CN114300938B - 一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子级联GaAs‑OI基片上微腔半导体激光器及制备方法，GaAs‑OI复合晶圆包括沿上下方向依次设置的掺镧系稀土离子单晶Si衬底、介质层和单晶GaAs薄膜层；GaAs‑OI复合晶圆的单晶GaAs薄膜层上生长有VCSEL激光器外延结构；GaAs‑OI复合晶圆的Si衬底下表面设有第一反射层，VCSEL激光器外延结构的上表面设有第二反射层。本发明利用半导体VCSEL激光器激射第一波长激光泵浦掺杂在GaAs‑OI复合晶圆结构单晶Si衬底层的镧系稀土离子，产生第二波长的激光；通过绝缘体上半导体结构易于进一步提高片上微腔激光器器件的集成度并抑制器件短沟道效应。

Description

一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种绝缘体上半导体器件，具体涉及一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法。

背景技术

Ge和GaAs等III-V族化合物半导体制备的相关器件，在同样尺寸下，性能明显优于Si基器件。半导体器件的特征尺寸在发展过程中不断变小，生产过程中对器件的集成度要求不断提高，针对半导体器件集成时产生的短沟道效应，绝缘体上半导体结构(SOI)的薄膜全耗尽模式可以免受短沟道效应带来的干扰，实现器件的大规模集成。

通过掺镧系稀土离子固体激光器激射1550nm波长的激光在SiO₂材料中相对较低的吸收损耗，常用于通讯领域；而对上述固体激光器的光泵浦常常采用特定工作波长的半导体激光器。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法。

本发明公开了一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，包括：GaAs-OI复合晶圆；

所述GaAs-OI复合晶圆包括沿上下方向依次设置的掺镧系稀土离子单晶Si衬底、介质层和单晶GaAs薄膜层；

所述GaAs-OI复合晶圆的单晶GaAs薄膜层上生长有VCSEL激光器外延结构；

所述GaAs-OI复合晶圆的Si衬底下表面设有第一反射层，所述VCSEL激光器外延结构的上表面设有第二反射层，以构成片上微腔激光器的谐振模式。

作为本发明的进一步改进，所述GaAs-OI复合晶圆由施主晶圆上表面结构和受主晶圆上表面结构键合而成；

所述施主晶圆上表面结构包括依次设置在施主晶圆上的所述单晶GaAs薄膜层和第一介质层；

所述受主晶圆上表面结构包括设置在所述掺镧系稀土离子单晶Si衬底上的第二介质层；

所述第一介质层和第二介质层键合形成所述介质层，分离所述单晶GaAs薄膜层和施主晶圆，使所述单晶GaAs薄膜层留在所述掺镧系稀土离子单晶Si衬底上，形成所述GaAs-OI复合晶圆。

作为本发明的进一步改进，所述施主晶圆为GaAs衬底或Ge衬底，所述第一介质层和第二介质层采用同一介质材料，所述介质材料包括SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃和AlN中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述单晶GaAs薄膜层和施主晶圆分离的方法为离子切割。

作为本发明的进一步改进，所述掺镧系稀土离子单晶Si衬底是通过扩散法、离子注入法或熔融混合法向单晶Si衬底掺杂镧系稀土离子。

作为本发明的进一步改进，所述VCSEL激光器外延结构为顶发射型或底发射型。

作为本发明的进一步改进，当所述VCSEL激光器外延结构为顶发射型，则所述第一反射层为半反射型、所述第二反射层为全反射型；

当所述VCSEL激光器外延结构为底发射型，则所述第一反射层为全反射型、所述第二反射层为半反射型。

作为本发明的进一步改进，所述VCSEL激光器外延结构激射的第一波长激光在所述GaAs-OI复合晶圆的掺镧系稀土离子单晶Si衬底处泵浦，使镧系稀土离子相关能级上粒子数反转，激射相应能级第二波长激光；所述第一反射层和第二反射层为对第二波长反射的反射层。

作为本发明的进一步改进，所述第一反射层和第二反射层为蒸镀的反射膜或二次外延生长的DBR结构。

本发明还公开了一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器的制备方法，包括：

步骤1、制备GaAs-OI复合晶圆：

在GaAs衬底上依次外延生长单晶GaAs薄膜层、第一介质层；

向单晶Si衬底掺杂镧系稀土离子，制得掺镧系稀土离子单晶Si衬底；在掺镧系稀土离子单晶Si衬底的表面生长第二介质层；

将第一介质层和第二介质层键合，形成复合晶圆；

向需要分离的GaAs衬底区域注入H⁺并退火进行离子切割工艺，在注入氢离子投影射程范围附近引起晶片的横向分裂，完成单晶GaAs薄膜层向Si衬底上的转移，制得GaAs-OI复合晶圆；

