CN105429001B - Si/Ge超晶格量子级联激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Si/Ge超晶格量子级联激光器及其制备方法，该激光器从下往上依次包括硅衬底、Si0.5Ge0.5缓冲层、硅锗超晶格和SiO2，在硅锗超晶格顶部和Si0.5Ge0.5缓冲层上沉积铝电极，Si0.5Ge0.5缓冲层的厚度为300nm，所述Si0.5Ge0.5缓冲层为5nm的硅和5nm的锗交互生长形成硅锗超晶格结构，所述的Si0.5Ge0.5缓冲层的硅锗比例为1∶1。本发明既能够兼容CMOS工艺，又能够实现锗光源对不同波长光的需求，且具有较高的光电转换效率，光稳定性，加工简单、方便，为实现片上光源提供一个具体的结构和实施方案。

Description

Si/Ge超晶格量子级联激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子领域，具体涉及一种Si/Ge超晶格量子级联激光器及其制备方法。
背景技术
随着技术要求日益提高，信息处理硬件的微细加工的极限开始显现出来，束缚了技术的日益发展。在过去的几十年发展中，微电子工艺一直按照摩尔定律进步着。进步的最显著特点就是工艺尺寸越来越小，集成度越来越高，成本越来越低。但是，随着微电子工艺尺寸向纳米级前进，各种物理效应带来的瓶颈也越来越明显。为了突破瓶颈，研究人员们把目光集中在了将微电子与光电子技术相结合的领域上，这就是光电集成(OEIC)。
Intel、IBM等半导体巨头的不懈努力，硅光电子技术的诸多关键器件得以在集成电路平台上实现，包括高速硅光调制器、探测器和波导元件都得到了突破。然而由于硅是间接带隙材料导致难以实现直接发光，故片上光源没有得到实现，这是硅光子技术一直以来所面临的最大难题。
硅基光通信和光电集成技术迫切要求在低造价的情况下得到高效集成激光光源。到目前为止，硅芯片上的激光仍然依靠III-V材料生长或者键合到硅片上。这会产生稳定性问题，并且不利于工业大批量生产和制造。在硅片上外延的III-V激光器在寿命上受到限制，并且其制造工艺相当复杂。当键合III-V激光器到硅片上时由于在硅和III-V材料之间失配问题而受到限制。更进一步地说，相对硅CMOS技术来说，III-V激光器的产出是相当低的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种Si/Ge超晶格量子级联激光器及其制备方法，既能够兼容CMOS工艺，又能够实现锗光源对不同波长光的需求，且具有较高的光电转换效率，光稳定性，加工简单、方便，为实现片上光源提供一个具体的结构和实施方案。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种Si/Ge超晶格量子级联激光器，从下往上依次包括硅衬底、Si0.5Ge0.5缓冲层、硅锗超晶格和SiO2，硅锗超晶格和SiO2，两侧分别对称沉积有铝电极。
本发明还提供了上述Si/Ge超晶格量子级联激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1、420℃温度条件下，通过低分子束外延法在硅衬底上生长厚度为300nm的Si0.5Ge0.5缓冲层；
S2、420℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Si0.5Ge0.5缓冲层上生长厚度为5nm的Ge材料；
S3、420℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Ge材料上生长厚度为5nm的Si材料；
S4、520℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Si材料上生长厚度为5nm的Ge材料；
S5、重复步骤S3和步骤S4，得到10-30层的Si/Ge；
S6、900℃温度条件下，通过湿氧氧化在步骤S5所得的结构上生长一层大于150nm的SiO2；
S7、通过金属蒸发工艺在所得的Si/Ge和SiO2两侧沉积铝电极，得Si/Ge超晶格量子级联激光器。
其中，所述硅锗缓冲层为5nm的硅和5nm的锗交互生长形成硅锗超晶格结构。
其中，所述的Si0.5Ge0.5缓冲层的硅锗比例为1∶1。
其中，所述铝电极从下至上依次为钛、铝，工艺条件为，钛层厚度为20nm，生长速度为铝层厚度为130nm，10nm内生长速率为10nm到130nm内生长速率为
本发明具有以下有益效果：
