[发明专利]一种硅基激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体混合材料的基本制备方法及硅基光电子器件领域中混合硅基激光器件及其制备方法，特别是涉及一类以透明导电氧化物薄膜为媒介的硅基键合激光器及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，人们对计算机的运算速度和信息存储量的要求也越来越高。而光子具有传播速度快，传输容量大，响应速度快，处理速度快，集成化以及高度抗电磁干扰性，带宽比电子大好几个量级等优点。因此人们希望把光子作为信息载体与成熟的硅微电子技术相结合，实现硅基光电集成。而在硅基光电集成技术中，关键问题就是实现硅基电泵激光。

近来，人们发展了一种键合方法，即将目前已经发展成熟的化合物半导体激光器利用直接键合(金属键合或聚合物键合)方法键合在硅波导上，并将化合物半导体激光器中的激光耦合到硅波导中，从而实现硅基电泵激光。然而，直接键合方法存在操作复杂，对环境要求极高的缺点，绝缘键合无法导电且导热性能不好，而金属键合的缺点是金属会强烈的吸收光，如果采用选区金属键合，则需要精确对准，产率较低。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种新颖的以透明导电材料为媒介的硅基键合激光器及其制备方法。该方法可以有效地降低工艺难度和周期，提高器件的成品率和效率，而且能够方便地应用到集成工艺上。

本发明的特色在于：首先可实现一种混合半导体材料：在一种半导体材料A上沉积一层透明导电材料C，利用它作为键合面的欧姆接触和电极，然后将半导体材料A倒置，通过透明导电材料C键合到另一种半导体材料B上，B可能有图形化的结构。这样，半导体材料A和B之间可通过C实现导电，透光。

其次可直接用于器件制作：在外延生长的化合物半导体激光器上溅射(蒸发或旋涂)上一层透明导电材料，如氧化物薄膜，利用透明导电氧化物薄膜作为键合面的欧姆接触和电极，然后将此化合物半导体激光器倒扣键合到已刻好波导结构的SOI上。光通过隐失波的方式耦合到硅波导中，实现硅基电泵激光。

透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)薄膜主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜。目前研究较多的是ITO(In₂O₃:Sn)，FTO(SnO₂:F)和ZAO(ZnO:Al)，此外还有IWO(In₂O₃:W)、ZNO(ZnO:Ni)、ZANO(ZnO:Al:Ni)等氧化物薄膜，以及一些新型的多元透明导电氧化物薄膜材料，如CdIn₂O₄、MgIn₂O₄、Zn₂SnO₄等。这些氧化物均为重掺杂、高简并半导体。半导化机理为化学计量比偏移和掺杂，其禁带宽度一般大于3eV，并随组分不同而变化。它们的光电性质依赖于金属的氧化状态以及掺杂剂的特性与数量，一般具有高载流子浓度(10¹⁸～10²¹cm^-3)，电阻率可达10^-4Ωcm量级，可见光透射率为80％以上，近红外光的透射率基本上都在60％以上，有的甚至达到90％。因此，TCO薄膜材料在太阳能电池、平面显示、气敏元件、特殊功能窗口涂层及其它光电器件领域均有着广泛的应用。

本发明的技术方案是：

混合半导体材料的实现：在一种半导体材料A上沉积一层透明导电材料C，利用它作为键合面的欧姆接触和电极，然后将半导体材料A倒置，通过透明导电材料C键合到另一种半导体材料B上，B可能有图形化的结构。这样，半导体材料A和B之间可通过C实现导电，透光。

本发明的激光器结构如图1所示，包括刻蚀有波导结构的SOI，化合物半导体激光器结构；所述化合物半导体激光器结构的键合面上设有周期分布的条形SiO₂结构，未分布所述条形SiO₂结构的键合面以及所述条形SiO₂结构的表面上设有相互导通的透明导电层；所述化合物半导体激光器结构中，与所述键合面相对的底面设有导电层；所述化合物半导体激光器结构通过所述透明导电层与所述SOI键合，其中，所述条形SiO₂结构表面的所述透明导电层与所述SOI的键合区对应，未分布所述条形SiO₂结构的键合面上所述透明导电层与所述SOI的耦合区对应。

本发明提供的激光器制备方法，其步骤包括：