本發(fā)明屬于光通信器件領域，更具體地涉及一種硅基電注入激光器及其制備方法。

背景技術：

過去幾十年中，微電子技術發(fā)展迅猛，coms器件的特征尺寸已降低到10nm以內(nèi)。然而伴隨著器件尺寸縮小到10nm下，量子效應越加凸顯，器件性能越發(fā)難以控制，器件的集成度更大，器件結構從二維向三維發(fā)展，工藝難度越來越高。因此，人們把延續(xù)“摩爾定律”即增強運算或通信能力的希望寄托在光子學特別是光電集成上。目前硅基光子學已高度發(fā)展，波導、光放大器、光探測器、光調(diào)制器等光子器件都可實現(xiàn)成熟應用，并集成在一起形成硅集成光子芯片。

但是，由于硅材料本身是間接帶隙半導體，硅材料發(fā)光即制作光源十分困難；iiia-va族化合物材料為直接帶隙，目前廣泛用于半導體激光器制造，且半導體激光器體積小、性能優(yōu)越且技術成熟。所以解決硅基光電集成中光源的缺失，最好的方法是引入iiia-va族化合物材料制作光源器件。

目前，在硅基上引入iiia-va族化合物激光器主要有兩種方法，鍵合與直接外延。鍵合技術是通過特定貼合工藝將iiia-va族化合物激光器放置到硅波導上并將激光器的光引入硅波導，此技術工藝步驟復雜、成品率低，并且每次只能鍵合少量的激光器，可重復性低，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。直接外延是在硅襯底上直接外延iiia-va族化合物材料再進一步制作激光器，但是目前硅襯底直接外延的電注入激光器都需要很厚的緩沖層(微米量級)來減少iiia-va族化合物與硅材料之間的晶格失配或反相疇引起的缺陷和熱膨脹系數(shù)失配，因此有源區(qū)與硅襯底高度差太大，無法適用于進一步的硅基光電器件集成工藝。

技術實現(xiàn)要素：

基于以上問題，本發(fā)明的主要目的在于提出一種硅基電注入激光器及其制備方法，用于解決以上技術問題的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出一種硅基電注入激光器，包括：

絕緣硅襯底，其上表面的中心位置具有一v型槽；

n型位錯限制層，形成于v型槽的表面，且其頂部與絕緣硅襯底的上表面平齊；

n型緩沖層，位于v型槽內(nèi)，填滿v型槽除n型位錯限制層外的其他空間，且其上表面與絕緣硅襯底的上表面平齊；

外延結構，形成于n型緩沖層及n型位錯限制層的上表面，外延結構與v型槽等寬。

進一步地，上述硅基電注入金屬激光器還包括：

介質(zhì)層，形成于外延結構上表面及側面；

金屬層，形成于介質(zhì)層的上表面及側面；以及

p型電極；

其中，介質(zhì)層和金屬層均延伸至絕緣硅襯底的上表面，且介質(zhì)層和金屬層的上表面有貫穿至外延結構上表面的矩形槽，且矩形槽的四周被介質(zhì)層和金屬層包圍；p型電極形成于矩形槽中，其上表面與金屬層的上表面平齊。

進一步地，上述硅基電注入激光器還包括n型電極，該n型電極形成于絕緣硅襯底上表面、與金屬層絕緣的位置。

進一步地，上述n型位錯限制層、n型緩沖層和外延結構的主體材料為iiia-va族化合物材料，例如inp、gaas、gainas等。

進一步地，形成n型位錯限制層和n型緩沖層的溫度為350℃～450℃。

進一步地，上述外延結構的寬度為100nm～600nm。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提出一種硅基電注入激光器的制備方法，包括：

