[发明专利]一种边发射半导体激光器腔面的非解理制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高质量边发射半导体激光器腔面的制备方法，属于半导体光电器件技术领域。

背景技术

硅基光电集成电路技术是利用现有的超大规模集成电路工艺把硅基光子器件和电路集成在同一芯片上，由于硅材料在集成方面有着绝对优势，无论是集成光学技术和相对成熟的微电子技术都在蓬勃发展，这促使光电子器件往系统集成方向不断迈进，具有结构紧凑、成本低廉等优点的硅基单片集成芯片是一个重要的发展方向。

硅基光子学以高速化、节约化、小型化、简易化和智能化为发展趋势，是解决高性能计算机、高端CPU和高速网络发展中所面临的互连瓶颈问题的关键解决方案，可应用于通用微处理器芯片、专用数据处理芯片、高清电视芯片等的光互连和光交换，具有广阔的应用领域和产业化前景。例如从芯片内部互连（<2cm）到板卡级的芯片间互连再到设备级的背板互连，从局域网/存储网络到光接入网，从城域网再到超过1000公里的长途通信网等。个人计算机的USB3.0以后的接口将普遍采用光互连技术，Intel已经在着手制定LightPeak等光互连标准，面向家庭消费市场的HDMI V1.3的数据传输速率已达10Gbps，由此发展出的消费类光传输市场，将是一个上百亿美元的新兴的海量市场。因此，发展光互连技术，研究片内光互连所需的各种硅基光电集成器件和单元，包括片上集成激光器、光探测器、调制器和驱动器

硅基光电子学中最关键的技术瓶颈是缺乏硅基激光器。针对通讯波段，目前主要是采用混合集成（Nature Photonics4,511(2010)），即把III-V族激光器材料键合到硅基上，但这两种材料衬底尺寸差异很大，很难upscaling，单片外延集成有望在大尺寸硅基衬底上实现硅/III-V族材料融合，同时还可以使用CMOS工艺降低器件成本。在硅基上用IMF（interfacial misfit）方法可以实现高质量的大晶格失配锑化物异变薄膜衬底，应力驰豫在硅/III-V界面处完成，绝大部分位错限制在界面上，是现有采用单片集成方法在硅基上实现室温电泵激光器的唯一途径(L.Cerutti,J.B.Rodriguez,and E.Tournie,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.22,NO.8,APRIL15,2010)。

在硅基上直接外延III-V半导体激光器材料对后续的器件工艺引入许多新的的要求和限制，其中激光器谐振腔腔面的制备是一个重要的环节。通常硅基III-V激光器衬底为硅或者SOI，由于硅或锗材料比之于III-V化合物有很高的硬度，常规机械解理很难实现平整腔面，腔面反射率降低，光学损耗增大，因此无法用常规的半导体激光器的机械解理方法制备激光器谐振腔腔面。本发明拟提出一种边发射半导体激光器腔面的制备方法，利用本发明可以在不破坏衬底的情况下利用非解理方法形成高质量腔面，利于后续激光器和硅基器件的集成。

发明内容

为了获得高质量的硅基半导体激光器的腔面，同时不破坏衬底以便于后续电路的集成，本发明的目的在于提供一种全新的制备高质量边发射半导体激光器的谐振腔腔面的非解理制备方法，目的是通过悬臂式激光器谐振腔的制备，利用外部超声的方法震断谐振腔两端，从而形成高质量的谐振腔腔面。

本发明所述的制备方法特征在于：（1）设计并生长激光器的特定材料结构，在激光器有源区下方插入腐蚀牺牲层；所述的腐蚀牺牲层可以直接在激光器有源区的下方或者在激光器底部光波导的下方；（2）利用光刻方法制备激光器的谐振腔掩膜图形，根据激光器材料结构刻蚀谐振腔；（3）再利用选择性腐蚀液对腐蚀牺牲层进行侧向腐蚀，在激光器腔面处形成悬臂结构；（4）利用超声震断悬臂结构，形成激光器前后腔面。

（1）边发射半导体激光器的材料结构设计和生长

首先在激光器有源区下方插入腐蚀牺牲层，然后利用牺牲层的过腐蚀形成激光器谐振腔两端的悬臂结构。为达到这个目的，在激光器的材料结构的设计方面有一个重要的特征，就是牺牲层上方的材料结构需要和牺牲层材料有较高的腐蚀选择比，即用来腐蚀牺牲层材料的腐蚀剂对激光器牺牲层上方的有源区等材料结构腐蚀速度远小于对牺牲层的腐蚀速度。因此要根据激光器的整个材料结构，合理选择牺牲层材料，腐蚀牺牲层厚度一般在80-120纳米左右，腐蚀牺牲层可以直接在激光器有源区下方或者在激光器底部光波导的下方，腐蚀牺牲层可以是稳定的晶体材料，也可以是通过在暴露空气或潮湿环境中氧化形成的无定型氧化物，腐蚀牺牲层的设计应不影响注入电流的通过，这是实现本发明的首要条件。

（2）通过刻蚀方法制备激光器谐振腔结构