本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

基于硅材料的微電子學(xué)器件一直推動著現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展，在對數(shù)據(jù)容量和傳輸速率的要求越來越高的同時，對硅器件的尺寸要求越來越小，因而硅器件即將面臨的主要挑戰(zhàn)是金屬互連(電互連)速度的限制。將微電子和光電子器件在硅基平臺上結(jié)合起來，采用光電子集成的互連方式既能夠克服電互連的制約，又可以充分發(fā)揮微電子器件的成熟工藝技術(shù)和光系統(tǒng)的寬帶寬、高抗干擾性、快傳輸速率等優(yōu)勢，這已經(jīng)成為信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，不具有良好的發(fā)光特性，以硅為光增益材料的激光器件難以制備。目前適合于光電單片集成的硅基電注入(激發(fā))的激光器還沒有取得理想結(jié)果。III～V族半導(dǎo)體材料如砷化鎵(GaAs)等是直接帶隙材料，具有極高的發(fā)光效率。而且，GaAs基激光器早已商用化，工藝也相當(dāng)成熟，只要將高質(zhì)量的GaAs材料直接外延生長在硅襯底上，則有希望實現(xiàn)高效的硅基激光光源。因此，硅基集成III～V族半導(dǎo)體材料制作光電子器件已成為光電子集成的主要方案之一。

由于III～V族半導(dǎo)體材料，如GaAs，與硅材料之間的性質(zhì)差異，主要包括晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的大失配，還有極性/非極性晶體導(dǎo)致的反向疇問題，這些問題容易造成異變外延GaAs/Si材料的高密度失配位錯和穿透位錯，從而導(dǎo)致器件性能退化和失效，難以達(dá)到實用化。為了解決這些問題，降低GaAs/Si材料的位錯密度，研究人員已經(jīng)提出了多種有效的異變外延方法。傳統(tǒng)的主要方法包括：低高溫兩步法(低-高溫兩步法)、熱退火法、應(yīng)變超晶格阻擋法和應(yīng)變過渡層法。

近年來，納米尺度圖形襯底方法引起人們越來越多的關(guān)注。圖形襯底是在襯底上先沉積一層介質(zhì)掩膜，在掩膜上刻蝕相應(yīng)的圖形窗口，露出襯底面，使得外延材料在襯底上選區(qū)生長。由于技術(shù)限制，最初的圖形襯底是微米級的，隨著刻蝕技術(shù)的發(fā)展，圖形尺寸逐漸降低到納米級。實驗證明，圖形尺寸降低，外延層位錯密度會隨之減少，霍爾遷移率也會顯著提高。同時，圖形襯底方法又能釋放熱失配引入的應(yīng)力，可重復(fù)，與其他外延方法容易結(jié)合等優(yōu)勢，使其成為又一種很有應(yīng)用前景的方法。

基于上述方法，最初開展了GaAs/Si材料的量子阱有源區(qū)激光器的研究。但是相對而言，以量子點代替量子阱作為有源區(qū)具有諸多優(yōu)點：第一，與量子阱激光器相比，由于載流子在單個量子點中的局限性，量子點有源區(qū)對非輻射復(fù)合缺陷的敏感度比量子阱有源區(qū)低得多；第二，量子點激光器的閾值電流對溫度的敏感性遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)量子阱激光器，由于溫度和閾值電流之間為指數(shù)關(guān)系，量子點對于溫度的不敏感性可以大幅度延長激光器的工作壽命，擴大工作溫度范圍；第三，采用量子點有源區(qū)，可以更容易將激射波長擴展到光通信系統(tǒng)所需的1.3μm。因此，目前，硅基III～V族半導(dǎo)體材料激光器的研究主要集中在硅基量子點激光器。

