一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子材料及器件技术领域，特别涉及一种基于GaAsOI(GaAson insulator，绝缘体上砷化镓)衬底的InAs(砷化铟)量子点激光器结构及制备方法。

背景技术

硅(Si)基光电集成技术作为实现未来超高速超低损耗光互连技术的重要基础，其已成为当前信息技术发展的重要前沿研究领域，而目前实现Si基光电集成及Si基片上、片间光互连最为关键的问题是优质Si基光源的制备。在各种结构的激光器中，量子点激光器具有阈值电流密度低、特征温度高和光增益高等优点，尤其是对缺陷的敏感度低，因此研制Si基量子点激光器件在Si基光源的制备方面有着重要的意义和广阔的应用前景。

目前国际上，Si衬底上III-V族器件的制备办法主要有两大类。第一类是键合，将Si衬底与III-V族外延材料通过真空键合的方式组合在一起，然后再进行后续器件工艺。但是高质量大尺寸衬底的键合仍具有很高难度，键合的界面对器件特性也有很大影响。第二类方式是在Si衬底上外延生长III-V族材料，但是由于Si与GaAs(砷化镓)之间存在原子极性的差异，因而容易在GaAs外延材料中产生反相畴问题，且二者之间还存在较大的晶格失配和热失配，Si上直接外延GaAs时控制位错和和材料表面的微裂缝都是极具挑战性的世界级难题。虽然可以通过在Si衬底上先外延Ge(锗)再生长GaAs、或者通过在Si衬底上外延GaSb(锑化镓)等方法抑制位错，但效果均距商用差距较远；虽然将GaAs生长到带斜切角的Si衬底上，通过生长较厚的缓冲层在一定程度上消除了反向畤和抑制了位错，但这增加了器件制备的难度，同时材料质量存在着一定程度的退化。

所以，迫切需要发展无斜切角Si衬底上制备InAs量子点激光器的方法，以应对硅光技术的迅速发展和市场需求。

发明内容

本发明提供了一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构及制备方法，该方法采用成熟的GaAsOI为衬底，该衬底是通过智能剥离技术从GaAs商用衬底上剥离下来的厚度为200～1000nm的GaAs单晶薄膜并转移至CMOS(互补式金属氧化物半导体，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)兼容的SOI(绝缘体上硅)衬底上，经真空键合和抛光处理得到的，通过分子束外延技术依次生长GaAs缓冲层和下接触层，AlGaAs(砷化铝镓)下阻挡层，InAs量子点有源区，AlGaAs上阻挡层和GaAs上接触层。

为了达到上述目的，本发明提供的一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构，包括依次层叠设置的GaAsOI衬底、GaAs缓冲层和下接触层、AlGaAs下阻挡层、InAs量子点有源区、AlGaAs上阻挡层及GaAs上接触层，所述GaAsOI衬底为从GaAs衬底上剥离并转移至CMOS兼容的SOI衬底上，并经处理后得到的GaAs单晶薄膜。

优选地，所述的GaAsOI衬底具体为：通过智能剥离与衬底转移技术，从GaAs商用衬底上剥离并转移至CMOS兼容的SOI衬底上，经过包括真空键合、抛光的工艺处理获得的GaAs单晶薄膜；

优选地，所述从GaAs商用衬底上剥离下来的GaAs单晶薄膜厚度为200～1000nm。

优选地，所述的GaAs商用衬底包含半绝缘或导电GaAs衬底。

优选地，所述GaAs缓冲层和下接触层厚度为30～400nm，兼具有缓冲层和下接触层的功能；所述AlGaAs下阻挡层厚度为1～1.5μm；所述AlGaAs上阻挡层厚度为1～1.5μm；所述的GaAs上接触层厚度为30～300nm。

优选地，所述InAs量子点有源区中量子点层为1～9个周期。

优选地，所述AlGaAs下阻挡层包括层叠设置的高掺杂n型Al

所述InAs量子点有源区包括依次层叠设置的GaAs过渡层、InGaAs应变层、InAs量子点层、InGaAs覆盖层及GaAs隔离层，所述InGaAs应变层及所述InGaAs覆盖层中In的组分为15％；

