專利名稱：基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子光電子器件設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種混合硅基單縱模環(huán)形腔微結(jié)構(gòu)激光器，適于光子光電子集成應(yīng)用。
背景技術(shù)：
硅基半導(dǎo)體是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石，但其發(fā)展已接近極限，尤其在互連方面。而光電子技術(shù)則正處在高速發(fā)展階段，現(xiàn)在的半導(dǎo)體發(fā)光器件多利用化合物材料制備，與硅微電子エ藝不兼容，因此，將光子技術(shù)和微電子技術(shù)集合起來，發(fā)展娃基光電子科學(xué)和技術(shù)
意義重大。磷化銦和硅的混合激光是ー種目前被認(rèn)為最有應(yīng)用前景的適于高密度集成的技術(shù)。通常采取帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI材料與III-V外延材料通過有機材料粘合，去掉InP襯 底，然后再進行激光器的加工，光波是通過倏逝場耦合進入下層的SOI波導(dǎo)的，采用電注入在III-V材料層完成泵浦。這其中鍵合技術(shù)和激光器的單縱模實現(xiàn)非常重要。近幾年有人提出基于此混合結(jié)構(gòu)的布拉格分布反饋(DFB)，分布反射(DBR)，分段光柵等激光器，實現(xiàn)了單波長激射，使之適于密集波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸應(yīng)用；根特大學(xué)的研究人員實現(xiàn)了 4波長微碟緊湊型激光器。這些激光器還沒有商用，主要是因為エ藝上還是比較復(fù)雜，成本也很高。要實現(xiàn)高速光互連，單縱模激光器是核心器件之一。布拉格分布反饋和分布反射常用的單縱模激光器，這些激光器往往需要全息或電子束等較難或昂貴加工手段，有時還需要二次外延，單片多波長集成很困難。本發(fā)明公開了ー種混合硅-III-V族環(huán)形腔激光器，適用于硅基光子集成芯片的光源部分。該半導(dǎo)體激光器包括硅基微結(jié)構(gòu)部分和III-V族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)部分，其中硅基部分采用娃/ ニ氧化娃/娃，即所謂SOI (silicon on insulator)結(jié)構(gòu),此部分做成環(huán)形及波導(dǎo)耦合輸出形式，并沿著環(huán)形波導(dǎo)加上單周期或多周期微結(jié)構(gòu)狹槽，實現(xiàn)橫模和縱?？刂啤II-V族為InGaAlAs/InP系結(jié)構(gòu)直接鍵合于SOI上，為增益材料，有源區(qū)以上同樣為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且與SOI上的環(huán)形相匹配。本發(fā)明特點在于硅基半導(dǎo)體激光器單模的實現(xiàn)方式，不是采用常規(guī)的分布布拉格反饋或反射結(jié)構(gòu)，也不是一般簡單的環(huán)形結(jié)構(gòu)，而是采用硅基環(huán)形結(jié)構(gòu)上刻入周期微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，容易大規(guī)模加工的硅基上周期微結(jié)構(gòu)和倏逝場波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)光波耦合和單縱模工作，可較普通的環(huán)形腔有較高的邊模抑制比和較高的功率，并可大幅度降低某一方向的尺寸，滿足集成需要。在硅基環(huán)形腔上通過新的增強選模機制來實現(xiàn)單縱模工作，而不用引入電子束或全息曝光等技術(shù)，有利于降低成本。