硅基鍺激光器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種硅基鍺激光器及其制備方法。該硅基鍺激光器包括：硅材料，具有相應(yīng)的晶向；鍺層，外延生長(zhǎng)于硅材料上，包括：鍺脊形波導(dǎo)，由刻蝕鍺層形成，構(gòu)成全部或部分的激光諧振腔；p型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)，位于鍺脊形波導(dǎo)的兩側(cè)；p型摻雜區(qū)、鍺脊形波導(dǎo)和n型摻雜區(qū)形成橫向p-i-n二極管結(jié)構(gòu)；絕緣介質(zhì)層，形成于鍺脊形波導(dǎo)、p型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)的上方；以及p電極和n電極，形成于絕緣介質(zhì)層的上方，分別與p型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)電性連接。本發(fā)明采用水平橫向p-i-n鍺脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，硅襯底不需要摻雜，在硅襯底上外延生長(zhǎng)的鍺層可以有很好的晶體質(zhì)量，從而有利于硅基鍺激光器整體性能的提升。
【專利說明】硅基鍺激光器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種硅基鍺激光器及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]娃基光電子學(xué)將光子技術(shù)與成熟的娃微電子技術(shù)集成,在光通信、光互連、光傳感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，受到各國(guó)政府和科研工作者的高度重視，在近年取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，如聞速娃電光調(diào)制器、光開關(guān)、復(fù)用/解復(fù)用器、聞效光I禹合器、聞速娃基錯(cuò)光電探測(cè)器等都已經(jīng)成功研制出來，唯一沒有很好解決的是硅基激光器。所以，硅基激光器被認(rèn)為是硅基光電子學(xué)最閃亮的明珠，成為很多硅基光電子學(xué)研究者追求的最重要目標(biāo)。
[0003]硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，其發(fā)光效率很低，雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光泵浦的硅拉曼(Raman)激光器，但是到目前為止還沒有實(shí)現(xiàn)真正意義的電泵浦硅激光器。雖然人們采用鍵合技術(shù)，將化合物半導(dǎo)體激光器鍵合到硅材料上，實(shí)現(xiàn)了硅基混合激光器，但是其工藝復(fù)雜，并且與CMOS工藝不兼容，人們還是希望能用硅材料或者與CMOS工藝兼容的N族材料實(shí)現(xiàn)硅基激光器。鍺材料就是一種與CMOS工藝兼容的四族材料，而且已成功外延生長(zhǎng)在硅襯底上。雖然鍺與硅一樣是間接帶隙半導(dǎo)體，但是其直接帶隙只比間接帶隙大140meV，并且通過應(yīng)變工程可以進(jìn)一步減小帶隙差，從而提高電子占據(jù)直接帶隙能谷的幾率，通過摻雜工程也可以提高電子占據(jù)直接帶隙的幾率，從而獲得高效率的直接帶隙復(fù)合發(fā)光，通過合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)鍺高效發(fā)光器件甚至鍺激光器。
[0004]通過多年的努力，中科院半導(dǎo)體所與美國(guó)MIT(麻省理工學(xué)院)、斯坦福大學(xué)等分別實(shí)現(xiàn)了硅襯底上的鍺發(fā)光二極管，隨后MIT又實(shí)現(xiàn)了硅基鍺光泵浦激光器。2012年，MIT實(shí)現(xiàn)了脈沖工作的硅基鍺激光器。但是，他們的激光器是縱向P-1-n結(jié)構(gòu)，鍺材料生長(zhǎng)在高摻雜的硅襯底上，并對(duì)鍺材料進(jìn)行了高濃度的η型摻雜，影響了鍺外延層的質(zhì)量；摻雜層以及電極對(duì)光的吸收沒有很好避免；需要采用復(fù)雜而對(duì)鍺材料不太成熟的化學(xué)機(jī)械拋光工藝，器件一致性不好；器件激射閾值太大，壽命非常短，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種硅基鍺激光器及其制備方法，以提高硅基鍺激光器的整體性能。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了 一種娃基鍺激光器。該娃基鍺激光器包括:娃材料，具有相應(yīng)的晶向；鍺層，外延生長(zhǎng)于硅材料上，包括:鍺脊形波導(dǎo)，通過刻蝕鍺層形成，構(gòu)成全部或部分的激光諧振腔；Ρ型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)，位于鍺脊形波導(dǎo)的兩側(cè)；ρ型摻雜區(qū)、鍺脊形波導(dǎo)和η型摻雜區(qū)形成橫向p-1-n 二極管結(jié)構(gòu)；絕緣介質(zhì)層，形成于鍺脊形波導(dǎo)、P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)的上方；以及ρ電極和η電極，形成于絕緣介質(zhì)層的上方，分別與P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)電性連接。