[发明专利]一种在硅上制作垂直腔面发射激光器阵列的方法

说明书

本发明公开了一种在硅上制作垂直腔面发射激光器阵列的方法，所述方法包括：在硅衬底上外延生长缓冲层之后，利用氮化硅或二氧化硅介质薄膜作为掩膜，用来定义后续外延生长的VCSEL的尺寸和形状，以及缓解大面积薄膜外延时由热膨胀系数失配导致的薄膜开裂和晶圆翘曲，从而制造出器件尺寸较小的VCSEL阵列，减小单个VCSEL中位错缺陷的数量或避开位错缺陷的影响，并通过进一步优化VCSEL的尺寸和阵列排布方式，以提高阵列器件的完好率，最终提高硅衬底上外延生长的VCSEL的性能和可靠性。

技术领域

本发明涉及集成光电子器件和半导体材料技术领域，更具体地，涉及一种在硅上制作垂直腔面发射激光器阵列的方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有结构紧凑、大的直接调制带宽、容易制成阵列、容易与光纤耦合等特点，在短距离光通信中有重要应用。在当今的大数据时代，数据中心内部需要传输海量数据，以VCSEL为核心的光发射模块或线缆在数据中心中获得了广泛的应用。近些年来，VCSEL的应用进一步扩展到人脸识别、3D传感、自动驾驶等领域，其应用市场迅速扩大。VCSEL的另一个重要的潜在应用是与硅芯片集成起来，一方面与硅基控制模块集成，以实现集成的传感或通信芯片；另一方面是与硅光芯片集成，将VCSEL作为硅光芯片的光源。但由于短波长(发射波长1000nm以下)的VCSEL多数都是在砷化镓衬底上外延生长的，将其与硅基控制电路或硅光芯片直接集成存在几个尚未完全解决的科学和技术难题：

在硅上直接外延生长砷化镓基VCSEL非常困难。硅与砷化镓的材料性质不同，存在晶格、极性和热膨胀系数失配，这会导致在硅上直接外延生长的砷化镓单晶薄膜中出现大量的材料缺陷，如失配/穿透位错、反相畴、层错等，以及由热膨胀系数失配导致的晶圆翘曲和薄膜开裂。这些材料缺陷使VCSEL的性能、可靠性和寿命急剧恶化，使其失去实用价值。其中穿透位错是影响激光器性能和可靠性的一种重要缺陷，其密度(Threading dislocationdensity,TDD)是衡量硅上异质外延生长砷化镓等三五族半导体缺陷水平的一个主要指标。当前在硅上外延生长砷化镓所能获得的最低的TDD在大约10⁶cm^-2，而这对制造高性能、长寿命的激光器来说仍然太高。

利用晶圆键合或器件倒装键合的方式将在砷化镓衬底上制作的VCSEL转移到硅上可以获得质量较好的器件，但这些方式自身受到一些限制，例如晶圆级集成和制造，比如当前VCSEL主要制作在直径6英寸的砷化镓晶圆上，但直径6英寸的硅晶圆产线已比较稀少，直接进行晶圆级集成不方便，且这些方法的可靠性也有待检验。因此这些技术尚不成熟。

公开号为CN109449760A中国发明专利。于20公开了一种垂直腔面发射激光器阵列模块与显示装置，垂直腔面发射激光器阵列模块包括有源矩阵显示控制电路衬底；第一分布式布拉格反射光栅形成反射镜阵列；半导体发光量子层阵列；限制电流分布的光圈孔径阵列；以及第二分布式布拉格反射光栅形成反射镜阵列；其中，所述有源矩阵显示控制电路衬底中的有源矩阵显示控制电路通过金属电极阵列驱动半导体发光量子层阵列发光。该方案虽然也涉及垂直腔面的发射激光器，但其没有解决在硅衬底上外延生长的砷化镓基VCSEL中缺陷密度较高，难以获得良好性能的VCSEL的问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中在硅衬底上外延生长的砷化镓基VCSEL中缺陷密度较高，难以获得良好性能的VCSEL的缺陷，提供一种在硅上制作垂直腔面发射激光器阵列的方法。

本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种在硅上制作垂直腔面发射激光器阵列的方法，包括以下步骤：

S1：用化学气相沉积法在硅(001)晶圆上外延生长一层锗缓冲层；

S2：利用金属有机物化学气相沉积或分子束外延设备或其他的三五族半导体外延生长设备，在所述锗缓冲层上外延生长一层掺杂的砷化镓缓冲层，用作VCSEL的下电极；