[發(fā)明專(zhuān)利]制備硅基InGaAsP為有源區(qū)的1550nm激光器的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210033017.8
• 申請(qǐng)日: 2012-02-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102545054A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周旭亮;于紅艷;王偉;潘教青;王圩
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01S5/323
• 分類(lèi)號(hào): H01S5/323
• 代理公司: 中科專(zhuān)利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種制備硅基InGaAsP為有源區(qū)的1550nm激光器的方法。

背景技術(shù)

對(duì)于光電子集成電路(Opto?electronic?Integrated?Circuit，OEIC)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題是缺少硅基光源。硅材料作為微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是最為廣泛研究的半導(dǎo)體材料；硅加工技術(shù)的成熟程度遠(yuǎn)高于III-V族化合物半導(dǎo)體材料。然而，硅基發(fā)光問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好地解決。考慮到基于GaAs、InP激光器的成熟發(fā)展以及其與標(biāo)準(zhǔn)電路工藝的不兼容，硅基III-V族化合物半導(dǎo)體激光器的制備是解決硅基光互連問(wèn)題的一個(gè)可行性方案。作為光纖通信的最小衰減波長(zhǎng)，1550nm波長(zhǎng)主要基于InP襯底的激光器產(chǎn)生；硅基1550nm激光器的研制對(duì)光互連問(wèn)題的解決意義重大。

在Si襯底上外延高質(zhì)量的III-V族半導(dǎo)體材料是制備Si基激光器前提。InP是研究較為成熟的III-V族材料，本方法采用InP作為III-V的代表來(lái)研究外延問(wèn)題。Si和InP的晶格適配較大(8％)，熱適配較大(Si和InP的熱膨脹系數(shù)分別為2.59×10^-6K^-1，4.75×10^-6K^-1)，因此在異質(zhì)外延時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)。同時(shí)，由于極性材料在非極性襯底上外延以及襯底臺(tái)階的存在，外延層中會(huì)產(chǎn)生大量的反相疇(Anti-phase?domain，APD)，反相疇邊界(Anti-phase?boundary，APB)是載流子的散射和復(fù)合中心，同時(shí)在禁帶引入缺陷能級(jí)。這些位錯(cuò)和反相疇邊界會(huì)一直延伸到外延層的表面，嚴(yán)重影響了外延層的質(zhì)量。Si基III-V族材料的生長(zhǎng)必須解決這幾個(gè)問(wèn)題。

本方法中的InP緩沖層采用叔丁基二氫磷，降低生長(zhǎng)溫度，降低生長(zhǎng)速率，促進(jìn)APB的自消除效應(yīng)的產(chǎn)生；同時(shí)，采用高深寬比限制技術(shù)，利用AR＞1的SiO₂溝槽來(lái)限制住適配位錯(cuò)和APB。叔丁基二氫磷分解溫度遠(yuǎn)低于砷烷，因此可以在較低的溫度下進(jìn)行材料的外延生長(zhǎng)，并且，較低的溫度可以限制Si和InP界面的互擴(kuò)散問(wèn)題。采用MOCVD方法，在SiO₂溝槽中，外延InP是沿著{311}和{111}晶族組成的晶面(平行于溝槽的方向)進(jìn)行生長(zhǎng)的，Si/InP界面處的失配位錯(cuò)，APD一般是順沿著外延層的生長(zhǎng)方向延伸的。這樣，當(dāng)這些失配位錯(cuò)和APD遇到SiO₂壁時(shí)就受到阻擋，不能延伸到頂層的InP。同時(shí)，采用高阻硅襯底以及將正負(fù)電極做在同一側(cè)，有效提高了載流子注入效率，為硅基光互連奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種制備硅基InGaAsP為有源區(qū)的1550nm激光器的方法，為Si基InP發(fā)光器件以及光互連提供可行性解決方案。該方法通過(guò)改變?cè)喜⒔Y(jié)合高深寬比溝槽限制技術(shù)，抑制了InP/Si界面失配位錯(cuò)和APD向外延層的延伸；兩次地生長(zhǎng)速率的控制可以有效地控制成核，從而得到高質(zhì)量的硅基InP材料以及1550nm激光器。

本發(fā)明提供一種制備硅基InGaAsP為有源區(qū)的1550nm激光器的方法，包括以下步驟：

步驟1：在硅襯底上生長(zhǎng)二氧化硅層；

步驟2：采用全息曝光和ICP方法在二氧化硅層上沿著硅襯底的<110>方向刻蝕出溝槽；

步驟3：分別用piranha、SC₂、HF和去離子水清洗，除去溝槽底部剩余的二氧化硅層，露出硅襯底；

步驟4：采用低壓MOCVD的方法，先在溝槽內(nèi)依次生長(zhǎng)第一緩沖層和第二緩沖層，其高度超出二氧化硅層；接著在第二緩沖層和二氧化硅層上生長(zhǎng)第三緩沖層，然后在第三緩沖層生長(zhǎng)頂層，第三緩沖層和頂層采用SiH₄摻雜；

步驟5：采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法，將頂層拋光，拋光后的粗糙度小于1nm，然后清洗；

步驟6：采用MOCVD的方法在頂層上依次外延第四緩沖層、刻蝕停止層以及激光器結(jié)構(gòu)；

步驟7：采用傳統(tǒng)光刻、ICP刻蝕與濕法刻蝕結(jié)合的方法將激光器結(jié)構(gòu)刻蝕成深脊，在深脊上刻蝕成淺脊；

步驟8：利用PECVD的方法，在深脊和淺脊的表面及刻蝕停止層上生長(zhǎng)二氧化硅絕緣層；

步驟9：采用多次光刻、刻蝕，在淺脊上形成窗口，去除刻蝕停止層上的二氧化硅絕緣層；

步驟10：在淺脊的窗口處濺射鈦鉑金P電極；

步驟11：在刻蝕停止層上蒸發(fā)金鍺鎳N電極；

步驟12：退火，完成器件的制備。