近期，國外主要的幾個研究組在硅基III～V族半導(dǎo)體材料量子點激光器材料研究中取得了重要進(jìn)展。2015年，美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校研究組報道了第一個硅基量子點激光器的可靠性研究。他們利用Ge作為緩沖層，獲得高質(zhì)量的GaAs/Ge/Si外延層，并完成了脊型波導(dǎo)硅基InAs/GaAs量子點激光器的制備，其閾值電流密度為2kA/cm²，功率達(dá)到16.6mW。在30℃條件下，實現(xiàn)了2700小時的連續(xù)激射，預(yù)期壽命達(dá)到了4600小時。他們在硅基量子點激光器工作壽命上取得重大突破，首次將直接外延硅基激光器的工作壽命提高到千小時量級。2016年，英國倫敦大學(xué)學(xué)院研究組應(yīng)用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)技術(shù)，在[100]偏[011]4°的硅襯底上，采用AlAs低溫成核層，結(jié)合三步法和In_0.18Ga_0.82As/GaAs應(yīng)變超晶格位錯阻擋層方法，獲得了位錯密度為10⁵cm^-2量級的GaAs/Si外延層，并制備了閾值電流密度僅有62.5A/cm²的硅基量子點激光器。該激光器的雙端面功率為105mW。當(dāng)注入電流650A/cm²時，連續(xù)激射工作溫度到達(dá)75℃，脈沖激射工作溫度達(dá)到120℃。在26℃工作溫度和210mA驅(qū)動電流情況下，激光器連續(xù)激射3100小時，預(yù)期壽命約為100,158小時。他們首次將直接外延硅基激光器的工作壽命提高到十萬小時量級。

在硅基III～V族量子點激光器材料的制備方法中，目前多采用MBE方法，這種方法的問題在于材料生長速率慢，在制備較厚的GaAs/Si緩沖層材料時，需要過長的生長時間，并且制備過程復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料及其制備方法，所述的制備方法利用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)方法，依次進(jìn)行如下步驟：

在單晶硅襯底上制作GaAs低溫成核層；

在所述的GaAs低溫成核層上制作GaAs高溫緩沖層；

在所述的GaAs高溫緩沖層上面制作納米尺寸圖形掩膜；

在所述納米尺寸圖形掩膜上制作GaAs側(cè)向外延層；

在所述GaAs側(cè)向外延層上制作n型歐姆接觸層；

在所述n型歐姆接觸層上制作n型限制層；

在所述n型限制層上制作下波導(dǎo)層；

在所述下波導(dǎo)層上制作量子點有源區(qū)；所述的量子點有源區(qū)為P型調(diào)制摻雜，可以提高基態(tài)光增益；

在所述量子點有源區(qū)上制作上波導(dǎo)層；

在所述上波導(dǎo)層上制作p型限制層；

在所述p型限制層上制作p型歐姆接觸層。

所述單晶硅襯底的晶面為<100>晶面，偏向<110>或<111>晶面4°～6°，為本征型或低阻n型硅片，厚度375μm～675μm，優(yōu)選的，厚度為400μm±10μm。

在所述的單晶硅襯底上制作GaAs低溫成核層，具體為:利用濕法化學(xué)清洗方法清潔單晶硅襯底，再將清潔的單晶硅襯底在氫氣環(huán)境升溫到220℃烘烤30分鐘；然后在氫氣和砷烷混合氣體環(huán)境升溫到750℃烘烤15分鐘；最后降溫到400～420℃利用MOCVD方法生長15～20nm的GaAs低溫成核層，生長源流量為：三甲基鎵2.7×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min；

在所述GaAs低溫成核層上制作GaAs高溫緩沖層，具體為：首先經(jīng)過10分鐘，從低溫緩沖層生長溫度的基礎(chǔ)上升溫到610～640℃，利用MOCVD方法生長200～400nm GaAs高溫緩沖層；然后繼續(xù)經(jīng)6分鐘升溫到670～690℃，生長1000～1500nm GaAs高溫緩沖層。

在所述的1000～1500nm GaAs高溫緩沖層生長過程中，選取1～3個不同厚度的位置，在氫氣和砷烷混合氣體氛圍中進(jìn)行同樣條件的原位熱循環(huán)退火，具體為：在厚度達(dá)到選取的第一個位置時，首先經(jīng)過2分鐘使溫度從其生長溫度上升到750℃，再經(jīng)過7分鐘使溫度從750℃下降到350℃，并保持6分鐘；再經(jīng)過7分鐘使溫度從350℃上升到750℃，并保持5分鐘；在所述的第一個位置重復(fù)上述過程3～5次，完成一次原位熱循環(huán)退火。然后經(jīng)過2分鐘使溫度從750℃下降到生長溫度，繼續(xù)所述的高溫緩沖層的生長，在到達(dá)選取的第二個位置時，進(jìn)行上述同樣條件的原位熱循環(huán)退火。

