一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体激光器的技术领域，尤其涉及一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：步骤101：在单晶硅衬底上制备条形图形掩膜；步骤102：刻蚀V型槽窗口；步骤103：在所述V型槽窗口区中选区生长缓冲层；步骤104：横向生长合并层；步骤105：生长应变超晶格位错阻挡层；步骤106：生长n型欧姆接触层；步骤107：生长n型下限制层；步骤108：生长下波导层；步骤109：生长多层量子点有源区；步骤110：生长上波导层；步骤111：生长p型上限制层；步骤112：生长p型欧姆接触层，完成制备。本发明专利技术有效改善激光器外延材料生长质量，提高激光器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法
本专利技术涉及半导体激光器的
，尤其涉及一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法。
技术介绍
基于硅衬底的微电子技术推动着现代社会在不断的发展，目前各种以微电子技术为基础的信息通信产品已经深入到人们生活的各个方面，包括手机、计算机、智能汽车、全球定位系统等几乎一切需要用到芯片的场景。由于信息的爆炸性增长，人们对数据容量和数据传输速率的要求也越来越高。微电子技术是通过电来传输处理信息的。电子由于具有真实质量，在传输处理过程中会受到传输介质中其它原子的阻碍，从而导致电互连中数据传输速率受到限制，而且功耗巨大。特别是，数据中心、超大规模的超级计算机、下一代通信网络等需要大规模数据处理的应用场景下，目前所使用的基于微电子技术的微电子器件和微电子集成电路难以为继。硅基光子集成电路具有与目前CMOS技术兼容、低的损耗、高的数据传输速率、宽的可用带宽等优势。因此，通过硅基光电集成技术将微电子技术的工艺优势和光子技术的性能优势结合，可以有效解决目前超大数据容量和超高数据传输速率的问题。为了实现硅基光电集成，需要将各种光子器件制备在无偏角的单晶硅(001)衬底上。目前，在无偏角的硅(001)衬底上制备出性能良好的硅基激光器是硅基光电集成中最需要解决的研究课题。人们已经提出各种方法制备硅基激光器，包括多孔硅技术、硅纳米晶体技术、硅拉曼激光器技术、铒掺杂硅激光器、硅衬底上锗激光器和硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器。其中直接外延硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器是最有希望的一种方法，目前得到极大地关注。硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器实现产品化面临的最大障碍是硅衬底与Ⅲ-Ⅴ族材料之间存在晶格常数不匹配、热膨胀系数不匹配、极性不匹配(反相畴)等问题。这些因素会导致激光器外延材料生长过程中出现高密度的穿透位错，进而影响激光器的发光性能。人们已经提出了多种方法来解决硅材料与Ⅲ-Ⅴ族材料之间的兼容性问题，包括高低温两步外延、缓冲层法和应变超晶格位错阻挡层法等。最近，采用硅衬底上V型槽图形化衬底的技术来实现硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器成为研究人员的研究重点。该方法主要是在硅衬底上沉积一层二氧化硅制备图形掩膜结构，然后通过各向异性湿法腐蚀的方法在硅衬底上刻蚀出V型槽图形窗口结构，最后在该图形窗口结构中外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料。该方法可以有效的消除硅衬底与Ⅲ-Ⅴ族材料界面的反相畴。另外，V型槽窗口结构可以捕获堆垛层错，二氧化硅的侧壁可以阻挡穿透位错。因此，该方法可以降低位错对有源区的影响，提高激光器的发光性能。目前，研究人员已经在利用V型槽硅图形衬底方法制备硅基Ⅲ-Ⅴ族激光器外延材料方面取得了一些进展。例如美国加州大学圣塔芭芭拉分校和香港科技大学的研究人员已经利用V型槽硅图形衬底的方法成功实现了室温下电泵浦的1.3微米InAs/InGaAs量子点激光器和1.5微米InGaAs/InAlGaAs量子阱激光器。他们在硅基V型槽窗口中采用两步法生长GaAs缓冲层或者InP缓冲层，形成类似GaAs的衬底或者InP的衬底，从而生长对应材料系的激光器结构。但是这种通过缓冲层过渡的方法会使得激光器有源区结构到衬底的部分太厚，不利于硅基光电集成，而且使得激光器外延材料生长时间过长。鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法成为本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料及制备方法，有效改善激光器外延材料生长质量，提高激光器的性能，极大的降低成本，更加符合产业化的需求。为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种1.55微米波长硅基量子点激光器外延材料的制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：步骤101：在单晶硅衬底上制备条形图形掩膜；步骤102：在所述硅衬底上刻蚀V型槽窗口；步骤103：在所述V型槽窗口区中选区生长缓冲层；步骤104：在所述缓冲层上横向生长合并层；步骤105：在所述合并层上生长应变超晶格位错阻挡层；步骤106：在所述位错阻挡层上生长n型欧姆接触层；步骤107：在所述n型欧姆接触层上生长n型下限制层；步骤108：在所述n型下限制层上生长下波导层；步骤109：在所述下波导层上生长多层量子点有源区；步骤110：在所述量子点有源区上生长上波导层；步骤111：在所述上波导层上生长p型上限制层；步骤112：在所述p型上限制层上生长p型欧姆接触层，完成制备。按以上技术方案，所述步骤101具体包括：在单晶硅(001)衬底上制备SiO2条形图形掩膜。利用等离子体增强化学气相沉淀(PECVD)方法生长一定厚度的SiO2层。然后，利用激光全息或深紫外光刻技术，将设计好的条形窗口图形转移到SiO2层上。最后，运用反应离子刻蚀(RIE)或感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术，刻蚀出条形图形掩膜。按以上技术方案，所述步骤102具体包括：硅衬底首先通过5％(体积比)的氢氟酸(HF)清洗，去除表面的氧化物。然后将硅衬底放入KOH溶液中进行各向异性的湿法腐蚀，形成V型槽。按以上技术方案，所述步骤103具体包括：将刻蚀有V型槽的硅衬底放入MOCVD反应室中，在氢气环境下升温到220℃烘烤15-30分钟，然后在氢气和砷烷混合气体环境下升温到750-800℃，烘烤15-30分钟；烘烤结束适当降温后开始通过选区外延方式生长缓冲层，分为两步：第一步是生长低温缓冲层，将反应室温度降到400-420℃生长15-20nm的In0.23Ga0.77As低温缓冲层，通入三甲基镓、三甲基铟和砷烷；第二步是生长高温缓冲层，将反应室温度升高到600-700℃，通入三甲基镓、三甲基铟和砷烷，当In0.23Ga0.77As高温缓冲层生长厚度超出图形掩膜高度后停止生长。按以上技术方案，所述步骤104具体包括：首先横向合并In0.23Ga0.77As材料，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷，Ⅴ/Ⅲ比为400；然后是平面生长In0.23Ga0.77As材料，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷。按以上技术方案，所述步骤105具体包括：依次生长10nm的In0.2Ga0.8As和10nm的In0.3Ga0.7As，温度都为600-650℃，分别通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷，该过程循环4-6次；然后生长一层250nm厚的In0.23Ga0.77As间隔层；上述过程重复3-5次。按以上技术方案，所述步骤106具体包括：生长厚度为200-500nm的n型In0.23Ga0.77As欧姆接触层，Si掺杂源掺杂浓度为5×1018-1019cm-3，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓、砷烷和硅烷。按以上技术方案，所述步骤107具体包括：生长厚度为1.0-1.6微米的n型In0.23(Al0.5Ga0.5)0.77As下限制层，Si掺杂源掺杂浓度为5×1017-1018cm-3，温度为600-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种1.55μm波长硅基量子点激光器外延材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤101：在单晶硅衬底上制备条形图形掩膜；/n步骤102：在所述硅衬底上刻蚀V型槽窗口；/n步骤103：在所述V型槽窗口区中选区生长缓冲层；/n步骤104：在所述缓冲层上横向生长合并层；/n步骤105：在所述合并层上生长应变超晶格位错阻挡层；/n步骤106：在所述位错阻挡层上生长n型欧姆接触层；/n步骤107：在所述n型欧姆接触层上生长n型下限制层；/n步骤108：在所述n型下限制层上生长下波导层；/n步骤109：在所述下波导层上生长多层量子点有源区；/n步骤110：在所述量子点有源区上生长上波导层；/n步骤111：在所述上波导层上生长p型上限制层；/n步骤112：在所述p型上限制层上生长p型欧姆接触层，完成制备。/n

