一种硅基带间级联激光器结构、激光器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种硅基带间级联激光器结构、激光器及其制备方法。该硅基带间级联激光器结构包括：自下而上依次为硅衬底、多层缓冲层以及带间级联超晶格层，其中，多层缓冲层是由硅锗半导体层和III

【技术实现步骤摘要】
一种硅基带间级联激光器结构、激光器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体中红外激光器，尤其涉及硅基带间级联激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]20世纪见证了硅基微电子工业无与伦比的成功，而21世纪则见证了光子学的爆炸式增长。硅光子学融合了以上两种领域，有望成为下一代集成电路领域的颠覆性技术。然而，这就要求将各个功能的器件集成到一个硅平台上，虽然硅基调制器和光电探测器已有较成熟的发展，但光源的集成一直是一个挑战，尤其是中红外波段激光器的集成研究还较少。
[0003]中红外波段同时覆盖“大气窗口区”（3
‑
5μm以及8
‑
14μm）和“分子指纹区”，例如CH4, N2O, CO2, CO, H2O, NH3, C2H4, SO2等许多重要分子在中红外波段都具有很强的基频特征指纹吸收谱线，在大气遥感、光谱学分析、医疗诊断、光通讯以及直接红外对抗等领域具有重要的应用价值。
[0004]目前，将中红外激光器集成到硅基上的方法主要为异质集成和直接在硅衬底上外延集成两种。其中异质集成法包括晶圆键合、键合模板上再生长以及转移打印等，但这些方法都有原生衬底昂贵、制作工艺复杂等局限性。而直接在硅衬底上外延集成的方式避免了以上弊端，且集成质量更好，有望实现硅基中红外激光器的大范围应用。
[0005]在中红外激光器中，带间级联激光器（Interband Cascade Laser, ICL）可以涵盖的中红外波长范围更广，且由于其原理上基于带间跃迁，载流子寿命通常由ns量级的俄歇复合决定，弛豫过程长，因此，ICL在室温下工作的阈值电流密度以及阈值功耗在3
‑
6μm以及6μm以上波段要低得多。且基于InAs的ICL结构热导率高，折射率低，表现出低阈值电流密度、更好的散热和高电压效率等优势。
[0006]基于以上描述，硅基ICL将可大规模应用的硅基外延激光器向更长波长的中红外范围拓展，所以如何直接且高质量地在硅基上外延集成ICL成为目前急需要解决的问题。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术的一个方面，提供了一种硅基带间级联激光器结构，包括：Si衬底，多层缓冲层，以及形成于所述多层缓冲层上的带间级联超晶格层，其中多层缓冲层是由硅锗半导体层和III
‑
V族半导体层组成。
[0008]优选地，多层缓冲层自下而上依次为Si1‑
x
Ge
x
、Al
y
Ga1‑
y
As、Al
z
Ga1‑
z
Sb以及In
w
Ga1‑
w
As，其中x、y、z、w为0
‑
1。
[0009]优选地，带间级联超晶格层包括下波导层、下空间扩展层、级联区、上空间扩展层以及上波导层。
[0010]优选地，下波导层和上波导层由等离子体波导层以及超晶格中间包层组成。更优选地，等离子体波导层为Si掺n型InAs等离子体波导层，掺杂浓度为1.0
‑
5.0
×
10
19
/cm3。更
优选地，超晶格中间包层为包括100
‑
500个周期的InAs/AlSb超晶格。
[0011]优选地，下空间扩展层和上空间扩展层为非掺的InAs层。
[0012]优选地，级联区包括有源区、空穴注入区以及电子注入区组成。
[0013]根据本专利技术的另一方面，提供了一种激光器，其特征在于，包括上述硅基带间级联激光器结构、绝缘层和电极，绝缘层位于硅基带间级联激光器结构和电极之间。
[0014]根据本专利技术的另一方面，提供了一种激光器的制备方法，包括：在Si衬底上依次外延Si1‑
x
Ge
x
、Al
y
Ga1‑
y
As、Al
z
Ga1‑
z
Sb以及In
w
Ga1‑
w
As，形成多层缓冲层；接着在多层缓冲层上依次外延生长下波导层、下空间扩展层、级联区、上空间扩展层以及上波导层，形成带间级联超晶格层；在外延片上光刻并刻蚀出脊型波导结构；光刻并硬烘光刻胶做为绝缘层；将Si衬底减薄并抛光；同时在表面蒸镀两个电极；解理巴条，制成单个激光器。
[0015]从上述技术方案可以看出,本专利技术的硅基带间级联激光器结构通过多层缓冲层（如Si1‑
x
Ge
x
（x=0
‑
1）、Al
y
Ga1‑
y
As（y=0
‑
1）、Al
z
Ga1‑
z
Sb（z=0
‑
1）以及In
w
Ga1‑
w
As（w=0
‑
1）等层）的过渡，解决了III
‑
V族化合物与Si衬底的失配问题，实现了波长更长、性能优异的带间级联激光器结构在硅衬底上的直接外延集成，将可大规模应用的硅基外延激光器向更长波长的中红外范围拓展，且避免了传统的键合等异质集成方式工艺复杂，原生衬底昂贵等弊端。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的硅基带间级联激光器结构示意图。
[0017]图2为本专利技术的硅基带间级联激光器结构中多层缓冲层的结构示意图。
[0018]图3为本专利技术的硅基带间级联激光器结构中带间级联超晶格层的结构示意图。
[0019]图4为本专利技术的带间级联超晶格层中级联区能带模拟图。
[0020]图5为本专利技术的激光器的结构示意图。
[0021]图6为本专利技术的激光器的制备方法流程图。
[0022]图7为Si基Ge上生长GaAs的 TEM 截面图。
[0023]图8为GaAs上生长GaSb的AFM图。
具体实施方式
[0024]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，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0025]本专利技术提供了一种硅基带间级联激光器结构、激光器及其制备方法，通过Si1‑
x
Ge
x
（x=0
‑
1）、Al
y
Ga1‑
y
As（y=0
‑
1）、Al
z
Ga1‑
z
Sb（z=0
‑
1）以及In
w
Ga1‑
w
As（w=0
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基带间级联激光器结构，其特征在于，包括：Si衬底，多层缓冲层，以及形成于所述多层缓冲层上的带间级联超晶格层，其中，所述多层缓冲层是由硅锗半导体层和III
‑
V族半导体层组成。2.根据权利要求1所述的硅基带间级联激光器结构，其特征在于，所述多层缓冲层自下而上依次为Si1‑
x
Ge
x
、Al
y
Ga1‑
y
As、Al
z
Ga1‑
z
Sb以及In
w
Ga1‑
w
As，其中x、y、z、w为0
‑
1。3.根据权利要求1所述的硅基带间级联激光器结构，其特征在于，所述带间级联超晶格层包括下波导层、下空间扩展层、级联区、上空间扩展层以及上波导层。4.根据权利要求3所述的硅基带间级联激光器结构，其特征在于，所述级联区包括有源区、空穴注入区以及电子注入区。5.根据权利要求3所述的硅基带间级联激光器结构，其特征在于，所述上空间扩展层及下空间扩展层为非掺的InAs层。6.根据权利要求3所述的硅基带间级联激光器结构，其特征在于，所述上波导层及下波导层由等离子体波导层以及超晶格中间包层组成。7.根据权利要求6所述的硅基带间级联激光器结构，其特征在于，所述等离子体波导层为Si掺n型InAs等离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈琳，廖俊杰，张克冬，谢景龙，李晨，芦红，
申请(专利权)人：南京磊帮半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：