[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種硅基鍺激光器的制備方法。該制備方法包括:步驟A，在硅材料的表面外延生長(zhǎng)鍺層；步驟B，通過刻蝕鍺層形成鍺脊形波導(dǎo)，對(duì)該鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)的鍺層進(jìn)行摻雜以形成P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)，P型摻雜區(qū)、鍺脊形波導(dǎo)和η型摻雜區(qū)形成橫向p-1-n 二極管結(jié)構(gòu)；步驟C，在鍺脊形波導(dǎo)、P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)的上方沉積絕緣介質(zhì)層；步驟D，形成分別與P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)電性連接的P電極和η電極；以及步驟Ε，在鍺脊形波導(dǎo)的兩端面之間形成光學(xué)諧振腔。
[0010](三)有益效果
[0011]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明硅基鍺激光器及其制備方法具有以下有益效果:
[0012](I)采用水平橫向p-1-n鍺脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，硅襯底不需要摻雜，在硅襯底上外延生長(zhǎng)的鍺層有很好的晶體質(zhì)量，從而有利于硅基鍺激光器整體性能的提升；
[0013](2)p型和η型摻雜區(qū)通過離子注入或擴(kuò)散方法獲得，可以合理設(shè)計(jì)離子注入或擴(kuò)散區(qū)域，降低其對(duì)光的吸收引起的損耗，同時(shí)保障良好的電流注入效率；
[0014](3)兩電極制作 在離光場(chǎng)較遠(yuǎn)的鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)，可以避免電極對(duì)光的吸收，并且電流不需流經(jīng)位錯(cuò)密度高的硅與鍺的界面，大大減少非輻射復(fù)合；
[0015](4)制作工藝簡(jiǎn)單，與CMOS工藝兼容，不需要化學(xué)機(jī)械拋光工藝，器件一致性好，壽命長(zhǎng),可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例硅基脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)鍺激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2A為制備圖1所示硅基脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)鍺激光器的流程圖；
[0018]圖2B為制備圖1所示硅基脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)鍺激光器過程中，執(zhí)行各工藝步驟后器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]【本發(fā)明主要元件符號(hào)說明】
[0020]10-硅襯底；
[0021]20-鍺層；
[0022]21-p型摻雜區(qū)；22_鍺脊形波導(dǎo)；23_n型摻雜區(qū)
[0023]3Ι-p 電極；32-n 電極；
[0024]40-絕緣介質(zhì)層。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。
[0026]本發(fā)明提供了一種橫向p-1-n結(jié)構(gòu)的硅基鍺激光器及其制備方法。整個(gè)器件采用常規(guī)半導(dǎo)體器件工藝制作，與CMOS工藝兼容性好。
[0027]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種硅基鍺激光器。請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)施例硅基鍺激光器包括:硅襯底10 ;鍺層20，外延生長(zhǎng)于硅襯底10上的，其中該鍺層20經(jīng)刻蝕形成鍺脊形波導(dǎo)22，而該鍺脊形波導(dǎo)20兩側(cè)的鍺層分別經(jīng)摻雜形成P型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23，p型摻雜區(qū)21、鍺脊形波導(dǎo)22和η型摻雜區(qū)23形成橫向p_i_n 二極管結(jié)構(gòu)；絕緣介質(zhì)層40，形成于鍺脊形波導(dǎo)22、p型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23的上方，實(shí)現(xiàn)三者與外界環(huán)境的電性隔離；Ρ電極31和η電極32，形成于鍺層20的上方，分別與ρ型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23電性連接；其中，鍺脊形波導(dǎo)的兩端面之間形成光學(xué)諧振腔，該光學(xué)諧振腔產(chǎn)生的激光從鍺脊形波導(dǎo)的一端面射出。
