专利名称：基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法。
背景技术：
对于光电子集成电路(Optoelectronic Integrated Circuit, OEIC)的发展来说，最大的问题是缺少硅基光源。硅材料作为微电子技术的基础，是最为广泛研究的半导体材料；硅加工技术的成熟程度远高于III-V族化合物半导体材料。然而，硅基发光问题一直没有得到很好地解决。考虑到基于GaAs、InP激光器的成熟发展以及其与标准电路工艺的不兼容，硅基III-V族化合物半导体激光器的制备是解决硅基光互连问题的一个可行性方案。作为光纤通信用波长之一，850nm波长激光主要基于GaAs衬底的激光器产生；硅基 850nm激光器的研制对光互连问题的解决意义重大。同时，硅材料会对850nm的光会产生强烈的吸收，硅基850nm激光器的研发和以后的使用必须注意解决这个问题。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。 GaAs是研究较为成熟的III-V族材料，本方法采用GaAs作为III-V的代表来研究外延问题。Si和GaAs的晶格适配较大1%)，热失配较大(Si和GaAs的热膨胀系数分别为 2. 59X ΙΟΙ—1，5. 75X ΙΟΙ—1)，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两个问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，该方法可制备高质量Si基赝GaAs材料，为Si基光互联提供基础，该类型850nm激光器可以与传统硅工艺兼容，也是解决OEIC中硅基发光问题的一个途径。该方法通过采用( 作为缓冲层并结合低温缓冲层技术和外延与Ge匹配的赝砷化镓缓冲层来得到高质量的激光器材料。本发明提供一种基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，包括以下步骤步骤1 采用UHVCVD方法在衬底上生长第一缓冲层；步骤2 将生长有第一缓冲层的衬底，立即放入MOCVD反应室并进行700°C高温处理；步骤3 采用低压MOCVD的方法，在第一缓冲层上外延第二缓冲层；步骤4 在第二缓冲层上生长赝GaAs层；步骤5 采用MOCVD的方法，在赝GaAs层上生长850nm激光器结构，该850nm激光器结构包括依次生长的Ala5GEta5As下包层、Ala3GEta7As下波导、InGaAs有源区、Ala 3G￡tQ. 7As 上波导层、Ala5GEta5As上包层和赝GaAs接触层；步骤6 在850nm激光器结构上面的赝GaAs接触层上刻蚀，形成脊条；步骤7 在外延片的上表面及脊条的侧面生成二氧化硅绝缘层；步骤8 在脊条的上面制作电极窗口 ；步骤9 在二氧化硅绝缘层及电极窗口上制作钛钼金电极，减薄后，在衬底的背面制作金锗镍电极，完成激光器的制备。本发明的特点是1、用UHVCVD方法与MOCVD结合，在Si衬底生长高质量的Ge缓冲层和高质量的 III-V材料。2、低温缓冲层使GaAs/Ge界面的反相畴得到有效抑制，通过改变生长原料，降低生长温度，优化生长速率等其他参数，减少异质界面的缺陷，提高外延层的质量。3、在砷化镓缓冲层掺入铟源，得到低铟组分的与锗衬底晶格匹配的赝砷化镓过渡层是抑制缺陷获得高质量激光器结构的重要步骤。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中图1-图5为本发明基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法流程图。
具体实施例方式请参阅图1至图5，本发明提供一种基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，包括以下步骤步骤1 采用UHVCVD方法在衬底1上生长第一缓冲层2。其中，衬底1为η型低阻 (001)硅，偏<110>4° ；第一缓冲层2的材料为Ge。步骤2 将生长有第一缓冲层2的衬底1，立即放入MOCVD反应室并进行700°C高温处理，时间是20min。步骤3 采用低压MOCVD的方法，在第一缓冲层2上外延第二缓冲层3。其中，第二缓冲层3的材料为GaAs，采用MOCVD生长第二缓冲层3的条件是，反应室压力IOOmBar,叔丁基二氢砷和三乙基镓为原料，生长过程中叔丁基二氢砷和三乙基镓的输入摩尔流量比V/ III在40-50之间，生长速率在0. 1-0. 3nm/s,厚度lOOnm，温度在400_450°C，温度下降到生长温度后，先通叔丁基二氢砷5min。步骤4 在第二缓冲层3上生长赝GaAs层4。其中，赝GaAs层4为与Ge晶格匹配的InGaAs材料，只是h的组分极少，大约1. 1%，生长赝GaAs层4的条件是，砷烷、三甲基铟和三甲基镓为原料，生长过程中输入摩尔流量比V/III在30-50之间，温度620-650°C，生长速率为0. 5-1. Onm/s厚度2微米；生长第二缓冲层3和赝GaAs层4时，重掺杂双硅烷，掺杂浓度大于IX IO18cnT3。步骤5 采用MOCVD的方法，在赝GaAs层4上生长850nm激光器结构，该850nm激光器结构包括依次生长的，Al0.5Ga0.5As下包层5、Al0.3Ga0.7As下波导6、InGaAs有源区7、Al0.3Ga0.7As上波导层Sjla5GEta5As上包层9和赝GaAs接触层10。其中，850nm激光器结构中的Ala5GEta5As上包层9包括了一层光栅层余下的Ala5GEta5As上包层9和赝GaAs接触层 10进行的为二次外延，赝GaAs接触层10是采用四溴化碳掺杂，掺杂浓度大于lX1019cm_3。