阅读说明：本技术 一种硅基无磷激光器及其制备方法 (Silicon-based non-phosphorus laser and preparation method thereof ) 是由 欧欣 梁好 林家杰 游天桂 王庶民 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种硅基无磷激光器及其制备方法,该方法包括：在InP衬底上生长InGaAs外延层；利用离子注入的方式在所述InGaAs外延层中注入离子形成损伤层；将所述InGaAs外延层与硅衬底键合；通过加热的方式将所述InGaAs外延层于所述损伤层处剥离,得到硅基InGaAs衬底；将所述硅基InGaAs衬底的顶层抛光后外延InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层、腐蚀阻挡层以及激光器结构。本申请的硅基无磷激光器及其制备方法通过键合技术直接获得高质量的硅基InGaAs衬底,可以避免在硅衬底上直接外延生长III-V族化合物所产生的的失配位错、缺陷、反相畴等影响后续材料外延生长质量的问题。(The application provides a silicon-based non-phosphorus laser and a preparation method thereof, wherein the method comprises the following steps: growing an InGaAs epitaxial layer on the InP substrate; implanting ions into the InGaAs epitaxial layer by using an ion implantation mode to form a damaged layer; bonding the InGaAs epitaxial layer with a silicon substrate; stripping the InGaAs epitaxial layer at the damage layer in a heating mode to obtain a silicon-based InGaAs substrate; and polishing the top layer of the silicon-based InGaAs substrate, and then extending an InGaAs buffer layer, a superlattice dislocation barrier layer, an etching barrier layer and a laser structure. According to the silicon-based non-phosphorus laser and the preparation method thereof, the high-quality silicon-based InGaAs substrate is directly obtained through the bonding technology, and the problem that the epitaxial growth quality of subsequent materials is affected by misfit dislocation, defects, anti-phase domains and the like generated by directly epitaxially growing III-V group compounds on the silicon substrate can be solved.)

一种硅基无磷激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体领域和光电集成领域，特别涉及一种硅基无磷激光器及其制备方法。

背景技术

硅是目前市场占有率最大、工艺最成熟、成本最低的半导体材料，实现硅基光电子集成是未来打破摩尔定律，促进半导体行业更进一步的重要发展方向。受限于硅的物理性质(间接带隙)，制备硅基光源是实现硅基光互连的重大阻碍。III-V族化合物在制备半导体激光器方面已被广泛研究，硅基III-V族化合物半导体激光器是制备硅基光源的解决方法之一，光通讯波段硅基1550nm激光器的研制在制备硅基光源实现硅基光互连中具有重大意义。

要实现硅基光通信波段激光器，首先要获得高质量的III-V/Si衬底，由于Si和III-V族材料的晶格失配较大，异质外延会产生大量位错和反相畴，从而影响外延层质量，限制器件性能。

目前外延含磷材料的主要方法包括金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)和气态源分子束外延(Molecular beamepitaxy，MBE)。但由于源料磷烷剧毒、易燃的特性所带来的安全问题，以及尾气处理的环保和费用问题阻碍了其发展，而固态磷源结构复杂成本较高也难以普及。

上述问题都增加了实现硅基通信波段激光器难度，限制了硅基通信波段激光器未来的规模量产和成本降低，因此，实现硅基通信波段激光器必须解决这几个问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种硅基无磷激光器及其制备方法，用于解决现有技术中异质外延的晶格失配问题。

为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种硅基无磷激光器的制备方法，包括如下步骤：

在InP衬底上生长InGaAs外延层；

利用离子注入的方式在所述InGaAs外延层中注入离子形成损伤层；

将所述InGaAs外延层与硅衬底键合；

通过加热的方式将所述InGaAs外延层于所述损伤层处剥离，得到硅基InGaAs衬底；

将所述硅基InGaAs衬底的顶层抛光后外延InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层、腐蚀阻挡层以及激光器结构。