[0028]以下分別對(duì)本實(shí)施例硅基鍺激光器的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0029]本實(shí)施例中，硅襯底為不摻雜硅材料或摻雜濃度小于lX1016cm_3的低摻雜硅材料。在該硅襯底上可以外延生長(zhǎng)出高質(zhì)量的鍺層，從而有利于提升硅基鍺激光器的整體性倉(cāng)泛。
[0030]此外，本實(shí)施例采用(100)晶向的硅襯底10作為生長(zhǎng)鍺層20的基體，但本發(fā)明并不以此為限。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，娃襯底可以用SOI (Silicon on Insulator)襯底代替。
[0031]本實(shí)施例中，最初沉積錯(cuò)層的厚度為800nm,其是不慘雜的錯(cuò)材料。而后經(jīng)過刻蝕，保留中間未刻蝕的鍺層作為鍺脊形波導(dǎo)22。鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)經(jīng)過刻蝕，剩余鍺層的厚度為450nm，鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)鍺層分別經(jīng)ρ型摻雜和η型摻雜形成ρ型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23。
[0032]請(qǐng)參照?qǐng)D1，該鍺脊形波導(dǎo)沿該鍺層20(110)方向延伸，其厚度為最初鍺層的厚度800nm,其材料是未摻雜的鍺材料。
[0033]請(qǐng)參照?qǐng)D1，ρ型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23形成于鍺脊形波導(dǎo)的兩側(cè)，其厚度為450nm，其材料為經(jīng)過摻雜的鍺材料。摻雜的方法可以選用離子注入法或擴(kuò)散法等。
[0034]ρ型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23可以與鍺脊形波導(dǎo)側(cè)邊沿有很小的距離(小于200nm)，也可以擴(kuò)展到鍺脊形波導(dǎo)的側(cè)邊沿內(nèi)。
[0035]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，P型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23滲透進(jìn)鍺脊形波導(dǎo)22側(cè)邊沿內(nèi)距離為50nm，從而可以使電流有效注入鍺脊形波導(dǎo)中心不摻雜的鍺區(qū)域，同時(shí)避免過多的高摻雜區(qū)域?qū)獾奈論p耗。
[0036]本實(shí)施例中，通過對(duì)摻雜的區(qū)域的設(shè)計(jì)，可以降低摻雜區(qū)對(duì)光的吸收引起的損耗，同時(shí)保障良好的電流注入效率。
[0037]ρ電極31和η電極32分別位于鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)的P型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23上。ρ電極31和η電極32與鍺脊形波導(dǎo)側(cè)邊沿的距離大于2 μ m，從而最大限度的避免了電極對(duì)光的吸收，并且電流不需流經(jīng)位錯(cuò)密度高的硅與鍺的界面，極大減少界面處位錯(cuò)引起的非輻射復(fù)合。
[0038]請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)施例中，硅襯底10和整個(gè)鍺層20的端面與鍺脊形波導(dǎo)22延伸的方向垂直，從而在鍺脊形波導(dǎo)22的兩端面之間形成光學(xué)諧振腔，但本發(fā)明并不以此為限。本發(fā)明硅基激光器在片上應(yīng)用時(shí)，該諧振腔的范圍除了該鍺脊形波導(dǎo)之外，還可以沿鍺脊形波導(dǎo)方向延伸，比如可以延伸到片上與其相鄰的硅波導(dǎo)中。鍺脊形波導(dǎo)作為有源層材料，由所述橫向P-1-n 二極管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的激光從鍺脊形波導(dǎo)22的兩端面中反射率較小的一個(gè)出射。
[0039]此外，本實(shí)施例中，采用的硅襯底是(100)晶向材料，硅襯底10和整個(gè)鍺層20的端面被解理為(110)面，本發(fā)明并不以此為限。本發(fā)明硅基激光器在片上應(yīng)用時(shí)，只要鍺脊形波導(dǎo)22的兩端面刻蝕成垂直光滑的腔面，或者在鍺脊形波導(dǎo)22的兩端面刻蝕形成起到光反射作用的波導(dǎo)光柵，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。
[0040]需要說明的是，本實(shí)施例中，采用的(100)晶向的硅材料作為襯底，而后期形成鍺脊形波導(dǎo)延伸的方向?yàn)槠?110)晶向，脊形波導(dǎo)的兩端面為(110)面，但本發(fā)明并不以此為限。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，硅材料的晶向還可以為(111)取向，而后期形成的鍺脊形波導(dǎo)的方向?yàn)?110)晶向，鍺脊形波導(dǎo)解理面為(110)晶向；或者硅材料的取向還可以為