目前通過微結(jié)構(gòu)和環(huán)形腔雙重作用實現(xiàn)硅基混合的單縱模激光器還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出ー種混合硅-III-V族新型微結(jié)構(gòu)環(huán)形腔單模激光器，該結(jié)構(gòu)在高密度集成，單縱模工作，高效耦合輸出，高邊模抑制比高功率輸出等方面很有優(yōu)勢。更重要的是在エ藝加工中省去通常的DFB分布反饋光柵制作及III-V族材料二次外延等エ藝步驟，降低復(fù)雜性，采用新型的選頻機制，利于高質(zhì)量光源的集成。為了達到以上目的，本發(fā)明提供了一種基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，包括ー硅襯底，該硅襯底為單晶硅材料；一二氧化硅層，該ニ氧化硅層制作在硅襯底之上；一硅環(huán)狀波導(dǎo)層，該硅環(huán)狀波導(dǎo)層制作在ニ氧化硅層之上，該硅環(huán)狀波導(dǎo)層的平面內(nèi)開有兩條平行的環(huán)形空氣溝道，該兩條環(huán)狀空氣溝道之間為帶有周期微結(jié)構(gòu)的環(huán)狀脊形條；在兩條環(huán)形空氣溝道的ー側(cè)切向開有兩條直空氣溝道，形成耦合輸出；—鍵合緩沖層,其制作在娃波導(dǎo)層上； 一 N型接觸層，其制作在鍵合緩沖層之上；一 N型電極，其制作在N型接觸層之上的中間，該N型電極由環(huán)狀部分和方形焊線部分連接而成，該環(huán)狀部分內(nèi)邊緣與環(huán)形空氣溝道的外環(huán)外邊緣相切；ー環(huán)狀量子阱有源區(qū)，該環(huán)狀量子阱有源區(qū)制作在N型電極的環(huán)狀部分之內(nèi)，N型接觸層之上，形狀與環(huán)狀脊形條相同；一 P型環(huán)狀接觸層，其制作在環(huán)狀量子阱有源區(qū)之上；一 P型環(huán)狀蓋層其制作在P型環(huán)狀接觸層之上；ー環(huán)狀P型電極，其制作在環(huán)狀P型蓋層之上。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的這種基于倏逝場耦合及微結(jié)構(gòu)環(huán)形腔選頻的混合硅單縱模激光器，利用倏逝場實現(xiàn)光波的耦合輸出，減少反射能量損失，有利于提高激光器效率。2、本發(fā)明提供的這種混合硅微結(jié)構(gòu)環(huán)形腔單縱模激光器，通過環(huán)形腔和周期微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)選頻和單縱模輸出，可實現(xiàn)更大的邊模抑制比和高輸出光功率，更具有在光子集成中大規(guī)模應(yīng)用價值。優(yōu)勢在于環(huán)形腔和周期微結(jié)構(gòu)在硅基上利用普通光刻腐蝕エ藝就可實現(xiàn)，而不必通過電子束、全息曝光等昂貴復(fù)雜エ藝技術(shù)實現(xiàn)。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一歩詳細(xì)說明，其中圖I是本發(fā)明三維整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I的分解圖示意圖；圖3是圖2中硅環(huán)狀波導(dǎo)層上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是是硅波導(dǎo)寬度對調(diào)整耦合量和增益調(diào)整的影響示意圖；圖5是環(huán)形波導(dǎo)上微結(jié)構(gòu)周期和槽深度對1550nm波長反饋的影響圖。