在所述GaAs高溫緩沖層上制作納米尺寸圖形掩膜，具體為：利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)方法生長SiO₂薄膜。然后，利用激光全息或深紫外光刻技術(shù)，將設(shè)計好的圖形轉(zhuǎn)移到SiO₂薄膜上。最后，運用反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma，ICP)技術(shù)，刻蝕出圖形，形成納米尺寸圖形掩膜。所述納米尺寸圖形掩膜可以采用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的一維圖形結(jié)構(gòu)或二維圖形結(jié)構(gòu)，包括不同的高寬比。

在所述納米尺寸圖形掩膜上制作GaAs側(cè)向外延層，具體為：在750℃下，利用MOCVD方法，首先進(jìn)行選區(qū)外延，三甲基鎵6.75×10^-6mol/min，V/III比(V族源與III族源摩爾流量之比，參考文獻(xiàn)：楊樹人，王宗昌，王兢，編著，《半導(dǎo)體材料》，(第三版)，148頁，科學(xué)出版社，2013)為200，生長時間400s；然后進(jìn)行橫向合并生長，三甲基鎵13.5×10^-6mol/min，V/III比為400，生長時間900s；最后進(jìn)行平面生長，三甲基鎵2.7×10^-5mol/min，V/III比為400，生長時間900s。

在所述GaAs側(cè)向外延層上制作n型歐姆接觸層，具體為：在680～720℃下利用MOCVD方法生長300nm～500nm厚的n型Si摻雜GaAs，摻雜濃度為5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，硅烷4.3×10^-6mol/min。

在所述n型歐姆接觸層上制作n型限制層，具體為：在700℃～720℃下利用MOCVD方法生長1300nm～1800nm厚的n型Si摻雜AlGaAs，摻雜濃度為10¹⁷～10¹⁸cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁2.6×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，硅烷4.3×10^-7mol/min～4.4×10^-6mol/min。

在所述n型限制層上制作下波導(dǎo)層，具體為：在600℃～720℃下利用MOCVD方法生長80nm～100nm厚的非故意摻雜AlGaAs，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁8.7×10^-6mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

在所述的下波導(dǎo)層上制作量子點有源區(qū)，具體為：所述的量子有源區(qū)包括N層量子點結(jié)構(gòu)，N取正整數(shù)，優(yōu)選的，N＝3～10。每層量子點結(jié)構(gòu)包含InAs量子點層、GaAs蓋層和p摻雜的GaAs隔離層，每層量子點結(jié)構(gòu)的制作方法為：

在480℃～500℃下利用MOCVD方法生長非故意摻雜的InAs量子點層，生長時間55s，V/III比為5～15，生長源流量為：三甲基銦8.6×10^-7mol/min，砷烷4.9×10^-6mol/min；

在480℃～500℃下利用MOCVD方法生長6～10nm非故意摻雜的GaAs蓋層，V/III比為50～100，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min；

在580℃～600℃下利用MOCVD方法生長25～40nm p摻雜的GaAs隔離層，摻雜形式為調(diào)制摻雜，在距離InAs量子點層25nm處摻入Be，摻雜濃度為5×10¹⁷cm^-3，V/III比為50～100，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min。

在所述量子點有源區(qū)上制作上波導(dǎo)層，具體為：在600℃～700℃下利用MOCVD方法生長80nm～100nm厚的非故意摻雜AlGaAs，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁8.7×10^-6mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

在所述上波導(dǎo)層上制作p型限制層，具體為：在700℃～720℃下利用MOCVD方法生長1300nm～1500nm厚的p型摻雜AlGaAs，摻雜濃度為10¹⁷～10¹⁸cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁2.6×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，二乙基鋅9.2×10^-7mol/min～9.2×10^-6mol/min。

在所述p型限制層上制作p型歐姆接觸層，具體為：在550℃～700℃下利用MOCVD方法生長150nm～300nm厚的p型重?fù)诫sGaAs，摻雜濃度為10¹⁹～10²⁰cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min，二乙基鋅3.7×10^-6mol/min。

本發(fā)明提供的所述納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料的制備方法，先利用MOCVD制備種子層，然后在其上制備SiO₂薄膜，接著在其上利用干法刻蝕技術(shù)制作圖形襯底，利用MOCVD完成位錯阻擋層和激光器材料的制備。其中，所述的種子層包括GaAs低溫成核層和GaAs高溫緩沖層；所述的位錯阻擋層包括納米尺寸圖形掩膜和GaAs側(cè)向外延層；激光器材料包括n型歐姆接觸層，n型限制層，下波導(dǎo)層，量子點有源區(qū)，上波導(dǎo)層，p型限制層以及p型歐姆接觸層。

