專利名稱：半導體激光器及其形成方法、形成激光介質的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體制造領域，尤其涉及半導體激光器以及在SOI襯底上形成激光介質、激光器的方法。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，激光器的材料、性能、應用等都越來越豐富廣泛，但其結構一般包括以下三個部分1、激光介質激光介質是獲得激光的必要條件。它是可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系。它可以是氣體、液體、固體或半導體?，F(xiàn)有激光介質近千種，可產生的激光波長包括從真空紫外到遠紅外。2、激勵源是指為使激光介質實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉而提供能量來源的機構或裝置。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射激光介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵、核能激勵等。3、諧振腔所謂光學諧振腔，是使受激輻射在光學諧振腔內得到多次反饋而形成激光振蕩的結構。諧振腔的作用為①提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。通常是由組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀(反射面曲率半徑)和相對組合方式所決定；②對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。是由給定共振腔型對腔內不同行進方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。半導體激光介質材料中最早發(fā)現(xiàn)，也是現(xiàn)在應用最廣泛的材料為GaAs，其它 III-V族化合物的激光性質都和GaAs十分相似。GaP和GaAs以不同的比例制成混合晶體 GaASl_xPx，可獲得波長范圍為0. 84 μ m(純GaAs)到0. 64 μ m(40% GaP)的激光。InP可獲得波長約為0. 90 μ m的激光。GaSb.InAs和InSb激光波長分別為1. 56 μ m、3. 11 μ m禾P 5· 18 μ m。 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，特別是鉛鹽PbS、PbSe和PbTe等也能制成激光器，目前也發(fā)展出用如InGSAsP、AlGaAsSb等四元化合物制作激光器。而對于半導體光電技術而言，最大的門檻就在于半導體激光介質材料與硅基底的結合。半導體器件的95%以上是用硅材料制作的，90%以上的大規(guī)模集成電路(LSI)、超大規(guī)模集成電路(VLSI)、甚大規(guī)模集成電路(ULSI)都是制作在高純優(yōu)質的硅拋光片和外延片上的。由于半導體激光介質材料一般為III-V族化合物和II-IV族、IV-VI族化合物，其晶體結構與硅晶體的晶體結構不相似，晶格常數(shù)差別很大，晶格失配較高，以及熱膨脹系數(shù)相差較大等因素，限制了在硅基底上形成激光介質材料，也限制了直接在硅基底上形成激光器的技術發(fā)展。
