CN102545054A - 制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，包括：在硅衬底上生长二氧化硅层；在二氧化硅层上沿着硅衬底的<110>方向刻蚀出沟槽；清洗；先在沟槽内依次生长第一缓冲层和第二缓冲层；接着在第二缓冲层和二氧化硅层上生长第三缓冲层，然后在第三缓冲层生长顶层；将顶层抛光，抛光后的粗糙度小于1nm，然后清洗；在顶层上依次外延第四缓冲层、刻蚀停止层以及激光器结构；将激光器结构刻蚀成深脊，在深脊上刻蚀成浅脊；在深脊和浅脊的表面及刻蚀停止层上生长二氧化硅绝缘层；在浅脊上形成窗口，去除刻蚀停止层上的二氧化硅绝缘层；在浅脊的窗口处溅射钛铂金P电极；在刻蚀停止层上蒸发金锗镍N电极；退火。

Description

制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法。

背景技术

对于光电子集成电路(Opto electronic 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。作为光纤通信的最小衰减波长，1550nm波长主要基于InP衬底的激光器产生；硅基1550nm激光器的研制对光互连问题的解决意义重大。

在Si衬底上外延高质量的III-V族半导体材料是制备Si基激光器前提。InP是研究较为成熟的III-V族材料，本方法采用InP作为III-V的代表来研究外延问题。Si和InP的晶格适配较大(8％)，热适配较大(Si和InP的热膨胀系数分别为2.59×10^-6K^-1，4.75×10^-6K^-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几个问题。

本方法中的InP缓冲层采用叔丁基二氢磷，降低生长温度，降低生长速率，促进APB的自消除效应的产生；同时，采用高深宽比限制技术，利用AR＞1的SiO₂沟槽来限制住适配位错和APB。叔丁基二氢磷分解温度远低于砷烷，因此可以在较低的温度下进行材料的外延生长，并且，较低的温度可以限制Si和InP界面的互扩散问题。采用MOCVD方法，在SiO₂沟槽中，外延InP是沿着{311}和{111}晶族组成的晶面(平行于沟槽的方向)进行生长的，Si/InP界面处的失配位错，APD一般是顺沿着外延层的生长方向延伸的。这样，当这些失配位错和APD遇到SiO₂壁时就受到阻挡，不能延伸到顶层的InP。同时，采用高阻硅衬底以及将正负电极做在同一侧，有效提高了载流子注入效率，为硅基光互连奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，为Si基InP发光器件以及光互连提供可行性解决方案。该方法通过改变原料并结合高深宽比沟槽限制技术，抑制了InP/Si界面失配位错和APD向外延层的延伸；两次地生长速率的控制可以有效地控制成核，从而得到高质量的硅基InP材料以及1550nm激光器。

本发明提供一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底上生长二氧化硅层；

步骤2：采用全息曝光和ICP方法在二氧化硅层上沿着硅衬底的<110>方向刻蚀出沟槽；

步骤3：分别用piranha、SC₂、HF和去离子水清洗，除去沟槽底部剩余的二氧化硅层，露出硅衬底；

步骤4：采用低压MOCVD的方法，先在沟槽内依次生长第一缓冲层和第二缓冲层，其高度超出二氧化硅层；接着在第二缓冲层和二氧化硅层上生长第三缓冲层，然后在第三缓冲层生长顶层，第三缓冲层和顶层采用SiH₄掺杂；

步骤5：采用化学机械抛光的方法，将顶层抛光，抛光后的粗糙度小于1nm，然后清洗；

步骤6：采用MOCVD的方法在顶层上依次外延第四缓冲层、刻蚀停止层以及激光器结构；

步骤7：采用传统光刻、ICP刻蚀与湿法刻蚀结合的方法将激光器结构刻蚀成深脊，在深脊上刻蚀成浅脊；

步骤8：利用PECVD的方法，在深脊和浅脊的表面及刻蚀停止层上生长二氧化硅绝缘层；

步骤9：采用多次光刻、刻蚀，在浅脊上形成窗口，去除刻蚀停止层上的二氧化硅绝缘层；

步骤10：在浅脊的窗口处溅射钛铂金P电极；

步骤11：在刻蚀停止层上蒸发金锗镍N电极；

步骤12：退火，完成器件的制备。

本发明的特点是：

1、用金属有机物化学气相外延与高深宽比沟槽限制的方法结合，在Si衬底生长高质量的InP异质外延层，使InP/Si界面的失配位错和反相畴边界截止在SiO₂壁上。

2、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、四步缓冲层生长条件的控制，尤其是低速生长步骤是控制缺陷的主要步骤。

4、采用高阻硅衬底以及共面电极，针对InP/Si界面的高缺陷密度，有效提高了载流子注入效率，为硅基光互连奠定基础。

附图说明

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10为本发明制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1至图10，本发明提供制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底1上生长二氧化硅层2，其中硅衬底1为n型高阻(001)硅，电阻率在大于2000欧姆·厘米，二氧化硅层2的厚度为500nm-600nm。

步骤2：采用全息曝光和ICP方法在二氧化硅层2上沿着硅衬底1的<110>方向刻蚀出沟槽3，其宽度为200-300nm，深度与二氧化硅层2的厚度相同，并且沟槽3的底部留下十几纳米的二氧化硅来保护硅衬底1。

