專利名稱：基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法。
背景技術(shù)：
對于光電子集成電路(Optoelectronic Integrated Circuit, OEIC)的發(fā)展來說，最大的問題是缺少硅基光源。硅材料作為微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是最為廣泛研究的半導(dǎo)體材料；硅加工技術(shù)的成熟程度遠(yuǎn)高于III-V族化合物半導(dǎo)體材料。然而，硅基發(fā)光問題一直沒有得到很好地解決?？紤]到基于GaAs、InP激光器的成熟發(fā)展以及其與標(biāo)準(zhǔn)電路工藝的不兼容，硅基III-V族化合物半導(dǎo)體激光器的制備是解決硅基光互連問題的一個可行性方案。作為光纖通信用波長之一，850nm波長激光主要基于GaAs襯底的激光器產(chǎn)生；硅基 850nm激光器的研制對光互連問題的解決意義重大。同時，硅材料會對850nm的光會產(chǎn)生強烈的吸收，硅基850nm激光器的研發(fā)和以后的使用必須注意解決這個問題。在Si襯底上外延高質(zhì)量的III-V族半導(dǎo)體材料是制備Si基激光器的前提。 GaAs是研究較為成熟的III-V族材料，本方法采用GaAs作為III-V的代表來研究外延問題。Si和GaAs的晶格適配較大1%)，熱失配較大(Si和GaAs的熱膨脹系數(shù)分別為 2. 59X ΙΟΙ—1，5. 75X ΙΟΙ—1)，因此在異質(zhì)外延時會產(chǎn)生大量的位錯。同時，由于極性材料在非極性襯底上外延以及襯底臺階的存在，外延層中會產(chǎn)生大量的反相疇(Anti-phase domain, APD)，反相疇邊界(Anti-phase boundary, APB)是載流子的散射和復(fù)合中心，同時在禁帶引入缺陷能級。這些位錯和反相疇邊界會一直延伸到外延層的表面，嚴(yán)重影響了外延層的質(zhì)量。Si基III-V族材料的生長必須解決這兩個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，該方法可制備高質(zhì)量Si基贗GaAs材料，為Si基光互聯(lián)提供基礎(chǔ)，該類型850nm激光器可以與傳統(tǒng)硅工藝兼容，也是解決OEIC中硅基發(fā)光問題的一個途徑。該方法通過采用( 作為緩沖層并結(jié)合低溫緩沖層技術(shù)和外延與Ge匹配的贗砷化鎵緩沖層來得到高質(zhì)量的激光器材料。本發(fā)明提供一種基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，包括以下步驟步驟1 采用UHVCVD方法在襯底上生長第一緩沖層；步驟2 將生長有第一緩沖層的襯底，立即放入MOCVD反應(yīng)室并進(jìn)行700°C高溫處理；步驟3 采用低壓MOCVD的方法，在第一緩沖層上外延第二緩沖層；步驟4 在第二緩沖層上生長贗GaAs層；步驟5 采用MOCVD的方法，在贗GaAs層上生長850nm激光器結(jié)構(gòu)，該850nm激光器結(jié)構(gòu)包括依次生長的Ala5GEta5As下包層、Ala3GEta7As下波導(dǎo)、InGaAs有源區(qū)、Ala 3G￡tQ. 7As 上波導(dǎo)層、Ala5GEta5As上包層和贗GaAs接觸層；步驟6 在850nm激光器結(jié)構(gòu)上面的贗GaAs接觸層上刻蝕，形成脊條；步驟7 在外延片的上表面及脊條的側(cè)面生成二氧化硅絕緣層；步驟8 在脊條的上面制作電極窗口 ；步驟9 在二氧化硅絕緣層及電極窗口上制作鈦鉬金電極，減薄后，在襯底的背面制作金鍺鎳電極，完成激光器的制備。本發(fā)明的特點是1、用UHVCVD方法與MOCVD結(jié)合，在Si襯底生長高質(zhì)量的Ge緩沖層和高質(zhì)量的 III-V材料。2、低溫緩沖層使GaAs/Ge界面的反相疇得到有效抑制，通過改變生長原料，降低生長溫度，優(yōu)化生長速率等其他參數(shù)，減少異質(zhì)界面的缺陷，提高外延層的質(zhì)量。3、在砷化鎵緩沖層摻入銦源，得到低銦組分的與鍺襯底晶格匹配的贗砷化鎵過渡層是抑制缺陷獲得高質(zhì)量激光器結(jié)構(gòu)的重要步驟。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1-圖5為本發(fā)明基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法流程圖。