現(xiàn)在，廠商及研究機構的解決方法大致可分為3種①放棄在硅上制作光源的現(xiàn)有做法，通過外置的激光元件向芯片內部導入光；②將利用化合物半導體制造的激光元件與硅芯片貼合；③通過某種手段使硅等直接發(fā)光。其中第一種和第二種的方法取得一些應用，第三種直接激光源還沒有應用實例。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是通過直接在SOI襯底上形成激光介質乃至整個激光器，解決或者說避免現(xiàn)有技術所面臨的激光器或激光介質與硅基底難以結合的問題，使得激光器產生的光信號能夠傳輸?shù)焦杵骷校蓪崿F(xiàn)激光器與別的半導體器件的一體化。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種半導體激光器，包括SOI 襯底；形成在SOI襯底的頂層硅層內的激光介質，所述激光介質與SOI襯底的氧化硅絕緣層之間具有硅材料層?？蛇x的，所述激光介質與所述氧化硅絕緣層之間的所述硅材料層的厚度為2nm到 30nmo
可選的，所述激光介質的材料為GaP、GaAs, InP、InGaAs, GaInAsP中的一種或多種。可選的，還包括形成于SOI襯底內或SOI襯底上的諧振腔、光波導。本發(fā)明還提供了一種形成激光介質層的方法，包括提供SOI襯底；去除部分厚度的頂層硅層，至少保留一部分硅層；在所保留的硅層上生長激光介質?？蛇x的，所述去除部分厚度的頂層硅層的步驟，包括在頂層硅層上形成圖形化的光刻膠；利用光刻膠做掩模，刻蝕頂層硅層的部分厚度，形成開口。可選的，所述去除部分厚度的頂層硅層的步驟，為進行化學機械研磨。可選的，所保留的硅材料層厚度為2nm到30nm?？蛇x的，在所保留的硅層上生長激光介質后，進行退火。可選的，所述激光介質的材質為GaP、GaAs, InP、InGaAs, GaInAsP中的一種或多種。可選的，形成的激光介質分布為單個區(qū)域或呈陣列式分布的多個區(qū)域。本發(fā)明還提供了一種半導體激光器的形成方法，其利用上述形成激光介質的方式的方法形成激光介質?？蛇x的，形成激光介質后，利用半導體制作工藝在頂層硅層內或上形成諧振腔、光波導。本發(fā)明使用SOI襯底形成激光介質，SOI襯底不僅提供了一層掩埋的絕緣層，且其頂層硅層也提供了制備平面光波導以及其它光學器件的條件。另外，通過控制刻蝕的工藝參數(shù)以及時間以使得在掩埋絕緣層(二氧化硅)上保留一薄層不同于一般的體硅材料的硅晶體，它是近似為二維的薄膜，具有一定的延展性?？梢栽谄渖厦嫔L晶格常數(shù)具有較小差異的異質晶體，如III-V族的激光介質材料。并利用光學曝光的方法可以很準確的定義生長激光介質材料的區(qū)域，然后利用干法刻蝕對SOI硅片的頂層硅層進行蝕刻，在指定的位置制備光有源器件，以利于光電器件的整合及集成。本發(fā)明在SOI上形成激光器，使得本發(fā)明的激光器與半導體制程互容，可與電器件實現(xiàn)很好的整合，可以制備出電光調制器件以及光-光調制器件。對于未來高速芯片的發(fā)展具有潛在的意義。另外，本發(fā)明的激光器，可以采用標準的半導體生產工藝生產，工藝簡單、穩(wěn)定、方便易行。


圖1為第一實施例中形成半導體激光器的制作工藝流程圖。圖2至圖5為第一實施例中形成激光介質及激光器的示意圖。圖6為第二實施例中形成激光介質的制作工藝流程圖。圖7至圖10為第二實施例中的形成激光介質的示意圖。
具體實施例方式針對半導體激光介質材料與硅基底難以結合的問題，發(fā)明人提出一種將半導體激光介質材料直接形成在SOI襯底上的方法，解決或者說避免現(xiàn)有技術所面臨的激光器或激光介質與硅基底難以結合的問題，從而實現(xiàn)激光器與硅基底半導體器件的一體化，使得激光器產生的光信號能夠傳輸?shù)焦杵骷?。本發(fā)明的實施方法包括Sl 提供SOI襯底。S0I(Silicon-0n-Insulator，絕緣體上硅)技術是在頂層硅和底層硅之間引入了一層掩埋的氧化層，形成的SOI襯底從底至上包括底層硅、氧化硅絕緣層和頂層硅。S2 去掉部分頂層硅，在氧化硅絕緣層上保留一薄層硅?？梢圆扇〉姆绞綖樵陧攲庸鑼又型ㄟ^刻蝕形成開口。