步骤3：分别用piranha、SC₂、HF和去离子水清洗，除去沟槽3底部剩余的二氧化硅层2，露出硅衬底1；

步骤4：采用MOCVD的方法，反应室压力为100mBar，先在沟槽3内依次生长第一缓冲层4和第二缓冲层5，其高度超出二氧化硅层2，并且相邻沟槽3的第二缓冲层不结合；接着在第二缓冲层5和二氧化硅层2上生长第三缓冲层6，然后在第三缓冲层6生长顶层7；四层材料为InP，以叔丁基二氢磷和三甲基铟作为原料，生长过程中叔丁基二氢磷和三甲基铟的输入摩尔流量比V/III在10和30之间，在沟槽3内生长第一缓冲层4和第三缓冲层6时，生长温度在450-550℃之间，生长速率为0.1-0.5nm/s，生长厚度均为150至200nm；第一缓冲层4上生长的第二缓冲层5以及顶层7时，生长温度在600-650℃之间，生长速率为0.8-1.2nm/s，顶层7的厚度为300nm至500nm；第三缓冲层6和顶层7采用SiH₄掺杂，掺杂浓度在1-5×10¹⁸cm^-3。

步骤5：采用化学机械抛光的方法，将顶层7抛光，抛光后的粗糙度小于1nm，然后清洗；

步骤6：采用MOCVD的方法在顶层7上依次外延第四缓冲层8、刻蚀停止层9以及激光器结构10；第四缓冲层8为InP，刻蚀停止层为InGaAsP，这两层采用SiH₄掺杂，掺杂浓度在1-5×10¹⁸cm^-3；各层相应采用的原材料为磷烷，砷烷、三甲基铟、三甲基镓；激光器结构10包括InP下包层、下波导层、有源区、上波导层、InP上包层和接触层，还包括一光栅层，该光栅层在InP上包层中。光栅的制作通过全息曝光和ICP刻蚀，然后经过二次外延完成结构10。

步骤7：采用传统光刻、ICP刻蚀与湿法刻蚀结合的方法将激光器结构10刻蚀成深脊101，在深脊101上刻蚀成浅脊102；深脊101宽20μm至30μm，深脊101的槽11的宽度为5μm至10μm，槽11的深度到刻蚀停止层9；浅脊102宽度为4μm至6μm，刻蚀深度取决于光栅层距结构10接触层表面的距离。

步骤8：利用PECVD的方法，在深脊101和浅脊102的表面及刻蚀停止层9上生长二氧化硅绝缘层13；

步骤9：采用多次光刻刻蚀，在浅脊102上形成窗口，去除刻蚀停止层9上的二氧化硅绝缘层13；

步骤10：在浅脊102的窗口处溅射钛铂金P电极14；

步骤11：通过光刻、刻蚀，然后在刻蚀停止层9上蒸发金锗镍N电极15；

步骤12：退火，完成器件的制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底上生长二氧化硅层；

步骤2：采用全息曝光和ICP方法，在二氧化硅层上沿着硅衬底的<110>方向刻蚀出沟槽；

步骤3：分别用piranha、SC₂、HF和去离子水清洗，除去沟槽底部剩余的二氧化硅层，露出硅衬底；

步骤4：采用低压MOCVD的方法，先在沟槽内依次生长第一缓冲层和第二缓冲层，其高度超出二氧化硅层；接着在第二缓冲层和二氧化硅层上生长第三缓冲层，然后在第三缓冲层生长顶层，第三缓冲层和顶层采用SiH₄掺杂；

步骤5：采用化学机械抛光的方法，将顶层抛光，抛光后的粗糙度小于1nm，然后清洗；

步骤6：采用MOCVD的方法，在顶层上依次外延第四缓冲层、刻蚀停止层以及激光器结构；

步骤7：采用传统光刻、ICP刻蚀与湿法刻蚀结合的方法，将激光器结构刻蚀成深脊，在深脊上刻蚀成浅脊；

步骤8：利用PECVD的方法，在深脊和浅脊的表面及刻蚀停止层上生长二氧化硅绝缘层；

步骤9：采用多次光刻、刻蚀，在浅脊上形成窗口，去除刻蚀停止层上的二氧化硅绝缘层；

步骤10：在浅脊的窗口处溅射钛铂金P电极；

步骤11：在刻蚀停止层上蒸发金锗镍N电极；

步骤12：退火，完成器件的制备。

2.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中硅衬底1为n型高阻(001)硅，电阻率在大于2000欧姆·厘米。

3.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中第一、第二、第三和第四缓冲层4、5、6、8的材料为InP，顶层7的材料为InP。

4.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中沟槽3的宽度为200-300nm，深度与二氧化硅层2的厚度相同。

5.根据权利要求3所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中二氧化硅层2的厚度为500nm-600nm。

6.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中采用MOCVD的方法，其压力为100mBar，第四缓冲层8之前的各层生长以叔丁基二氢磷和三甲基铟作为原料，生长过程中叔丁基二氢磷和三甲基铟的输入摩尔流量比V/III在10和30之间，其他各层相应采用的原材料为磷烷，砷烷、三甲基铟、三甲基镓。

7.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中在沟槽3内生长第一缓冲层4和第三缓冲层6时，生长温度在450-550℃之间，生长速率为0.1-0.5nm/s，生长厚度均为150至200nm。

8.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中在第一缓冲层4上生长的第二缓冲层5以及顶层7时，生长温度在600-650℃之间，生长速率为0.8-1.2nm/s，第二缓冲层5生长厚度高于沟槽3的深度，并且相邻沟槽3中的第二缓冲层5不结合，顶层7的厚度为300nm至500nm。

9.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中第三缓冲层6、顶层7、第四缓冲层8和刻蚀停止层9的掺杂浓度在1-5×10¹⁸cm^-3。

10.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中激光器结构10包括InP下包层、下波导层、有源区、上波导层、InP上包层和接触层，还包括一光栅层，该光栅层在InP上包层中。

11.根据权利要求1所述的制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，其中深脊101宽20μm至30μm，深脊101的槽11的宽度为5μm至10μm，槽11的深度到刻蚀停止层9。

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