一个实施例的制备硅基单片集成激光器的结构流程图；

以下对附图作补充说明：

101-衬底层；102-埋氧化层；103-硅波导器件；104-上覆层；105-三维波导器件；106-顶层硅；107-图形化掩模；108-限向结构；-激光器结构；111-Ge外延层；112-GaAs底层；113-InGaAs应力缓冲层；114-InGaAs应力释放层；115-GaAs帽层；116-量子点发光层。

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作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。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，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。

随着硅光子学的发展，实现硅基激光器成为关键。然而硅是一种间接带隙半导体，非垂直跃迁，伴随着声子的产生和复合，概率低，难以实现高效激光器。传统III-V属于直接带隙半导体，垂直跃迁，无需声子参与，易于实现高效激光器，是当前激光器的主流技术。由于硅材料与III-V族材料存在较大的晶格常数失配，直接外延生长的III-V族材料缺陷多，质量差。不过由于锗的晶格常数在硅和III-V族材料之间，先在硅材料上外延Ge材料，再在Ge材料基础上外延生长III-V族材料。利用锗材料作为中介，在硅上实现III-V族激光器。

如图1所示，本申请实施例公开了一种硅基单片集成激光器，包括：衬底层101、埋氧化层102、硅波导器件103、上覆层104和三维波导器件105；埋氧化层102设置在衬底层101上；埋氧化层102上设有图形化的限向结构108；限向结构108内设有激光器结构，激光器结构的厚度大于限向结构108的深度；硅波导器件103设置在埋氧化层102上；埋氧化层102、激光器结构和硅波导器件103远离衬底层101的表面形成第一表面，上覆层104设置在第一表面上；三维波导器件105设置在上覆层104上，三维波导器件105包括第一端和第二端，第一端在水平面上的投影至少部分与激光器结构在水平面上的投影重合，第二端在水平面上的投影至少部分与硅波导器件103在水平面上的投影重合。

本申请实施例中，如图1所示，通过在SOI晶圆上设置限向结构108，在限向结构108内设置激光器结构。可选的，该激光器结构为III-V族材料激光器。如图1所示，激光器结构为III-V族材料层，形成于限向结构108内的硅衬底层101的表面。激光器结构与衬底层101之间还设有Ge外延层111，利用锗材料作为中介，在硅上实现III-V族激光器。可选的，Ge外延层111的厚度范围为0.1μm-2μm。III-V族材料形成于所述Ge外延层111表面，可选的，GaAs底层112的厚度范围为0.1μm-2μm，InGaAs应力缓冲层113的厚度范围为2nm-10nm，InGaAs应力释放层114的厚度范围为20nm-200nm，GaAs帽层115的厚度范围为50nm-500nm。InGaAs应力缓冲层113为In_0.12-0.2Ga_0.8-0.88As应力缓冲层，所述InGaAs应力释放层114为In_0.12- _0.2Ga_0.8-0.88As应力释放层。InGaAs应力缓冲层113及InGaAs应力释放层114的界面区域设置有量子点发光层116，可选的，量子点发光层116的厚度为0.1nm-10nm。通过光刻、刻蚀、淀积等工艺步骤对顶层硅106进行加工形成硅波导器件103。

在完成激光器结构制作后，通过光刻、刻蚀、淀积等工艺步骤对顶层硅106进行加工形成硅波导器件103，实现激光器及其他有源或无源硅光器件。然后再通过化学气相沉积等手段，硅波导器件103、激光器结构及SOI晶圆中的埋氧化层102组成的表面上沉积上覆层104，以保护激光器结构，可选的，沉积上覆层104的材料为SiO₂、Si₃N₄或SiON等。通过化学气相沉积等手段，在上覆层104上制作三维波导器件105。可选的，三维波导器件105结构可设计为锥形或倒锥形结构。如图1所示，图中箭头示出了激光器结构发出的光，耦合至三维波导器件105中，再耦合到硅波导器件103中，实现激光器结构和硅波导器件103之间高质量的光学连接，不需要额外增加耦合器等元件，大大节省工艺步骤以及制作成本，同时能提高器件的集成度。同时，应当理解的是，三维波导器件105结构设计不限于锥形或倒锥形等设计，还可以为其它能够实现光学连接的结构类型。如图2所示，三维波导器件105一端与激光器件层对应，另一端与硅波导器件103对应。通过在激光器件层有源区上方引入三维波导结构，实现激光器件层有源区和硅波导之间高质量的光学连接，避免了由于阴影效应导致III-V族材料激光器有源区四周材料质量导致的损耗问题。三维波导器件105的材料选择可根据激光器件层有源波导的折射率，厚度等影响因素来确定。

三维波导器件105的材质为多晶硅、非晶硅或氮化硅。

本申请实施例中，通过化学气相沉积等手段，在上覆层104上生长多晶硅(poly-Si)、非晶硅(amorphous–Si)、氮化硅(Si₃N₄)等材料作为三维波导器件105。

