采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法

文档序号:7054839阅读:266来源:国知局
专利名称:采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别是指一种采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法。
背景技术
硅材料作为微电子技术的基础,是最为广泛研究的半导体材料;硅加工技术的成熟程度远高于III-V族化合物半导体材料。然而,对于光电子集成电路(Opto electronicIntegrated Circuit, OEIC)的发展来说,最大的问题是缺少硅基光源,硅基发光问题一直没有得到很好地解决。考虑到基于GaAs、InP激光器的成熟发展以及其与标准电路工艺的不兼容,硅基III-V族化合物半导体激光器的制备是解决硅基光互连问题的一个可行性方案。作为光纤通信用波长之一,850nm波长激光主要基于GaAs衬底的激光器产生;硅基850nm激光器的研制对光互连问题的解决意义重大。在Si衬底上外延高质量的III-V族半导体材料是制备Si基激光器的前提。GaAs是研究较为成熟的III-V族材料,本方法采用GaAs作为III-V的代表来研究外延问题。Si和GaAs的晶格适配较大1%),热适配较大(Si和GaAs的热膨胀系数分别为2. 59X ΙΟΙ—1,5. 75X ΙΟΙ—1),因此在异质外延时会产生大量的位错。同时,由于极性材料在非极性衬底上外延以及衬底台阶的存在,外延层中会产生大量的反相畴(Anti-phasedomain, APD),反相畴边界(Anti-phase boundary, APB)是载流子的散射和复合中心,同时在禁带引入缺陷能级。这些位错和反相畴边界会一直延伸到外延层的表面,严重影响了外延层的质量。Si基III-V族材料的生长必须解决这两个问题。本方法中的低温GaAs缓冲层采用叔丁基二氢砷和三乙基镓代替通常采用的砷烷和三甲基镓,降低生长温度,降低生长速率,促进APB的自消除效应的产生;同时,采用高深宽比限制技术,利用AR> 1的SiO2沟槽来限制住失配位错和APB,生长高质量的有源区。叔丁基二氢砷和三乙基镓的分解温度远低于砷烷和三甲基镓,因此可以在较低的温度下进行材料的外延生长,并且,较低的温度可以限制Si和GaAs界面的互扩散问题。采用MOCVD方法,在SiO2沟槽中,外延GaAs系材料是沿着{311}和{111}晶族组成的晶面(平行于沟槽的方向)进行生长的,III-V族化合物半导体界面处的失配位错,一般是顺沿着外延层的生长方向延伸的。这样,当这些失配位错和APD遇到SW2壁时就受到阻挡,这样可以得到高质量的波导区和有源区。

发明内容
本发明的目的在于,提供一种采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,该方法可制备高质量Si基GaAs材料,为Si基光互联提供基础,该类型850nm激光器可以与传统硅工艺兼容,也是解决OEIC中硅基发光问题的一个途径。该方法通过改变原料并结合高深宽比沟槽限制技术,抑制了波导区和有源区中的缺陷,本发明提供一种采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,包括以下步骤步骤1 采用低压MOCVD方法在硅衬底上依次生长第一缓冲层、第二缓冲层、下包
层、第一下限制层和第一二氧化硅层;步骤2 采用全息曝光,干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方法将第一二氧化硅层刻蚀出沟槽;步骤3 采用MOCVD方法在沟槽中依次生长第二下限制层、下波导层、多量子阱有源区和上波导层;步骤4 采用MOCVD方法在上波导层和第一二氧化硅层上生长结合层、上限制层、第一上包层和光栅层;步骤5 采用全息曝光和湿法刻蚀将光栅层刻成光栅;步骤6 采用MOCVD方法,在刻成光栅后的光栅层上二次外延第二上包层和接触层;步骤7 在第二上包层和接触层上刻出脊条;步骤8 采用PECVD方法,在刻出脊条的第二上包层和接触层及脊条的两侧生长第二二氧化硅层,并在接触层上开电极窗口,溅射钛钼金电极;步骤9 将硅衬底背面减薄,蒸发金锗镍电极,退火,完成器件的制备。本发明的特点是1、用金属有机物化学气相外延与高深宽比沟槽限制的方法结合,在Si衬底生长高质量的GaAs异质外延层,并使得延伸的失配位错和反相畴边界截止在SiO2壁上,获得高质量的波导区和有源区。2、通过改变生长原料,降低生长温度,优化生长速率等其他参数,减少异质界面的缺陷,提高外延层的质量。


