硅基电注入激光器及其制备方法技术

一种硅基电注入激光器及其制备方法，该制备方法包括：在绝缘硅衬底的上表面生长SiO2层，并在SiO2层的中间位置刻蚀出贯穿SiO2层的第一矩形槽；腐蚀绝缘硅衬底，在与第一矩形槽相对应的位置，形成与第一矩形槽等宽的V型槽；在V型槽和第一矩形槽内生长形成N型位错限制层、N型缓冲层和外延结构；腐蚀去除SiO2层的剩余部分，完成硅基电注入激光器的制备。本发明专利技术由于直接外延采用选区V型槽工艺，不易产生缺陷及反相畴，并可大大降低缓冲层的厚度，因此器件的总体厚度小，降低了硅基光电集成中其余器件工艺实施的难度。

【技术实现步骤摘要】
硅基电注入激光器及其制备方法
本专利技术属于光通信器件领域，更具体地涉及一种硅基电注入激光器及其制备方法。
技术介绍
过去几十年中，微电子技术发展迅猛，COMS器件的特征尺寸已降低到10nm以内。然而伴随着器件尺寸缩小到10nm下，量子效应越加凸显，器件性能越发难以控制，器件的集成度更大，器件结构从二维向三维发展，工艺难度越来越高。因此，人们把延续“摩尔定律”即增强运算或通信能力的希望寄托在光子学特别是光电集成上。目前硅基光子学已高度发展，波导、光放大器、光探测器、光调制器等光子器件都可实现成熟应用，并集成在一起形成硅集成光子芯片。但是，由于硅材料本身是间接带隙半导体，硅材料发光即制作光源十分困难；IIIA-VA族化合物材料为直接带隙，目前广泛用于半导体激光器制造，且半导体激光器体积小、性能优越且技术成熟。所以解决硅基光电集成中光源的缺失，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两种方法，键合与直接外延。键合技术是通过特定贴合工艺将IIIA-VA族化合物激光器放置到硅波导上并将激光器的光引入硅波导，此技术工艺步骤复杂、成品率低，并且每次只能键合少量的激光器，可重复性低，不利于大规模工业生产。直接外延是在硅衬底上直接外延IIIA-VA族化合物材料再进一步制作激光器，但是目前硅衬底直接外延的电注入激光器都需要很厚的缓冲层(微米量级)来减少IIIA-VA族化合物与硅材料之间的晶格失配或反相畴引起的缺陷和热膨胀系数失配，因此有源区与硅衬底高度差太大，无法适用于进一步的硅基光电器件集成工艺。专利技术内容基于以上问题，本专利技术的主要目的在于提出一种硅基电注入激光器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术提出一种硅基电注入激光器，包括：绝缘硅衬底，其上表面的中心位置具有一V型槽；N型位错限制层，形成于V型槽的表面，且其顶部与绝缘硅衬底的上表面平齐；N型缓冲层，位于V型槽内，填满V型槽除N型位错限制层外的其他空间，且其上表面与绝缘硅衬底的上表面平齐；外延结构，形成于N型缓冲层及N型位错限制层的上表面，外延结构与V型槽等宽。进一步地，上述硅基电注入金属激光器还包括：介质层，形成于外延结构上表面及侧面；金属层，形成于介质层的上表面及侧面；以及P型电极；其中，介质层和金属层均延伸至绝缘硅衬底的上表面，且介质层和金属层的上表面有贯穿至外延结构上表面的矩形槽，且矩形槽的四周被介质层和金属层包围；P型电极形成于矩形槽中，其上表面与金属层的上表面平齐。进一步地，上述硅基电注入激光器还包括N型电极，该N型电极形成于绝缘硅衬底上表面、与金属层绝缘的位置。进一步地，上述N型位错限制层、N型缓冲层和外延结构的主体材料为IIIA-VA族化合物材料，例如InP、GaAs、GaInAs等。进一步地，形成N型位错限制层和N型缓冲层的温度为350℃～450℃。进一步地，上述外延结构的宽度为100nm～600nm。为了实现上述目的，作为本专利技术的另一个方面，本专利技术提出一种硅基电注入激光器的制备方法，包括：步骤1、在绝缘硅衬底的上表面生长SiO2层，并在SiO2层的中间位置刻蚀出贯穿SiO2层的第一矩形槽；步骤2、腐蚀绝缘硅衬底，在与第一矩形槽相对应的位置，形成与第一矩形槽等宽的V型槽；步骤3、在V型槽和第一矩形槽内生长形成N型位错限制层、N型缓冲层和外延结构；步骤4、腐蚀去除SiO2层的剩余部分，完成硅基电注入激光器的制备。进一步地，上述步骤3中，在V型槽的表面依次生长形成N型位错限制层和N型缓冲层，N型位错限制层和N型缓冲层的顶部与绝缘硅衬底的上表面平齐，N型缓冲层填满V型槽。进一步地，上述步骤4具体包括以下步骤：步骤4-1、腐蚀去除SiO2层的剩余部分；步骤4-2、在外延结构的上表面和侧面依次沉积介质层和金属层，介质层和金属层均延伸至绝缘硅衬底的上表面；步骤4-3、在介质层和金属层中腐蚀形成贯穿至外延结构的第二矩形槽，第二矩形槽的四周被介质层和金属层所包围；步骤4-4、在第二矩形槽中沉积P型电极，P型电极与金属层的上表面平齐；步骤4-5、在绝缘硅衬底的上表面，与金属层绝缘的位置沉积N型电极，完成硅基电注入激光器的制备。本专利技术提出的硅基电注入激光器及其制备方法，具有以下有益效果：1、由于直接外延采用选区V型槽工艺，不易产生缺陷及反相畴，并可大大降低缓冲层的厚度，因此器件的总体厚度小，降低了硅基光电集成中其余器件工艺实施的难度；2、由于外延结构、介质层和金属层形成“半导体-介质-金属”结构，因此光场集中在金属腔内，能够提高激光器的增益，摆脱常规激光器设计时的尺寸限制效应，实现亚波长纳米级激光器，有利于硅基光源的集成与小型化；3、由于在硅衬底上直接外延IIIA-VA族化合物材料，因此本专利技术提出的硅基电注入激光器的可重复性高，适用于工业生产；并且IIIA-VA族化合物材料有源区所产生的激光可直接进入硅衬底，实现了电注入发光，有利于硅基光电集成。附图说明图1是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器的制备流程图；图2是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器在绝缘硅衬底上生长SiO2层后的横向截面图；图3是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器在形成第一矩形槽后的横向截面图；图4是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器在形成V型槽后的横向截面图；图5是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器在形成外延结构后的横向截面图；图6是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器在腐蚀去除剩余SiO2层后的横向截面图；图7是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器在生长介质层后的横向截面图；图8是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器在形成P型电极后的横向截面图；图9是本专利技术一实施例提出的硅基电注入激光器在完成制备后的横向截面图；图10是本专利技术另一实施例提出的硅基电注入激光器的俯视图；图11是本专利技术另一实施例提出的硅基电注入激光器的沿中心的纵向截面图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。现阶段通过硅衬底V型槽结构选区外延可有效减少反相畴等缺陷及缓冲层厚度，但只实现了光注入激光器，不具备实用性。本专利技术通过硅衬底选区外延可有效抑制IIIA-VA族化合物材料和硅材料之间晶格失配及反相畴等引起的缺陷，在硅基上生长高质量的IIIA-VA化合物材料有源区；并通过金属腔激光器技术，有效增强了光增益，并引入电极，实现了硅基电注入激光器。该激光器发射的光可直接泄露进底部的硅衬底，适用于硅基光电集成与硅基光子学。本专利技术公开了一种硅基电注入激光器，包括：绝缘硅衬底，其上表面的中心位置具有一V型槽；N型位错限制层，形成于V型槽的表面，且其顶部与绝缘硅衬底的上表面平齐；N型缓冲层，位于V型槽内，填满V型槽除N型位错限制层外的其他空间，且其上表面与绝缘硅衬底的上表面平齐；外延结构，形成于N型缓冲层及N型位错限制层的上表面，外延结构与V型槽等宽。在本专利技术的一些实施例中，上述硅基电注入金属激光器还包括：介质层，形成于外延结构上表面及侧面；金属层，形成于介质层的上表面及侧面；以及P型电极；其中，介质层和金属层均延伸至绝缘硅衬本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基电注入激光器，包括：绝缘硅衬底，其上表面的中心位置具有一V型槽；N型位错限制层，形成于所述V型槽的表面上，且其顶部与所述绝缘硅衬底的上表面平齐；N型缓冲层，位于所述V型槽内，填满所述V型槽除所述N型位错限制层外的其他空间，且其上表面与所述绝缘硅衬底的上表面平齐；外延结构，形成于所述N型缓冲层及N型位错限制层的上表面，所述外延结构与所述V型槽等宽。