三维波导器件的厚度为100nm-2000nm。

本申请实施例中，三维波导器件105的厚度为100nm-2000nm。三维波导器件105通过锥形/倒锥形等设计，实现激光器结构和硅波导器件103之间高质量的光学耦合。

三维波导器件105与上覆层104的连接面为第一连接面；激光器结构与上覆层104的连接面为第二连接面；硅波导器件103与上覆层104的连接面为第三连接面；第一连接面至第二连接面的距离为1nm-1000nm；第一连接面至第三连接面的距离为1nm-1000nm。

本申请实施例中，如图1所示，通过化学气相沉积等手段，生长上覆层104材料；通过化学机械抛光将上覆层104表面抛光，并控制激光器结构有源区上方上覆层104的厚度H1，以及硅波导器件103上方上覆层104的厚度H2，为保证高效的光学耦合，H1厚度通常为1nm-1000nm，H1厚度通常为1nm-1000nm；优选的，H1和H2的厚度小于200nm。

本申请实施例还提供了一种硅基单片集成激光器的制备方法，如图3所示，该制备方法包括：

S301：刻蚀绝缘体上硅晶圆，刻蚀埋氧化层102和顶层硅106形成限向结构108。

本申请实施例中，选取绝缘体上硅晶圆，绝缘体上硅晶圆包括依次设置的衬底层101、埋氧化层102和顶层硅106。可选的，埋氧化层102的厚度范围为1μm-3μm，顶层硅106的厚度范围为50nm-1000nm。如图5所示，在绝缘体上硅晶圆的表面淀积图形化掩模107。可选的，图形化掩膜为图形化的二氧化硅层。刻蚀SOI晶圆的顶层硅106和埋氧化层102形成限向结构108。

S303：在限向结构108内沉积激光器结构。

本申请实施例中，激光器为III-V族材料激光器，在限向结构108内沉积激光器结构之前，首先在限向结构108内沉积Ge外延层111，Ge外延层111设置在衬底层101上，然后在Ge外延层111沉积激光器结构。

图4为本申请实施例提供的一种沉积激光器结构的方法流程图。如图4所示，在限向结构108内沉积激光器结构，包括：

S401：在Ge外延层111上形成GaAs底层112。

S403：在GaAs底层112上形成InGaAs应力缓冲层113。

S405：在InGaAs缓冲层上形成InGaAs应力释放层114。

本申请实施例中，InGaAs应力缓冲层113及InGaAs应力释放层114的界面区域形成有量子点发光层116。

S407：在InGaAs应力释放层114上形成GaAs帽层115。

S305：刻蚀顶层硅106形成硅波导器件103。

本申请实施例中，利用光刻、刻蚀、薄膜沉积等工艺，通过刻蚀顶层硅106形成硅波导器件103，在顶层硅106中制备硅光器件。

S307：在埋氧化层102、激光器结构和硅波导器件103的表面沉积上覆层104。

本申请实施例中，如图5所示，硅波导器件103制作完成后，在硅波导器件103的表面、激光器结构的表面以及埋氧化层102的表面沉积上覆层104，可选的，沉积上覆层104的材料为SiO₂、Si₃N₄或SiON等，可选的，沉积方法采用化学气相沉积等。为保证高效的光学耦合，本申请实施例中沉积激光器结构有源区上方上覆层104的厚度小于100nm。

S309：在上覆层104上沉积三维波导器件105。

本申请实施例中，采用化学抛光、机械抛光等方法，对上覆层104进行抛光，并控制激光器结构有源区上方上覆层104的厚度H1，以及硅波导器件103上方上覆层104的厚度H2，为保证高效的光学耦合，H1厚度通常为1nm-1000nm，H1厚度通常为1nm-1000nm；优选的，H1和H2的厚度小于200nm。对上覆层104抛光完成后，在上覆层104上制作三维波导器件105。本申请实施例中，由于III-V族材料通常折射率高，因此需要对引入的三维波导的材料和结构进行优化设计。可选的，制作三维波导器件105的材料包括多晶硅，非晶硅以及氮化硅等。可选的，三维波导器件105的结构则通常采用各种锥形或倒锥形结构，以实现光学连接。三维波导器件105的一端在水平面上的投影至少部分与激光器结构在水平面上的投影重合，另一端在水平面上的投影至少部分与硅波导器件103在水平面上的投影重合。如图2所示，三维波导器件105所在的区域连接硅波导器件103和激光器结构。

本申请实施例中，如图5所示，激光器结构做为有源增益层，在通过三维波导器件105高质量的光学连接，在硅波导器件103中实现激光器反馈谐振腔结构，如FP反射谐振腔腔，DBR反射谐振腔，DFB反射谐振腔等谐振腔结构，形成完整的激光器器件。