步骤2、在所述GaAs-OI复合晶圆的GaAs单晶薄膜层表面外延生长VCSEL激光器外延结构，得到GaAs-OI基VCSEL激光器；

步骤3、在GaAs-OI复合晶圆的单晶Si衬底下表面制作针对第二波长激光的第一反射层，在VCSEL激光器外延结构上表面制作针对第二波长激光的第二反射层。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用半导体VCSEL激光器激射第一波长激光泵浦掺杂在GaAs-OI复合晶圆结构单晶Si衬底层的镧系稀土离子，使其能级从基态I_15/2激发到I_11/2能级上，由无辐射弛豫到I_13/2这个亚稳态能级并相对基态能级形成粒子数反转，最终产生第二波长的激光；通过绝缘体上半导体结构易于进一步提高片上微腔激光器器件的集成度并抑制器件短沟道效应。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器的结构示意图；

图2为本发明一种实施例公开的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器的制备方法流程图；

图3为本发明实施例1公开的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器的制备流程图；

图4为本发明实施例2公开的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器的制备流程图。

图中：

10、掺镧系稀土离子单晶Si衬底；20、介质层；30、单晶GaAs薄膜层；40、VCSEL激光器外延结构；50、第一反射层；60、第二反射层；

A、键合；B、离子切割；C、研磨抛光；D、蒸镀；E、二次外延。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，包括：GaAs-OI复合晶圆、VCSEL激光器外延结构40、第一反射层50和第二反射层60；其中，

本发明的GaAs-OI复合晶圆包括沿上下方向依次设置的掺镧系稀土离子单晶Si衬底10、介质层20和单晶GaAs薄膜层30；GaAs-OI复合晶圆的单晶GaAs薄膜层30上生长有VCSEL激光器外延结构40，GaAs-OI复合晶圆的Si衬底10下表面设有第一反射层50，VCSEL激光器外延结构40的上表面设有第二反射层60；掺镧系稀土离子单晶Si衬底10、介质层20和单晶GaAs薄膜层30和VCSEL激光器外延结构40构成GaAs-OI基VCSEL激光器，第一反射层50和第二反射层60构成片上微腔激光器的谐振模式

具体的：

本发明的GaAs-OI复合晶圆由施主晶圆上表面结构和受主晶圆上表面结构通过二者介质层键合、分裂转移施主晶圆上的GaAs单晶薄膜层30至受主晶圆表面结构上形成，施主晶圆上表面结构包括依次设置在施主晶圆衬底(GaAs衬底或Ge衬底)上的过渡层、单晶GaAs薄膜层30和第一介质层，受主晶圆上表面结构包括设置在受主晶圆(掺镧系稀土离子单晶Si衬底10)上的第二介质层；施主晶圆上表面结构的第一介质层和受主晶圆上表面结构的第二介质层键合形成如图1所示的介质层20，介质层20为GaAs-OI的埋氧化层；而后自过渡层处分离单晶GaAs薄膜层30和施主晶圆，使单晶GaAs薄膜层30留在掺镧系稀土离子单晶Si衬底10上，形成GaAs-OI复合晶圆。

进一步，过渡层为石墨过渡层或氢离子注入层，当为石墨过渡层时，单晶GaAs薄膜层和施主晶圆分离的方法横向施加作用力；当为氢离子注入层时，单晶GaAs薄膜层和施主晶圆分离的方法为离子切割(smart-cut)，通过离子切割复合晶圆分离GaAs衬底后，残留的GaAs衬底薄层可通过研磨抛光得到完全去除，并使单晶GaAs薄膜层平整，利于后续外延结构的生长。

进一步，第一介质层和第二介质层采用同一介质材料，便于直接键合，介质材料包括SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃和AlN中的一种。

