CN111106506A - 基于表面等离激元的硅基纳米激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法：在硅衬底上生长SiO2基层；采用ICP干法刻蚀和HF湿法腐蚀相结合的方法在SiO2层上沿着Si衬底的<110>方向刻蚀出多个沟槽；分别用HF溶液和去离子水清洗，除去沟槽底部剩余的SiO2基层，露出硅衬底；采用KOH溶液，在沟槽底部向硅衬底延伸腐蚀出开口向上的V型结构；采用MOCVD设备在V型结构内依次生长缓冲层、隔离层和多量子阱层；采用磁控溅射的方法，在多量子阱层上沉积SiO2介质层，然后在顶面沉积金属层，完成器件的制备；选择合适的泵浦光源照射金属层和介质层交界面，激发表面等离子体波，产生激射光。本发明在Si衬底上的V型纳米沟槽内异质外延高质量的InGaAs/InP多量子阱结构，从而在纳米尺度的谐振腔内实现Si基纳米激光器的激射，实现与微电子器件的尺寸相匹配，实现Si基光电集成的目的。
Description
技术领域
本发明属于纳米激光器技术领域，具体涉及一种基于表面等离激元的硅基纳米激光器，其将高深宽比沟槽限制技术（Aspect Ratio Trapping, ART）和表面等离激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）结合起来，通过在ART结构沟槽内生长InGaAs/InP多量子阱材料制备纳米激光器。
背景技术
作为目前最重要的半导体材料，Si是现代微电子产业的基石。半个多世纪以来，以Si基晶体管为基本单元的集成电路在摩尔定律的指引下取得了巨大的成功，并为信息社会的发展提供了可靠的物质基础。然而，随着集成电路技术发展到10nm技术节点以下，Si基集成电路技术在速度、功耗、集成度、可靠性等方面受到一系列基本物理问题和工艺技术问题的限制，并且昂贵的生产线建设和制造成本使得集成电路产业面临巨大的投资风险，传统的Si CMOS技术采用“缩小尺寸”来实现更小、更快、更廉价的逻辑与存储器件的发展模式已经难以持续，摩尔定律的发展受到挑战。为了解决微电子发展遇到的物理极限和功耗等瓶颈，人们考虑采用光子作为信息的载体来实现更高速的信息处理、传输以及更大容量的信息存储。随着信息时代的发展，我们要求信息的处理和传输的速率更快，带宽更大，成本更低，功耗更少，性能更可靠。将电子学和光子学结合起来，实现光电子集成是达到这个目的的可靠途径。这样将Si从电子学的主角转移到光子学上来，实现Si基光子集成器件的Si基光子学应运而生，而国际上主要的半导体厂商和研究机构也加快了在Si基光子集成方面的步伐。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于表面等离激元的硅基纳米激光器，其以在Si衬底上的V型纳米沟槽内异质外延高质量的InGaAs/InP多量子阱结构的研究工作为基础，通过在其上进行简单的工艺制备，在金属层和介质层的界面激发表面等离子体波，突破衍射极限，从而在纳米尺度的谐振腔内实现Si基纳米激光器的激射，实现与微电子器件的尺寸相匹配，实现Si基光电集成的目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其提供一种高深宽比限制技术（Aspect Ratio Trapping，ART）沟槽内生长InGaAs/InP多量子阱材料纳米激光器的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底上生长SiO2基层；
步骤2：采用ICP干法刻蚀和HF湿法腐蚀相结合的方法在SiO2层上沿着Si衬底的<110>方向刻蚀出若干个沟槽；
步骤3：分别用2.5％的HF溶液和去离子水清洗，除去沟槽底部剩余的SiO2层，露出硅衬底；
步骤4：采用45%KOH溶液，在沟槽底部向硅衬底延伸腐蚀出开口向上的V型结构；
步骤5：采用MOCVD设备在V型结构内依次生长缓冲层、隔离层和多量子阱层；
