[发明专利]半导体激光器及其形成方法、形成激光介质的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造领域，尤其涉及半导体激光器以及在SOI衬底上形成激光介质、激光器的方法。

背景技术

随着科学技术的发展，激光器的材料、性能、应用等都越来越丰富广泛，但其结构一般包括以下三个部分：

1、激光介质

激光介质是获得激光的必要条件。它是可以实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系。它可以是气体、液体、固体或半导体。现有激光介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外。

2、激励源

是指为使激光介质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射激光介质，称为光激励；还有热激励、化学激励、核能激励等。

3、谐振腔

所谓光学谐振腔，是使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡的结构。谐振腔的作用为：①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。通常是由组成腔的两个反射镜的几何形状(反射面曲率半径)和相对组合方式所决定；②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。

半导体激光介质材料中最早发现，也是现在应用最广泛的材料为GaAs，其它III-V族化合物的激光性质都和GaAs十分相似。GaP和GaAs以不同的比例制成混合晶体GaAs_1-xP_x，可获得波长范围为0.84μm(纯GaAs)到0.64μm(40％GaP)的激光。InP可获得波长约为0.90μm的激光。GaSb、InAs和InSb激光波长分别为1.56μm、3.11μm和5.18μm。除了III-V族化合物可用于注入式激光器外，其它如一些II-IV族、IV-VI族化合物，特别是铅盐PbS、PbSe和PbTe等也能制成激光器，目前也发展出用如InGsAsP、AlGaAsSb等四元化合物制作激光器。

而对于半导体光电技术而言，最大的门槛就在于半导体激光介质材料与硅基底的结合。半导体器件的95％以上是用硅材料制作的，90％以上的大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的。由于半导体激光介质材料一般为III-V族化合物和II-IV族、IV-VI族化合物，其晶体结构与硅晶体的晶体结构不相似，晶格常数差别很大，晶格失配较高，以及热膨胀系数相差较大等因素，限制了在硅基底上形成激光介质材料，也限制了直接在硅基底上形成激光器的技术发展。

现在，厂商及研究机构的解决方法大致可分为3种：①放弃在硅上制作光源的现有做法，通过外置的激光元件向芯片内部导入光；②将利用化合物半导体制造的激光元件与硅芯片贴合；③通过某种手段使硅等直接发光。其中第一种和第二种的方法取得一些应用，第三种直接激光源还没有应用实例。

发明内容

本发明的目的是通过直接在SOI衬底上形成激光介质乃至整个激光器，解决或者说避免现有技术所面临的激光器或激光介质与硅基底难以结合的问题，使得激光器产生的光信号能够传输到硅器件中，可实现激光器与别的半导体器件的一体化。

为了实现上述目的，本发明提供了一种半导体激光器，包括：

SOI衬底；

形成在SOI衬底的顶层硅层内的激光介质，所述激光介质与SOI衬底的氧化硅绝缘层之间具有硅材料层。

可选的，所述激光介质与所述氧化硅绝缘层之间的所述硅材料层的厚度为2nm到30nm。

可选的，所述激光介质的材料为GaP、GaAs、InP、InGaAs、GaInAsP中的一种或多种。

可选的，还包括形成于SOI衬底内或SOI衬底上的谐振腔、光波导。

本发明还提供了一种形成激光介质层的方法，包括：

提供SOI衬底；

去除部分厚度的顶层硅层，至少保留一部分硅层；

在所保留的硅层上生长激光介质。

可选的，所述去除部分厚度的顶层硅层的步骤，包括：

在顶层硅层上形成图形化的光刻胶；

利用光刻胶做掩模，刻蚀顶层硅层的部分厚度，形成开口。

可选的，所述去除部分厚度的顶层硅层的步骤，为进行化学机械研磨。

可选的，所保留的硅材料层厚度为2nm到30nm。