本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于：

本發(fā)明提供的一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料及其制備方法，通過圖形襯底對穿透位錯的阻擋作用，能有效地降低GaAs外延層的位錯密度，改善GaAs外延層表面形貌，提高GaAs外延層的晶體質(zhì)量，進(jìn)而提高上層量子點激光器性能和質(zhì)量，并且該方法能夠大面積、高重復(fù)性、均勻地完成材料生長和制備，成本大大降低，更加符合產(chǎn)業(yè)化的需求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料的制備方法的基本流程示意圖；

圖2是本發(fā)明所制備的一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)是本發(fā)明實施例1納米圖形襯底阻擋位錯的示意圖；

圖3(b)是本發(fā)明實施例1納米圖形襯底側(cè)向外延三個生長階段的示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例1納米圖形襯底采用不同條形窗口方向平面生長階段后樣品AFM(Atomic Force Microscope，AFM)圖和SEM(Scanning Electron Microscope，SEM)圖；

圖5是本發(fā)明實施例1激光器材料中自組織方式生長的InAs/GaAs量子點層的AFM圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖和本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。當(dāng)然，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明實施例提供一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料的制備方法，利用MOCVD方法依次進(jìn)行如下步驟的材料制備，制備流程如圖1所示，所述的制備方法包括如下步驟：

步驟101：在清潔的單晶硅襯底上制作GaAs低溫成核層，具體為：

利用濕法化學(xué)清洗方法清潔單晶硅襯底，再將清潔的單晶硅襯底在氫氣環(huán)境升溫到220℃烘烤30分鐘；然后在氫氣和砷烷混合氣體環(huán)境升溫到750℃烘烤15分鐘；最后降溫到400～420℃利用MOCVD方法生長15～20nm的GaAs低溫成核層，生長源流量為：三甲基鎵2.7×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

所述的單晶硅襯底為的晶面為<100>晶面，偏向<110>或<111>晶面4°～6°，為本征型或低阻n型硅片，厚度375μm～675μm，優(yōu)選的，厚度為400μm±10μm。

步驟102：在所述的GaAs低溫成核層上制作GaAs高溫緩沖層，具體為：

首先經(jīng)過10分鐘，從低溫緩沖層生長溫度的基礎(chǔ)上升溫到610～640℃，利用MOCVD方法生長200～400nm GaAs高溫緩沖層；然后繼續(xù)經(jīng)6分鐘升溫到670～690℃，生長1000～1500nm GaAs高溫緩沖層；

在所述的1000～1500nm GaAs高溫緩沖層生長過程中，選取1～3個不同厚度的位置，在氫氣和砷烷混合氣體氛圍中進(jìn)行同樣條件的原位熱循環(huán)退火，具體為：在其厚度達(dá)到選取的第一個位置時，首先經(jīng)過2分鐘使溫度從生長溫度上升到750℃，再經(jīng)過7分鐘使溫度從750℃下降到350℃，并保持6分鐘；再經(jīng)過7分鐘使溫度從350℃上升到750℃，并保持5分鐘；在所述的第一個位置重復(fù)上述過程3～5次，完成一次原位熱循環(huán)退火。然后經(jīng)過2分鐘使溫度從750℃下降到生長溫度，繼續(xù)所述的高溫緩沖層的生長，在到達(dá)選取的第二個位置時，進(jìn)行上述同樣條件的原位熱循環(huán)退火。

步驟103：在所述的GaAs高溫緩沖層上面制作納米尺寸圖形掩膜，具體為：

利用PECVD方法生長SiO₂薄膜，然后利用激光全息或深紫外光刻技術(shù)，將設(shè)計好的圖形轉(zhuǎn)移到SiO₂薄膜上。最后，運用RIE或ICP技術(shù)，刻蝕出圖形，形成納米尺寸圖形掩膜。

步驟104：在所述納米尺寸圖形掩膜上制作GaAs側(cè)向外延層，具體為：

在750℃下，利用MOCVD方法，首先進(jìn)行選區(qū)外延，三甲基鎵6.75×10^-6mol/min，V/III比為200，生長時間400s；然后進(jìn)行橫向合并生長，三甲基鎵13.5×10^-6mol/min，V/III比為400，生長時間900s；最后進(jìn)行平面生長，三甲基鎵2.7×10^-5mol/min，V/III比為400，生長時間900s。