步骤6：采用磁控溅射的方法，在多量子阱层上沉积SiO2介质层，然后在顶面沉积金属层，完成器件的制备；
步骤7：选择合适的泵浦光源照射金属层和介质层交界面，激发表面等离子体波，产生激射光。
具体的，步骤1中在硅衬底上生长SiO2基层的厚度优选为600-700nm。
进一步优选的，步骤4中V型结构的宽度为200-300nm，深度为180-200nm。
进一步优选的，步骤5中缓冲层的材料为GaAs；分两步生长，温度为400℃时生长GaAs低温缓冲层，温度为600-650℃时生长GaAs高温外延层；GaAs低温缓冲层和GaAs高温外延层的生长速率均为0.18-0.2nm/s，生长厚度均为180-200nm。
进一步优选的，步骤5中隔离层的材料为InP；分两步生长，温度为450℃时生长InP成核层，温度为600-650℃时生长InP顶层；InP成核层和InP顶层的生长速率均为0.2-0.3nm/s，生长厚度均为200-300nm。
进一步优选的，步骤5中多量子阱层的材料为InGaAs/InP，其中InGaAs层的厚度为3nm，InP层的厚度为6nm，生长周期为4，生长温度为600-650℃，生长速率为0.03-0.04nm/s，生长厚度为30-40nm。
具体的，步骤6中SiO2介质层的沉积可以采用MOCVD设备，沉积厚度为4-20nm。
进一步优选的，步骤6中金属层的材料为Ag，采用磁控溅射设备，常温低功率溅射20W，Ag薄膜厚度为150-300nm。
具体的，步骤7中要求泵浦光源波长为1540-1560nm，耦合输出功率大于uW量级。
本发明还提供了采用上述制备方法制备得到的基于表面等离激元的硅基纳米激光器。
本发明从Si基光源的要求出发，研究基于表面等离激元的Si基纳米激光器。本发明基于ART方案在Si衬底的V型结构内外延优良形貌的InGaAs/InP多量子阱材料出发，其作为有源区，通过金属Ag层和SiO2介质层的沉积，在其界面激发表面等离激元，在纳米尺寸的谐振腔中实现激射，从而实现Si基上的表面等离激元纳米激光器。本发明激光器的实现可以避免目前国际上采用复杂的电子束光刻工艺和干法刻蚀制备纳米器件对材料的损伤，为Si基上纳米器件的实现奠定良好的基础；更为重要的是，本发明采用在Si衬底上直接外延III-V族纳米尺度光电材料，相对应传统的纳米激光器Si基键合方案，在未来的Si基纳米激光器中具有更大的应用潜力。和现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：
1）Si基光源是Si基光子集成领域的核心器件。本发明采用直接外延的方式获得纳米量级的Si基激光器，有效克服由于Si作为间接带隙半导体，辐射复合发光效率低，难实现实用化的Si基光源这一困难；
2）通过理论分析和相关仿真研究，提出了一种基于表面等离激元的Si基纳米激光器的结构，通过直接在V型纳米沟槽内的多量子阱材料上制备器件，可以避免目前国际上采用复杂的电子束光刻工艺和干法刻蚀对于材料的损伤，工艺简单，提高了生产效率，具有较大的实用价值。
附图说明
图1为实施例1中硅基纳米激光器制备过程中步骤1的流程示意图；
图2为实施例1中硅基纳米激光器制备过程中步骤2的流程示意图；图2中右图为左图的侧视图；
图3为实施例1中硅基纳米激光器制备过程中步骤3和4的流程示意图；
图4为实施例1中硅基纳米激光器制备过程中步骤5的流程示意图；
图5为实施例1中硅基纳米激光器制备过程中步骤6的流程示意图；图中1为硅衬底，2为SiO2基层，3为沟槽，4为缓冲层，5为隔离层，6为多量子阱层，7为SiO2介质层，8为金属Ag层；
图6为实施例1中所设计的硅基纳米激光器的二维电场分布图；
图7为图6中沿水平虚线处的归一化电场分布图；
图8为图6中沿竖直虚线处的归一化电场分布图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