步骤6 在850nm激光器结构上面的赝GaAs接触层10上刻蚀，形成脊条101。步骤7 在外延片的上表面及脊条101的侧面生成二氧化硅绝缘层11。步骤8 在脊条101的上面制作电极窗口 111。步骤9 在二氧化硅绝缘层11及电极窗口 111上制作钛钼金电极12，减薄后，在衬底1的背面制作金锗镍电极13，完成激光器的制备。本方法中利用Ge作为Si和GaAs的过渡层，锗衬底和砷化镓有较小的晶格失配 (大约-0. 08 % )和热膨胀系数差(锗5 X 10-6K-1，砷化镓5. 75 X 10-6K-1)。同时，低温GaAs 缓冲层采用叔丁基二氢砷和三乙基镓代替通常采用的砷烷和三甲基镓，降低生长温度，降低生长速率，促进APB的自消除效应的产生。然后，在生长顶层砷化镓时，加入少量的铟源， 以抵消锗衬底和砷化镓的晶格失配和热膨胀系数造成的缺陷。这样得到高质量InGaAs层 (In的组分大约0. 011%)的带隙、折射率、载流子迁移率等光电性质与纯GaAs材料大致近似，但是有稍微的差别，故称为赝砷化镓(pseudo gallium arsenide) 0在此基础上得到高质量的赝砷化镓衬底，然后进行激光器机构的外延，制备850nm激光器。虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，包括以下步骤步骤1 采用UHVCVD方法在衬底上生长第一缓冲层；步骤2 将生长有第一缓冲层的衬底，立即放入MOCVD反应室并进行700°C高温处理；步骤3 采用低压MOCVD的方法，在第一缓冲层上外延第二缓冲层；步骤4 在第二缓冲层上生长赝GaAs层；步骤5 采用MOCVD的方法，在赝GaAs层上生长850nm激光器结构，该850nm激光器结构包括依次生长的Ala5GEia5As下包层、Al0.3Ga0.7As下波导、InGaAs有源区、Al0.3Ga0.7As上波导层、Ala5GEta5As上包层和赝GaAs接触层；步骤6 在850nm激光器结构上面的赝GaAs接触层上刻蚀，形成脊条；步骤7 在外延片的上表面及脊条的侧面生成二氧化硅绝缘层；步骤8 在脊条的上面制作电极窗口 ；步骤9 在二氧化硅绝缘层及电极窗口上制作钛钼金电极，减薄后，在衬底的背面制作金锗镍电极，完成激光器的制备。
2.根据权利要求1所述的基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，其中衬底为η型低阻(001)硅，偏<110>4°。
3.根据权利要求1所述的基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，其中第一缓冲层的材料为Ge，第二缓冲层的材料为GaAs，赝GaAs层的材料为与Ge晶格匹配的 InGaAs 层。
4.根据权利要求1所述的基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，其中 700°C高温处理衬底的时间是20min。
5.根据权利要求1所述的基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，其中采用MOCVD生长第二缓冲层的条件是，反应室压力IOOmBar,叔丁基二氢砷和三乙基镓为原料，生长过程中叔丁基二氢砷和三乙基镓的输入摩尔流量比V/III在40-50之间，生长速率在0. 1-0. 3nm/s，厚度10-20nm，温度在400-450°C，温度下降到生长温度后，先通叔丁基二氧石申5min。
6.根据权利要求1所述的基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，其中生长赝GaAs层的条件是，砷烷、三甲基铟和三甲基镓为原料，生长过程中输入摩尔流量比V/ III在30-50之间，温度620-650°C，生长速率为0. 5-1. Onm/s，厚度为2微米。
7.根据权利要求1所述的基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，其中生长第二缓冲层和赝GaAs层时，重掺杂双硅烷，掺杂浓度大于1 X 108cm_3。
8.根据权利要求1所述的基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，其中 850nm激光器结构中的赝GaAs接触层是采用四溴化碳掺杂，掺杂浓度大于1 X 101W3。
全文摘要
一种基于硅基赝砷化镓衬底的850nm激光器的制备方法，包括以下步骤采用UHVCVD方法在衬底上生长第一缓冲层；将生长有第一缓冲层的衬底，放入MOCVD反应室并进行700℃高温处理；在第一缓冲层上外延第二缓冲层；在第二缓冲层上生长赝GaAs层；在赝GaAs层上生长850nm激光器结构，该850nm激光器结构包括依次生长的Al0.5Ga0.5As下包层、Al0.3Ga0.7As下波导、InGaAs有源区、Al0.3Ga0.7As上波导层、Al0.5Ga0.5As上包层和赝GaAs接触层；在850nm激光器结构上面的赝GaAs接触层上刻蚀，形成脊条；在外延片的上表面及脊条的侧面生成二氧化硅绝缘层；在脊条的上面制作电极窗口；在二氧化硅绝缘层及电极窗口上制作钛铂金电极，减薄后，在衬底的背面制作金锗镍电极，完成激光器的制备。
文档编号H01S5/323GK102570305SQ20121005729
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者于红艳, 周旭亮, 潘教青, 王圩, 赵玲娟 申请人:中国科学院半导体研究所