基于量子点的光电子器件及其制造方法技术

一种在硅衬底上形成光学活性区的方法包括以下步骤：在硅衬底上外延生长硅缓冲层；以及外延生长其中置有多个量子点阵列的ＳｉＧｅ覆层，其中，量子点由与硅缓冲层晶格失配的化合物半导体材料形成。可以将光学活性区结合到诸如发光二极管、激光二极管、和光探测器的器件中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的领域大体上涉及光电子器件及其制造方法。具体地， 本专利技术的领域涉及诸如利用量子点形成的激光二极管、发光二极管、 和光探测器的光电子器件。
技术介绍
对于诸如电信行业的很多行业来说，光电子器件变得日益重要。典型的基于光电的器件包括激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、 和光探测器(PD)。这些器件是用由半导体材料(具有与其上放置 有半导体材料的衬底不同的晶格常数)形成的光学活性区制成的。硅(Si)是一种已知的用于集成电路技术的衬底材料，并且相对于 其在制造集成电路中的应用，硅已经发展成一项成熟的技术基础。 然而，硅不能发射光，因此不能够用在用于发射或检测光辐射的光 电器件的活性部分中。过去，作出过很多努力来将光学活性的化合物半导体材料(例 如，它们发出光辐射)与硅进行集成，但这些努力都没有成功。将 化合物半导体材料集成到硅中的主要障碍在于，由于化合物半导体 材料在硅衬底上的生长而带来的晶体缺陷。这些缺陷是由于相邻的 化合物半导体材料和下面的石圭衬底之间的4交大晶格失配(即，不同 的晶格常数)而产生的结果。例如，在InAs和Si之间存在约11% 的晶4各失配，以及在GaAs和Si之间存在约4%的晶4各失@己。InGaAs 是两种化合物半导体材料(InAs和GaAs)的合金，这种合金发出波长范围乂人0.8 )am到1.5 (am以上的光——这种波长适合于满足当 前电信需要的大多数光纤网络(例如，互联网和其它WAN)。已知当Si〈001〉衬底上外延生长时，InGaAs具有约IO埃的临界 层厚度。因此，能够在Si衬底上外延生长的InGaAs的厚度小于10 埃。比较起来，由InGaAs形成的典型量子阱激光器的厚度约为2000 埃。因此，在InGaAs中发生位错是不可避免的。由外延薄膜弛豫 (relaxation )引起的位错严重限制了包括(例如)半导体激光器的 光电子器件的性能和使用寿命。因此，需要一种在硅衬底上使用化合物半导体材料的器件和方 法。优选地，可以通过在硅衬底上外延形成光电子器件的光学活性 区来得到这种器件。优选地，可以利用少量或有限量的光学活性材 料来形成这种器件。
技术实现思路
形成方法。在本专利技术的一个方面中，使用从化合物半导体材料外延 生长的量子点阵列来在硅村底上形成光学活性区。例如，化合物半 导体材料可以具有与下面的Si衬底的晶4各失配。在本专利技术的另 一 个方面中，当光学活性材料以量子点的形式出 现时，在提供优质性能的同时，使光学活性材料(例如，InGaAs) 的数量或量最小化。例如，可以没有位4晉地形成InGaAs量子点， 例如，光增益。这与基于薄膜的方法相反，在基于薄膜的方法中， 需要更多的材料来达到光学活性的程度，因此，化合物半导体材料 和硅之间的晶格失配导致厚度足以用于光电子应用的层中的较高位 错密度。在本专利技术的一个方面中， 一种在硅衬底上形成光学活性区的方法包括以下步骤在硅衬底上外延生长可选的硅緩沖层；以及外延 生长其中置有多个量子点阵列的^隻层(cladding layer),这些量子点 由与硅緩冲层晶格失配的化合物半导体材料形成。可以将光学活性 区结合到诸如发光二极管、激光二极管、及光探测器的器件中。在本专利技术的另 一个方面中， 一种具有光学活性区的器件包括硅 衬底和在硅衬底上外延生长的SiGe覆层，该SiGe覆层包括通过至 少一个SiGe间隔层隔开的多个InGaAs量子点阵列。在本专利技术的另 一个方面中， 一种在硅衬底上形成光学活性区的 方法包括以下步骤在石圭衬底上外延生长SiGe蚀刻终止(etch-stop ) 层；以及在SiGe蚀刻终止层上外延生长硅緩冲层。然后，外延生长 SiGe覆层，在该SiGe《隻层中外延生长有InGaAs量子点阵列。然后， 蚀刻硅衬底的背面，之后蚀刻SiGe蚀刻终止层，以使硅緩冲层的底 面暴露。可以将上述光学活性区插在两个四分之一波长叠层(stack) 之间以形成垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。本专利技术的目的在于提供一种制造具有由化合物半导体材料形成 的光学活性区的硅基光电子器件的方法。基于这样异质结构(例如， 晶格错配)的器件将具有商业持久性和良好的性能特性。根据本文 所述的方法生产的示例性产品包括Si基光学收发器芯片(optical transceiver chip )、 5敫光二才及管、发光二才及管、和光才笨测器。