【技术特征摘要】
1.一种硅基电注入激光器，包括：绝缘硅衬底，其上表面的中心位置具有一V型槽；N型位错限制层，形成于所述V型槽的表面上，且其顶部与所述绝缘硅衬底的上表面平齐；N型缓冲层，位于所述V型槽内，填满所述V型槽除所述N型位错限制层外的其他空间，且其上表面与所述绝缘硅衬底的上表面平齐；外延结构，形成于所述N型缓冲层及N型位错限制层的上表面，所述外延结构与所述V型槽等宽。2.如权利要求1所述的硅基电注入激光器，其中，所述硅基电注入金属激光器还包括：介质层，形成于所述外延结构上表面及侧面；金属层，形成于所述介质层的上表面及侧面；以及P型电极；其中，所述介质层和金属层均延伸至所述绝缘硅衬底的上表面，且所述介质层和金属层的上表面有贯穿至所述外延结构上表面的矩形槽，且所述矩形槽的四周被所述介质层和金属层包围；所述P型电极形成于所述矩形槽中，其上表面与所述金属层的上表面平齐。3.如权利要求2所述的硅基电注入激光器，还包括N型电极，所述N型电极形成于所述绝缘硅衬底上表面、与所述金属层绝缘的位置。4.如权利要求1所述的硅基电注入激光器，其中，所述N型位错限制层、N型缓冲层和外延结构的主体材料均为IIIA-VA族化合物材料；形成所述N型位错限制层和N型缓冲层的温度为350℃～450℃。5.如权利要求1所述的硅基电注入激光器，其中，所述外延结构的宽度为100nm～600nm。6.一种硅基电注入激光器的制备方法，包括：步骤1、在绝缘硅衬底的上表面生长SiO2层，并在所述SiO2层的中间位置刻蚀出贯穿所述SiO2层的第一矩形槽；步骤2、腐蚀所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梦琦，李稚博，周旭亮，李亚节，王鹏飞，潘教青，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11