[发明专利]采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法。

背景技术

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，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。

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(4.1％)，热适配较大(Si和GaAs的热膨胀系数分别为2.59×10^-6K^-1，5.75×10^-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两个问题。

本方法中的低温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；同时，采用高深宽比限制技术，利用AR＞1的SiO₂沟槽来限制住失配位错和APB，生长高质量的有源区。叔丁基二氢砷和三乙基镓的分解温度远低于砷烷和三甲基镓，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GaAs界面的互扩散问题。采用MOCVD方法，在SiO₂沟槽中，外延GaAs系材料是沿着{311}和{111}晶族组成的晶面(平行于沟槽的方向)进行生长的，III-V族化合物半导体界面处的失配位错，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，这样可以得到高质量的波导区和有源区。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法，该方法可制备高质量Si基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。该方法通过改变原料并结合高深宽比沟槽限制技术，抑制了波导区和有源区中的缺陷，

本发明提供一种采用选区生长有源区的硅基850nm激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用低压MOCVD方法在硅衬底上依次生长第一缓冲层、第二缓冲层、下包层、第一下限制层和第一二氧化硅层；

步骤2：采用全息曝光，干法刻蚀和湿法刻蚀结合的方法将第一二氧化硅层刻蚀出沟槽；

步骤3：采用MOCVD方法在沟槽中依次生长第二下限制层、下波导层、多量子阱有源区和上波导层；

步骤4：采用MOCVD方法在上波导层和第一二氧化硅层上生长结合层、上限制层、第一上包层和光栅层；

步骤5：采用全息曝光和湿法刻蚀将光栅层刻成光栅；

步骤6：采用MOCVD方法，在刻成光栅后的光栅层上二次外延第二上包层和接触层；

步骤7：在第二上包层和接触层上刻出脊条；

步骤8：采用PECVD方法，在刻出脊条的第二上包层和接触层及脊条的两侧生长第二二氧化硅层，并在接触层上开电极窗口，溅射钛铂金电极；

步骤9：将硅衬底背面减薄，蒸发金锗镍电极，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GaAs异质外延层，并使得延伸的失配位错和反相畴边界截止在SiO₂壁上，获得高质量的波导区和有源区。