開口的底部還保留一層硅材料，這一層硅厚度較薄，薄到這層硅的晶體不同于一般的體硅材料，它是近似為二維的薄膜，具有一定的延展性，可以在其上面生長晶格常數(shù)具有較小差異的異質晶體。一般來說， 這層硅材料的厚度范圍為2nm到30nm。也可以采用另外的方式。比如，通過化學機械研磨磨掉部分厚度的頂層硅的硅材料，保留薄到滿足上述要求的硅，厚度范圍為2nm到30nm。S3 生長出所需要的激光介質材料。所采用的生長激光介質的方法，可以是分子束外延、化學氣相沉積、磁控濺射等。 激光介質材料可以包括GaP、GaAs, InP、InGaAs, GaInAsP等等。激光介質材料能夠在SOI襯底上生長起來的原因是氧化硅絕緣層上保留的一薄層硅的晶格結構不穩(wěn)定，所以，III-V族化合物和II-IV族化合物的半導體激光介質材料的原子，能夠附著這一薄層硅的晶鍵生長起來。激光介質在SOI襯底上形成后，可以采取輔助的工藝以增強其性能。也可以形成另外的部件，以形成完整的半導體激光器。例如S4 進行退火工藝，以使生長的激光介質材料的晶格結構更穩(wěn)定。退火溫度為600°C -1200°C之間，時間從 5s 600s。若之前運用的是 化學機械研磨磨掉頂層硅的硅材料，保留一薄層硅，再在整個表面生長激光介質材料，那么根據(jù)實際需要，還可以在退火后，在激光介質層中刻蝕出開口， 沉積硅材料填充開口。S5 運用化學機械研磨工藝，進行全局平坦化。這樣就在SOI襯底上形成了激光器的激光介質。激光器的激光介質可以按照陣列式方式排布在多個相互隔離的區(qū)域。S6 形成或增加諧振腔、激勵源等，以在SOI上形成完整的半導體激光器。以上述方法形成的半導體激光器，包括激勵源；形成在SOI襯底的頂層硅層中的激光介質；諧振腔。其中，激勵源激發(fā)激光介質中的激光介質材料發(fā)生粒子數(shù)反轉并產生光的受激輻射，通過諧振腔的多次反饋形成激光振蕩從而對激光進行放大，最后，足夠強度和亮度的激光傳出激光器。在以下描述中闡述了具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發(fā)明內涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施方式
的限制。其次，本發(fā)明利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實例，其在此不應限制本發(fā)明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度，寬度及深度的三維空間尺寸。以下以兩個具體實施例為例，詳細描述本發(fā)明的實施情況具體實施例一具體實施例一中，用GaAs在頂層硅中形成激光介質，最終制得本發(fā)明的半導體激光器。圖1是實施例一半導體激光器的制作流程圖。圖2到圖5為第一實施例中形成激光介質及激光器的示意圖。下面結合圖1至圖5對制作方法作詳細說明。執(zhí)行步驟Sll 提供SOI襯底。如圖2所示，由下至上，分別為SOI襯底的底層硅層300、氧化硅絕緣層301、頂層硅層302。其中，頂層硅層302的厚度為5KA。執(zhí)行步驟S12 對頂層硅進行刻蝕以形成開口，開口下方保留一層厚度為2nm 30nm的硅。在頂層硅層302的硅材料上，用光刻膠做掩模，刻蝕一寬400nm、長500nm的開口 1，保證開口 1的下方留有厚度為8nm的一薄層硅2，形成的結構如圖3所示。刻蝕方法為等離子體干法刻蝕。刻蝕采用等離子體刻蝕，在本實施例中，本步驟中可采用C4F8、C5F8、C4F6、 CF4XHF3^CH2F2中的至少兩種作為主刻蝕氣體，刻蝕速率為1500 2500A/min。Ar、02作為輔助刻蝕氣體，比率為主蝕刻氣體流量的5 15倍。反應腔的壓強為20-120mTorr，時間為 80-120秒。去掉光刻膠，清洗，烘干。步驟S13 生長激光介質材料GaAs。