[发明专利]制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法。

背景技术

对于光电子集成电路(Opto electronic Integrated Circuit，OEIC)的发展来说，最大的问题是缺少硅基光源。硅材料作为微电子技术的基础，是最为广泛研究的半导体材料；硅加工技术的成熟程度远高于III-V族化合物半导体材料。然而，硅基发光问题一直没有得到很好地解决。考虑到基于GaAs、InP激光器的成熟发展以及其与标准电路工艺的不兼容，硅基III-V族化合物半导体激光器的制备是解决硅基光互连问题的一个可行性方案。作为光纤通信的最小衰减波长，1550nm波长主要基于InP衬底的激光器产生；硅基1550nm激光器的研制对光互连问题的解决意义重大。

在Si衬底上外延高质量的III-V族半导体材料是制备Si基激光器前提。InP是研究较为成熟的III-V族材料，本方法采用InP作为III-V的代表来研究外延问题。Si和InP的晶格适配较大(8％)，热适配较大(Si和InP的热膨胀系数分别为2.59×10^-6K^-1，4.75×10^-6K^-1)，因此在异质外延时会产生大量的位错。同时，由于极性材料在非极性衬底上外延以及衬底台阶的存在，外延层中会产生大量的反相畴(Anti-phase domain，APD)，反相畴边界(Anti-phase boundary，APB)是载流子的散射和复合中心，同时在禁带引入缺陷能级。这些位错和反相畴边界会一直延伸到外延层的表面，严重影响了外延层的质量。Si基III-V族材料的生长必须解决这几个问题。

本方法中的InP缓冲层采用叔丁基二氢磷，降低生长温度，降低生长速率，促进APB的自消除效应的产生；同时，采用高深宽比限制技术，利用AR＞1的SiO₂沟槽来限制住适配位错和APB。叔丁基二氢磷分解温度远低于砷烷，因此可以在较低的温度下进行材料的外延生长，并且，较低的温度可以限制Si和InP界面的互扩散问题。采用MOCVD方法，在SiO₂沟槽中，外延InP是沿着{311}和{111}晶族组成的晶面(平行于沟槽的方向)进行生长的，Si/InP界面处的失配位错，APD一般是顺沿着外延层的生长方向延伸的。这样，当这些失配位错和APD遇到SiO₂壁时就受到阻挡，不能延伸到顶层的InP。同时，采用高阻硅衬底以及将正负电极做在同一侧，有效提高了载流子注入效率，为硅基光互连奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，为Si基InP发光器件以及光互连提供可行性解决方案。该方法通过改变原料并结合高深宽比沟槽限制技术，抑制了InP/Si界面失配位错和APD向外延层的延伸；两次地生长速率的控制可以有效地控制成核，从而得到高质量的硅基InP材料以及1550nm激光器。

本发明提供一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底上生长二氧化硅层；

步骤2：采用全息曝光和ICP方法在二氧化硅层上沿着硅衬底的<110>方向刻蚀出沟槽；

步骤3：分别用piranha、SC₂、HF和去离子水清洗，除去沟槽底部剩余的二氧化硅层，露出硅衬底；

步骤4：采用低压MOCVD的方法，先在沟槽内依次生长第一缓冲层和第二缓冲层，其高度超出二氧化硅层；接着在第二缓冲层和二氧化硅层上生长第三缓冲层，然后在第三缓冲层生长顶层，第三缓冲层和顶层采用SiH₄掺杂；

步骤5：采用化学机械抛光的方法，将顶层抛光，抛光后的粗糙度小于1nm，然后清洗；

步骤6：采用MOCVD的方法在顶层上依次外延第四缓冲层、刻蚀停止层以及激光器结构；

步骤7：采用传统光刻、ICP刻蚀与湿法刻蚀结合的方法将激光器结构刻蚀成深脊，在深脊上刻蚀成浅脊；

步骤8：利用PECVD的方法，在深脊和浅脊的表面及刻蚀停止层上生长二氧化硅绝缘层；

步骤9：采用多次光刻、刻蚀，在浅脊上形成窗口，去除刻蚀停止层上的二氧化硅绝缘层；

步骤10：在浅脊的窗口处溅射钛铂金P电极；

步骤11：在刻蚀停止层上蒸发金锗镍N电极；

步骤12：退火，完成器件的制备。