电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法技术

本公开提供了一种电注入硅基III‑V族纳米激光器阵列的制备方法，包括：在SOI衬底上沉积二氧化硅，在二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟槽；腐蚀SOI衬底，在矩形沟槽的下方腐蚀出V形沟槽；在V形沟槽和矩形沟槽中生长III‑V族激光器外延结构并将顶部抛光；刻蚀III‑V族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成FP腔；沉积二氧化硅隔离层，刻蚀掉FP腔端面以外的二氧化硅隔离层，使二氧化硅隔离层覆盖在FP腔端面上；制备P电极金属图形和N电极金属图形；在FP腔上表面、P电极金属图形和二氧化硅隔离层之间的III‑V族激光器外延结构上制备二阶耦合光栅。本公开电注入硅基III‑V族纳米激光器阵列的制备方法，工艺简单，易于实现，制造成本低。

Fabrication of silicon implanted III-V family nanowire arrays

The present disclosure provides a method for fabricating electro-implanted silicon-based III V nanolaser arrays, including: deposition of silicon dioxide on SOI substrates, etching periodic rectangular grooves on silicon dioxide; etching SOI substrates, etching V-grooves below rectangular grooves; and growing III V-grooves in V-grooves and rectangular grooves. Laser epitaxy structure and top polishing; etching III V laser epitaxy structure and silicon dioxide on both sides of rectangular groove to form FP cavity; depositing silicon dioxide isolation layer, etching silicon dioxide isolation layer outside the end of FP cavity, making silicon dioxide isolation layer cover the end of FP cavity; preparing P electrode metal pattern and N electricity. The second-order coupled gratings are fabricated on the surface of FP cavity, the metal pattern of P electrode and the epitaxy structure of III V group lasers between silica isolation layers. The invention discloses a preparation method of electro-implanted silicon-based III_V nano laser array, which has simple process, easy realization and low manufacturing cost.

【技术实现步骤摘要】
电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法
本公开涉及光电子
，特别涉及一种电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法。
技术介绍
信息技术是社会发展的主要驱动力之一，在其发展进程中，现代集成电路技术一直保持着超高速度的发展，硅基晶体管的高度集成是现代集成电路技术的基础与核心。为了满足信息时代对数据的计算与处理的更高要求，集成电路按照摩尔定律，通过不断缩小器件特征尺寸，以提高器件的性能，并实现更大规模的集成。随着集成电路技术发展到10纳米技术节点以下，硅集成电路技术在速度、功耗、集成度、可靠性等方面受到一系列基本物理问题和工艺技术的限制，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进则面临挑战。然而，处于信息大爆炸时代的我们，对信息的传输、处理和存储能力的要求日益增高，为了突破电互连瓶颈，人们开始将目光转向光电子领域，即采用光子作为信号传输的载体。为了满足高性能计算机高速发展的技术需求，片上光互连技术已经成为急待解决的关键性技术。为此，将微电子和光电子结合起来，既能充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成及价格低廉的优势，又能充分发挥光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优点。硅基的光波导、光开关、光调制器和光探测器等基本光学器件已经发展比较成熟。2015年，美国加州大学伯克利分校、麻省理工学院和科罗拉多大学合作研究证明了在同一个硅基芯片内通信采用光互联技术的可行性。在该实验中，所有电子和光学器件都被制造在同一个硅基芯片内，但其最重要的部分“光源”却是外置的固体激光器。由于硅材料本身是间接带隙半导体，其辐射复合发光效率极低，以及硅中存在的俄歇复合和自由载流子吸收效应严重阻碍了光放大，因此，在硅基集成光子研究中，最大的难题是在硅衬底上集成实用化的光源器件。近年来，硅基上异质集成III-V材料的方法逐渐受到科研人员的青睐，这将会进一步推进硅基光互联的快速发展。目前，利用高深宽比限制技术，在V形硅沟槽内生长的III-V族纳米材料，已能实现光致激光激射；但是，由于器件尺寸小，受工艺技术的限制，难以制备金属电极，导致难以实现电致激光激射。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法，包括：在SOI衬底上沉积二氧化硅，在所沉积的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟楷；腐蚀所述SOI衬底，在所述矩形沟楷的下方腐蚀出V形沟槽；在所述V形沟槽和矩形沟槽中生长III-V族激光器外延结构；将所述III-V族激光器外延结构的顶部抛光，刻蚀所述III-V族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成FP腔；沉积二氧化硅隔离层，刻蚀掉所述FP腔端面以外的二氧化硅隔离层，使二氧化硅隔离层覆盖在FP腔端面上；制备P电极金属图形和N电极金属图形；在FP腔上表面、P电极金属图形和二氧化硅隔离层之间的III-V族激光器外延结构上制备二阶耦合光栅，由此完成所述电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备。在一些实施例中，利用FIB方法或利用光刻技术和ICP方法，制备所述二阶耦合光栅；利用KOH溶液腐蚀SOI衬底，在矩形沟槽的下方腐蚀出V形沟槽；采用干法刻蚀III-V族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成FP腔；溅射P电极金属，在FP腔上表面制备P电极金属图形；利用光刻技术和带胶剥离法，在N型缓冲层上制备N电极金属图形。在一些实施例中，所选用的SOI衬底顶层硅厚度H≥500nm，所述矩形沟槽宽度W与SOI衬底顶层硅厚度H之间关系为H≤W≤2Htan35.2°，矩形沟槽深度等于所沉积的二氧化硅厚度，矩形沟槽的深宽比≥2。在一些实施例中，所腐蚀出的V形沟槽顶部宽度大于等于矩形沟槽宽度，所述V形沟槽深度小于所述SOI衬底顶层硅厚度H。在一些实施例中，将所述III-V族激光器外延结构顶部抛光后，粗糙度小于1nm，顶层材料为P型接触层材料。在一些实施例中，在所述V形沟槽和矩形沟槽中生长的所述III-V族激光器外延结构包括5层，从下至上依次为：N型缓冲层，下包层，量子阱有源区，上包层及P型接触层。在一些实施例中，在通过刻蚀形成FP腔时，刻蚀停止于N型缓冲层，FP腔长度在50nm～1000μm之间。在一些实施例中，所沉积的二氧化硅隔离层厚度为100～200nm，所述二氧化硅隔离层覆盖在FP腔端面上，且覆盖在N型缓冲层和P型接触层上的长度之和小于5μm。在一些实施例中，在制备P电极金属图形时，仅保留FP腔上表面的P电极金属，与P型接触层形成欧姆接触，所述P电极金属材料为Ti/Au；在FP腔长度方向上，所述P电极金属图形的长度比FP腔的长度短20～60μm，且位于FP腔中间。在一些实施例中，所制备的N电极金属覆盖在N型缓冲层上，与所述N型缓冲层形成欧姆接触，所述N电极金属材料为AuGeNi/Au，厚度为100～1000nm；所述N电极金属覆盖FP腔两端面上的二氧化硅隔离层，但不接触P接触层，从而在III-V族材料的FP腔两端面形成“金属-二氧化硅-半导体”结构。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法至少具有以下有益效果其中之一：(1)本公开电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法，工艺简单，易于实现，制造成本低。(2)本公开电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法，在III-V族材料的FP腔两端面，利用N电极金属对光场产生的强反射作用来提高激光器的品质因子；再利用二阶耦合光栅，将不断放大的激光从器件的上表面出射出去。本公开为硅基III-V族纳米激光器外延片提供了一种实现电注入的方案，解决了因器件尺寸小而导致的金属电极难以制备的难题。附图说明通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。图1至图10为本公开制备电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的流程图，其中：图1为在SOI衬底上制备矩形沟槽后的结构示意图；图2为在SOI衬底的顶层硅上制备V形沟槽后的结构示意图；图3为在V形沟槽和矩形沟槽内外延III-V族材料后的结构示意图；图4为III-V族激光器外延结构图；图5为将III-V族外延材料顶部磨平抛光后的结构示意图；图6为干法刻蚀FP腔后的结构示意图；图7为在FP腔两端面制备二氧化硅隔离层后的结构示意图；图8为制备P电极金属图形后的结构示意图；图9为制备N电极金属图形后的结构示意图；图10为制备二阶耦合光栅后的结构示意图。<符号说明>1-SOI衬底、2-二氧化硅、3-矩形沟槽、4-V形沟槽、5-III-V族激光器外延结构、5.1-N型缓冲层、5.2-下包层、5.3-量子阱有源区、5.4-上包层，5.5-P型接触层、6-二氧化硅隔离层、7-P电极金属图形、8-N电极金属图形、9-二阶耦合光栅。具体实施方式为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电注入硅基III‑V族纳米激光器阵列的制备方法，包括：在SOI衬底上沉积二氧化硅，在所沉积的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟槽；腐蚀所述SOI衬底，在所述矩形沟槽的下方腐蚀出V形沟槽；在所述V形沟槽和矩形沟槽中生长III‑V族激光器外延结构；将所述III‑V族激光器外延结构的顶部抛光，刻蚀所述III‑V族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成FP腔；沉积二氧化硅隔离层，刻蚀掉所述FP腔端面以外的二氧化硅隔离层，使二氧化硅隔离层覆盖在FP腔端面上；制备P电极金属图形和N电极金属图形；在FP腔上表面、P电极金属图形和二氧化硅隔离层之间的III‑V族激光器外延结构上制备二阶耦合光栅，由此完成所述电注入硅基III‑V族纳米激光器阵列的制备。

