[发明专利]一种硅基微腔激光器的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体衬底领域，尤其涉及一种硅基微腔激光器的制作方法，用于将超高真空化学气相沉积与MOCVD结合，制作硅基微腔激光器，应用于硅基光电集成与硅基光子学。

背景技术

半个世纪以来，作为微电子技术的材料基础，半导体硅推动了现代信息技术的高速发展，“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”集成电路芯片的性能得到大幅度提到，并且带来巨大的经济效益;但是，当晶体管特征尺寸逐步减少的同时生产成本也开始呈现指数增加。尤其在22nm节点之后，继续减少特征尺寸而提高性能的方法与急剧增加的成本相比，优势并不明显，并且小尺寸带来了诸如短沟道效应的弊端，金属互联、芯片内与芯片间的通信也成为制约硅基微电子继续发展的瓶颈。将传统的硅基大规模集成电路与光互联结合起来的光电子集成电路(Optoelectronic Integrated Circuit，OEIC)的提出可以解决部分瓶颈。

同时，硅基光子学发展几十年来，各个部件如光调制器、光探测器、光波导等分立器件已经十分成熟，但是一个重大不足是缺少实用型的硅基光源。由于硅(锗)为间接禁带半导体，直接制作基于硅(锗)材料的激光器是十分困难的。

目前，采用特殊的方法(例如应变锗)可以制作室温连续激射的硅/锗激光器，但是其发热严重、寿命较短，阈值电流密度较高(例如～0.28MA/cm2，R.E.Camacho-Aguilera et al.Opt.EXpress20，11316，2012)，对于硅基OEIC是不可行的;将化合物半导体激光器集成到硅衬底上是比较可行的方案，现阶段比较好的方式是将InP激光器键合到硅波导上实现硅基光源(A.W.Fang et al.Opt.EXpress16，4413，2008)，通过键和的方法也可以实现硅基微腔激光器(Hong-Quan Zhao et al，J.Appl.Phys.100，023513，2006)，但是该方法仍面对很多问题(例如低成品率);而通过锗(Ge)的过渡实现硅基InAs量子点低阈值1310nm激光器是直接外延获得硅基外延的一个突破(A.Lee et al.Opt.Expfess20，22181，2012)。

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。砷化镓是研究较为成熟的III-V族光电子材料，该方法采用GaAs系激光器来解决硅基发光问题。Si和GaAs的晶格适配较大(4％)，热适配较大，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-phase domain，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几个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利甩MOCVD和干法刻蚀等工艺制备硅基微腔激光器(波长大于1100nm)的方法，为Si基光互连提供光源。本发明提出的该方法通过锗层实现了硅到砷化镓的过渡，锗表面砷化镓的成核来实现高质量的III-V族化合物半导体层，通过干法刻蚀等工艺实现微腔激光器，并通过III-V族波导输出，提供了可在硅波导传输的光。

本发明提供了一种硅基微腔激光器的制作方法，包括以下步骤:

步骤1:在硅衬底正面，采用超高真空化学气相沉积方法外延锗层;

步骤2:将外延有锗层的硅衬底放入MOCVD反应室中，并先后分别生长低温成核砷化镓层和高温砷化镓层;

步骤3:将高温砷化镓层表面抛光后外延激光器结构;

步骤4:在激光器结构上干法刻蚀形成微腔和输出波导;

步骤5:在形成微腔和输出波导后沉积二氧化硅层，在微腔上方开出电极窗口;

步骤6:在二氧化硅层和电极窗口上表面制作正电极，并做电极隔离;

步骤7:在硅衬底背面制作背电极，完成器件的制作。