具體實施例方式請參閱圖1至圖5，本發(fā)明提供一種基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，包括以下步驟步驟1 采用UHVCVD方法在襯底1上生長第一緩沖層2。其中，襯底1為η型低阻 (001)硅，偏<110>4° ；第一緩沖層2的材料為Ge。步驟2 將生長有第一緩沖層2的襯底1，立即放入MOCVD反應(yīng)室并進(jìn)行700°C高溫處理，時間是20min。步驟3 采用低壓MOCVD的方法，在第一緩沖層2上外延第二緩沖層3。其中，第二緩沖層3的材料為GaAs，采用MOCVD生長第二緩沖層3的條件是，反應(yīng)室壓力IOOmBar,叔丁基二氫砷和三乙基鎵為原料，生長過程中叔丁基二氫砷和三乙基鎵的輸入摩爾流量比V/ III在40-50之間，生長速率在0. 1-0. 3nm/s,厚度lOOnm，溫度在400_450°C，溫度下降到生長溫度后，先通叔丁基二氫砷5min。步驟4 在第二緩沖層3上生長贗GaAs層4。其中，贗GaAs層4為與Ge晶格匹配的InGaAs材料，只是h的組分極少，大約1. 1%，生長贗GaAs層4的條件是，砷烷、三甲基銦和三甲基鎵為原料，生長過程中輸入摩爾流量比V/III在30-50之間，溫度620-650°C，生長速率為0. 5-1. Onm/s厚度2微米；生長第二緩沖層3和贗GaAs層4時，重?fù)诫s雙硅烷，摻雜濃度大于IX IO18cnT3。步驟5 采用MOCVD的方法，在贗GaAs層4上生長850nm激光器結(jié)構(gòu)，該850nm激光器結(jié)構(gòu)包括依次生長的，Al0.5Ga0.5As下包層5、Al0.3Ga0.7As下波導(dǎo)6、InGaAs有源區(qū)7、Al0.3Ga0.7As上波導(dǎo)層Sjla5GEta5As上包層9和贗GaAs接觸層10。其中，850nm激光器結(jié)構(gòu)中的Ala5GEta5As上包層9包括了一層光柵層余下的Ala5GEta5As上包層9和贗GaAs接觸層 10進(jìn)行的為二次外延，贗GaAs接觸層10是采用四溴化碳摻雜，摻雜濃度大于lX1019cm_3。步驟6 在850nm激光器結(jié)構(gòu)上面的贗GaAs接觸層10上刻蝕，形成脊條101。步驟7 在外延片的上表面及脊條101的側(cè)面生成二氧化硅絕緣層11。步驟8 在脊條101的上面制作電極窗口 111。步驟9 在二氧化硅絕緣層11及電極窗口 111上制作鈦鉬金電極12，減薄后，在襯底1的背面制作金鍺鎳電極13，完成激光器的制備。本方法中利用Ge作為Si和GaAs的過渡層，鍺襯底和砷化鎵有較小的晶格失配 (大約-0. 08 % )和熱膨脹系數(shù)差(鍺5 X 10-6K-1，砷化鎵5. 75 X 10-6K-1)。同時，低溫GaAs 緩沖層采用叔丁基二氫砷和三乙基鎵代替通常采用的砷烷和三甲基鎵，降低生長溫度，降低生長速率，促進(jìn)APB的自消除效應(yīng)的產(chǎn)生。然后，在生長頂層砷化鎵時，加入少量的銦源， 以抵消鍺襯底和砷化鎵的晶格失配和熱膨脹系數(shù)造成的缺陷。這樣得到高質(zhì)量InGaAs層 (In的組分大約0. 011%)的帶隙、折射率、載流子遷移率等光電性質(zhì)與純GaAs材料大致近似，但是有稍微的差別，故稱為贗砷化鎵(pseudo gallium arsenide) 0在此基礎(chǔ)上得到高質(zhì)量的贗砷化鎵襯底，然后進(jìn)行激光器機構(gòu)的外延，制備850nm激光器。