步驟105：在所述GaAs側(cè)向外延層上制作n型歐姆接觸層，具體為：

在680～720℃下利用MOCVD方法生長300nm～500nm厚的n型Si摻雜GaAs，摻雜濃度為5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，硅烷4.3×10^-6mol/min。

步驟106：在所述n型歐姆接觸層上制作n型限制層，具體為：

在700℃～720℃下利用MOCVD方法生長1300nm～1800nm厚的n型Si摻雜AlGaAs，摻雜濃度為10¹⁷～10¹⁸cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁2.6×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，硅烷4.3×10^-7mol/min～4.4×10^-6mol/min。

步驟107：在所述n型限制層上制作下波導(dǎo)層，具體為：

在600℃～720℃下利用MOCVD方法生長80nm～100nm厚的非故意摻雜AlGaAs，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁8.7×10^-6mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

步驟108：在所述下波導(dǎo)層上制作量子點有源區(qū)，具體為：

所述的量子有源區(qū)包括N層量子點結(jié)構(gòu)，N為3～10，每層結(jié)構(gòu)包含InAs量子點層、GaAs蓋層和p摻雜的GaAs隔離層，每層量子點結(jié)構(gòu)的制作方法為：

在480℃～500℃下利用MOCVD方法生長非故意摻雜的InAs量子點層，生長時間55s，V/III比為5～15，生長源流量為：三甲基銦8.6×10^-7mol/min，砷烷4.9×10^-6mol/min；

在480℃～500℃下利用MOCVD方法生長6～10nm非故意摻雜的GaAs蓋層，V/III比為50～100，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min；

在580℃～600℃下利用MOCVD方法生長25～40nm p摻雜的GaAs隔離層，摻雜形式為調(diào)制摻雜，在距離InAs量子點層25nm處摻入Be，摻雜濃度為5×10¹⁷cm^-3，V/III比為50～100，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min。

步驟109：在所述量子點有源區(qū)上制作上波導(dǎo)層，具體為：

在600℃～700℃下利用MOCVD方法生長80nm～100nm厚的非故意摻雜AlGaAs，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁8.7×10^-6mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

步驟110：在所述上波導(dǎo)層上制作p型限制層，具體為：

在700℃～720℃下利用MOCVD方法生長1300nm～1500nm厚的p型摻雜AlGaAs，摻雜濃度為10¹⁷～10¹⁸cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁2.6×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，二乙基鋅9.2×10^-7mol/min～9.2×10^-6mol/min。

步驟111：在所述p型限制層上制作p型歐姆接觸層，具體為：

在550℃～700℃下利用MOCVD方法生長150nm～300nm厚的p型重?fù)诫sGaAs，摻雜濃度為10¹⁹～10²⁰cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min，二乙基鋅3.7×10^-6mol/min。

通過以上步驟，制得本發(fā)明所述的一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料，如圖2所示，所得激光器材料的結(jié)構(gòu)為在400μm±10μm的Si襯底上依次制得15～20nm GaAs低溫成核層，1200～1900nm GaAs高溫緩沖層，SiO₂納米尺寸圖形掩膜，500～1500nm GaAs側(cè)向外延層，300nm～500nm n型Si摻雜GaAs歐姆接觸層，1300nm～1800nm n型Si摻雜AlGaAs限制層，80nm～100nm AlGaAs下波導(dǎo)層，量子點有源區(qū)，80nm～100nm AlGaAs上波導(dǎo)層，1300nm～1500nm p型摻雜AlGaAs限制層以及150nm～300nm p型重?fù)诫sGaAs歐姆接觸層；所述量子點有源區(qū)可以包括3～10層量子點結(jié)構(gòu)，其中每層量子點結(jié)構(gòu)包括InAs量子點層，6～10nm GaAs蓋層和25～40nm p摻雜GaAs隔離層；進(jìn)一步地，GaAs低溫成核層和GaAs高溫緩沖層構(gòu)成種子層；SiO₂納米尺寸圖形掩膜和GaAs側(cè)向外延層構(gòu)成位錯阻擋層；n型Si摻雜GaAs歐姆接觸層、n型Si摻雜AlGaAs限制層、AlGaAs下波導(dǎo)層、量子點有源區(qū)、AlGaAs上波導(dǎo)層、p型摻雜AlGaAs限制層以及p型重?fù)诫sGaAs歐姆接觸層構(gòu)成激光器材料結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供的一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料的制備方法中，采用MOCVD方法進(jìn)行材料制備，與現(xiàn)有的技術(shù)中的MBE方法相比，生長速率大大提高，能夠大面積、高重復(fù)性、均勻地完成材料生長和制備，成本大大降低，更加符合產(chǎn)業(yè)化的需求。同時，該方法能有效地降低GaAs外延層的位錯密度，改善GaAs外延層表面形貌，提高GaAs外延層的晶體質(zhì)量，并使得在GaAs外延層上制作的量子點激光器材料的質(zhì)量和激光器性能都得到提高。

