[发明专利]硅基半导体激光器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种硅基半导体激光器及其制作方法。所述激光器包括第一二极管结构、发光有源区和第二二极管结构，发光有源区设置于第一二极管结构和第二二极管结构之间，当在所述第一二极管结构和/或第二二极管结构上施加预设的反向偏置电压时，所述第一二极管结构和/或第二二极管结构能够向所述发光有源区注入电子，并对所述发光有源区中的电子产生“电场阱”，从而将电子限制在发光有源区。本发明提供的硅基半导体激光器采用反向注入实现了电子‑空穴对在发光介质中电子载流子的有效收集，同时能有效实现能够发光的导带能谷电子和价带带顶空穴的粒子数反转，从而实现了硅基激光器的电注入激射。

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，特别涉及一种硅基半导体激光器及其制作方法，属于半导体技术领域。

背景技术

硅光子学(Silicon Photonics)是利用硅基半导体技术实现光电功能集成于单一芯片的新兴学科。因为其基于低成本，低功耗，成熟的硅基大规模集成电路工艺，集成度高，结构紧凑，实现光互连。但是，目前硅光子学还存在的一些问题限制了它的应用，尤其是光源的问题。因为硅材料本身是间接带隙，硅基激光器是公认的尚未解决的世界难题，还没有出现重大的技术突破。

硅基半导体激光器的技术路线主要分为两类：一是以四族材料及其化合物制作光源、二是在硅中引入III-V族化合物制作光源。目前为止，技术路线一还没有实现重大突破，无法制作出实用的硅基半导体激光器。技术路线二中，由于引入了III-V族化合物，因而无法与现有硅工艺兼容，大规模量产难度大，成本高，因此不能认为是真正的硅基半导体激光器方案。

在硅衬底上通过锗或者锗硅介质来实现电注入激光激射，一方面能够与CMOS工艺兼容，另一方面可以实现硅基电注入激光器，是实现硅基半导体激光器的理想途径，也是硅光子学的关键技术瓶颈。SiGe/Si和Ge/SiGe异质结超薄层量子结构一直被认为是解决这个技术难题的最为可行的方案，这些材料结构能够与CMOS工艺兼容，如SiGe BiCMOS器件工艺平台就是SiGe/Si HBT与CMOS单片集成。

但是，近40年来，SiGe或者Ge/SiGe电注入激光器一直没有出现重大突破，从器件物理的角度，主要遇到了如下两个障碍：一、Si、SiGe和Ge都是间接带隙半导体材料，电子-空穴对直接发光效率极弱，比III-V族直接带隙的半导体材料的发光效率要低4到5个数量级；二、Si/SiGe和Ge/SiGe异质结导带与化合物半导体不同，异质结的导带不连续量非常小，甚至会出现二类超晶格，不能够在超薄层发光区里同时有效收集和限制电子和空穴，这样很难在发光区有效实现激光激射所需要的粒子数反转。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种硅基半导体激光器及其制作方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种硅基半导体激光器，其包括第一二极管结构、发光有源区和第二二极管结构，所述发光有源区设置于第一二极管结构和第二二极管结构之间，所述第一二极管结构、第二二极管结构包括pn二极管或肖特基二极管，当在所述第一二极管结构和/或第二二极管结构上施加预设的反向偏置电压时，所述第一二极管结构和/或第二二极管结构能够利用二极管反向击穿产生的大量电子向所述发光有源区注入电子，并利用所述反向偏置电压产生的反向电场对所述发光有源区中的电子产生“电场阱”，从而将电子限制在发光有源区。

本发明实施例还提供了如所述硅基半导体激光器的制作方法，其包括：依次在硅衬底上生长形成第一二极管结构或第一二极管结构的半导体结构、发光有源区、第二二极管结构或第二二极管结构的半导体结构。