所述AlGaAs上阻挡层包括层叠设置的掺杂p型Al

所述GaAs上接触层为高掺p型GaAs上接触层。

本发明提供的一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备GaAsOI衬底：将GaAs衬底转移至CMOS兼容的SOI衬底上，经过包括真空键合、抛光的工艺处理，获取GaAs单晶薄膜的GaAsOI衬底；

步骤S2、在GaAsOI衬底上生长制备GaAs缓冲层和下接触层；

步骤S3、在GaAs缓冲层和下接触层上生长制备AlGaAs下阻挡层；

步骤S4、在AlGaAs下阻挡层上生长制备InAs量子点有源区；

步骤S5、在InAs量子点有源区上生长制备AlGaAs上阻挡层；

步骤S6、在AlGaAs上阻挡层上生长制备GaAs上接触层。

优选地，所述步骤S2具体为：将GaAsOI(100)衬底传入分子束外延生长室，生长高掺杂n型GaAs作为缓冲层，该层也可用作下接触层，即为所述GaAs缓冲层和下接触层；

所述步骤S3具体包括如下步骤：

步骤S31、生长Al含量为80％的高掺杂n型Al

步骤S32、生长Al含量由80％渐变至35％的掺杂n型Al

所述步骤S4具体包括如下步骤：

步骤S41、生长GaAs过渡层；

步骤S42、生长In组分为15％的InGaAs应变层；

步骤S43、生长InAs量子点层；

步骤S44、生长In组分为15％的InGaAs覆盖层；

步骤S45、生长GaAs隔离层；

所述步骤S5具体包括如下步骤：

步骤S51、生长Al含量由35％渐变至80％的掺杂p型Al

步骤S52、生长Al含量为80％的高掺杂p型Al

优选地，所述步骤S2中，所述高掺杂n型GaAs作为缓冲层的厚度为300nm，电子浓度为2×10

所述步骤S31中，所述高掺杂n型Al

所述步骤S32中，所述掺杂n型Al

所述步骤S41中，所述GaAs过渡层的厚度为50nm；

所述步骤S42中，所述InGaAs应变层的厚度为4nm；

所述步骤S43中，所述InAs量子点层的厚度为2.3ML；

所述步骤S44中，所述InGaAs覆盖层的厚度为2nm；

所述步骤S45中，所述GaAs隔离层的厚度为50nm；

所述步骤S51中，所述掺杂p型Al

所述步骤S52中，所述高掺杂p型Al

所述步骤S6中，所述高掺p型GaAs上接触层的厚度为150nm、空穴浓度为2×10

本发明能够取得下列有益效果：

本发明采用GaAsOI为衬底，制备InAs量子点激光器时，有了与CMOS兼容且工艺成熟的SOI衬底作为媒介，为解决硅基光电集成技术中的硅基光源提供了解决方案；而且，SOI衬底制备工艺成熟，能够降低制造成本，有良好的产业化前景；更为重要的是，该制备方法的理念还可用于在SOI衬底上制备其他III-V族材料与器件，具有很好的通用性。

附图说明

图1为本发明的一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构的结构示意图；

图2为本发明的一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构的一较佳实施例，一种GaAsOI衬底上1.31μm的InAs量子点激光器结构的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明针对现有的问题，提供了一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构及制备方法，如图1所示，本发明的一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构包括从下至上依次层叠设置的GaAsOI衬底、GaAs缓冲层和下接触层、AlGaAs下阻挡层、InAs量子点有源区、AlGaAs上阻挡层及GaAs上接触层，所述GaAsOI衬底为从GaAs衬底上剥离并转移至CMOS兼容的SOI衬底上，并经处理后得到的GaAs单晶薄膜。

所述的GaAsOI衬底具体为：通过智能剥离与衬底转移技术，从GaAs商用衬底上剥离并转移至CMOS兼容的SOI衬底上，经过包括真空键合、抛光的工艺处理获得的GaAs单晶薄膜；