(110)取向，而后期形成的鍺脊形波導(dǎo)的方向?yàn)槠?111)晶向，鍺脊形波導(dǎo)解理面為(111)晶向等方案均能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。
[0041 ] 至此，本實(shí)施例硅基鍺激光器介紹完畢。
[0042]在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，還提供了一種上述實(shí)施例硅基鍺激光器的制備方法。請(qǐng)參照?qǐng)D2A和圖2B，該制備方法包括:
[0043]步驟A，在不摻雜或低摻雜(摻雜濃度小于I X IO16CnT3)的(100)晶向的硅襯底10上，外延生長(zhǎng)厚度約800nm的不摻雜鍺層20，如圖2B中(I)所示；
[0044]其中，外延生成不摻雜鍺層20的方法采用化學(xué)氣相沉積方法或者分子束外延方法。鍺層20的厚度也可以根據(jù)需要在300nm?I μ m之間選擇。
[0045]此外，在生長(zhǎng)不摻雜鍺層20之后，還可以通過快速高溫?zé)嵬嘶鹛岣哝N層的晶體質(zhì)量和張應(yīng)變，以提高不摻雜鍺層20的質(zhì)量。
[0046]步驟B，刻蝕鍺層20形成沿(110)方向延伸的鍺脊形波導(dǎo)22，對(duì)該鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)的鍺層進(jìn)行摻雜以形成P型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23，從而ρ型摻雜區(qū)21、鍺脊形波導(dǎo)22和η型摻雜區(qū)23形成橫向p-1-n 二極管結(jié)構(gòu)；
[0047]該形成鍺脊形波導(dǎo)22、ρ型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23的步驟B進(jìn)一步又可以包括:
[0048]子步驟BI，光刻并刻蝕部分鍺層，其中刻蝕的深度為350nm，從而形成沿(110)方向延伸的鍺脊形波導(dǎo)22，如圖2B中(2)所示；
[0049]其中，鍺脊形波導(dǎo)22的寬度、長(zhǎng)度以及刻蝕的深度可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇。本發(fā)明中，最初沉積鍺層的厚度d介于IOOnm?IOOOOnm之間，而刻蝕的深度L可以介于d/ΙΟ?4d/5之間。優(yōu)選地，最初沉積鍺層的厚度d介于200nm?IOOOnm之間，刻蝕深度L在3d/10?7d/10之間。最優(yōu)地，最初沉積鍺層的厚度d介于500nm?800nm之間,刻蝕深度L在d/2左右。
[0050]子步驟B2，對(duì)鍺脊形波導(dǎo)22兩側(cè)經(jīng)過刻蝕的鍺層進(jìn)行離子注入并退火激活，形成P型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23，如圖2Β中(3)所示。
[0051]其中，P型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23可以與鍺脊形波導(dǎo)22的邊沿有很小的距離，也可以擴(kuò)展到鍺脊形波導(dǎo)的側(cè)邊內(nèi)(如圖1所示)，這可以更好實(shí)現(xiàn)電流的注入。
[0052]本實(shí)施例中，為了減小工藝難度，采用自對(duì)準(zhǔn)斜角度離子注入，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍺脊形波導(dǎo)側(cè)面的P型和η型摻雜。
[0053]此外，雖然本實(shí)施例采用離子注入的方式來形成ρ型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23，但本發(fā)明并不以此為限。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以采用擴(kuò)散法或其他方法來形成P型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23，其均為本領(lǐng)域的慣用技術(shù)手段，也不是本發(fā)明的創(chuàng)新之處，此處不再贅述。[0054]步驟C，在鍺脊形波導(dǎo)22、p型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23的上方沉積絕緣介質(zhì)層40，如圖2Β中⑷所示；
[0055]本步驟中，絕緣介質(zhì)層可以是二氧化硅、或氮化硅等，沉積的方法可以是磁控濺射或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等半導(dǎo)體薄膜沉積工藝。
[0056]步驟D，形成分別與ρ型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23電性連接的ρ電極31和η電極32，如圖2Β中(5)所示；
[0057]該形成ρ電極31和η電極32的步驟D進(jìn)一步又可以包括:
[0058]子步驟D1，光刻并腐蝕絕緣介質(zhì)材料，在介質(zhì)絕緣層上制備電極孔，分別裸露出部分的P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)；
