阅读说明：本技术 一种硅基量子点光子晶体激光器及加工方法 (Silicon-based quantum dot photonic crystal laser and processing method ) 是由 张昭宇 周陶杰 于 2020-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种硅基量子点光子晶体激光器及加工方法,该激光器结构包括依次层叠的：硅衬底层、缺陷抑制层、牺牲层、发光层和盖层。缺陷抑制层处在硅衬底层上,包括交替层叠的第一量子点层和三五族缓冲层,与硅衬底层接触的为第一量子点层,与牺牲层接触的为三五族缓冲层,牺牲层为中空结构,发光层包括交替层叠的第二量子点层和间隔层以及包覆层,与牺牲层和包覆层接触的均为间隔层,发光层为空气孔结构。该激光器采用在硅衬底层上生长量子点层做为激光器的增益介质,从而制备硅基直接生长的高密度集成的三五族激光器的方法,使激光器具有体积小,重量轻,工作稳定可靠的特点。(The invention provides a silicon-based quantum dot photonic crystal laser and a processing method thereof, wherein the laser structure comprises the following stacked layers in sequence: a silicon substrate layer, a defect suppression layer, a sacrificial layer, a light emitting layer, and a cap layer. The defect inhibiting layer is arranged on the silicon substrate layer and comprises a first quantum dot layer and a III-V group buffer layer which are alternately stacked, the first quantum dot layer is in contact with the silicon substrate layer, the III-V group buffer layer is in contact with the sacrificial layer, the sacrificial layer is of a hollow structure, the light emitting layer comprises a second quantum dot layer, a spacing layer and a coating layer which are alternately stacked, the spacing layer is in contact with the sacrificial layer and the coating layer, and the light emitting layer is of an air hole structure. The laser adopts the method that the quantum dot layer is grown on the silicon substrate layer to be used as the gain medium of the laser, thereby preparing the high-density integrated III-V group laser with silicon-based direct growth, and the laser has the characteristics of small volume, light weight and stable and reliable work.)

一种硅基量子点光子晶体激光器及加工方法

技术领域

本发明涉及光通讯激光技术领域，具体而言，涉及一种硅基量子点光子晶体激光器及加工方法。

背景技术

硅光子技术是一种基于硅的光通讯技术。然而由于硅本身属于一种间接带隙的无机半导体材料，其发光性能相对直接带隙的无机半导体材料差很多。目前基于硅的激光器主要以硅基拉曼激光器为主，然而硅基拉曼激光器的强度较弱，同时对于制备的工艺要求高，因此，硅光芯片上的激光光源通常为外部耦合的激光器，比如波导型(FP)激光器，分布式反馈(DFB)激光器，垂直腔面(VCSEL)发射激光器。直接带隙的无机半导体材料(比如InGaP、InAs等)通常做为无机半导体激光器的有源区发光介质。硅光子芯片的激光器通过对准或粘贴(bonding)的方式耦合到硅芯片中，然而，这种耦合方式会增加激光器与硅芯片的制备成本。而且，FP激光器、DFB激光器与VCSEL激光器的器件尺寸较大，不利于大面积，高密度集成的硅基光芯片。

为了解决硅芯片集成激光器的困难，有人提出一种硅基直接生长三五族发光材料的外延方式来制备硅基激光器，通过对硅衬底的处理，比如在斜切(off-cut)的硅衬底，图形化的硅衬底(V-groove Si)，及与CMOS工艺兼容的Si(001)晶面衬底上生长无机量子点或量子阱做为激光器的增益介质,从而制备硅基直接生长的三五族激光器。因为硅和三五族晶格不匹配，热传导系数差异大等因素，相比较于斜切的硅衬底及图形化的硅衬底，与CMOS工艺相兼容的Si(001)晶面上直接生长三五族发光层更具有挑战。目前，虽然硅基FP激光器，硅基DFB激光器等被研制出来，但是这种大尺寸的硅基激光器不利于大面积，高密度集成的硅光子芯片。

发明内容

本发明旨在提供一种硅基量子点光子晶体激光器及加工方法以解决现有硅基激光器不利于制作在大面积、高密度集成的硅光子芯片中的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下的技术方案，包括：