进一步，掺镧系稀土离子单晶Si衬底10是通过扩散法、离子注入法或熔融混合法向单晶Si衬底掺杂镧系稀土离子以制得。

本发明的VCSEL激光器外延结构40包括N-DBR层、下波导层、有源区、上波导层、氧化限制层和P-DBR层；VCSEL激光器外延结构40为顶发射型或底发射型，当VCSEL激光器外延结构40为顶发射型，则第一反射层50为半反射型、第二反射层60为全反射型；当VCSEL激光器外延结构40为底发射型，则第一反射层50为全反射型、第二反射层60为半反射型。其中，VCSEL激光器外延结构40激射的第一波长激光在GaAs-OI复合晶圆的掺镧系稀土离子单晶Si衬底处泵浦，使镧系稀土离子相关能级上粒子数反转，激射相应能级第二波长激光，第一反射层50和第二反射层60为对第二波长反射的反射层。

进一步，第一反射层50和第二反射层60为蒸镀的反射膜或二次外延生长的DBR结构。

如图2所示，本发明提供一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器的制备方法，包括：

步骤1、制备GaAs-OI复合晶圆：

步骤11.在GaAs衬底上依次外延生长单晶GaAs薄膜层30、第一介质层；

步骤12.向单晶Si衬底掺杂镧系稀土离子，制得掺镧系稀土离子单晶Si衬底10；在掺镧系稀土离子单晶Si衬底的表面生长第二介质层；其中，

若采用扩散法，则在Si衬底表面溅射一层镧系稀土元素金属层，在扩散炉内高温扩散，使Si衬底层接近上表面的一定区域内扩散得到均匀的掺镧系稀土离子层；

若采用离子注入法，则在单晶Si衬底上表面注入相应镧系稀土离子，形成均匀的掺杂区域；

若采用熔融混合法，则掺杂过程在单晶Si衬底的制备过程中，将镧系稀土金属和Si在熔融状态下均匀混合，并生长成掺杂型的Si体晶(bulk crystal)，最后将形成的晶棒切割成所需掺杂镧系稀土离子的单晶Si晶圆。

步骤13.将第一介质层和第二介质层键合为介质层20，形成复合晶圆；

步骤14.向需要分离的GaAs衬底区域注入H+并退火进行离子切割工艺，在注入氢离子投影射程范围附近引起晶片的横向分裂，通过研磨抛光去除残留GaAs衬底薄层，并使单晶GaAs薄膜层平整，完成单晶GaAs薄膜层向Si衬底上的转移，制得GaAs-OI复合晶圆；

步骤2、在GaAs-OI复合晶圆的GaAs单晶薄膜层表面外延生长VCSEL激光器外延结构，包括：N-DBR层、下波导层、有源区、上波导层、氧化限制层、P-DBR层；刻蚀VCSEL台面、湿法氧化或H⁺离子注入制作氧化孔径、溅射金属制做N接触、P接触，得到GaAs-OI基VCSEL激光器；

步骤3、在GaAs-OI复合晶圆的单晶Si衬底下表面制作针对第二波长激光的第一反射层，在VCSEL激光器外延结构上表面制作针对第二波长激光的第二反射层；其中，第一反射层50和第二反射层60可为蒸镀的Si3N4薄膜或二次外延生长的DBR结构；如反射结构为二次外延生长的DBR结构，VCSEL的P接触则在二次外延生长结束后制备于上DBR结构表面。

实施例1：

如图3所示，本发明提供一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法，包括：

采用MBE在GaAs衬底上外延生长GaAs单晶薄膜层；进一步，GaAs单晶薄膜层的厚度为100-1000nm，优选为100-500nm；

在GaAs单晶薄膜层上制备SiO₂介质层；具体的制备方法为：采用SiH₄、N₂O两种气体作为反应气体，采用PECVD法在200℃条件下制备出SiO₂介质层；

向单晶Si衬底掺杂镧系稀土离子，采用扩散法，将Si片清洗后在Si衬底表面在Ar气压为3Pa、电流为0.06A条件下，直流溅射一层纯度99.99％的厚度为30nm的Er金属层，在扩散炉内1100℃高温及湿Ar气体环境下扩散约70小时，使Si衬底层接近上表面的一定区域内扩散得到均匀的掺镧系稀土离子层；利用PECVD在掺杂后的单晶Si衬底上制备SiO2介质层；GaAs-OI复合晶圆制备为将上述制得两种衬底上的结构以同材料的介质层之间，通过原子间力键合的方式进行直接键合，使施主晶圆、受主晶圆紧密结合；

通过向需要分离的GaAs衬底区域注入H⁺并退火，在注入氢离子投影射程范围附近引起晶片的横向分裂，通过研磨抛光去除残留GaAs衬底薄层，并使单晶GaAs薄膜层平整，得到高质量的GaAs单晶薄膜层表面，利于后续外延结构的生长，以完成单晶GaAs薄膜向Si衬底上的转移，制得含掺镧系稀土离子的GaAs-OI复合晶圆。

