[发明专利]硅基锗激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种硅基锗激光器及其制备方法。

背景技术

硅基光电子学将光子技术与成熟的硅微电子技术集成，在光通信、光互连、光传感等领域有广泛的应用前景，受到各国政府和科研工作者的高度重视，在近年取得了突飞猛进的发展，如高速硅电光调制器、光开关、复用/解复用器、高效光耦合器、高速硅基锗光电探测器等都已经成功研制出来，唯一没有很好解决的是硅基激光器。所以，硅基激光器被认为是硅基光电子学最闪亮的明珠，成为很多硅基光电子学研究者追求的最重要目标。

硅是间接带隙半导体材料，其发光效率很低，虽然已经实现了光泵浦的硅拉曼(Raman)激光器，但是到目前为止还没有实现真正意义的电泵浦硅激光器。虽然人们采用键合技术，将化合物半导体激光器键合到硅材料上，实现了硅基混合激光器，但是其工艺复杂，并且与CMOS工艺不兼容，人们还是希望能用硅材料或者与CMOS工艺兼容的N族材料实现硅基激光器。锗材料就是一种与CMOS工艺兼容的四族材料，而且已成功外延生长在硅衬底上。虽然锗与硅一样是间接带隙半导体，但是其直接带隙只比间接带隙大140meV，并且通过应变工程可以进一步减小带隙差，从而提高电子占据直接带隙能谷的几率，通过掺杂工程也可以提高电子占据直接带隙的几率，从而获得高效率的直接带隙复合发光，通过合理的器件结构设计，可以实现锗高效发光器件甚至锗激光器。

通过多年的努力，中科院半导体所与美国MIT(麻省理工学院)、斯坦福大学等分别实现了硅衬底上的锗发光二极管，随后MIT又实现了硅基锗光泵浦激光器。2012年，MIT实现了脉冲工作的硅基锗激光器。但是，他们的激光器是纵向p-i-n结构，锗材料生长在高掺杂的硅衬底上，并对锗材料进行了高浓度的n型掺杂，影响了锗外延层的质量；掺杂层以及电极对光的吸收没有很好避免；需要采用复杂而对锗材料不太成熟的化学机械抛光工艺，器件一致性不好；器件激射阈值太大，寿命非常短，不能实现连续工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种硅基锗激光器及其制备方法，以提高硅基锗激光器的整体性能。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种硅基锗激光器。该硅基锗激光器包括：硅材料，具有相应的晶向；锗层，外延生长于硅材料上，包括：锗脊形波导，通过刻蚀锗层形成，构成全部或部分的激光谐振腔；p型掺杂区和n型掺杂区，位于锗脊形波导的两侧；p型掺杂区、锗脊形波导和n型掺杂区形成横向p-i-n二极管结构；绝缘介质层，形成于锗脊形波导、p型掺杂区和n型掺杂区的上方；以及p电极和n电极，形成于绝缘介质层的上方，分别与p型掺杂区和n型掺杂区电性连接。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种硅基锗激光器的制备方法。该制备方法包括：步骤A，在硅材料的表面外延生长锗层；步骤B，通过刻蚀锗层形成锗脊形波导，对该锗脊形波导两侧的锗层进行掺杂以形成p型掺杂区和n型掺杂区，p型掺杂区、锗脊形波导和n型掺杂区形成横向p-i-n二极管结构；步骤C，在锗脊形波导、p型掺杂区和n型掺杂区的上方沉积绝缘介质层；步骤D，形成分别与p型掺杂区和n型掺杂区电性连接的p电极和n电极；以及步骤E，在锗脊形波导的两端面之间形成光学谐振腔。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明硅基锗激光器及其制备方法具有以下有益效果：

(1)采用水平横向p-i-n锗脊形波导结构，硅衬底不需要掺杂，在硅衬底上外延生长的锗层有很好的晶体质量，从而有利于硅基锗激光器整体性能的提升；

(2)p型和n型掺杂区通过离子注入或扩散方法获得，可以合理设计离子注入或扩散区域，降低其对光的吸收引起的损耗，同时保障良好的电流注入效率；

(3)两电极制作在离光场较远的锗脊形波导两侧，可以避免电极对光的吸收，并且电流不需流经位错密度高的硅与锗的界面，大大减少非辐射复合；

(4)制作工艺简单，与CMOS工艺兼容，不需要化学机械抛光工艺，器件一致性好，寿命长，可以实现连续工作。

附图说明

图1为根据本发明实施例硅基脊形波导结构锗激光器的结构示意图；

图2A为制备图1所示硅基脊形波导结构锗激光器的流程图；

图2B为制备图1所示硅基脊形波导结构锗激光器过程中，执行各工艺步骤后器件的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

10-硅衬底；

20-锗层；