實施例1：

本發(fā)明實施例1提供一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料的制備方法，以詳細(xì)說明本發(fā)明實施例的具體實現(xiàn)過程，包括具體步驟如下：

步驟201：在清潔的單晶硅襯底上制作GaAs低溫成核層；

襯底為硅的<100>晶面，偏向<110>或<111>晶面4°的本征型單晶硅拋光片，能夠形成雙原子臺階，抑制GaAs/Si材料生長過程中的反相疇的形成，厚度為400μm。將硅片采用工業(yè)常用的濕法化學(xué)清洗方法對其表面進(jìn)行清洗，去除表面的油脂、有機物、金屬雜質(zhì)等污染物，得到清潔的單晶硅襯底。

然后將清洗干凈的硅片放入Thomas Swan 3×2〞(Thomas Swan公司的低壓金屬有機物化學(xué)氣相沉積設(shè)備，可以一次生長3片兩英寸外延片)低壓金屬有機物化學(xué)氣相沉積(LP-MOCVD)外延生長系統(tǒng)，先升溫到220℃烘烤30分鐘；然后在氫氣和砷烷混合氣體環(huán)境升溫到750℃烘烤15分鐘；最后降溫到420℃，生長15nm的GaAs低溫成核層。GaAs低溫成核層的作用是為硅片表面形成一層連續(xù)的GaAs薄層，防止在高溫生長條件下大尺寸三維島狀結(jié)構(gòu)的生長，并釋放GaAs/Si薄膜的大失配應(yīng)變能。

步驟202：在GaAs低溫成核層上制作GaAs高溫緩沖層；

高溫緩沖層為在610～690℃溫度下生長的非故意摻雜GaAs材料，厚度為1200～1900nm。該高溫緩沖層主要是提高GaAs材料的晶體質(zhì)量，并改善硅襯底上GaAs薄膜的表面形貌。具體為：首先經(jīng)過10分鐘，使溫度從低溫緩沖層生長溫度420℃上升溫到610℃，利用MOCVD方法，在610℃條件下生長300nm GaAs高溫緩沖層；然后經(jīng)6分鐘溫度從610℃上升到690℃，在690℃條件下生長1500nm GaAs高溫緩沖層；

在所述的1500nm GaAs高溫緩沖層生長過程中，選取生長到900nm和1500nm兩個位置，在氫氣和砷烷混合氣體氛圍中進(jìn)行2次同樣條件的原位熱循環(huán)退火，具體為：在所述的高溫緩沖層生長到900nm時，首先經(jīng)過2分鐘使溫度從生長溫度上升到750℃，再經(jīng)過7分鐘使溫度從750℃下降到350℃，并保持6分鐘；再經(jīng)過7分鐘使溫度從350℃上升到750℃，并保持5分鐘；在所述的900nm位置重復(fù)上述過程3～5次，完成第一次原位熱循環(huán)退火。然后經(jīng)過2分鐘使溫度從750℃下降到690℃，接著生長600nm高溫緩沖層，厚度達(dá)到1500nm，進(jìn)行第二次原位熱循環(huán)退火過程。利用這種原位退火，可以有效地降低GaAs薄膜中主要的高密度穿透位錯，提高晶體質(zhì)量。

步驟203：在GaAs高溫緩沖層上制作納米尺寸圖形掩膜；

利用PECVD生長1μm SiO₂薄膜。然后，利用激光全息或深紫外光刻技術(shù)，將設(shè)計好的圖形轉(zhuǎn)移到SiO₂薄膜上。最后，運用RIE或ICP技術(shù)，刻蝕出圖形，形成納米尺寸圖形掩膜。