步驟1、在絕緣硅襯底的上表面生長sio2層，并在sio2層的中間位置刻蝕出貫穿sio2層的第一矩形槽；

步驟2、腐蝕絕緣硅襯底，在與第一矩形槽相對應的位置，形成與第一矩形槽等寬的v型槽；

步驟3、在v型槽和第一矩形槽內(nèi)生長形成n型位錯限制層、n型緩沖層和外延結構；

步驟4、腐蝕去除sio2層的剩余部分，完成硅基電注入激光器的制備。

進一步地，上述步驟3中，在v型槽的表面依次生長形成n型位錯限制層和n型緩沖層，n型位錯限制層和n型緩沖層的頂部與絕緣硅襯底的上表面平齊，n型緩沖層填滿v型槽。

進一步地，上述步驟4具體包括以下步驟：

步驟4-1、腐蝕去除sio2層的剩余部分；

步驟4-2、在外延結構的上表面和側面依次沉積介質(zhì)層和金屬層，介質(zhì)層和金屬層均延伸至絕緣硅襯底的上表面；

步驟4-3、在介質(zhì)層和金屬層中腐蝕形成貫穿至外延結構的第二矩形槽，第二矩形槽的四周被介質(zhì)層和金屬層所包圍；

步驟4-4、在第二矩形槽中沉積p型電極，p型電極與金屬層的上表面平齊；

步驟4-5、在絕緣硅襯底的上表面，與金屬層絕緣的位置沉積n型電極，完成硅基電注入激光器的制備。

本發(fā)明提出的硅基電注入激光器及其制備方法，具有以下有益效果：

1、由于直接外延采用選區(qū)v型槽工藝，不易產(chǎn)生缺陷及反相疇，并可大大降低緩沖層的厚度，因此器件的總體厚度小，降低了硅基光電集成中其余器件工藝實施的難度；

2、由于外延結構、介質(zhì)層和金屬層形成“半導體-介質(zhì)-金屬”結構，因此光場集中在金屬腔內(nèi)，能夠提高激光器的增益，擺脫常規(guī)激光器設計時的尺寸限制效應，實現(xiàn)亞波長納米級激光器，有利于硅基光源的集成與小型化；

3、由于在硅襯底上直接外延iiia-va族化合物材料，因此本發(fā)明提出的硅基電注入激光器的可重復性高，適用于工業(yè)生產(chǎn)；并且iiia-va族化合物材料有源區(qū)所產(chǎn)生的激光可直接進入硅襯底，實現(xiàn)了電注入發(fā)光，有利于硅基光電集成。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器的制備流程圖；

圖2是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器在絕緣硅襯底上生長sio2層后的橫向截面圖；

圖3是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器在形成第一矩形槽后的橫向截面圖；

圖4是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器在形成v型槽后的橫向截面圖；

圖5是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器在形成外延結構后的橫向截面圖；

圖6是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器在腐蝕去除剩余sio2層后的橫向截面圖；

圖7是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器在生長介質(zhì)層后的橫向截面圖；

圖8是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器在形成p型電極后的橫向截面圖；

圖9是本發(fā)明一實施例提出的硅基電注入激光器在完成制備后的橫向截面圖；

圖10是本發(fā)明另一實施例提出的硅基電注入激光器的俯視圖；

圖11是本發(fā)明另一實施例提出的硅基電注入激光器的沿中心的縱向截面圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

現(xiàn)階段通過硅襯底v型槽結構選區(qū)外延可有效減少反相疇等缺陷及緩沖層厚度，但只實現(xiàn)了光注入激光器，不具備實用性。

本發(fā)明通過硅襯底選區(qū)外延可有效抑制iiia-va族化合物材料和硅材料之間晶格失配及反相疇等引起的缺陷，在硅基上生長高質(zhì)量的iiia-va化合物材料有源區(qū)；并通過金屬腔激光器技術，有效增強了光增益，并引入電極，實現(xiàn)了硅基電注入激光器。該激光器發(fā)射的光可直接泄露進底部的硅襯底，適用于硅基光電集成與硅基光子學。

本發(fā)明公開了一種硅基電注入激光器，包括：

絕緣硅襯底，其上表面的中心位置具有一v型槽；

n型位錯限制層，形成于v型槽的表面，且其頂部與絕緣硅襯底的上表面平齊；

n型緩沖層，位于v型槽內(nèi)，填滿v型槽除n型位錯限制層外的其他空間，且其上表面與絕緣硅襯底的上表面平齊；

外延結構，形成于n型緩沖層及n型位錯限制層的上表面，外延結構與v型槽等寬。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述硅基電注入金屬激光器還包括：

介質(zhì)層，形成于外延結構上表面及側面；

金屬層，形成于介質(zhì)層的上表面及側面；以及

p型電極；

其中，介質(zhì)層和金屬層均延伸至絕緣硅襯底的上表面，且介質(zhì)層和金屬層的上表面有貫穿至外延結構的矩形槽，矩形槽的四周均被所述介質(zhì)層和金屬層包圍；p型電極形成于矩形槽中，其上表面與金屬層的上表面平齊。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述硅基電注入激光器還包括n型電極，該n型電極形成于絕緣硅襯底上表面、與金屬層絕緣的位置。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型位錯限制層、n型緩沖層和外延結構的主體結構均為iiia-va族化合物材料，該iiia-va族化合物材料指的是一個選自iiia族，一個選自va族，形成的多元化合物材料，例如inp、gaas、ingaas等；由于在硅襯底上直接外延iiia-va族化合物材料，因此本發(fā)明提出的硅基電注入激光器的可重復性高，適用于工業(yè)生產(chǎn)；并且iiia-va族化合物材料有源區(qū)所產(chǎn)生的激光可直接進入硅襯底，實現(xiàn)了電注入發(fā)光，有利于硅基光電集成。