参考以下附图和优选实施例的描述将显而易见其它特征和优点。附图说明图1A示出了边缘发射激光器的示意图。6图IB示出了表面发射激光器的示意图。 图2示出了制造硅基表面发射激光器的方法的工艺流程图。 具体实施例方式图1A示出了边缘发射激光器10的示意图。边缘发射激光器10 包括p型石圭一于底12。光学活性区14形成在p型石圭4于底12的上表面 上。光学活性区14包括硅(Si)或锗化硅(SiGe)覆层16，在该 覆层中置有一层或多层由化合物半导体材料形成的量子点20的阵 列18。量子点20是一群尺寸小于电子或空穴的量子力学波长 的原子。在本专利技术的一个优选方面中，由具有直接能带隙的半导体 材料形成量子点20。用于量子点20的示例性半导体材料包括 InGaAs、 InGaSb、 PbTe、 CdTe、和CdSe。在一个方面中，由与下 面的硅緩冲层晶格失配(例如，至少5%的晶格失配)的化合物半 导体材冲+形成量子点20。如图1所示，光学活性区14的边纟彖可以 包4舌々虫刻面15。在本专利技术的一个方面中，通过在优先成核点阵列上生长具有直 接能带隙的半导体材料的岛或点来形成各个量子点20的阵列18。 例如，可以通过外延生长i者如SiGe的应变月莫(strained film)及随 后使其经由位错使其松弛引进一连串垂直定向位错线(未示出)来 形成这些成核点。例如，第5，888，885号美国专利7^开了一种制造三 维量子点阵列的方法。该'885专利的全部内容结合于此作为参考。 可将诸如由SiGe形成的层的间隔层22插入相邻量子点阵列18之 间。仍参考图1A,在边缘发射激光器10的情况下，在覆层16上置 有n型硅层24。 n型硅层24还可以重掺杂有n型杂质以利于欧姆接 触。图1A中所7>开的光学活性区14的优点包^^舌当材一+呈量子点20的形式时，非常少量的材料(例如，InGaAs)就足以满足所需的 光电子功能。光学活性区14中处于应变的少量材料减少或减轻了潜 在的晶体缺陷。光学活性区14的第二个优点在于，位错网络允许形 成更有秩序和均匀的量子点20。例如，利用来自浸没的位错网络的 应变场的纳米尺寸图样化形成了尺寸更加均匀的量子点20的分布。 这在通过共^展腔选4奪单个波长的LD的情况下尤其有利。量子点20 的更密尺寸分布使更多的量子点20参与到发射激光的动作中—— 从而减少了所需的光学活性化合物半导体的量。图1B示出了表面发射激光器30的实施例。例如，表面发射激 光器30可以是如图1B所示的硅基垂直腔表面发射激光器 (VCSEL )。表面发射激光器30包括p型石圭衬底32,该p型硅衬底 具有经蚀刻形成了容纳四分之一波长叠层36 (QWS)的腔34的底 面。四分之一波长叠层36是通过以四分之一波长厚度沉积高氐折 射率材料(例如，Si0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在硅衬底上形成光学活性区的方法，包括：　在所述硅衬底上外延生长硅缓冲层；以及　外延生长其中置有多个量子点阵列的覆层，所述量子点由与所述硅缓冲层晶格失配的化合物半导体材料形成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-6-27 11/169,1961. 一种在硅衬底上形成光学活性区的方法，包括在所述硅衬底上外延生长硅缓冲层；以及外延生长其中置有多个量子点阵列的覆层，所述量子点由与所述硅缓冲层晶格失配的化合物半导体材料形成。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述化合物半导体材料选 自由InGaAs、 InGaP、 InGaSb、 CdTe、 CdSe、和PbTe构成的组。3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述覆层包括Si。4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述覆层包括SiGe。5. 根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个间隔层隔开相邻 的量子点阵列。6. —种具有光学活性区的器件，包括石圭冲十A;在所述硅衬底上外延生长的SiGe覆层，所述SiGe覆层包 括通过至少一个SiGe间隔层隔开的多个量子点阵列，所述量 子点由化合物半导体材料形成。7. 根据权利要求6所述的器件，其中，所述光学活性区形成在激 光二极管中。8. 根据权利要求6所述的器件，其中，所述光学活性区形成在发 光二极管中。9. 根据权利要求6所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢亚宏，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]