所述从GaAs商用衬底上剥离下来的GaAs单晶薄膜厚度为200～1000nm。

所述的GaAs商用衬底包含半绝缘或导电GaAs衬底。

所述GaAs缓冲层和下接触层厚度为30～400nm，兼具有缓冲层和下接触层的功能；所述AlGaAs下阻挡层厚度为1～1.5μm；所述AlGaAs上阻挡层厚度为1～1.5μm；所述的GaAs上接触层厚度为30～300nm。

所述InAs量子点有源区中量子点层为1～9个周期。

本发明提供的一种基于GaAsOI衬底的InAs量子点激光器结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、制备GaAsOI衬底：将GaAs衬底转移至CMOS兼容的SOI衬底上，经过包括真空键合、抛光的工艺处理，获取GaAs单晶薄膜的GaAsOI衬底；

步骤S2、在GaAsOI衬底上生长制备GaAs缓冲层和下接触层；

步骤S3、在GaAs缓冲层和下接触层上生长制备AlGaAs下阻挡层；

步骤S4、在AlGaAs下阻挡层上生长制备InAs量子点有源区；

步骤S5、在InAs量子点有源区上生长制备AlGaAs上阻挡层；

步骤S6、在AlGaAs上阻挡层上生长制备GaAs上接触层。

如图2所示，在本发明的一较佳实施例中，具体为一种GaAsOI衬底上1.31μm的InAs量子点激光器结构，其具体结构为：

所述AlGaAs下阻挡层包括从下至上层叠设置的高掺杂n型Al

所述InAs量子点有源区包括依次从下至上层叠设置的GaAs过渡层、InGaAs应变层、InAs量子点层、InGaAs覆盖层及GaAs隔离层，所述InGaAs应变层及所述InGaAs覆盖层中In的组分为15％；

所述AlGaAs上阻挡层包括从下至上层叠设置的掺杂p型Al

图1及图2中，底色的灰度是代表半导体材料的禁带宽度，禁带宽度越宽，则颜色越透明。

在本发明的一较佳实施例的一种GaAsOI衬底上1.31μm的InAs量子点激光器结构的制备方法具体为：

步骤S1、制备GaAsOI衬底：将GaAs衬底转移至CMOS兼容的SOI衬底上，经过包括真空键合、抛光的工艺处理，获取GaAs单晶薄膜的GaAsOI衬底；

步骤S2、将GaAsOI(100)衬底传入分子束外延生长室，生长约300nm的高掺杂n型GaAs作为缓冲层，电子浓度为2×10

步骤S3、在GaAs缓冲层和下接触层上生长制备AlGaAs下阻挡层；具体包括如下步骤：

步骤S31、生长厚度为1μm的Al含量为80％的高掺杂n型Al

步骤S32、生长厚度为500nm的Al含量由80％渐变至35％的掺杂n型Al

步骤S4、在AlGaAs下阻挡层上生长制备InAs量子点有源区；

具体包括如下步骤：

步骤S41、生长GaAs过渡层，厚度为50nm；

步骤S42、生长In组分为15％的InGaAs应变层，厚度为4nm；

步骤S43、生长InAs量子点层，厚度为2.3ML；

步骤S44、生长In组分为15％的InGaAs覆盖层，厚度为2nm；

步骤S45、生长GaAs隔离层，厚度为50nm；

步骤S5、在InAs量子点有源区上生长制备AlGaAs上阻挡层；具体包括如下步骤：

步骤S51、生长厚度为500nm的Al含量由35％渐变至80％的掺杂p型Al

步骤S52、生长厚度为1μm的Al含量为80％的高掺杂p型Al

步骤S6、生长厚度为150nm、空穴浓度为2×10

本发明能够取得下列有益效果：

本发明采用GaAsOI为衬底，制备InAs量子点激光器时，有了与CMOS兼容且工艺成熟的SOI衬底作为媒介，为解决硅基光电集成技术中的硅基光源提供了解决方案；而且，SOI衬底制备工艺成熟，能够降低制造成本，有良好的产业化前景；更为重要的是，该制备方法的理念还可用于在SOI衬底上制备其他III-V族材料与器件，具有很好的通用性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。