可选地，所述InP衬底为(100)型InP单晶衬底，所述InGaAs外延层的生长厚度为50～2000nm。

可选地，所述注入离子包括H⁺和He⁺中的至少一种，注入深度为50nm～1000nm。

可选地，所述将所述硅基InGaAs衬底的顶层抛光后外延生长InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层、腐蚀阻挡层，包括：

去除所述硅基InGaAs衬底的表面损伤，并将所述硅基InGaAs衬底的表面抛光至粗糙度小于1nm，再通过化学清洗去除表面残留物；

在所述硅基InGaAs衬底上外延生长InGaAs缓冲层；

在所述InGaAs缓冲层上外延生长不少于十个周期的超晶格位错阻挡层，所述超晶格位错阻挡层采用与InP晶格匹配的InGaAs和InAlAs，厚度为5nm～10nm；

在所述超晶格位错阻挡层上外延生长腐蚀阻挡层，所述腐蚀阻挡层采用高掺InGaAs，厚度不低于500nm。

可选地，所述将所述硅基InGaAs衬底的顶层抛光后外延生长激光器结构，包括：

在所述腐蚀阻挡层上依次外延生长InAlAs下波导层、InAlGaAs下限制层、InGaAs量子阱、InAlGaAs上限制层、InAlAs上波导层和InGaAs接触层。

可选地，所述InAlAs下波导层采用Si为掺杂源，掺杂浓度从2x10¹⁸cm^-3线性下降至1x10¹⁸cm^-3；

所述InAlAs上波导层采用Be为掺杂源，掺杂浓度从1x10¹⁸cm^-3线性增加至2x10¹⁸cm^-3。

可选地，所述硅基无磷激光器的制备方法还包括：

在所述激光器结构上刻蚀形成脊型波导；

在所述脊型波导的两侧和上表面以及所述激光器结构的表面生长二氧化硅绝缘层；

在所述脊型波导及所述激光器结构上形成电极窗口；

在所述电极窗口处制备电极，得到硅基无磷激光器。

另一方面，本申请实施例提供了一种硅基无磷激光器，包括硅基InGaAs衬底、InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层、腐蚀阻挡层以及激光器结构；

所述硅基InGaAs衬底包括衬底硅以及InGaAs层；

所述InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层、腐蚀阻挡层以及激光器结构自下至上依次形成于所述硅基InGaAs衬底上。

可选地，所述激光器结构从下至上依次包括InAlAs下波导层、InAlGaAs下限制层、InGaAs量子阱、InAlGaAs上限制层、InAlAs上波导层和InGaAs接触层。

可选地，所述激光器的有源区包括所述InAlGaAs下限制层、三个周期的所述InGaAs量子阱和所述InAlGaAs上限制层。

采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：

1)通过键合技术直接获得高质量的硅基InGaAs衬底，可以避免在硅衬底上直接外延生长III-V族化合物所产生的的失配位错、缺陷、反相畴等影响后续材料外延生长质量的问题；

2)通过优化InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层等结构的生长温度、厚度、源炉束流等参数，可以降低穿透位错、改善界面质量并提高器件性能；

3)采用InAlAs作为波导层、InAlGaAs作为有源区的激光器结构设计，避免了生长过程中磷源的使用，可以降低生长成本，提高实验安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种可选的硅基无磷激光器的制备方法流程图；

图2为本申请实施例一种可选的在InP衬底上生长InGaAs外延层后的示意图；

图3为对图2中的InGaAs外延层进行离子注入形成损伤层后的示意图；

图4为图3中的InGaAs外延层与硅衬底键合后的示意图；

图5为本申请实施例一种可选的硅基InGaAs衬底的示意图；

图6为在硅基InGaAs衬底上外延InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层、腐蚀阻挡层以及激光器结构后的示意图；

图7为本申请实施例一张可选的激光器的结构示意图。

以下对附图作补充说明：

1-InP衬底；2-InGaAs外延层；201-损伤层；301-硅衬底；3-硅基InGaAs衬底；4-InGaAs缓冲层；5-超晶格位错阻挡层；6-腐蚀阻挡层；7-激光器结构；701-脊型波导；702-二氧化硅绝缘层；703-电极窗口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