具體實施例方式硅基激光器是光子芯片中的核心器件，在片上光互連、光交換中都有極其重要的作用。請參閱圖I和圖2所示，本發(fā)明提出ー種硅基并具有單模工作特性的集成光源，采用的是硅基和III-V半導(dǎo)體材料的混合結(jié)構(gòu)，在電注入的情況下，通過倏逝場耦合和硅基上的環(huán)形腔和周期微結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)單模激射，并將輸出光耦合到硅基波導(dǎo)中。増益介質(zhì)采用半導(dǎo)體多量子阱結(jié)構(gòu)，利用共面電極實現(xiàn)電注入，III-V族蓋層和有源多量子阱也是采取環(huán)形腔模式，上面可以有微結(jié)構(gòu)。該激光器適于高密度光子光電子集成的需要。請參閱圖I和圖2所示，本發(fā)明提供基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，包括硅基微結(jié)構(gòu)環(huán)狀波導(dǎo)部分和III-V族半導(dǎo)體增益部分(上面也有環(huán)狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu))，整體立體結(jié)構(gòu)如圖I所示。分層結(jié)構(gòu)示意圖和硅環(huán)狀波導(dǎo)層上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。整體結(jié)構(gòu)包括兩大部分娃基-SOI (siliconon insulator)部分和III-V材料部分，具體如下請參閱圖2，一硅襯底10為單晶硅材料； 一二氧化硅層11，該ニ氧化硅層11位于硅襯底10之上；一硅環(huán)狀波導(dǎo)層12，該環(huán)狀波導(dǎo)層12其上面有周期微結(jié)構(gòu)121，環(huán)狀波導(dǎo)層12位于ニ氧化硅層11之上；其中硅襯底10，ニ氧化硅11及硅環(huán)狀波導(dǎo)層12為硅基材料，也稱為SOI材料；娃環(huán)狀波導(dǎo)層12典型厚度為O. 2到I微米,娃襯底10,厚度大于50微米，中間層為ニ氧化硅11，厚度為I到3微米。帶有周期微結(jié)構(gòu)的脊形條122就做在該SOI材料上(參閱圖3)，是通過常規(guī)半導(dǎo)體光刻、濕法或干法刻蝕エ藝在SOI的上層硅材料中刻蝕兩個相套環(huán)形溝道121，形成寬度W2為I到3微米的脊形條，環(huán)形腔整體結(jié)構(gòu)為跑道型，圓區(qū)半徑R為100-200微米，直線部分L長為100-500微米，周長為幾百到幾千微米的閉環(huán)形波導(dǎo)。導(dǎo)光區(qū)為硅材料，下面限制材料為SOI材料的中間層ニ氧化硅，兩側(cè)通過刻蝕2-3微米寬大于300納米深的溝道形成橫向限制，上面與III-V族材料連在一起。該硅基倏逝場波導(dǎo)上精確分布著周期的微結(jié)構(gòu)，是通過干法刻蝕エ藝形成的。周期數(shù)目從幾十到幾百不等，根據(jù)反饋需要而定。周期P為2-10微米，對于周期微結(jié)構(gòu)而言槽寬Wl為I至I. 2微米。該微結(jié)構(gòu)選出激光器激射波長在I. 5微米波段，而可以設(shè)計成I. 3微米波段。通過調(diào)整周期和微結(jié)構(gòu)狹槽寬度能夠?qū)崿F(xiàn)波長的選擇。在兩條環(huán)形空氣溝道121的一側(cè)切向開有兩條直空氣溝道123，形成耦合輸出。一鍵合緩沖層和N型接觸層13，位于環(huán)狀硅波導(dǎo)層12之上，形狀相同，寬度可以不同；其中鍵合緩沖層在N型接觸層之下，N型接觸層通過橫向注入方式形成電極；—環(huán)狀多量子阱有源區(qū)14位于鍵合緩沖層和N型接觸層13之上，形成環(huán)狀脊形條狀；ー環(huán)狀P型接觸層及P型蓋層15，其位于環(huán)狀多量子阱有源區(qū)14之上，仍然是環(huán)狀脊形條狀，其中環(huán)狀P型接觸層在上，環(huán)狀P型蓋層在下。環(huán)狀P型接觸層上面覆蓋電扱。所述的基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，其中鍵合緩沖層和N型接觸層13，環(huán)狀多量子阱有源區(qū)14，環(huán)狀P型接觸層及環(huán)狀P型蓋層15，均為III-V族材料。所述的基于微結(jié)構(gòu)娃波導(dǎo)選頻的混合娃單模環(huán)形腔激光器，環(huán)狀娃波導(dǎo)層12上通過制作兩個同心環(huán)狀空氣溝道平面內(nèi)嵌套形成ー個環(huán)狀硅條，該環(huán)狀硅條上方為鍵合緩沖層和N型接觸層13，下方為ニ氧化硅層11，其他部分被空氣包圍，該環(huán)狀硅條厚度即為環(huán)狀硅波導(dǎo)層12厚度，寬度為1-5微米，與上方III-V族材料形成消逝場耦合波導(dǎo)。