在GaAs-OI复合晶圆单晶GaAs上表面一次外延生长N-DBR层、P-DBR层、下波导层、有源区、上波导层、氧化限制层、P-DBR层；得到底发射VCSEL外延片；经曝光、正胶显影以及相关流程的光刻工艺后，刻蚀VCSEL台面，刻蚀深度达有源区下；湿法氧化制作氧化孔径；经曝光、负胶显影以及相关流程的光刻工艺后，由PECVD溅射金属制作N电极；RIE刻蚀对VCSEL激光器开孔；由PECVD溅射金属制作P电极；得到GaAs-OI基底发射VCSEL激光器；

在上述步骤制得掺镧系稀土离子的GaAs-OI基底发射VCSEL激光器P电极上表面、复合晶圆掺镧系稀土离子单晶Si衬底下表面分别蒸镀针对第二波长激光的半反射Si₃N₄薄膜，反射率大于50％，优选地，反射率大于98％，以及全反射Si₃N₄薄膜，反射率大于99.99％。

上述结构构成发射第二波长激光的光子级联GaAs-OI基片上微腔激光器。

实施例2：

如图4所示，本发明提供一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器及制备方法，包括：

采用MBE在GaAs衬底上外延生长GaAs单晶薄膜层；进一步，GaAs单晶薄膜层的厚度为100-1000nm，优选为100-500nm；

在GaAs单晶薄膜层上制备SiO₂介质层；具体的制备方法为：采用SiH₄、N₂O两种气体作为反应气体，采用PECVD法在200℃条件下制备出SiO₂介质层；

向单晶Si衬底掺杂镧系稀土离子，采用熔融混合法，则掺杂过程发生在在单晶Si衬底的制备过程中；将镧系稀土金属和Si在熔融状态下均匀混合，并生长成掺杂型的Si体晶(bulk crystal)，最后将形成的晶棒切割成所需掺杂镧系稀土离子的单晶Si晶圆，作为掺杂Er³⁺的单晶Si衬底；

利用PECVD在掺杂后的单晶Si衬底上制备SiO₂介质层，GaAs-OI复合晶圆制备为将上述制得两种衬底上的结构以同材料的介质层之间，通过原子间力键合的方式进行直接键合，使施主晶圆、受主晶圆紧密结合；

通过向需要分离的GaAs衬底区域注入H⁺并退火，在注入氢离子投影射程范围附近引起晶片的横向分裂，通过研磨抛光去除残留GaAs衬底薄层，并使单晶GaAs薄膜层平整，得到高质量的GaAs单晶薄膜层表面，利于后续外延结构的生长，以完成单晶GaAs薄膜向Si衬底上的转移，制得含掺镧系稀土离子的GaAs-OI复合晶圆；

在GaAs-OI复合晶圆单晶GaAs上表面一次外延生长针对1550nm波长激光的下反射DBR结构、针对光泵浦源工作波长976nm波长VCSEL激光器的N-DBR层、下波导层、有源区、上波导层、氧化限制层、P-DBR层，得到底发射VCSEL外延片；经曝光、正胶显影以及相关流程的光刻工艺后，刻蚀VCSEL台面，刻蚀深度达有源区下；湿法氧化制作氧化孔径；经曝光、负胶显影以及相关流程的光刻工艺后，由PECVD溅射金属制作N电极；RIE刻蚀对VCSEL激光器开孔；再由二次外延工艺，在VCSEL的P-DBR上表面外延生长针对1550nm波长激光的上反射DBR结构；最后由PECVD溅射金属制作P电极；得到掺镧系稀土离子GaAs-OI基底发射VCSEL激光器及其上下反射结构对受光子级联泵浦后的1550nm波长进行振荡，激射出光；

在上述步骤制得掺镧系稀土离子的GaAs-OI基底发射VCSEL激光器上反射结构DBR等效反射率应大于80％，优选地，反射率大于98％，下反射结构DBR等效反射率应大于99.99％。