图1是本申请实施例一种可选的硅基无磷激光器的制备方法流程图，包括如下步骤：

S1:在InP衬底1上生长InGaAs外延层2(如图2所示)；

S2:利用离子注入的方式在InGaAs外延层2中注入离子形成损伤层201(如图3所示)；

S3:将InGaAs外延层2与硅衬底键合301(如图4所示)；

S4:通过加热的方式将InGaAs外延层2于损伤层201处剥离，得到硅基InGaAs衬底3(如图5所示)；

S5:将硅基InGaAs衬底3的顶层抛光后外延InGaAs缓冲层4、超晶格位错阻挡层5、腐蚀阻挡层6以及激光器结构7(如图6所示)。

作为一种可选的实施方式，步骤S1中InP衬底1为(100)型InP单晶衬底，InGaAs外延层2的生长厚度为50～2000nm。

作为一种可选的实施方式，步骤S2中注入离子包括H⁺和He⁺中的至少一种，注入深度为50nm～1000nm。

作为一种可选的实施方式，步骤S3中的键合方式包括直接键合和介质层键合；

作为一种可选的实施方式，步骤S5中将硅基InGaAs衬底3的顶层抛光后外延生长InGaAs缓冲层4、超晶格位错阻挡层5、腐蚀阻挡层6，包括：

S501:去除硅基InGaAs衬底3的表面损伤，并将硅基InGaAs衬底3的表面抛光至粗糙度小于1nm，再通过化学清洗去除表面残留物；

S502:在硅基InGaAs衬底3上外延生长InGaAs缓冲层4；

S503:在InGaAs缓冲层4上外延生长不少于十个周期的超晶格位错阻挡层5，该超晶格位错阻挡层5采用与InP晶格匹配的InGaAs和InAlAs，厚度为5nm～10nm；

S504:在超晶格位错阻挡层5上外延生长腐蚀阻挡层6，该腐蚀阻挡层6采用高掺InGaAs，厚度不低于500nm。

InGaAs缓冲层4、超晶格位错阻挡层5可以改善硅基InGaAs衬底3的晶圆质量，腐蚀阻挡层6可以避免后续工艺中的腐蚀影响下电接触层。

需要说明的是，对硅基InGaAs衬底的顶层抛光包括机械抛光和化学腐蚀的方式。

作为一种可选的实施方式，步骤S5中将硅基InGaAs衬底3的顶层抛光后外延生长激光器结构7，包括：

S505:在腐蚀阻挡层6上依次外延生长InAlAs下波导层、InAlGaAs下限制层、InGaAs量子阱、InAlGaAs上限制层、InAlAs上波导层和InGaAs接触层。

在具体实施中，激光器结构生长主要通过分子束外延生长，在腐蚀阻挡层6上外延1um厚度的InAlAs下波导层，采用Si为掺杂源，掺杂浓度从2x10¹⁸cm^-3线性下降至1x10¹⁸cm^-3；然后生长250nm厚度的InAlGaAs下限制层，材料组分与波导层晶格匹配；再生长三个周期8nm厚度的lnGaAs量子阱；再生长250nm厚度的InAlGaAs上限制层；再生长1um厚度的InAlAs上波导层，采用Be为掺杂源，掺杂浓度从1x10¹⁸cm^-3线性增加至2x10¹⁸cm^-3；最后生长100nm厚度的InGaAs接触层，掺杂浓度为2x10¹⁹cm^-3。

作为一种可选的实施方式，本申请实施例的硅基无磷激光器的制备方法还包括：

S6:在激光器结构上刻蚀形成脊型波导701；

S7:在脊型波导701的两侧和上表面以及激光器结构7的表面生长二氧化硅绝缘层702；

S8:在脊型波导701及激光器结构7上形成电极窗口703；

S9:在电极窗口703处制备电极，得到硅基无磷激光器(如图7所示)。

本申请实施例还提供了一种硅基无磷激光器，包括硅基InGaAs衬底、InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层、腐蚀阻挡层以及激光器结构；