既能够兼容CMOS工艺，又能够实现锗光源对不同波长光的需求，且具有较高的光电转换效率，光稳定性，加工简单、方便，为实现片上光源提供一个具体的结构和实施方案。
附图说明
图1为本发明实施例中步骤S1的加工意义图。
图2为本发明实施例中步骤S2的加工示意图。
图3为本发明实施例中步骤S3的加工示意图。
图4为本发明实施例中的硅锗超级晶格结构。
图5为本发明实施例中步骤S5的加工示意图。
图6为本发明实施例中步骤S6的加工示意图。
图7为本发明实施例中步骤S7的加工示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种Si/Ge超晶格量子级联激光器，从下往上依次包括硅衬底、Si0.5Ge0.5缓冲层、硅锗超晶格和SiO2，硅锗超晶格和SiO2，两侧分别对称沉积有铝电极。
如图1-7所示，本发明实施例还提供了一种Si/Ge超晶格量子级联激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1、420℃温度条件下，通过低分子束外延法在硅衬底上生长厚度为300nm的Si0.5Ge0.5缓冲层；所述硅锗缓冲层为5nm的硅和5nm的锗交互生长形成硅锗超晶格结构，硅锗比例为1∶1。
S2、420℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Si0.5Ge0.5缓冲层上生长厚度为5nm的Ge材料；
S3、520℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Ge材料上生长厚度为5nm的Si材料；
S4、420℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Si材料上生长厚度为5nm的Ge材料；
S5、重复步骤S3和步骤S4，得到10-30层的Si/Ge；
S6、900℃温度条件下，通过湿氧氧化在步骤S5所得的结构上生长一层大于150nm的SiO2；
S7、通过金属蒸发工艺在所得的Si/Ge和SiO2两侧沉积铝电极，得Si/Ge超晶格量子级联激光器。所述铝电极从下至上依次为钛、铝，工艺条件为，钛层厚度为20nm，生长速度为铝层厚度为130nm，10nm内生长速率为10nm到130nm内生长速率为
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种Si/Ge超晶格量子级联激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、420℃温度条件下，通过低分子束外延法在硅衬底上生长厚度为300nm的Si0.5Ge0.5缓冲层；
S2、420℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Si0.5Ge0.5缓冲层上生长厚度为5nm的Ge材料；
S3、420℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Ge材料上生长厚度为5nm的Si材料；
S4、520℃温度条件下，通过低温分子束外延法在所得的Si材料上生长厚度为5nm的Ge材料；
S5、重复步骤S3和步骤S4，得到10-30层的Si/Ge；
S6、900℃温度条件下，通过湿氧氧化在步骤S5所得的结构上生长一层大于150nm的SiO2；
S7、通过金属蒸发工艺在所得的硅锗超晶格顶部和Si0.5Ge0.5缓冲层上沉积铝电极，得Si/Ge超晶格量子级联激光器。
2.根据权利要求1所述的Si/Ge超晶格量子级联激光器的制备方法，其特征在于，所述Si0.5Ge0.5缓冲层为5nm的硅和5nm的锗交互生长形成硅锗超晶格结构。
3.根据权利要求1所述的Si/Ge超晶格量子级联激光器的制备方法，其特点在于，所述的Si0.5Ge0.5缓冲层的硅锗比例为1∶1。
4.根据权利要求1所述的Si/Ge超晶格量子级联激光器的制备方法，其特点在于，所述铝电极从下至上依次为钛、铝，工艺条件为，钛层厚度为20nm，生长速度为铝层厚度为130nm，10nm内生长速率为10nm到130nm内生长速率为
5.一种基于权利要求1-4任意一种Si/Ge超晶格量子级联激光器的制备方法制备得到的Si/Ge超晶格量子级联激光器，其特征在于，从下往上依次包括硅衬底、Si0.5Ge0.5缓冲层、硅锗超晶格和SiO2，硅锗超晶格顶部和Si0.5Ge0.5缓冲层上沉积铝电极。
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