在本發(fā)明的一些實施例中，形成n型位錯限制層和n型緩沖層的溫度為350℃～450℃；從而可抑制“島狀生長”模式，促進“層-層”生長模式，使材料表面更為平滑，有助于后續(xù)材料生長。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述外延結構的寬度為100nm～600nm。

本發(fā)明還公開了一種硅基電注入激光器的制備方法，包括：

步驟1、在絕緣硅襯底的上表面生長sio2層，并在sio2層的的中間位置刻蝕出貫穿sio2層的第一矩形槽；

步驟2、腐蝕絕緣硅襯底，在與第一矩形槽相對應的位置，形成與第一矩形槽等寬的v型槽；

步驟3、在v型槽和第一矩形槽內(nèi)生長形成n型位錯限制層、n型緩沖層和外延結構；

步驟4、腐蝕去除sio2層的剩余部分，完成硅基電注入激光器的制備。

由于直接外延采用選區(qū)v型槽工藝，不易產(chǎn)生缺陷及反相疇，并可大大降低緩沖層的厚度，因此器件的總體厚度小，降低了硅基光電集成中其余器件工藝實施的難度。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述步驟3中，在v型槽的表面依次生長形成n型位錯限制層和n型緩沖層，n型位錯限制層和n型緩沖層的頂部與絕緣硅襯底的上表面平齊，n型緩沖層填滿v型槽。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述步驟4具體包括以下步驟：

步驟4-1、腐蝕去除sio2層的剩余部分；

步驟4-2、在外延結構的上表面和側面依次沉積介質(zhì)層和金屬層，介質(zhì)層和金屬層均延伸至絕緣硅襯底的上表面；

步驟4-3、在介質(zhì)層和金屬層中腐蝕形成貫穿至外延結構的第二矩形槽，第二矩形槽的四周均被介質(zhì)層和金屬層包圍；

步驟4-4、在第二矩形槽中沉積p型電極，p型電極與金屬層的上表面平齊；

步驟4-5、在絕緣硅襯底的上表面、與金屬層絕緣的位置沉積n型電極，完成硅基電注入激光器的制備。

外延結構、介質(zhì)層和金屬層形成“半導體-介質(zhì)-金屬”結構，因此光場集中在金屬腔內(nèi)，可擺脫常規(guī)激光器設計時的尺寸限制效應，實現(xiàn)亞波長納米級激光器，有利于硅基光源的集成與小型化。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述絕緣硅襯底的上表面為si的(100)方向，該絕緣硅襯底具有n型摻雜。

在本發(fā)明的一些實施例中，第一矩形槽的刻蝕深度與sio2層的厚度相同，即為刻蝕到sio2層與絕緣硅襯底的界面。從而在sio2溝槽中，iiia-va族化合物材料中的穿透位錯即缺陷主要沿(111)方向發(fā)展，因此缺陷會斜向發(fā)展到iiia-va族化合物材料與第一矩形槽側壁的界面，在此處釋放應力、終止發(fā)展。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型位錯限制層為n型摻雜的gaas材料，其生長溫度為350℃～450℃，厚度為5nm～20nm。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型緩沖層為n型摻雜inp材料，其生長溫度為350℃～450℃，厚度為生長到v型槽頂部的厚度。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述外延結構包括n型下限制層、有源區(qū)、p型上限制層和p型接觸層；其中n型下限制層為n型摻雜的inp材料，其生長溫度為550℃～680℃，其厚度為50nm～200nm；有源區(qū)為1～5個量子阱結構，材料為gainas/gaas，其中阱材料為gainas，每個阱層的厚度為4nm～8nm，壘材料為inp，每個壘層的厚度為9nm～12nm，有源區(qū)的生長溫度為550℃～680℃；上限制層為p型摻雜的inp材料，其生長溫度為550℃～680℃，其厚度為50nm～200nm；p型接觸層為p型摻雜的gainas材料，其生長溫度為550℃～680℃，其厚度為10nm～50nm。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述介質(zhì)層為sinx或sio2等電介質(zhì)材料，其厚度為5nm～20nm；上述金屬層為ag或au等金屬材料。

在本發(fā)明的一些實施例中，p型電極由能夠形成p型歐姆接觸的材料構成，例如auzn、tiau，其厚度應設置在100nm～1000nm之間，可通過熱蒸發(fā)或磁控濺射技術獲得。