一种硅基量子点光子晶体激光器，包括依次层叠的硅衬底层、缺陷抑制层、牺牲层、发光层和盖层：

缺陷抑制层处在所述硅衬底层上，包括交替层叠的第一量子点层和三五族缓冲层，并且与硅衬底层接触的为第一量子点层，与牺牲层接触的为三五族缓冲层；

牺牲层为中空结构；

发光层包括交替层叠的第二量子点层和间隔层以及包覆层，与牺牲层和包覆层接触的均为间隔层，发光层为空气孔结构。

进一步的，第一量子点层为InAs量子点层。

进一步的，缺陷抑制层包括4层所述第一量子点层。

进一步的，三五族缓冲层为GaAs层。

进一步的，与牺牲层接触的三五族缓冲层的厚度取值范围为500nm-700nm，其余的三五族缓冲层的厚度取值范围为700nm-900nm。

进一步的，牺牲层材料为Al_XGa_1-XAs，其中，X的取值范围为0.6-0.96。

进一步的，牺牲层的厚度取值范围为600nm-1000nm。

进一步的，第二量子点层为InAs量子点层，间隔层为GaAs层。

进一步的，发光层包括5层第二量子点层，在各第二量子点层之间还设有间隔层。可选的，该间隔层的厚度为50nm。

进一步的，第二量子点层与间隔层所组成的结构的外层生长有一包覆层。进一步地，该包覆层为Al_0.4GaAs层，厚度取值范围为60nm-100nm。

进一步的，盖层处在发光层上，盖层的材料采用GaAs。

进一步的，盖层的厚度取值范围为10nm-15nm。

一种硅基量子点光子晶体激光器的加工方法，该硅基量子点光子晶体激光器采用上述的硅基量子点光子晶体激光器，包括：

在硅衬底层上生长缺陷抑制层；

在缺陷抑制层上生长牺牲层；

在牺牲层上生长发光层及盖层；

在盖层上生长氧化硅层；

在氧化硅层上涂抹电子胶，并通过电子束曝光及显影在电子胶上形成第一预定图案；

通过干法蚀刻刻蚀氧化硅层形成表面光滑平整的蚀刻面；

通过干法蚀刻发光层形成具有空气孔的第二预定图案；

通过干法蚀刻去除电子胶；

通过湿法蚀刻去除氧化硅层；

通过湿法蚀刻经由发光层空气孔蚀刻牺牲层以形成中空结构。

本发明的有益效果在于：

在硅衬底层上生长量子点层作为激光器的增益介质,从而制备硅基直接生长的三五族激光器，适于制备大面积，高密度集成的激光器，且具有体积小、重量轻和工作稳定可靠等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1是本发明实施例提供的一种硅基量子点光子晶体激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种硅基量子点光子晶体激光器的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种制备的硅基量子点光子晶体激光器的电子显微镜图；

图4是本发明实施例提供的一种硅基量子点光子晶体激光器的激光光谱图。

具体实施方式

在下文中，将更全面地描述本发明的各种实施例。本发明可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本发明的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本发明理解为涵盖落入本发明的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：在本发明中，除非另有明确的规定和定义，“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接、也可以是可拆卸连接、或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也是可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，本领域的普通技术人员需要理解的是，文中指示方位或者位置关系的术语为基于附图所示的方位或者位置关系，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者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。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

实施例一

如图1示出的硅基光子晶体激光器结构示意图，包括硅衬底层110、缺陷抑制层120、牺牲层130、发光层140及盖层150。

硅衬底层110可为上层结构提供电气性能支持及机械支撑。本发明实施例中，在硅衬底层110上制备三五族激光器。

缺陷抑制层120生长在硅衬底层上，该缺陷抑制层120包括第一量子点层，以及在两第一量子点层之间的为预设厚度的三五族缓冲层。示范性地，该三五族缓冲层可采用GaAs形成。上述的预设厚度可为700nm-900nm。其中，与硅衬底层接触的为第一量子点层，与牺牲层接触的为三五族缓冲层GaAs层，且此GaAs层厚度可为500nm-700nm。

可以理解，缺陷抑制层120可用于降低由晶格失配导致的缺陷密度。所谓的晶格失配是指由于衬底和外延层(即发光层)的晶格常数不同而产生的失配现象。当在某种单晶衬底上生长另一种物质的单晶层时，由于这两种物质的晶格常数不同，会在生长界面附近产生应力，进而产生晶体缺陷，即失配位错。晶格失配影响晶体外延生长，在外延层中产生大量缺陷，一定程度上影响器件的性能和寿命。缺陷抑制层采用与发光层相似材料，可减少衬底层与外延层的晶格常数差异，进而降低由晶格失配导致的失配位错的缺陷密度，由于缺陷密度会直接影响发光层的光学特性。为了提高发光层的增益系数及导热性，应尽量降低发光层的缺陷密度。

牺牲层130生长在缓冲层上，示范性地，牺牲层130所用材料可为Al_XGa_1-XAs，其中，X的取值范围为0.6-0.96。在一些实施方式中，该牺牲层130的厚度可为600nm-1000nm。可以理解，该牺牲层130可以起到分离缺陷抑制层和发光层及保护下层结构的作用。

此外，在形成目标机械结构的空腔过程中，先在牺牲层130上用结构材料淀积所需的各种目标结构层，再用化学刻蚀剂将牺牲层腐蚀掉，可不损伤目标结构件，然后得到上层空腔结构。本发明实施例中，可采用氢氟酸溶液等作为蚀刻剂对牺牲层130进行选择性腐蚀。