[0059]子步驟D2，在整個(gè)介質(zhì)絕緣層和電極孔上方沉積金屬層；
[0060]子步驟D3，采用腐蝕或者帶膠剝離技術(shù)，形成分離的，遠(yuǎn)離鍺脊形波導(dǎo)22的ρ電極31和η電極32，進(jìn)行退火，實(shí)現(xiàn)電極與相應(yīng)摻雜區(qū)的歐姆接觸。
[0061]步驟Ε，在與鍺脊形波導(dǎo)22延伸的方向垂直的鍺層20的兩端面形成(110)解理面，制備出光學(xué)諧振腔。
[0062]器件激射需要形成光學(xué)腔面，形成光學(xué)腔。硅和鍺的自然解理面一般是(111)面，如果解理面為(111)面，對(duì)于(100)晶向的硅和鍺，端面與波導(dǎo)方向不垂直，形成不了光學(xué)腔。
[0063]為了制備光學(xué)諧振腔，可以控制工藝實(shí)現(xiàn)端面(110)解理面，也可以通過以下方式制備光學(xué)諧振腔:
[0064]子步驟Ε1，沿(110)方向?qū)εc鍺脊形波導(dǎo)22延伸的方向垂直的硅襯底10和鍺層20的端面解理；
[0065]子步驟Ε2，通過化學(xué)機(jī)械拋光獲得垂直于鍺脊形波導(dǎo)方向的端面。
[0066]由于半導(dǎo)體材料與空氣大的折射率差，制備的端面不經(jīng)過鍍膜就可以有較高的反射率，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)腔。
[0067]步驟F，在鍺脊形波導(dǎo)22的一個(gè)端面鍍高反射膜。
[0068]經(jīng)過本步驟，在通過ρ電極和η電極對(duì)本發(fā)明硅基鍺激光器加電后，激光由反射率較低的腔面出射。
[0069]然而，本步驟并不一定是必須的，在不鍍高反膜的情況下，在滿足相應(yīng)條件后，也能實(shí)現(xiàn)激射。
[0070]本實(shí)施例硅基鍺激光器的制備方法中，均是采用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝成熟的技術(shù)，制作工藝比較簡(jiǎn)單，與CMOS工藝兼容性好，成本低，實(shí)用性強(qiáng)。
[0071 ] 至此，本實(shí)施例硅基鍺激光器制備方法介紹完畢。
[0072]上文已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明硅基鍺激光器及其制備方法進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明有了清楚的認(rèn)識(shí)。
[0073]此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)或形狀，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地熟知地替換，例如:形成P型摻雜區(qū)21和η型摻雜區(qū)23的方法可以用雜質(zhì)擴(kuò)散方法。
[0074]綜上所述，本發(fā)明提供了一種硅基鍺激光器及其制備方法。該硅基鍺激光器結(jié)構(gòu)新穎，保障高質(zhì)量鍺材料的外延生長(zhǎng)，盡量減小光吸收損耗，降低非輻射復(fù)合，而且制備工藝簡(jiǎn)單，與CMOS工藝兼容，有可能成為硅基光電子集成的主要激光光源，在光通信、光互連、光電集成等方面有重要應(yīng)用價(jià)值。
[0075]需要說明的是，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提至IJ的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0076]此外，以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種娃基鍺激光器，其特征在于，包括: 娃材料，具有相應(yīng)的晶向； 鍺層，外延生長(zhǎng)于所述娃材料上，包括: 鍺脊形波導(dǎo)，由刻蝕鍺層形成； P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)，形成于所述鍺脊形波導(dǎo)的兩側(cè)； 所述P型摻雜區(qū)、鍺脊形波導(dǎo)和η型摻雜區(qū)形成橫向p-1-n 二極管結(jié)構(gòu)，所述鍺脊形波導(dǎo)作為有源層構(gòu)成全部或部分的激光諧振腔； 絕緣介質(zhì)層，形成于所述鍺層的上方；以及 P電極和η電極，形成于所述絕緣介質(zhì)層的上方，所述鍺脊形波導(dǎo)的兩側(cè)，分別與所述ρ型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)電性連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的娃基鍺激光器，其特征在于，所述娃材料為未摻雜或摻雜濃度小于I X IO16CnT3的硅材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基鍺激光器，其特征在于，所述硅材料的晶向?yàn)?100)方向，所述鍺脊形波導(dǎo)沿其(110)晶向方向延伸；或 所述硅材料的晶向?yàn)?110)方向，所述鍺脊形波導(dǎo)沿其(111)晶向方向延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基鍺激光器，其特征在于:所述P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)與所述鍺脊形波導(dǎo)側(cè)邊沿的距離小于200nm ;或. 