在本發(fā)明的一些實施例中，n型電極可由能形成n型歐姆接觸的材料構成，例如augeni，其厚度應設置在150nm～1000nm之間，可通過熱蒸發(fā)或磁控濺射方法獲得。需要說明的是，n型電極嚴禁與p型電極1有連接。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述外延結構的長度(即與v型槽的v型面垂直的方向)為1μm～10μm，外延結構的寬度與v型槽的寬度相等。

本發(fā)明的一些實施例中，提供了一種硅基電注入激光器的詳細制備方法，包含以下步驟：

步驟1、在絕緣硅襯底的上表面生長sio2層，并在sio2層的中間位置刻蝕出貫穿sio2層的第一矩形槽；具體包括：

步驟1-1、在soi(silicononinsulator)襯底的頂層si上覆蓋生長sio2層；

步驟1-2、使用光刻、icp方法，在sio2層上沿(110)方向刻蝕溝槽，溝槽側壁垂直、刻蝕到sio2層與頂層si界面；

步驟2、腐蝕絕緣硅襯底，在與第一矩形槽相對應的位置，形成與第一矩形槽等寬的v型槽；具體地分別使用hf溶液、去離子水清洗，清除溝槽底部殘余sio2材料、露出頂層si材料，使用koh溶液腐蝕溝槽底部，使形成兩個si(111)面構成v型；

步驟3、使用mocvd技術，在溝槽內(nèi)依次生長iiia-va族化合物材料的n型位錯限制層、n型緩沖層、n型下限制層、有源區(qū)、p型上限制層、p型接觸層；

步驟4、腐蝕去除sio2層的剩余部分，完成硅基電注入激光器的制備；具體地包括以下步驟：

步驟4-1、將soi襯底頂層si上的sio2完全腐蝕去除，使用光刻、icp方法將iiia-va族化合物材料刻蝕成長方體；

步驟4-2、在iiia-va族化合物材料表面沉積介質(zhì)層，在介質(zhì)層表面沉積金屬層；

步驟4-3、通過光刻在頂部金屬層之上定義第二矩形槽區(qū)域，第二矩形槽被介質(zhì)層和金屬層所包圍，通過腐蝕將該區(qū)域內(nèi)的金屬與介質(zhì)去除，沉積金屬，制作p型電極；

步驟4-4、在頂層si上、器件的一側，沉積金屬，制作n型電極。

以下通過具體實施例，對本發(fā)明提出的硅基電注入激光器及其制備方法進行詳細描述。

實施例1

如圖1所示，本實施例提供了一種硅基電注入激光器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、在絕緣硅襯底的上表面生長sio2層，并在sio2層的的中間位置刻蝕出貫穿sio2層的第一矩形槽；具體包括：

步驟1-1、如圖2所示，在soi(silicononinsulator)襯底1的頂層上覆蓋生長sio2層2，該sio2層2的厚度為600nm，可使用熱氧化部分soi襯底1的頂層或pecvd等方法制備，剩余的soi襯底1的頂層厚度為1μm；并且，soi襯底1是n型摻雜的；

步驟1-2、如圖3所示，使用光刻、icp的方法，在sio2層2上沿[110]方向刻蝕形成第一矩形槽3，該第一矩形槽3的寬度為400nm；第一矩形槽3的側壁垂直，刻蝕深度與sio2層2的厚度相同，即為刻蝕到sio2層2與soi襯底1的界面。在sio2溝槽中，iiia-va族化合物材料中的穿透位錯即缺陷主要沿(111)方向發(fā)展，因此缺陷會斜向發(fā)展到iiia-va族化合物材料與sio2溝槽側壁的界面，在此處釋放應力、終止發(fā)展；

步驟2、如圖4所示，腐蝕絕緣硅襯底，在與第一矩形槽相對應的位置，形成與第一矩形槽等寬的v型槽；具體地，分別使用hf溶液、去離子水清洗，清除第一矩形槽3底部殘余的sio2材料、露出頂層soi襯底1，使用koh溶液腐蝕第一矩形槽3的底部，使soi襯底1中形成由兩個si(111)面構成的v型槽4，由于si(111)面為雙原子臺階，可抑制iiia-va族化合物在si上成核時反相疇的形成，減少反相疇邊界這一位錯產(chǎn)生，這一步為后續(xù)第一矩形槽3內(nèi)、soi襯底1上iiia-va族化合物的外延提供了優(yōu)良的初始條件；