通過化學氣相沉積，使得GaAs附著這層晶格結構不穩(wěn)定的硅2在SOI基底上生長起來，以形成激光介質4。形成的結構如圖4所示。本實例中采用有機金屬化學氣相沉積的方法來制備高純的GaAs材料。所使用的原料包括三乙基鎵、AsH 3以及載氣He。其生長的具體參數(shù)為三乙基鎵流量為2000mgm、AsH3 流量為2200sccm、載氣He流量為2000sccm。環(huán)境壓強為8. 2Torr，RF功率為750W，溫度為 400°C。生長速率為8000A/min。生長時間為50s。執(zhí)行步驟S14 進行退火工藝；執(zhí)行退火工藝，目的是使得生長的砷化鎵的晶格結構更規(guī)整。退火溫度為1000°C， 時間為5min。執(zhí)行步驟S15 進行全局平坦化；使用反刻蝕法及化學機械研磨法來進行全局平坦化，使得形成有激光介質的SOI 襯底表面平坦。執(zhí)行步驟S16 形成或增加諧振腔、光波導以及激勵源，形成完整的激光器。具體的，形成諧振腔和光波導的方法為在形成好激光介質4的頂層硅302上形成掩膜，進行等離子體干法刻蝕，以在從激光介質區(qū)域兩相對的側邊，從激光介質區(qū)域邊緣開始、沿著預設的激光方向等間距的刻蝕出一些相同的薄片狀長方體的槽，然后沉積氧化硅，直到把這些槽填滿，并且在表面累積上厚度為6KA的二氧化硅，形成二氧化硅層303，二氧化硅層303的厚度為6KA。形成結構具體如圖5所示。其中，諧振腔為從緊貼激光介質4區(qū)域相對的兩側開始的第一介質A、第二介質B 周期性交錯形成的類光柵結構Li，L2，圖中可見，類光柵結構Li，L2均形成在頂層硅層302 中。第一介質A和第二介質B的折射率不同。當激光介質4在外加激勵下，發(fā)生粒子數(shù)反轉同時產生光的受激輻射，會有各個方向的激光產生，其中會有沿著緊貼著激光介質4區(qū)域的類光柵結構中的第一介質A傳播的激光。在第一、第二介質A、B的交界面，由于第一介質A和第二介質B的折射率不同，會有部分光會發(fā)生在界面處發(fā)生反射和折射，光之間相互干涉，而又沿著第一介質A返回到激光介質4去激發(fā)新的受激輻射產生新的激光。而沒有發(fā)生反射的光就繼續(xù)沿著第二介質 B、第一介質A傳播，到下一個第一介質A和第二介質B的交界面，部分光發(fā)生反射，返回，部分光繼續(xù)傳播。反射回去光之間相互干涉，返回到激光介質4區(qū)域去激發(fā)新的受激輻射產生新的激光。這樣就形成了光在兩側類光柵結構之間的反復震蕩。也即構成了激光器的諧振腔結構。第一介質A的單元寬度和第二介質B的單元寬度與激光在真空內傳播的波長關系具體為nl*a+n2*b = k λ /2其中，a為第一介質A的單元厚度，nl為第一介質A的折射率，b為第二介質B的單元厚度，折射率為n2，k為正整數(shù)，λ為激光在真空波長，且nl興η2。本實施例中，激光介質4的材料為砷化鎵，其被激發(fā)產生的激光波長為0. 84 μ m。 且第一介質A為硅，折射率為3. 42，第二介質B為氧化硅，折射率為1. 54。一單位厚度的第一介質A和緊鄰的一單位厚度的第二介質B為諧振腔的一個子單元，經過發(fā)明人仔細研究和反復實踐后發(fā)現(xiàn)，本實施例中，第一介質A的單元厚度a為0. 123um，b為0. 273um。同時子單元的的疊加次數(shù)為20時，其對激光的反射率可以達到98%以上。故在本實施例中，一側類光柵結構Ll的子單元的重復次數(shù)為20，另一側類光柵結構L2的AB重復單元的重復次數(shù)為12，使得10%的激光能夠沿著L2的方向傳播出來。再次，本實施例中的光波導的功能由頂層硅層上厚度為6KA的二氧化硅層303、 頂層硅302以及氧化硅絕緣層301組合實現(xiàn)的。當激光在能夠沿著L2的方向傳播出來后， 激光的傳播介質為諧振腔外面的硅(未圖示)。而傳播激光的硅上面和下面介質層都是折射率小于硅的氧化硅，所以，光能局限在其中傳播。另外，可以通過半導體制作工藝形成激勵源(未圖示)，則構成了大體完整的半導體激光器。比如，激勵源的激勵方式為電注入、電子束激勵、和光泵浦方式，或者其它任意可實現(xiàn)的方式。優(yōu)選的，為用半導體制作工藝可以實現(xiàn)的方式。