本申请通过在激光器结构有源区上方引入三维波导结构，激光器结构的发光层与硅波导器件103在高度方向上不需要对准，即可实现激光器结构有源区和硅波导器件103之间高质量的光学连接。同时，避免了由于阴影效应导致激光器结构有源区四周材料质量导致的损耗问题。此外，由于引入了三维波导跳层结构，无须严格控制Ge缓冲层和III-V族材料激光器的有源区厚度即可完成III-V族材料激光器上的量子点发光层116与硅波导器件103的对准，降低了对Ge缓冲层和III-V族材料激光器的有源区厚度精度的要求，降低工艺难度。

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

1.一种硅基单片集成激光器，其特征在于，包括：衬底层（101）、埋氧化层（102）、硅波导器件（103）、上覆层（104）和三维波导器件（105）；

所述埋氧化层（102）设置在所述衬底层（101）上；

所述埋氧化层（102）上设有图形化的限向结构（108）；

所述限向结构（108）内设有激光器结构，所述激光器结构的厚度大于所述限向结构（108）的深度；

所述硅波导器件（103）设置在所述埋氧化层（102）上，所述硅波导器件（103）与所述激光器结构的发光层在高度方向上不对准；

所述埋氧化层（102）、所述激光器结构和所述硅波导器件（103）远离所述衬底层（101）的表面形成第一表面，所述上覆层（104）设置在所述第一表面上；

所述三维波导器件（105）设置在所述上覆层（104）上，所述三维波导器件（105）包括第一端和第二端，所述第一端在水平面上的投影至少部分与所述激光器结构在水平面上的投影重合，所述第二端在水平面上的投影至少部分与所述硅波导器件（103）在水平面上的投影重合；

所述上覆层（104）材质为SiO2、Si3N4或SiON；

所述三维波导器件（105）的结构为锥形或倒锥形结构；所述三维波导器件（105）的材质包括多晶硅、非晶硅或氮化硅；

所述硅波导器件（103）中设置有激光器反馈谐振腔结构。

2.根据权利要求1所述的硅基单片集成激光器，其特征在于，所述三维波导器件的厚度为100nm-2000nm。

3.根据权利要求2所述的硅基单片集成激光器，其特征在于，所述三维波导器件（105）的材质为多晶硅、非晶硅或氮化硅。

4.根据权利要求1所述的硅基单片集成激光器，其特征在于，所述三维波导器件（105）与所述上覆层（104）的连接面为第一连接面；

所述激光器结构与所述上覆层（104）的连接面为第二连接面；

所述硅波导器件（103）与所述上覆层（104）的连接面为第三连接面；

所述第一连接面至所述第三连接面的距离为1nm-1000nm。

5.一种硅基单片集成激光器的制备方法，其特征在于，包括：

刻蚀绝缘体上硅晶圆，所述绝缘体上硅晶圆包括衬底层（101）、埋氧化层（102）和顶层硅（106），刻蚀所述埋氧化层（102）和所述顶层硅（106）形成限向结构（108）；

在所述限向结构（108）内沉积激光器结构；

刻蚀所述顶层硅（106）形成硅波导器件（103），所述硅波导器件（103）与所述激光器结构的发光层在高度方向上不对准；

在所述埋氧化层（102）、所述激光器结构和所述硅波导器件（103）的表面沉积上覆层（104）；

在所述上覆层（104）上沉积三维波导器件（105）；

其中，所述三维波导器件（105）包括第一端和第二端，所述第一端在水平面上的投影至少部分与所述激光器结构在水平面上的投影重合，所述第二端在水平面上的投影至少部分与所述硅波导器件（103）在水平面上的投影重合；

所述上覆层（104）材质为SiO2、Si3N4或SiON；

所述硅波导器件（103）中设置有激光器反馈谐振腔结构。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀绝缘体上硅晶圆之前，还包括：

提供绝缘体上硅晶圆，在所述绝缘体上硅晶圆的表面淀积图形化掩模（107）。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在所述限向结构（108）内沉积激光器结构之前，还包括：

在所述限向结构（108）内沉积Ge外延层（111），所述Ge外延层（111）设置在所述衬底层（101）上。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述限向结构（108）内沉积激光器结构，包括：

在所述Ge外延层（111）上形成GaAs底层（112）；

在所述GaAs底层（112）上形成InGaAs应力缓冲层（113）；

在所述InGaAs应力缓冲层（113）上形成InGaAs应力释放层（114），所述InGaAs应力缓冲层（113）及InGaAs应力释放层（114）的界面区域形成发光层；

在所述InGaAs应力释放层（114）上形成GaAs帽层（115）。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述在所述上覆层（104）上沉积三维波导器件（105）之前，还包括：

将所述上覆层（104）抛光，控制所述激光器结构上的所述上覆层（104）的厚度为1nm-1000nm。