步驟3、如圖5所示，在v型槽4和第一矩形槽3內(nèi)生長形成n型位錯限制層5、n型緩沖層6和外延結構；具體地，使用mocvd技術，在第一矩形槽3和v型槽4內(nèi)依次生長iiia-va族化合物材料的n型位錯限制層5、n型緩沖層6、n型下限制層7、有源區(qū)8、p型上限制層9、p型接觸層10；

其中n型位錯限制層5為n型摻雜gaas材料，生長溫度為400℃，厚度為10nm；n型位錯限制層5生長時，ga源使用tega，使低溫生長時ga源的分解效率更高；n型緩沖層6為n型摻雜inp材料，生長溫度為400℃，厚度為生長到v型槽4的頂部；n型下限制層7為n型摻雜inp材料，生長溫度為650℃，厚度為150nm；有源區(qū)8為gainas/gaas量子阱，量子阱周期為4，生長溫度為650℃，阱材料為gainas，厚度為5nm，壘材料為inp，厚度為10nm；p型上限制層9為p型摻雜inp材料，生長溫度為650℃，厚度為150nm；p型接觸層10為p型摻雜gainas材料，生長溫度為650℃，厚度為20nm。

其中采用的mocvd方法，生長n型位錯限制層5和n型緩沖層6時采用400℃的低溫生長，可抑制“島狀生長”模式，促進“層-層”生長模式，使材料表面更為平滑，有助于后續(xù)材料生長。

步驟4、腐蝕去除sio2層2的剩余部分，完成硅基電注入激光器的制備；具體地包括以下步驟：

步驟4-1、如圖6所示，將soi襯底1頂層上的sio2層2完全腐蝕去除，使用光刻、icp方法將iiia-va族化合物材料刻蝕成長方體；該長方體，沿與v型槽v型面垂直的方向，即(110)方向，長度為6μm，寬度保持溝槽內(nèi)外延材料的寬度，可略微腐蝕長方體側面，使側壁更光滑；

步驟4-2、如圖7所示，在iiia-va族化合物材料表面及側面沉積一介質(zhì)層11，材料為sinx電介質(zhì)，厚度為10nm；在介質(zhì)層表面及側面沉積一金屬層12，材料為au金屬；

步驟4-3、如圖8所示，通過光刻、腐蝕等工藝，在p型接觸層10上方的介質(zhì)層11與金屬層12上開窗口，制作p型電極13；p型電極13由能夠形成p型歐姆接觸的材料構成，本實施例中p型電極13采用材料為tiau，厚度為200nm，通過磁控濺射技術獲得；

步驟4-4、如圖9所示，在soi襯底1的上表面、器件的一側，制作n型電極14，n型電極14可由能形成n型歐姆接觸的材料構成，本實施例的n型電極14采用augeni材料，厚度為300nm，通過熱蒸發(fā)技術獲得。需要說明的是，n型電極14嚴禁與p型電極13有連接。

實施例2

如圖9所示，本實施例提出一種硅基電注入激光器，包括：

絕緣硅襯底1，其上表面的中心位置具有一v型槽4；

n型位錯限制層5，形成于v型槽4的表面，且其上表面與絕緣硅襯底2平齊；

n型緩沖層6，位于v型槽4內(nèi)，填滿v型槽4除n型位錯限制層5外的其他空間，且其上表面與絕緣硅襯底1平齊；

外延結構，形成于n型緩沖層6及n型位錯限制層5的上表面，外延結構與v型槽4等寬。

其中，上述硅基電注入激光器還包括：

介質(zhì)層11，形成于外延結構上表面及側面；

金屬層12，形成于介質(zhì)層11的上表面及側面；以及

p型電極13；

其中，介質(zhì)層11和金屬層12均延伸至絕緣硅襯底1的上表面，且介質(zhì)層11和金屬層12的上表面有貫穿至外延結構的矩形槽，矩形槽的四周均被介質(zhì)層11和金屬層12所包圍；p型電極13形成于矩形槽中，其上表面與金屬層12的上表面平齊。

上述硅基電注入激光器還包括n型電極13，該n型電極形成于絕緣硅襯底上表面、與金屬層絕緣的位置；

其中，外延結構具體包括n型下限制層7、有源區(qū)8、p型上限制層9和p型接觸層10。

本實施例提出的硅基電注入激光器可采用實施例1中的制備方法，制備得到。如圖9所示為本實施例提出的硅基電注入激光器的橫向(即與v型槽的v型面平行的方向)中心截面圖，圖10為硅基電注入激光器的俯視圖，而圖11是該激光器的縱向(即與v型槽的v型面垂直的方向)中心截面圖。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。