[发明专利]硅基电注入激光器及其制备方法

说明书

一种硅基电注入激光器及其制备方法，该制备方法包括：在绝缘硅衬底的上表面生长SiO₂层，并在SiO₂层的中间位置刻蚀出贯穿SiO₂层的第一矩形槽；腐蚀绝缘硅衬底，在与第一矩形槽相对应的位置，形成与第一矩形槽等宽的V型槽；在V型槽和第一矩形槽内生长形成N型位错限制层、N型缓冲层和外延结构；腐蚀去除SiO₂层的剩余部分，完成硅基电注入激光器的制备。本发明由于直接外延采用选区V型槽工艺，不易产生缺陷及反相畴，并可大大降低缓冲层的厚度，因此器件的总体厚度小，降低了硅基光电集成中其余器件工艺实施的难度。

技术领域

本发明属于光通信器件领域，更具体地涉及一种硅基电注入激光器及其制备方法。

背景技术

过去几十年中，微电子技术发展迅猛，COMS器件的特征尺寸已降低到10nm以内。然而伴随着器件尺寸缩小到10nm下，量子效应越加凸显，器件性能越发难以控制，器件的集成度更大，器件结构从二维向三维发展，工艺难度越来越高。因此，人们把延续“摩尔定律”即增强运算或通信能力的希望寄托在光子学特别是光电集成上。目前硅基光子学已高度发展，波导、光放大器、光探测器、光调制器等光子器件都可实现成熟应用，并集成在一起形成硅集成光子芯片。

但是，由于硅材料本身是间接带隙半导体，硅材料发光即制作光源十分困难；IIIA-VA族化合物材料为直接带隙，目前广泛用于半导体激光器制造，且半导体激光器体积小、性能优越且技术成熟。所以解决硅基光电集成中光源的缺失，最好的方法是引入IIIA-VA族化合物材料制作光源器件。

目前，在硅基上引入IIIA-VA族化合物激光器主要有两种方法，键合与直接外延。键合技术是通过特定贴合工艺将IIIA-VA族化合物激光器放置到硅波导上并将激光器的光引入硅波导，此技术工艺步骤复杂、成品率低，并且每次只能键合少量的激光器，可重复性低，不利于大规模工业生产。直接外延是在硅衬底上直接外延IIIA-VA族化合物材料再进一步制作激光器，但是目前硅衬底直接外延的电注入激光器都需要很厚的缓冲层(微米量级)来减少IIIA-VA族化合物与硅材料之间的晶格失配或反相畴引起的缺陷和热膨胀系数失配，因此有源区与硅衬底高度差太大，无法适用于进一步的硅基光电器件集成工艺。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种硅基电注入激光器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种硅基电注入激光器，包括：

绝缘硅衬底，其上表面的中心位置具有一V型槽；

N型位错限制层，形成于V型槽的表面，且其顶部与绝缘硅衬底的上表面平齐；

N型缓冲层，位于V型槽内，填满V型槽除N型位错限制层外的其他空间，且其上表面与绝缘硅衬底的上表面平齐；

外延结构，形成于N型缓冲层及N型位错限制层的上表面，外延结构与V型槽等宽。

进一步地，上述硅基电注入金属激光器还包括：

介质层，形成于外延结构上表面及侧面；

金属层，形成于介质层的上表面及侧面；以及

P型电极；

其中，介质层和金属层均延伸至绝缘硅衬底的上表面，且介质层和金属层的上表面有贯穿至外延结构上表面的矩形槽，且矩形槽的四周被介质层和金属层包围；P型电极形成于矩形槽中，其上表面与金属层的上表面平齐。

进一步地，上述硅基电注入激光器还包括N型电极，该N型电极形成于绝缘硅衬底上表面、与金属层绝缘的位置。

进一步地，上述N型位错限制层、N型缓冲层和外延结构的主体材料为IIIA-VA族化合物材料，例如InP、GaAs、GaInAs等。