所述P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)擴(kuò)散至所述鍺脊形波導(dǎo)的側(cè)邊沿內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅基鍺激光器，其特征在于，所述ρ型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)滲透進(jìn)所述鍺脊形波導(dǎo)側(cè)邊沿內(nèi)的距離為50nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基鍺激光器，其特征在于，所述P電極和η電極與所述鍺脊形波導(dǎo)側(cè)邊沿的距離大于I μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基鍺激光器，其特征在于，所述鍺脊形波導(dǎo)的兩端面與該鍺脊形波導(dǎo)延伸的方向垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基鍺激光器，其特征在于，所述鍺脊形波導(dǎo)的兩端面之間構(gòu)成激光諧振腔，其中: 所述鍺脊形波導(dǎo)的兩端面為解理面，或者 所述鍺脊形波導(dǎo)的兩端面經(jīng)刻蝕形成能起到光反射作用的波導(dǎo)光柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅基鍺激光器，其特征在于，所述鍺脊形波導(dǎo)兩端面的解理面為(110)晶向或(111)晶向。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的硅基鍺激光器，其特征在于，所述鍺脊形波導(dǎo)兩端面其中之一鍍有高反射膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的硅基鍺激光器，其特征在于，所述硅材料為硅襯底或SOI襯底上層的硅材料。
12.—種制備方法，用于制備權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的硅基鍺激光器，其特征在于，包括: 步驟A，在硅材料的表面外延生長(zhǎng)鍺層； 步驟B，刻蝕鍺層形成鍺脊形波導(dǎo)，對(duì)該鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)的鍺層進(jìn)行摻雜以形成ρ型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)，所述ρ型摻雜區(qū)、鍺脊形波導(dǎo)和η型摻雜區(qū)形成橫向p-1-n 二極管結(jié)構(gòu)； 步驟C，在所述鍺脊形波導(dǎo)、P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)的上方沉積絕緣介質(zhì)層； 步驟D，形成分別與所述ρ型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)電性連接的ρ電極和η電極；以及 步驟Ε，在所述鍺脊形波導(dǎo)的兩端面之間形成光學(xué)諧振腔。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其特征在于，所述硅材料的晶向?yàn)?100)方向，所述步驟B包括: 子步驟BI，刻蝕部分鍺層，形成沿(110)方向延伸的鍺脊形波導(dǎo)； 子步驟Β2，對(duì)所述鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)的鍺層進(jìn)行摻雜，形成ρ型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)，所述摻雜方法為離子注入方法或擴(kuò)散方法。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制備方法，其特征在于，所述子步驟Β2中，采用自對(duì)準(zhǔn)斜角度離子注入法對(duì)所述鍺脊形波導(dǎo)兩側(cè)的鍺層進(jìn)行摻雜，形成P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述步驟E包括: 將所述鍺脊形波導(dǎo)的兩端面解離為(110)面或在鍺脊形波導(dǎo)的兩端面刻蝕形成能起到光反射作用的波導(dǎo)光柵；或者 通過刻蝕或解理和化學(xué)機(jī)械拋光獲得垂直于所述鍺脊形波導(dǎo)方向的端面。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，還包括: 步驟F，在所述鍺脊形波導(dǎo)的兩端面其中之一鍍高反射膜，從而將該鍺脊形波導(dǎo)的另一端面作為激光出射面。
【文檔編號(hào)】H01S5/22GK103427332SQ201310342715
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2013年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月8日
【發(fā)明者】劉智, 成步文, 李傳波, 李亞明, 薛春來, 左玉華, 王啟明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所