納米圖形掩膜為種子層上的一維條型二氧化硅圖形掩膜結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示，利用圖形掩膜及側(cè)壁，有效地阻擋下層GaAs種子層傳播上來的60°穿透位錯，并釋放熱失配引入的應(yīng)力，提高GaAs/Si薄膜的晶體質(zhì)量。

步驟204：在納米尺寸圖形掩膜上制作GaAs側(cè)向外延層；

GaAs側(cè)向外延層制作方法是：在750℃下，利用MOCVD方法，如圖3(b)所示，首先進(jìn)行選區(qū)外延，三甲基鎵6.75×10^-6mol/min，V/III比為200，生長時間400s；然后進(jìn)行橫向合并生長(側(cè)向外延)，三甲基鎵13.5×10^-6mol/min，V/III比為400，生長時間900s；最后進(jìn)行平面生長(外延合并)，三甲基鎵2.7×10^-5mol/min，V/III比為400，生長時間900s。

圖4為納米圖形襯底采用不同條形窗口方向，平面生長階段后，在10μm×10μm范圍內(nèi)三維原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)測試結(jié)果和掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)測試結(jié)果。由圖可以看出，在條形窗口方向為[110]，[-110]，[010]，[410]條件下，經(jīng)過選區(qū)外延、橫向合并和平面生長三個生長階段之后，GaAs側(cè)向外延層的表面均方根粗糙度(RMS)分別為16.5nm，21.4nm，10.5nm和6.29nm。當(dāng)條形方向為[410]時，側(cè)向外延層的表面均方根粗糙度最低，橫向合并較好，GaAs外延層表面形貌最佳。

步驟205：在GaAs側(cè)向外延層上制作n型歐姆接觸層；

n型歐姆接觸層為n型重?fù)诫sGaAs材料，用來制作激光器的n型電極，制作方法是：在680℃下，利用MOCVD方法生長500nm厚的n型Si摻雜GaAs，摻雜濃度為5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，硅烷4.3×10^-6mol/min；

步驟206：在n型歐姆接觸層上制作n型限制層；

n型限制層為n型Al_0.4Ga_0.6As材料，用于將激光器光場限制在有源區(qū)，形成合適的光場模式。本實施例中，制作方法是：在700℃下，利用MOCVD方法生長1300nm厚的n型Si摻雜AlGaAs，摻雜濃度為10¹⁷～10¹⁸cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁2.6×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，硅烷4.3×10^-6mol/min；

步驟207：在n型限制層上制作下波導(dǎo)層；

下波導(dǎo)層是Al_0.1Ga_0.9As材料，制作方法是：在720℃下利用MOCVD方法生長100nm厚的非故意摻雜GaAs，主要與n型限制層共同限制激光器材料中的光場模式。生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁8.7×10^-6mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min。

步驟208：在下波導(dǎo)層上制作量子點有源區(qū)；

所述的量子有源區(qū)為InAs和GaAs材料構(gòu)成的5層量子點結(jié)構(gòu)，均為非故意摻雜，用來提供激光器的激射增益。每層量子點結(jié)構(gòu)均包含InAs量子點層、GaAs蓋層和p摻雜的GaAs隔離層，每層量子點結(jié)構(gòu)的制作方法為：

在480℃～500℃下利用MOCVD方法生長非故意摻雜的InAs/GaAs量子點層，生長時間55s，V/III比為5～15，生長源流量為：三甲基銦8.6×10^-7mol/min，砷烷4.9×10^-6mol/min；

如圖5所示采用MOCVD設(shè)備自組織方式生長的InAs/GaAs量子點層的原子力顯微鏡測試結(jié)果。由圖可以看出，InAs量子點比較均勻的沿著GaAs表面的原子臺階分布，且密度較大，達(dá)到10¹¹cm^-2數(shù)量級，量子點尺寸也較均勻，僅有少數(shù)大團簇出現(xiàn)。與GaAs襯底上生長的InAs量子點相比，在硅襯底上生長的InAs量子點形貌和數(shù)量完全沒有區(qū)別。

在480℃～500℃下利用MOCVD方法生長6～10nm非故意摻雜的GaAs/Ga_0.85In_0.15As蓋層，V/III比為50～100，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min；