從上述實施方式可以發(fā)現(xiàn)，由于本發(fā)明優(yōu)點在于一、可以通過控制刻蝕的工藝參數(shù)以及時間在SOI襯底的氧化硅絕緣層上保留一薄層硅晶體，它近似為二維的薄膜，具有一定的延展性，故利用其生長一般難以在硅基底上生長的激光介質材料(本實施例中為GaAs)；并且利用光學曝光的方法可以很準確的定義生長激光介質材料的區(qū)域，形成激光介質。二、SOI襯底不僅提供了一層掩埋的絕緣層，且其頂層硅層也提供了制備平面光波導以及其它光學器件的條件。在SOI襯底特定位置形成好激光介質區(qū)域后，可以利用SOI 襯底的特定結構形成硅基底上的激光器，其可以實現(xiàn)與電器件很好的整合，可以制備出電光調制器件以及光-光調制器件。三、本發(fā)明的激光器，可以采用標準的常用的基于硅基底的半導體生產工藝生產， 工藝簡單、穩(wěn)定、方便易行。具體實施例二 具體實施例二中，為在頂層硅中以InGaAs為例形成激光介質。并且激光介質的形成方式為采用化學機械研磨方式磨平頂層硅，僅留一薄層硅，然后沉積激光介質材料，再通過在沉積好的激光介質材料層中刻蝕開口，沉積硅材料填充開口，再運用化學機械研磨進行平坦化的方式最終形成激光介質，并且激光介質區(qū)域的排布為陣列式排布。圖6是實施例二中形成激光介質的制作流程圖。圖7到圖10為第二實施例中形成激光介質及激光器的示意圖。下面結合圖6至圖10對制作方法作詳細說明。首先，執(zhí)行步驟S21 提供SOI襯底，由下至上，SOI襯底包括底層硅層300、氧化硅絕緣層301、頂層硅層302。其中，頂層硅層302的厚度為5KA。執(zhí)行步驟S22 進行化學機械研磨，頂層硅中僅保留厚度為12nm的一薄層硅。如圖7所示。執(zhí)行步驟S23 生長激光介質材料InGaAs。運用沉積工藝使得InGaAs附著僅有一薄層的、晶格結構不穩(wěn)定的頂層硅層302在 SOI基底上生長起來。如圖8所示，在厚度只有12nm的頂層硅層302上生長起InGaAs層 304。本實例中亦采用有機金屬化學氣相沉積的方法來制備高純的InGaAs材料，所使用的原料包括三乙基鎵、AsH3、三甲基銦以及載氣He。其生長的具體參數(shù)為三乙基鎵流量為lOOOmgm、三甲基銦流量為1200mgm、AsH3流量為2500sccm、載氣He流量為2500sccm。環(huán)境壓強為16. 5Torr, RF功率為800W，溫度為655°C。生長速率為5000A/min。生長時間為 80s。

執(zhí)行步驟S24 進行退火工藝，目的是使得生長的InGaAs的晶格結構更規(guī)整。退火的溫度為950°C，退火時間為5min，退火是在惰性氣體中進行。執(zhí)行步驟S25 在激光介質材料層中刻蝕出開口。利用光刻膠做掩模，在激光介質材料層，即InGaAs材料層上按陣列狀刻蝕出若干開口?？刹捎肅12/CH4/H2感應耦合等離子體(ICP)刻蝕InGaAs材料層。此步驟中的刻蝕 InGaAs的方法在這里不作詳細描述，本領域技術人員應該能夠了解到其具體實施方式