为进一步说明本发明的具体技术内容,以下结合实例及附图详细说明如后,其中图1为硅衬底上生长缓冲层、包层、下限制层后的结构示意图;图2为在下限制层上生长二氧化硅层后的示意图;图3为光刻后形成二氧化硅沟槽的结构示意图;图4为在沟槽中生长有源区和上下波导层后的结构示意图;图5为在继续外延上限制层、包层、接触层的示意图;图6为刻蚀形成深浅脊以及做好电极后的器件示意具体实施例方式请参阅图1至图6,本发明提供采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,包括以下步骤步骤1 采用MOCVD方法,压力IOOmBar,在清洗后的硅衬底1上依次生长第一缓冲层2、第二缓冲层3、下包层4和第一下限制层5,PECVD生长第一二氧化硅层6 ;其中,硅衬底1为η型低阻(001)硅,偏<110>4°,第一缓冲层2和第二缓冲层3的材料为GaAs,上包层4的材料为Ala5Giia5As,这三层采用SiH4掺杂;第一下限制层5的材料为Ala3Giia7As ;生长第一缓冲层2,以叔丁基二氢砷和三乙基镓作为原料,温度为420°C至450°C生长过程中叔丁基二氢砷和三乙基镓的输入摩尔流量比V/III为20至30,生长速率为0. 2nm/s至0. 4nm/s,其他各III-V层的生长温度为630°C至660°C ;二氧化硅层6的厚度为500nm至800nm。步骤2 采用全息曝光,干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方法将第一二氧化硅层6刻蚀出沟槽7,沟槽7的宽度为200-300nm,深度与第二二氧化硅层6的厚度相同。步骤3 采用MOCVD方法在沟槽7中依次生长第二下限制层8、下波导层9、多量子阱有源区10和上波导层11 ;其中,第二下限制层8的材料为Ala^iia7As,下波导层9的材料为Ala A^l9As,上波导层11的材料为Ala A^l9As ;在沟槽7内生长的多量子阱有源区10包括4-8个周期的InGaAs/AWaAs多量子阱,发光波长在850nm。步骤4 采用MOCVD方法在上波导层11和第一二氧化硅层6上生长结合层12、上限制层13、第一上包层14和光栅层15 ;其中,结合层12的材料为Ala A^9As,上限制层13的材料为Ala A^l7As,第一上包层14的材料为Ala P^l5As,光栅层15的材料为Ina51G^l49P ;生长结合层12的速率为0. 1-0. 5nm/s。步骤5 采用全息曝光和湿法刻蚀将P光栅层15刻成光栅;步骤6 采用MOCVD方法,在刻成光栅后的光栅层15上二次外延第二上包层16和接触层17,其中第二上包层16的材料为Ala P^l5As,接触层17的材料为GaAs。第一上包层14,第二上包层16和接触层17均采用CBr4进行掺杂。步骤7 在第二上包层16和接触层17上刻出脊条;步骤8 采用PECVD方法,在刻出脊条的第二上包层16和接触层17及脊条的两侧生长第二二氧化硅层18,并在接触层17上开电极窗口,溅射钛钼金电极19 ;步骤9 将硅衬底1背面减薄,蒸发金锗镍电极20,退火,完成器件的制备。以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,包括以下步骤步骤1 采用低压MOCVD方法在硅衬底上依次生长第一缓冲层、第二缓冲层、下包层、第一下限制层和第一二氧化硅层;步骤2 采用全息曝光,干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方法将第一二氧化硅层刻蚀出沟槽;步骤3 采用MOCVD方法在沟槽中依次生长第二下限制层、下波导层、多量子阱有源区和上波导层;步骤4 采用MOCVD方法在上波导层和第一二氧化硅层上生长结合层、上限制层、第一上包层和光栅层;步骤5 采用全息曝光和湿法刻蚀将光栅层刻成光栅;步骤6 采用MOCVD方法,在刻成光栅后的光栅层上二次外延第二上包层和接触层;步骤7 在第二上包层和接触层上刻出脊条;步骤8:采用PECVD方法,在刻出脊条的第二上包层和接触层及脊条的两侧生长第二二氧化硅层,并在接触层上开电极窗口,溅射钛钼金电极;步骤9 将硅衬底背面减薄,蒸发金锗镍电极,退火,完成器件的制备。
2.根据权利要求1所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中第一缓冲层和第二缓冲层的材料为GaAs,上包层的材料为Ala^iia5As,第一下限制层的材料为Ala3G^l7As,第二下限制层的材料为Ala3Giia7As,下波导层的材料为Ala A^l9As,上波导层的材料为AlaiGiia9As,结合层的材料为AlaiGiia9As,上限制层的材料为Ala3Giia7As,第一上包层的材料为Ala5Giia5As,光栅层的材料为Ina51Giia49P,第二上包层的材料为AlaPEta5As,接触层的材料为GaAs。
3.根据权利要求1所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中硅衬底为η型低阻(001)硅,偏<110>4°。
4.根据权利要求1所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中采用MOCVD的方法,其压力为IOOmBar,生长第一缓冲层,以叔丁基二氢砷和三乙基镓作为原料,温度为420°C至450°C生长过程中叔丁基二氢砷和三乙基镓的输入摩尔流量比V/III为20至30,生长速率为0. 2nm/s至0. 4nm/s。
5.根据权利要求1所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中第一缓冲层之外的各层的生长温度为630°C至660°C。
6.根据权利要求1所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中二氧化硅层的厚度为500nm至800nm。
7.根据权利要求1所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中沟槽的宽度为200-300nm,深度与第二二氧化硅层的厚度相同。
8.根据权利要求1所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中在沟槽内生长的多量子阱有源区包括4-8个周期的InGaAs/AWaAs多量子阱。
9.根据权利要求8所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中在沟槽内生长的多量子阱有源区为发光波长在850nm。
10.根据权利要求1所述的采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,其中生长结合层的速率为0. 1-0. 5nm/s。
全文摘要
一种采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法,包括采用低压MOCVD方法在硅衬底上依次生长第一缓冲层、第二缓冲层、下包层、第一下限制层和第一二氧化硅层;干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方法将第一二氧化硅层刻蚀出沟槽;在沟槽中依次生长第二下限制层、下波导层、多量子阱有源区和上波导层;在上波导层和第一二氧化硅层上生长结合层、上限制层、第一上包层和光栅层;将光栅层刻成光栅;在刻成光栅后的光栅层上二次外延第二上包层和接触层;在第二上包层和接触层上刻出脊条;在刻出脊条的第二上包层和接触层及脊条的两侧生长第二二氧化硅层,并在接触层上开电极窗口,溅射钛铂金电极;将硅衬底背面减薄,蒸发金锗镍电极,退火,完成器件的制备。
文档编号H01S5/343GK102570309SQ20121003275
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月14日 优先权日2012年2月14日
发明者于红艳, 周旭亮, 潘教青, 王圩 申请人:中国科学院半导体研究所
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