雖然本發(fā)明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，包括以下步驟步驟1 采用UHVCVD方法在襯底上生長第一緩沖層；步驟2 將生長有第一緩沖層的襯底，立即放入MOCVD反應(yīng)室并進(jìn)行700°C高溫處理；步驟3 采用低壓MOCVD的方法，在第一緩沖層上外延第二緩沖層；步驟4 在第二緩沖層上生長贗GaAs層；步驟5 采用MOCVD的方法，在贗GaAs層上生長850nm激光器結(jié)構(gòu)，該850nm激光器結(jié)構(gòu)包括依次生長的Ala5GEia5As下包層、Al0.3Ga0.7As下波導(dǎo)、InGaAs有源區(qū)、Al0.3Ga0.7As上波導(dǎo)層、Ala5GEta5As上包層和贗GaAs接觸層；步驟6 在850nm激光器結(jié)構(gòu)上面的贗GaAs接觸層上刻蝕，形成脊條；步驟7 在外延片的上表面及脊條的側(cè)面生成二氧化硅絕緣層；步驟8 在脊條的上面制作電極窗口 ；步驟9 在二氧化硅絕緣層及電極窗口上制作鈦鉬金電極，減薄后，在襯底的背面制作金鍺鎳電極，完成激光器的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，其中襯底為η型低阻(001)硅，偏<110>4°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，其中第一緩沖層的材料為Ge，第二緩沖層的材料為GaAs，贗GaAs層的材料為與Ge晶格匹配的 InGaAs 層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，其中 700°C高溫處理襯底的時間是20min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，其中采用MOCVD生長第二緩沖層的條件是，反應(yīng)室壓力IOOmBar,叔丁基二氫砷和三乙基鎵為原料，生長過程中叔丁基二氫砷和三乙基鎵的輸入摩爾流量比V/III在40-50之間，生長速率在0. 1-0. 3nm/s，厚度10-20nm，溫度在400-450°C，溫度下降到生長溫度后，先通叔丁基二氧石申5min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，其中生長贗GaAs層的條件是，砷烷、三甲基銦和三甲基鎵為原料，生長過程中輸入摩爾流量比V/ III在30-50之間，溫度620-650°C，生長速率為0. 5-1. Onm/s，厚度為2微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，其中生長第二緩沖層和贗GaAs層時，重?fù)诫s雙硅烷，摻雜濃度大于1 X 108cm_3。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，其中 850nm激光器結(jié)構(gòu)中的贗GaAs接觸層是采用四溴化碳摻雜，摻雜濃度大于1 X 101W3。
全文摘要
一種基于硅基贗砷化鎵襯底的850nm激光器的制備方法，包括以下步驟采用UHVCVD方法在襯底上生長第一緩沖層；將生長有第一緩沖層的襯底，放入MOCVD反應(yīng)室并進(jìn)行700℃高溫處理；在第一緩沖層上外延第二緩沖層；在第二緩沖層上生長贗GaAs層；在贗GaAs層上生長850nm激光器結(jié)構(gòu)，該850nm激光器結(jié)構(gòu)包括依次生長的Al0.5Ga0.5As下包層、Al0.3Ga0.7As下波導(dǎo)、InGaAs有源區(qū)、Al0.3Ga0.7As上波導(dǎo)層、Al0.5Ga0.5As上包層和贗GaAs接觸層；在850nm激光器結(jié)構(gòu)上面的贗GaAs接觸層上刻蝕，形成脊條；在外延片的上表面及脊條的側(cè)面生成二氧化硅絕緣層；在脊條的上面制作電極窗口；在二氧化硅絕緣層及電極窗口上制作鈦鉑金電極，減薄后，在襯底的背面制作金鍺鎳電極，完成激光器的制備。
文檔編號H01S5/323GK102570305SQ20121005729
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者于紅艷, 周旭亮, 潘教青, 王圩, 趙玲娟 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所