。本步驟還包括去掉光刻膠，清洗，烘干的過程。執(zhí)行步驟S26 通過化學氣相沉積，沉積硅材料以填充開口。沉積硅材料的方式可以用低壓化學氣相沉積，在通過熱分解硅烷來沉積硅。具體為，使用純硅烷或者含量為 20% 30%的硅烷和氮氣的混合氣體作為反應氣體，壓強為0. 2 1. OTorr，溫度為575 650°C，淀積速率為100 200 A/min,可以加入乙硼烷提高反應速率。淀積時間為70s 120s。執(zhí)行步驟S27 進行全局平坦化。使用反刻蝕法及化學機械研磨法來進行全局平坦化，使得表面平坦。形成結構如圖9、圖10所示。從上述實施方式可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明優(yōu)點在于可以很準確的定義生長激光介質材料的區(qū)域，有利于光電器件的整合及集成。雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
權利要求
1.一種半導體激光器，其特征在于，包括SOI襯底；形成在SOI襯底的頂層硅層內的激光介質，所述激光介質與SOI襯底的氧化硅絕緣層之間具有硅材料層。
2.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光介質與所述氧化硅絕緣層之間的所述硅材料層的厚度為2nm到30nm。
3.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述激光介質的材料為GaP、GaAs、 InP、InGaAs、GaInAsP 中的一種或多種。
4.如權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，還包括形成于SOI襯底內或SOI襯底上的諧振腔、光波導。
5.一種形成激光介質的方法，其特征在于，包括提供SOI襯底；去除部分厚度的頂層硅層，至少保留一部分硅層；在所保留的硅層上生長激光介質。
6.如權利要求5所述的形成激光介質的方法，其特征在于，所述去除部分厚度的頂層硅層的步驟，包括在頂層硅層上形成圖形化的光刻膠；利用光刻膠做掩模，刻蝕部分厚度的頂層硅層，形成開口。
7.如權利要求5所述的形成激光介質的方法，其特征在于，所述去除部分厚度的頂層硅層的步驟中采用的是化學機械研磨。
8.如權利要求5所述的形成激光介質的方法，其特征在于，所保留的硅層厚度為2nm到 30nmo
9.如權利要求5所述的形成激光介質的方法，其特征在于，在所保留的硅層上生長激光介質后，進行退火。
10.如權利要求5所述的形成激光介質的方法，其特征在于，所述激光介質的材質為 GaP, GaAs, InP、InGaAs、GaInAsP 中的一種或多種。
11.如權利要求5所述的形成激光介質的方法，其特征在于，形成的激光介質為單個區(qū)域或呈陣列式分布的多個區(qū)域。
12.—種半導體激光器的形成方法，其特征在于，其利用如權利要求5至11任一項所述的方法形成激光介質。
13.如權利要求12所述的形成方法，其特征在于，形成激光介質后，利用半導體制作工藝在頂層硅層內或上形成諧振腔、光波導。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導體激光器，其包括SOI襯底；形成在SOI襯底的頂層硅層內的激光介質，所述激光介質與SOI襯底的氧化硅絕緣層之間具有2nm到30nm的硅材料層。本發(fā)明還公開一種形成激光介質層的方法，其包括提供SOI襯底；去除部分厚度的頂層硅層，至少保留一部分；在所保留的硅層上生長激光介質。本發(fā)明還包括一種半導體激光器的形成方法，其包括前述形成激光介質層的方法。本發(fā)明通過直接在SOI襯底上形成激光介質乃至整個激光器，解決或者說避免現(xiàn)有技術所面臨的激光器或激光介質與硅基底難以結合的問題，使得激光器產生的光信號能夠傳輸?shù)焦杵骷校蓪崿F(xiàn)激光器與別的半導體器件的一體化。
文檔編號H01S5/30GK102437510SQ201110379670
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月24日 優(yōu)先權日2011年11月24日
發(fā)明者唐文濤 申請人:上海宏力半導體制造有限公司