制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法

摘要

一种制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm激光器的方法，包括：在硅衬底上生长二氧化硅层；在二氧化硅层上沿着硅衬底的方向刻蚀出沟槽；清洗；先在沟槽内依次生长第一缓冲层和第二缓冲层；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；将顶层抛光，抛光后的粗糙度小于1nm，然后清洗；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；将激光器结构刻蚀成深脊，在深脊上刻蚀成浅脊；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；在浅脊上形成窗口，去除刻蚀停止层上的二氧化硅绝缘层；在浅脊的窗口处溅射钛铂金P电极；在刻蚀停止层上蒸发金锗镍N电极；退火。

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。

本发明的特点是：

1、用金属有机物化学气相外延与高深宽比沟槽限制的方法结合，在 Si衬底生长高质量的InP异质外延层，使InP/Si界面的失配位错和反相 畴边界截止在SiO₂壁上。

2、通过改变生长原料，降低生长温度，优化生长速率等其他参数， 减少异质界面的缺陷，提高外延层的质量。

3、四步缓冲层生长条件的控制，尤其是低速生长步骤是控制缺陷的 主要步骤。

4、采用高阻硅衬底以及共面电极，针对InP/Si界面的高缺陷密度， 有效提高了载流子注入效率，为硅基光互连奠定基础。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例及附图详细说明 如后，其中，图1-图10为本发明制备硅基InGaAsP为有源区的1550nm 激光器的方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1至图10，本发明提供制备硅基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1上生长二氧化硅层2，其中硅衬底1为n型高阻 (001)硅，电阻率在大于2000欧姆·厘米，二氧化硅层2的厚度为 500nm-600nm。

步骤2：采用全息曝光和ICP方法在二氧化硅层2上沿着硅衬底1的 <110>方向刻蚀出沟槽3，其宽度为200-300nm，深度与二氧化硅层2的厚 度相同，并且沟槽3的底部留下十几纳米的二氧化硅来保护硅衬底1。

步骤3：分别用piranha、SC₂、HF和去离子水清洗，除去沟槽3底部 剩余的二氧化硅层2，露出硅衬底1；

步骤4：采用MOCVD的方法，反应室压力为100mBar，先在沟槽3内 依次生长第一缓冲层4和第二缓冲层5，其高度超出二氧化硅层2，并且 相邻沟槽3的第二缓冲层不结合；接着在第二缓冲层5和二氧化硅层2上 生长第三缓冲层6，然后在第三缓冲层6生长顶层7；四层材料为InP，以 叔丁基二氢磷和三甲基铟作为原料，生长过程中叔丁基二氢磷和三甲基铟 的输入摩尔流量比V/III在10和30之间，在沟槽3内生长第一缓冲层4 和第三缓冲层6时，生长温度在450-550℃之间，生长速率为0.1-0.5nm/s， 生长厚度均为150至200nm；第一缓冲层4上生长的第二缓冲层5以及顶 层7时，生长温度在600-650℃之间，生长速率为0.8-1.2nm/s，顶层7 的厚度为300nm至500nm；第三缓冲层6和顶层7采用SiH₄掺杂，掺杂浓 度在1-5×10¹⁸cm^-3。

步骤5：采用化学机械抛光的方法，将顶层7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7上依次外延第四缓冲层8、刻蚀 停止层9以及激光器结构10；第四缓冲层8为InP，刻蚀停止层为InGaAsP， 这两层采用SiH₄掺杂，掺杂浓度在1-5×10¹⁸cm^-3；各层相应采用的原材料 为磷烷，砷烷、三甲基铟、三甲基镓；激光器结构10包括InP下包层、 下波导层、有源区、上波导层、InP上包层和接触层，还包括一光栅层， 该光栅层在InP上包层中。光栅的制作通过全息曝光和ICP刻蚀，然后经 过二次外延完成结构10。

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10刻蚀成深脊101，在深脊101上刻蚀成浅脊102；深脊101宽20μm 至30μm，深脊101的槽11的宽度为5μm至10μm，槽11的深度到刻蚀 停止层9；浅脊102宽度为4μm至6μm，刻蚀深度取决于光栅层距结构 10接触层表面的距离。

步骤8：利用PECVD的方法，在深脊101和浅脊102的表面及刻蚀停 止层9上生长二氧化硅绝缘层13；

步骤9：采用多次光刻刻蚀，在浅脊102上形成窗口，去除刻蚀停止 层9上的二氧化硅绝缘层13；

步骤10：在浅脊102的窗口处溅射钛铂金P电极14；

步骤11：通过光刻、刻蚀，然后在刻蚀停止层9上蒸发金锗镍N电极 15；

步骤12：退火，完成器件的制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。