参阅图1至4，本发明提供一种基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其是一种ART结构沟槽内生长InGaAs/InP多量子阱材料纳米激光器的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底1上采用常规的热氧化方法生长SiO2基层2，该SiO2基层2的厚度为600nm，见图1。采用高深宽比限制技术，利用AR＞1的SiO2沟槽来更好的限制失配位错和反相畴（Anti-phase Domain, APD）形成。
步骤2：采用ICP干法刻蚀的方法在SiO2基层2上沿着硅衬底的<110>方向刻蚀出多个沟槽，所述沟槽3的宽度为300nm，深度与SiO2层2的厚度大致相同，，见图2。为了提高其侧壁的光滑性，选用浓度为2.5％的HF溶液（质量百分比，下同）用湿法腐蚀的方法对其进行处理，处理时间为25S。
步骤3：分别用2.5％的HF溶液（冲洗2s）和大量去离子水清洗（冲洗10min），除去沟槽底部剩余的SiO2层2，露出硅衬底，见图3。这一步必须要将底部残余的二氧化硅层清洗干净，为后面在沟槽内生长材料提供优良的生长条件和生长状况。
步骤4：采用45%KOH溶液（质量百分比）各向异性腐蚀约14min，在沟槽3底部向硅衬底1延伸腐蚀出开口向上的V型结构，见图3；V型结构的宽度为300nm，深度为200nm。KOH溶液对Si和SiO2有很大的选择比，可以在腐蚀底部硅衬底的过程中，几乎不对SiO2侧壁产生大的损伤，同时保证Si表面的化学反应产物得到彻底清洗，并可以保证良好的Si界面，保证后续多量子阱材料的外延质量。
步骤5：采用MOCVD设备，在V型结构3内依次生长缓冲层4、隔离层5、多量子阱层6，见图4。缓冲层的材料为GaAs；分两步生长，温度为400℃时生长GaAs低温缓冲层，温度为600℃时生长GaAs高温外延层；GaAs低温缓冲层和GaAs高温外延层的生长速率均为0.2nm/s，生长厚度均为200nm。隔离层的材料为InP；分两步生长，温度为450℃时生长InP成核层，温度为600℃时生长InP顶层；InP成核层和InP顶层的生长速率均为0.3nm/s，生长厚度均为300nm。多量子阱层的材料为InGaAs/InP，其中InGaAs层的厚度为3nm，InP层的厚度为6nm，生长周期为4，生长温度为600℃，生长速率为0.03nm/s，生长厚度为36nm。
步骤6：基于表面等离激元的Si基纳米激光器的器件制备，采用磁控溅射的方法，在多量子阱层上（即Si基InGaAs/InP多量子阱材料的基础上）沉积SiO2介质层7至与SiO2基层2相平齐，然后在顶面沉积金属Ag层8，完成器件的制备，见图5。SiO2介质层7的沉积可以采用MOCVD设备，沉积厚度为20nm。金属Ag层8采用磁控溅射设备，常温低功率溅射20W，Ag薄膜厚度为300nm。当有外界的光照射时，SPP模式在SiO2介质层7和金属Ag层8的界面处激发。
步骤7：选择合适的泵浦光源照射金属Ag层8和SiO2介质层7交界面，激发表面等离子体波，产生激射光。要求泵浦光源波长为1550nm，耦合输出功率大于uW量级。
步骤8：利用COMSOL Multiphysics软件建立激光器模型，通过模拟仿真详细分析确定其中SPP的模式分布以及具体的激发机理。从二维电场分布中可以看到，金属Ag层与SiO2介质层交界面产生的SPP模式与高折射率增益模式耦合，使电场的最大值位于金属层与增益介质的间隙处，并在远离界面处迅速衰减（参阅图6）。从间隙处的水平与竖直方向归一化电场分布中，可以更直观地看到两条直线的交点处有很明显的场增强效应，该模型可以实现能量约束及光场分布高度局域化（参阅图7-8）。
SPP模式的激发与器件性能分析。器件制备完成后，选择合适的泵浦光源照射金属和介质层的交界面，激发表面等离子体波，使之在纳米谐振腔内不断被放大，最终产生激射。进一步的，可以通过对激射性能进行测试（这些测试手段包括：PL谱测试、光功率测试、温度稳定性测试、耦合效率测试、光斑测试等）和分析来确定具体激射波长、电学特性、对温度的敏感程度以及激射光斑的具体分布情况。本申请通过上述的理论分析已经获知能够获得硅基纳米激光器，故此暂未提供相关性能的测试结果。
