一种硅基垂直腔面发射激光器的制作方法

1.本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其是指一种硅基垂直腔面发射激光器。


背景技术：

2.随着5g通信、大数据处理及人工智能等领域的快速发展，半导体垂直腔面发射激光器(vcsel)在光通信、3d传感和智能驾驶等领域的需求越来越大。同时，随着集成电路技术的进步，光电子器件与硅基微电子器件的集成(硅光集成)技术需求越来越迫切。然而，目前大多商用的vcsel是基于gaas和inp衬底的，与硅基电路相集成的技术难度较高，且工艺较为复杂。
3.如果直接在晶硅衬底上直接制备vcsel材料则可以大大降低硅光集成的工艺难度，但由于gaas和inp等材料与晶硅衬底的晶格常数差异较大，因此需要采用晶格失配的材料生长工艺。该生长工艺一般是采用金属有机化合物气相沉积(mocvd)或分子束外延(mbe)等技术直接在晶硅衬底上外延生长gaas、inp等化合物材料，由于外延材料的晶格失配会引入较大的应力从而产生较多的材料缺陷，最终会导致vcsel器件性能的显著下降。因此，在si衬底上制备以gaas材料等为基础的vcsel激光器还面临着诸多技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种硅基垂直腔面发射激光器，基于表面具有纳米柱结构的单晶si衬底来缓解整体外延层受到的应力，并利用由二维bn层、iii-v族化合物和gaas量子点循环生长组成的多层复合结构缓冲层来消除iii-v族vcsel激光发射单元受到的应力。基于二维bn材料的特性，使得二维bn上生长的iii-v族材料层晶格重组，削弱衬底晶格对于iii-v族材料层晶格的影响，降低每层外延层界面的应力，再配以量子点结构来进一步释放材料层形变应力，最终可显著减小vcsel材料层受到的失配应力，降低材料缺陷密度，提高器件的光电性能。
5.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种硅基垂直腔面发射激光器，包括si衬底，所述si衬底为单晶si衬底，在所述si衬底的上表面按照层状叠加结构从下至上依次设置有多层复合结构缓冲层和iii-v族vcsel激光发射单元。
6.优选的，所述单晶si衬底的上表面采用纳米图形光刻技术形成纳米柱结构，单个纳米柱台面呈正方形，边长为20～50nm，高度为50～200nm，相邻纳米柱之间的间距为100～500nm。
7.优选的，所述多层复合结构缓冲层由二维bn层、iii-v族化合物和gaas量子点循环生长组成，循环周期为5～10，其中，二维bn层的原子层数为1～5层，每层iii-v族化合物厚度为100～400nm，gaas量子点层数为1～5层。
8.优选的，所述iii-v族化合物为不同组分的gaas
x
p
1-x
或ga
1-y
inyp，其中x、y随着材料层由下至上而由小变大，x和y的取值范围分别为0～1和0～0.5，变化步长分别为0.1～0.2和0.05～0.1。
9.优选的，所述iii-v族vcsel激光发射单元由下至上包括p型gaas电极接触层、p型dbr层、多量子阱有源区、n型dbr层和n型gaas电极接触层，其激光发射波长为600～1000nm。
10.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
11.本发明提供的硅基垂直腔面发射激光器，基于二维bn材料的特性，削弱衬底晶格对于iii-v族材料层晶格的影响，降低每层外延层界面的应力，再配以量子点结构形成多层复合结构缓冲层来进一步控制材料层形变应力，再结合纳米柱表面结构的si衬底，最终可以大幅减小vcsel材料层受到的失配应力，降低材料缺陷密度，提升硅基激光器的光电性能，具有实际应用价值，值得推广。
附图说明
12.图1为硅基垂直腔面发射激光器的结构示意图。
具体实施方式
13.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
14.参见图1所示，本实施例提供了一种硅基垂直腔面发射激光器，包括：从下至上依次层叠为单晶si衬底10、多层复合结构缓冲层20和iii-v族vcsel激光发射单元30。单晶si衬底10的上表面采用纳米图形光刻技术形成纳米柱结构，单个纳米柱台面呈正方形，边长为20～50nm，高度为50～200nm，相邻纳米柱之间的间距为100～500nm。多层复合结构缓冲层20由二维bn层21、iii-v族化合物22和gaas量子点23循环生长组成，循环周期为5～10，其中，二维bn层21的原子层数为1～5层，每层iii-v族化合物22厚度为100～400nm，gaas量子点23层数为1～5层。iii-v族化合物为不同组分的gaas
x
p
1-x
或ga
1-y
inyp，其中x、y随着材料层由下至上而由小变大，x和y的取值范围分别为0～1和0～0.5，变化步长分别为0.1～0.2和0.05～0.1。iii-v族vcsel激光发射单元30从下至上由p型gaas电极接触层31、p型dbr层32、多量子阱有源区33、n型dbr层34和n型gaas电极接触层35组成。
15.下面为上述硅基垂直腔面发射激光器的一个具体实例制备过程，包括下述步骤：
16.1)选择一4英寸单晶si片为衬底，采用纳米图形光刻技术在其生长表面进行处理形成纳米柱结构，单个纳米柱台面呈正方形，边长为20nm，高度为50nm，相邻纳米柱之间的间距为100nm。
17.2)采用化学气相沉积技术在衬底上依次生长二维bn层、gaas
x
p
1-x
化合物和gaas量子点，其中，二维bn的原子层数为3层，gaas
x
p
1-x
厚度为200nm，gaas量子点层数为2层。
18.3)将步骤2)重复10次形成多层复合结构缓冲层20，其中，gaas
x
p
1-x
的as组分x在重复生长时由0增加到1，每次增加步长为0.1。
19.4)采用化学气相沉积技术在多层复合结构缓冲层20上生长iii-v族vcsel激光发射单元30，iii-v族vcsel激光发射单元30由下至上依次包括p型gaas电极接触层31、p型dbr层32、多量子阱有源区33、n型dbr层34和n型gaas电极接触层35。
20.综上所述，本发明基于表面具有纳米柱结构的单晶si衬底来缓解整体外延层受到的应力，并利用由二维bn层、iii-v族化合物和gaas量子点循环生长组成的多层复合结构缓冲层来消除iii-v族vcsel激光发射单元受到的应力，可显著减小vcsel材料层受到的失配
应力，降低材料缺陷密度，提高硅基激光器的光电性能。总之，本发明可以基于晶硅衬底制作较高质量的iii-v族vcsel激光器，有利用于硅光集成，具有较强的应用价值，值得推广。
21.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。