硅基InGaAs衬底包括衬底硅以及InGaAs层；

InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层、腐蚀阻挡层以及激光器结构自下至上依次形成于硅基InGaAs衬底上。

作为一种可选的实施方式，激光器结构从下至上依次包括InAlAs下波导层、InAlGaAs下限制层、InGaAs量子阱、InAlGaAs上限制层、InAlAs上波导层和InGaAs接触层。

作为一种可选的实施方式，激光器的有源区包括InAlGaAs下限制层、三个周期的InGaAs量子阱和InAlGaAs上限制层。

表1为本申请实施例一种硅基无磷激光器的结构参数表，该表中第二列代表硅基无磷激光器各部分的成分，第三列代表硅基无磷激光器各部分沉积厚度，第四列代表硅基无磷激光器各部分掺杂浓度。

具体地，该表中第一列列出了本申请实施例一种硅基无磷激光器的具体结构，包括：硅基InGaAs衬底；形成于衬底上的InGaAs缓冲层，该InGaAs缓冲层的厚度为1μm，采用Si为掺杂源，掺杂浓度为5x10¹⁸cm^-3；形成于InGaAs缓冲层上的超晶格位错阻挡层，该超晶格位错阻挡层采用与InP晶格匹配的InGaAs和InAlAs，厚度均为10nm，生长10个周期；形成于超晶格位错阻挡层上的InAlAs下波导层，该InAlAs下波导层的厚度为1μm，采用Si为掺杂源，掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3；形成于InAlAs下波导层上的InAlGaAs下限制层，厚度为250nm；形成于InAlGaAs下限制层上的InGaAs量子阱，InGaAs量子阱的厚度为8nm，生长3个周期，其中，还包括2个周期的InAlGaAs隔离层，用于隔离这个3个InGaAs量子阱，InAlGaAs隔离层的厚度为8nm；形成于InGaAs量子阱上的InAlGaAs上限制层，厚度为250nm；形成于InAlGaAs上限制层上的InAlAs上波导层，该InAlAs下波导层的厚度为1.4μm，采用Be为掺杂源，掺杂浓度为2x10¹⁸cm^-3；形成于InAlAs下波导层上的InGaAs接触层，该InGaAs接触层的厚度为100nm，采用Be为掺杂源，掺杂浓度为2x10¹⁹cm^-3。

表1：

	成分	厚度(nm)	掺杂浓度
				InGaAs接触层	P+InGaAs：Be	100	2x10<sup>19</sup>cm<sup>-3</sup>
InAlAs上波导层	PInAlAs：Be	1400	2x10<sup>18</sup>cm<sup>-3</sup>
				InAlGaAs上限制层	InAlGaAs	250
InGaAs量子阱	InGaAs	8
				InAlGaAs隔离层	InAlGaAs	8
InGaAs量子阱	InGaAs	8
				InAlGaAs隔离层	InAlGaAs	8
InGaAs量子阱	InGaAs	8
				InAlGaAs下限制层	InAlGaAs	250
InAlAs下波导层	N InAlAs：Si	1000	1x10<sup>18</sup>cm<sup>-3</sup>
				超晶格位错阻挡层	N+InAlAs/InGaAs：Si	10/10*10
InGaAs缓冲层	N+InGaAs：Si	1000	5x10<sup>18</sup>cm<sup>-3</sup>
				InGaAs衬底	InGaAs/Si

使用本申请实施例的技术方案，具有如下有益效果：

1)通过键合技术直接获得高质量的硅基InGaAs衬底，可以避免在硅衬底上直接外延生长III-V族化合物所产生的的失配位错、缺陷、反相畴等影响后续材料外延生长质量的问题；

2)通过优化InGaAs缓冲层、超晶格位错阻挡层等结构的生长温度、厚度、源炉束流等参数，可以降低穿透位错、改善界面质量并提高器件性能；

3)采用InAlAs作为波导层、InAlGaAs作为有源区的激光器结构设计，避免了生长过程中磷源的使用，可以降低生长成本，提高实验安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。