【技术特征摘要】
1.一种1.55μm波长硅基量子点激光器外延材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101：在单晶硅衬底上制备条形图形掩膜；
步骤102：在所述硅衬底上刻蚀V型槽窗口；
步骤103：在所述V型槽窗口区中选区生长缓冲层；
步骤104：在所述缓冲层上横向生长合并层；
步骤105：在所述合并层上生长应变超晶格位错阻挡层；
步骤106：在所述位错阻挡层上生长n型欧姆接触层；
步骤107：在所述n型欧姆接触层上生长n型下限制层；
步骤108：在所述n型下限制层上生长下波导层；
步骤109：在所述下波导层上生长多层量子点有源区；
步骤110：在所述量子点有源区上生长上波导层；
步骤111：在所述上波导层上生长p型上限制层；
步骤112：在所述p型上限制层上生长p型欧姆接触层，完成制备。


2.根据权利要求1所述的1.55μm波长硅基量子点激光器外延材料的制备方法，其特征在于：所述步骤103具体包括：将刻蚀有V型槽的硅衬底放入MOCVD反应室中，在氢气环境下升温到220℃烘烤15-30分钟，然后在氢气和砷烷混合气体环境下升温到750-800℃，烘烤15-30分钟；烘烤结束适当降温后开始通过选区外延方式生长缓冲层，分为两步：第一步是生长低温缓冲层，将反应室温度降到400-420℃生长15-20nm的In0.23Ga0.77As低温缓冲层，通入三甲基镓、三甲基铟和砷烷；第二步是生长高温缓冲层，将反应室温度升高到600-700℃，通入三甲基镓、三甲基铟和砷烷，当In0.23Ga0.77As高温缓冲层生长厚度超出图形掩膜高度后停止生长。


3.根据权利要求1所述的1.55μm波长硅基量子点激光器外延材料的制备方法，其特征在于：所述步骤104具体包括：首先横向合并In0.23Ga0.77As材料，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷，Ⅴ/Ⅲ比为400；然后是平面生长In0.23Ga0.77As材料，温度为600-700℃，通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷。


4.根据权利要求1所述的1.55μm波长硅基量子点激光器外延材料的制备方法，其特征在于：所述步骤105具体包括：依次生长10nm的In0.2Ga0.8As和10nm的In0.3Ga0.7As，温度都为600-650℃，分别通入三甲基铟、三甲基镓和砷烷，该过程循环4-6次；然后生长一层250nm厚的In0.23Ga0.77As间隔层；上述过程重复3-5次。


5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，罗帅，季海铭，徐鹏飞，王岩，
申请(专利权)人：江苏华兴激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32