【技术特征摘要】
1.一种电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法，包括：在SOI衬底上沉积二氧化硅，在所沉积的二氧化硅上刻蚀出周期性的矩形沟槽；腐蚀所述SOI衬底，在所述矩形沟槽的下方腐蚀出V形沟槽；在所述V形沟槽和矩形沟槽中生长III-V族激光器外延结构；将所述III-V族激光器外延结构的顶部抛光，刻蚀所述III-V族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成FP腔；沉积二氧化硅隔离层，刻蚀掉所述FP腔端面以外的二氧化硅隔离层，使二氧化硅隔离层覆盖在FP腔端面上；制备P电极金属图形和N电极金属图形；在FP腔上表面、P电极金属图形和二氧化硅隔离层之间的III-V族激光器外延结构上制备二阶耦合光栅，由此完成所述电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备。2.根据权利要求1所述的电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法，其中，利用FIB方法或利用光刻技术和ICP方法，制备所述二阶耦合光栅；利用KOH溶液腐蚀SOI衬底，在矩形沟槽的下方腐蚀出V形沟槽；采用干法刻蚀III-V族激光器外延结构和矩形沟槽两边的二氧化硅，形成FP腔；溅射P电极金属，在FP腔上表面制备P电极金属图形；利用光刻技术和带胶剥离法，在N型缓冲层上制备N电极金属图形。3.根据权利要求1所述的电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法，其中，所选用的SOI衬底顶层硅厚度H≥500nm，所述矩形沟槽宽度W与SOI衬底顶层硅厚度H之间关系为H≤W≤2Htan35.2°，矩形沟槽深度等于所沉积的二氧化硅厚度，矩形沟槽的深宽比≥2。4.根据权利要求1所述的电注入硅基III-V族纳米激光器阵列的制备方法，其中，所腐蚀出的V形沟槽顶部宽度大于等于矩形沟槽宽度，所述V形沟槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚节，周旭亮，王梦琦，王鹏飞，孟芳媛，李召松，于红艳，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