在580℃～600℃下利用MOCVD方法生長25～40nm p摻雜的GaAs隔離層，摻雜形式為調(diào)制摻雜，在距離InAs/GaAs量子點層25nm處摻入Be，摻雜濃度為5×10¹⁷cm^-3，V/III比為50～100，生長源流量為:三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min。

步驟209：在量子點有源區(qū)上制作上波導(dǎo)層；

上波導(dǎo)層為Al_0.1Ga_0.9As材料，為100nm厚的非故意摻雜GaAs，主要與p型限制層共同限制激光器材料中的光場模式。制作方法是：在600℃下利用MOCVD方法生長100nm厚的非故意摻雜GaAs，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁8.7×10^-6mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min；

步驟210：在上波導(dǎo)層上制作p型限制層；

p型限制層為p型摻鋅Al_0.4Ga_0.6As材料，用于將激光器光場限制在有源區(qū)，形成合適的光場模式。在700℃下利用MOCVD方法生長1300nm厚的p型摻雜AlGaAs，摻雜濃度為10¹⁷～10¹⁸cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，三甲基鋁2.6×10^-5mol/min，砷烷6.7×10^-3mol/min，二乙基鋅9.2×10^-7mol/min～9.2×10^-6mol/min；

步驟211：在p型限制層上制作p型歐姆接觸層；

p型歐姆接觸層為p型重?fù)诫sGaAs材料，用來制作激光器的p型電極。制作方法是：在550℃下利用MOCVD方法生長200nm厚的p型重?fù)诫sGaAs，摻雜濃度為10¹⁹～10²⁰cm^-3，生長源流量為：三甲基鎵4.0×10^-5mol/min，砷烷2.7×10^-3mol/min，二乙基鋅3.7×10^-6mol/min。

至此，則完成了本發(fā)明實施例1一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料的制備方法全過程。本實施例采用Thomas Swan 3×2″LP-MOCVD外延生長系統(tǒng)，在MOCVD生長工藝過程中，載氣為高純度(99.999％)，Ⅲ族有機源為高純度(99.999％)三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁，Ⅴ族源為高純度(99.999％)砷烷，n型摻雜源為硅烷，p型摻雜源為二乙基鋅，反應(yīng)室壓力為100Torr，生長溫度和退火溫度范圍為350℃～750℃。

本發(fā)明實施例1所制備的一種納米圖形襯底側(cè)向外延硅基量子點激光器材料結(jié)構(gòu)，利用三步法和圖形襯底方法在硅上獲得高質(zhì)量的砷化鎵虛擬襯底，在虛擬襯底上完成量子點激光器的材料制備。所得量子點激光器材料的結(jié)構(gòu)為在400μm Si襯底上依次制得15nm GaAs低溫成核層，1.8μm GaAs高溫緩沖層，一維條型SiO₂納米尺寸圖形掩膜，GaAs側(cè)向外延層0.5～1.5μm，0.5μm n型重?fù)诫sGaAs歐姆接觸層，1.3μm n型Al_0.4Ga_0.6As限制層，0.1μm Al_0.1Ga_0.9As下波導(dǎo)層，包括3層量子點結(jié)構(gòu)的量子點有源區(qū)，0.1μm Al_0.1Ga_0.9As上波導(dǎo)層，1.3μm p型Al_0.4Ga_0.6As限制層以及0.2μm p型重?fù)诫sGaAs歐姆接觸層；其中每層量子點結(jié)構(gòu)包括InAs/GaAs量子點層、6～10nm GaAs/Ga_0.85In_0.15As蓋層和25～40nm GaAs隔離層；進(jìn)一步地，GaAs低溫成核層和GaAs高溫緩沖層構(gòu)成種子層；一維條型SiO₂納米尺寸圖形掩膜和GaAs側(cè)向外延層構(gòu)成位錯阻擋層；0.5μm n型重?fù)诫sGaAs歐姆接觸層，1.3μm n型Al_0.4Ga_0.6As限制層，Al_0.1Ga_0.9As下波導(dǎo)層，量子點有源區(qū)，Al_0.1Ga_0.9As上波導(dǎo)層，1.3μm p型Al_0.4Ga_0.6As限制層以及0.2μm p型重?fù)诫sGaAs歐姆接觸層構(gòu)成激光器材料結(jié)構(gòu)。