一种可单片集成的低损耗硅基激光器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可单片集成的低损耗硅基激光器及其制备方法，由下至上包括：SOI基片的硅衬底、二氧化硅绝缘层、顶层本征硅、锗薄膜层构成的衬底、缓冲层、下接触层、量子点或量子阱有源区、上覆盖层及上接触层构成的III

【技术实现步骤摘要】
一种可单片集成的低损耗硅基激光器及其制备方法


[0001]本专利技术属于硅基光电子器件领域，特别涉及一种可单片集成的低损耗硅基激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着集成电路特征尺寸的减小，其成本，信号质量，带宽、功耗等无法满足人们进一步的需求。因此，具有延迟低、带宽大、能耗低等优点的硅基光互连为解决这一难题提供了有效途径。一个完整的光互连系统包含光源、波导、调制器、探测器等。目前，光探测器、光调制器等光子器件和关键工艺都已成熟应用。然而，硅基光源一直没有得到真正的解决，成为制约硅基光子学在面向应用实现大规模光子集成和光电集成时的瓶颈。硅由于是间接带隙半导体材料，给高效硅基光源的实现带来巨大困难，实用化的硅基激光器是半导体科学家们长期奋斗的目标。
[0003]近年来，解决硅基光源的主流思想还是硅基混合集成激光器，具体可以细分为三种：第一种是外部耦合，将封装好的III
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V激光器倒装焊到硅光芯片上，但是该方案需要极高的对准精度，耦合效率低，并且集成度不够高，不利于大规模生产；第二种是混合集成，将III
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V族裸片直接键合在硅芯片上，再制备激光器，但是该方案工艺难度很大，制造成本高；第三种是直接外延，在硅片上外延一层很厚的缓冲层来过滤位错，然后外延III
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V族化合物材料制备硅基激光器。但是由于硅和III
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V材料之间存在原子极性的差异，容易在外延材料中产生反相畴问题，因此，需要在III
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V材料和硅衬底之间生长很厚的缓冲层，但是缓冲层中存在较大的缺陷密度，这导致耦合到硅波导中的效率低，硅上直接外延III
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V材料时控制位错和材料表面的微裂缝都是极具挑战的世界级难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可单片集成的低损耗硅基激光器及其制备方法，通过电泵浦或光泵浦方式产生激光输出，出射激光与SOI上的硅波导直接对准，从而获得很高的耦合效率。
[0005]本专利技术提供一种可单片集成的低损耗硅基激光器，由下至上包括：SOI基片的硅衬底、二氧化硅绝缘层、顶层本征硅、锗薄膜层构成的衬底、缓冲层、下接触层、量子点或量子阱有源区、上覆盖层及上接触层构成的III
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V激光器，和氮化硅波导。
[0006]所述二氧化硅绝缘层位于硅衬底内部。
[0007]所述氮化硅波导通过外延生长而得。
[0008]本专利技术还提供了一种可单片集成的低损耗硅基激光器的制备方法，包括：
[0009](1)在SOI基片的硅衬底上刻蚀出硅槽，在硅槽中通过薄膜生长工艺生长锗；
[0010](2)随后在硅槽中依次外延生长缓冲层、下接触层、量子点或量子阱有源区、上覆盖层和上接触层，即得硅基激光器；
[0011](3)在上述硅基激光器两端通过薄膜生长工艺选区生长二氧化硅绝缘层，在生长
的二氧化硅绝缘层上生长氮化硅层，进行波导掩膜曝光和显影检测，得到显影良好的波导刻蚀区；用干法刻蚀生长的氮化硅，形成氮化硅波导；
[0012](4)分别在上接触层和下接触层上生长Pt/Au金属电极，得到可单片集成的低损耗硅基激光器。
[0013]锗与III
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V材料之间的晶格失配显著小于硅与III
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V材料之间，在锗上外延III
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V材料能有效抑制位错，为实现硅基光源提供了切实可行的解决方案，而且SOI基片制备工艺成熟，能够有效降低制造成本，有良好的产业化前景；更为重要的是该制备理念还可以用于SOI基片上制备其他III
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V族材料与器件，具有很好的通用性。
[0014]本专利技术直接与波导进行耦合，可以有效减少外部耦合引入的损耗，从而提高耦合效率，实现低损耗的硅基光源，进一步推进光互连技术。
[0015]有益效果
[0016]本专利技术通过电泵浦或光泵浦方式产生激光输出，出射激光与SOI上的硅波导直接对准，从而获得很高的耦合效率；器件结构紧凑、信号激光与波导耦合损耗低，可以实现与CMOS工艺兼容的SOI基片上制备量子点或者量子阱激光器，适合于硅基光电集成缺少核心光源的研制，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0017]图1为本专利技术激光器的结构示意图；
[0018]图2为本专利技术激光器的结构立体图；
[0019]图3为本专利技术激光器的结构俯视图；
[0020]图4为本专利技术激光器的结构侧视图；
[0021]图5a
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m为本专利技术激光器的制备过程示意图。
具体实施方式
[0022]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0023]实施例1
[0024]如图5a
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m所示，激光器制备：
[0025](1)为SOI基片(其中硅衬底厚度在200～600um之间，二氧化硅绝缘层(埋氧层)厚度在0.2～2um之间，顶层硅厚度220nm或340nm)；
[0026](2)通过ICP刻蚀工艺在SOI基片上对顶层硅刻蚀出深槽(深槽尺寸可以根据后面激光器制备要求而调整)；
[0027](3)通过薄膜生长工艺(PECVD或LPCVP)在SOI基片上进行选区生长锗，生长位置定位在(2)中刻蚀的硅槽；
[0028](4)对SOI基片表面进行CMP(化学机械抛光)处理，使得生长锗之后的表面平整光滑，至此激光器的衬底制备完成；
[0029](5)在(4)刻蚀的深槽中通过选区分子束外延技术生长n型III
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V缓冲层(如InP材
料)；
[0030](6)在n型III
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V缓冲层上生长n型III
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V下接触层；
[0031](7)在n型III
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V下接触层上生长多个周期的量子阱或量子点有源区(多个周期的生长提供更高的发光效率)；
[0032](8)在量子阱或量子点有源区上生长p型III
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V覆盖层；
[0033](9)在p型III
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V覆盖层上生长p型III
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V上接触层；
[0034](1～9为激光器结构的制备)
[0035](10)在上述制备的激光器结构两端通过薄膜生长工艺选区生长二氧化硅绝缘层；
[0036](11)在(10)生长的二氧化硅绝缘层上生长氮化硅层(选区生长)；
[0037](12)进行波导掩膜曝光和显影检测，得到显影良好的波导刻蚀区；
[0038](13)用干法刻蚀生长的氮化硅，形成氮化硅波导；
[0039](10～13为波导结构的制备)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可单片集成的低损耗硅基激光器，其特征在于：由下至上包括：SOI基片的硅衬底、二氧化硅绝缘层、顶层本征硅、锗薄膜层构成的衬底、缓冲层、下接触层、量子点或量子阱有源区、上覆盖层及上接触层构成的III
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V激光器，和氮化硅波导。2.根据权利要求1所述的低损耗硅基激光器，其特征在于：所述二氧化硅绝缘层位于硅衬底内部。3.根据权利要求1所述的低损耗硅基激光器，其特征在于：所述氮化硅波导通过外延生长而得。4.一种可单片集成的低损耗硅基激光器的制备方法，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：武爱民，刘丽，冯大增，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：