本发明涉及硅基光子集成在光互连方面有重要的应用前景。高性能小型化的硅基光源是硅基光子集成未来的发展趋势。基于表面等离激元的纳米激光器是小型化硅基光源实现的一种新颖技术手段，将表面等离子体代替光子，突破衍射极限，实现在纳米尺度的谐振腔中谐振。本发明利用硅衬底纳米尺度V型沟槽内选区外延生长InGaAs/InP多量子阱材料，通过磁控溅射沉积金属层Ag，MOCVD生长介质层SiO2，在界面处激发表面等离激元，实现基于表面等离激元的硅基纳米激光器的激射。
Claims (10)
1.一种基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在硅衬底上生长SiO2基层；
步骤2：采用ICP干法刻蚀和HF湿法腐蚀相结合的方法在SiO2层上沿着Si衬底的<110>方向刻蚀出若干个沟槽；
步骤3：分别用HF溶液和去离子水清洗，除去沟槽底部剩余的SiO2基层，露出硅衬底；
步骤4：采用KOH溶液，在沟槽底部向硅衬底延伸腐蚀出开口向上的V型结构；
步骤5：采用MOCVD设备在V型结构内依次生长缓冲层、隔离层和多量子阱层；
步骤6：采用磁控溅射的方法，在多量子阱层上沉积SiO2介质层，然后在顶面沉积金属层，完成器件的制备；
步骤7：选择合适的泵浦光源照射金属层和介质层交界面，激发表面等离子体波，产生激射光。
2.根据权利要求1所述基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，步骤1中在硅衬底上生长SiO2基层的厚度为600-700nm。
3.根据权利要求1所述基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，步骤4中V型结构的宽度为200-300nm，深度为180-200nm。
4.根据权利要求1所述基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，步骤5中缓冲层的材料为GaAs；分两步生长，温度为400℃时生长GaAs低温缓冲层，温度为600-650℃时生长GaAs高温外延层；GaAs低温缓冲层和GaAs高温外延层的生长速率均为0.18-0.2nm/s，生长厚度均为180-200nm。
5.根据权利要求1所述基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，步骤5中隔离层的材料为InP；分两步生长，温度为450℃时生长InP成核层，温度为600-650℃时生长InP顶层；InP成核层和InP顶层的生长速率均为0.2-0.3nm/s，生长厚度均为200-300nm。
6.根据权利要求1所述基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，步骤5中多量子阱层的材料为InGaAs/InP，其中InGaAs层的厚度为3nm，InP层的厚度为6nm，生长周期为4，生长温度为600-650℃，生长速率为0.03-0.04nm/s，生长厚度为30-40nm。
7.根据权利要求1至6任一所述基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，步骤6中SiO2介质层的沉积采用MOCVD设备，沉积厚度为4-20nm。
8.根据权利要求7所述基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，步骤6中金属层的材料为Ag，采用磁控溅射设备，常温低功率溅射20W，Ag薄膜厚度为150-300nm。
9.根据权利要求8所述基于表面等离激元的硅基纳米激光器的制备方法，其特征在于，步骤7中要求泵浦光源波长为1540-1560nm，耦合输出功率大于uW量级。
10.采用权利要求1至9任意一项所述制备方法制备得到的基于表面等离激元的硅基纳米激光器。
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