发光层140，在牺牲层130上生长InAs量子带结构的发光层140作为增益介质层，示范性地，该发光层140包括预设层数的第二量子点层，在一些实施方式中，InAs量子点形成的该第二量子点层的厚度可为6nm-10nm。各第二量子点层结构之间设置有间隔层，例如，可采用50nm的GaAs层做间隔层。进一步地，第二量子点层与间隔层所组成的结构的外层生长一定厚度的包覆层，例如，该包覆层为Al_0.4GaAs层，厚度可为60nm-100nm。

可以理解，此时发光层140中与牺牲层和包覆层接触的均为GaAs间隔层。Al_0.4GaAs包覆层与第二量子点层及GaAs间隔层形成分别限制异质结结构，该特殊结构可形成对光场模式的限制及增加对电子空穴的束缚。发光层140的InAs量子点层的密度及层数会影响材料的增益、激光阈值及激光功率等。在一些实施方式中，发光层140生长的第二量子点层的层数为5层。

在发光层上还生长有盖层150，示范性地，该盖层150可采用一定厚度的GaAs层，例如，该厚度可在15nm-20nm之间。该盖层150用于防止发光层140中的包覆层的Al_0.4GaAs在空气中的氧化，以提高器件的工作寿命。

为方便理解本发明实施例的硅基量子点光子晶体激光器的结构，例如，图2示出了该硅基量子点光子晶体激光器的一种3D结构示意图，包括硅衬底层210、缺陷抑制层220、牺牲层230、发光层240及盖层250。示范性地，缺陷抑制层220包括交替层叠的4层第一量子点层及4层三五族缓冲层，从下往上依次可为第一量子点层221，三五族缓冲层222，第一量子点层223，三五族缓冲层224，第一量子点层225，三五族缓冲层226，第一量子点层227，三五族缓冲层228。

实施例二

本发明实施例中还提供了一种光子晶体激光器的工艺加工方法，过程如下：

一种硅基量子点光子晶体激光器的加工方法，该硅基量子点光子晶体激光器采用上述实施例1中的硅基量子点光子晶体激光器，包括：

在硅衬底层上生长缺陷抑制层120；

在缺陷抑制层120上生长牺牲层130；

在牺牲层130上生长发光层140及盖层150；

在盖层150上生长氧化硅层；

在该氧化硅层上涂抹电子胶，并通过电子束曝光及显影在电子胶上形成第一预定图案；

通过干法蚀刻刻蚀该氧化硅层形成表面光滑平整的蚀刻面；

通过干法蚀刻发光层140形成具有空气孔的第二预定图案；

通过干法蚀刻去除电子胶；

通过湿法蚀刻去除该氧化硅层；

通过湿法蚀刻经由发光层140的空气孔蚀刻部分的牺牲层130以形成中空结构。

示范性地，可通过RIE(Reactive Ion Etching，反应离子蚀刻)工艺刻蚀氧化硅层，得到表面光滑平整的蚀刻面，再通过ICP(Inductively CouplePlasma Etch，电感耦合等离子体蚀刻)刻蚀发光层，将发光层材料中没有被上层掩膜材料掩蔽的部分去掉，从而在发光层材料上获得与掩膜图形完全对应的第二预定图案。

例如，该电子胶可采用ZEP520胶等。在一些实施方式中，若该电子胶采用的为ZEP520胶，上述的通过干法蚀刻去除电子胶ZEP520包括：通过等离子体撞击将固态胶层剥除，可获得较高的蚀刻率及去胶控制精度。

示范性地，氧化硅层湿法蚀刻的蚀刻液可采用BOE(Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀液)，该溶液由氢氟酸或氟化铵与水按预设的比例混合而成。

通过湿法蚀刻经由发光层孔洞蚀刻部分牺牲层以形成中空结构。在一些实施方式中，该中空结构为中空环形结构。示范性地，牺牲层湿法蚀刻的刻蚀液将采用氢氟酸溶液。该溶液中的反应物利用扩散效应通过发光层孔洞达到牺牲层表面，随后与牺牲层的材料产生化学反应并生成各种生成物，随溶液一起排出。

图3示出了本发明实施例提供的一种制备硅基量子点光子晶体激光器的器件结构的电子显微镜观察图。其中，图3中所示的发光区为周期性的空气孔穿透结构。可以理解，光子晶体结构由周期性的空气孔组成，制备的光子晶体结构为L3缺陷的光子晶体结构，即在二维光子晶体空气孔结构基础上去除三个空气孔缺陷。去除的空气孔周期(a)间隔范围在240nm-400nm，空气孔的半径(r)范围为0.25a-0.29a，L3缺陷的位移大小为0.15a-0.19a。这些结构参数的设置，将有效地限制L3缺陷光子晶体微腔结构的发光在1300nm通讯波段。

图4示出了本发明实施例提供的一种硅基量子点光子晶体激光器激光光谱图，在1200nm-1350nm波长范围内实现了单模激射，验证了硅基量子点激光器实现了激光激射。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。