上述结构构成发射1550nm波长激光的光子级联GaAs-OI基片上微腔激光器。

本发明的优点为：

区别于传统固体掺镧系稀土离子激光器结构，本发明将泵浦用半导体VCSEL激光器制作在GaAs-OI复合晶圆上，且将复合晶圆的Si衬底由离子注入掺杂镧系稀土离子，并分别在VCSEL器件顶部、复合晶圆底部制作反射结构形成“回音壁”谐振模式；基于此，本发明利用半导体VCSEL激光器激射第一波长激光泵浦掺杂在GaAs-OI复合晶圆结构单晶Si衬底层的镧系稀土离子，使其能级从基态I_15/2激发到I_11/2能级上，由无辐射弛豫到I_13/2这个亚稳态能级并相对基态能级形成粒子数反转，最终产生第二波长的激光；同时，通过绝缘体上半导体结构易于进一步提高片上微腔激光器器件的集成度并抑制器件短沟道效应。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，其特征在于，包括：GaAs-OI复合晶圆；

所述GaAs-OI复合晶圆包括沿上下方向依次设置的掺镧系稀土离子单晶Si衬底、介质层和单晶GaAs薄膜层；

所述GaAs-OI复合晶圆的单晶GaAs薄膜层上生长有VCSEL激光器外延结构；

所述GaAs-OI复合晶圆的Si衬底下表面设有第一反射层，所述VCSEL激光器外延结构的上表面设有第二反射层，以构成片上微腔激光器的谐振模式；

所述VCSEL激光器外延结构激射的第一波长激光在所述GaAs-OI复合晶圆的掺镧系稀土离子单晶Si衬底处泵浦，使镧系稀土离子相关能级上粒子数反转，激射相应能级第二波长激光；所述第一反射层和第二反射层为对第二波长反射的反射层。

2.如权利要求1所述的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，其特征在于，所述GaAs-OI复合晶圆由施主晶圆上表面结构和受主晶圆上表面结构键合而成；

所述施主晶圆上表面结构包括依次设置在施主晶圆上的所述单晶GaAs薄膜层和第一介质层；

所述受主晶圆上表面结构包括设置在所述掺镧系稀土离子单晶Si衬底上的第二介质层；

所述第一介质层和第二介质层键合形成所述介质层，分离所述单晶GaAs薄膜层和施主晶圆，使所述单晶GaAs薄膜层留在所述掺镧系稀土离子单晶Si衬底上，形成所述GaAs-OI复合晶圆。

3.如权利要求2所述的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，其特征在于，所述施主晶圆为GaAs衬底或Ge衬底，所述第一介质层和第二介质层采用同一介质材料，所述介质材料包括SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃和AlN中的一种。

4.如权利要求2所述的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，其特征在于，所述单晶GaAs薄膜层和施主晶圆分离的方法为离子切割。

5.如权利要求1～4中任一项所述的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，其特征在于，所述掺镧系稀土离子单晶Si衬底是通过扩散法、离子注入法或熔融混合法向单晶Si衬底掺杂镧系稀土离子。

6.如权利要求1～4中任一项所述的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，其特征在于，所述VCSEL激光器外延结构为顶发射型或底发射型。

7.如权利要求6所述的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，其特征在于，当所述VCSEL激光器外延结构为顶发射型，则所述第一反射层为半反射型、所述第二反射层为全反射型；

当所述VCSEL激光器外延结构为底发射型，则所述第一反射层为全反射型、所述第二反射层为半反射型。

8.如权利要求1～4中任一项所述的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器，其特征在于，所述第一反射层和第二反射层为蒸镀的反射膜或二次外延生长的DBR结构。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的光子级联GaAs-OI基片上微腔半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1、制备GaAs-OI复合晶圆：

在GaAs衬底上依次外延生长单晶GaAs薄膜层、第一介质层；

向单晶Si衬底掺杂镧系稀土离子，制得掺镧系稀土离子单晶Si衬底；在掺镧系稀土离子单晶Si衬底的表面生长第二介质层；

将第一介质层和第二介质层键合，形成复合晶圆；

向需要分离的GaAs衬底区域注入H⁺并退火进行离子切割工艺，在注入氢离子投影射程范围附近引起晶片的横向分裂，完成单晶GaAs薄膜层向Si衬底上的转移，制得GaAs-OI复合晶圆；

步骤2、在所述GaAs-OI复合晶圆的GaAs单晶薄膜层表面外延生长VCSEL激光器外延结构，得到GaAs-OI基VCSEL激光器；

步骤3、在GaAs-OI复合晶圆的单晶Si衬底下表面制作针对第二波长激光的第一反射层，在VCSEL激光器外延结构上表面制作针对第二波长激光的第二反射层。

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