沿著該硅條分布周期微結(jié)構(gòu)121，周期在2-10微米。所述的基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，鍵合緩沖層和N型接觸層13上面有橫向注入電極、環(huán)狀P型接觸層及環(huán)狀P型蓋層15上覆蓋電極均為Ti/Au材料或其他金屬薄膜。所述的基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，環(huán)狀多量子阱有源區(qū)14，量子阱數(shù)為3-9個，發(fā)光波長大于I. I微米，為銦鎵砷磷或銦鎵鋁砷多量子阱系，與銦磷形成晶格匹配或引入一定應(yīng)變。所述的基于微結(jié)構(gòu)娃波導(dǎo)選頻的混合娃單模環(huán)形腔激光器。環(huán)狀娃波導(dǎo)12上分布的周期微結(jié)構(gòu)121，可以有多種周期形式級聯(lián)，微結(jié)構(gòu)單元可以是“一”字型、“十”字形或圓孔型等等。如圖2頂視圖所示，周期結(jié)構(gòu)可做于硅波導(dǎo)上，也可作于III-V族限制層上。 III-V族半導(dǎo)體材料是利用沉積エ藝生長的多層薄膜，由上到下依次為P型上電極接觸層/半導(dǎo)體材料蓋層/銦鎵鋁砷多量子阱層/N型下電極接觸層/超晶格層/鍵合層，多量子阱區(qū)以下所采用的下限制層結(jié)構(gòu)包括接觸層厚度為110納米左右，兩個周期的InGaAlAs/InP超晶格分別為7. 5納米，鍵合層為InP，厚度為10納米.該材料通過鍵合層與SOI的帶圖形頂層硅通過直接鍵合貼在一起。去除III-V襯底后，可用普通光刻與刻蝕技術(shù)，在III-V材料上形成與硅上環(huán)形相匹配的圓環(huán)。一般而言III-V族環(huán)形波導(dǎo)寬度在10微米左右。整個III-V族下限制層結(jié)構(gòu)與鍵合的SOI波導(dǎo)形成消逝場耦合。該材料體系可實現(xiàn)更高的増益?；旌瞎杌⒔Y(jié)構(gòu)環(huán)形腔單縱模激光器在エ藝上的具體實施方式
如圖2所示。包括在SOI材料上利用普通光刻方式制備跑道型微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)；定制III-V族多量子阱有源區(qū)外延片；S0I與III-V族外延材料低溫圖形鍵合；去除III-V族InP襯底；在III-V族外延層的N接觸層以上形成環(huán)形腔，與SOI上的環(huán)形腔相匹配；蒸發(fā)絕緣層及Ti/Au金屬層和形成共面電極，還包括解理和封裝等。整個過程，不需要電子束，全息曝光及二次外延等技木。而且電極制作簡單，不需要特殊的N型電極制作。分析表明，如圖4所示，上層為III-V族材料區(qū)，中間為Si，下層為SiO2，可見當(dāng)中間Si波導(dǎo)寬度變化時，可以調(diào)整光場在上層增益區(qū)和中間層傳導(dǎo)區(qū)的分布，而且Si波導(dǎo)寬度在I微米以上，不用電子束等昂貴エ藝。這樣就可以通過調(diào)整硅基消逝場波導(dǎo)寬度，調(diào)整耦合量和増益，實現(xiàn)硅波導(dǎo)光輸出。針對微結(jié)構(gòu)環(huán)形腔選頻，分析表明圖5，環(huán)形腔上微結(jié)構(gòu)周期，深度等對模式選擇均有影響，當(dāng)周期在9. 5微米使可選出1550nm波長，環(huán)形腔尺寸為半徑200微米，直線部分長度為700微米。邊模抑制比達到40dB左右。初步驗證可以形成單模，好處是微結(jié)構(gòu)尺度在微米量級，普通光刻就可以實現(xiàn)。在本發(fā)明中，通過調(diào)整環(huán)周長，微結(jié)構(gòu)周期能夠?qū)崿F(xiàn)波長的調(diào)節(jié)?？梢詫δＪ竭M行控制。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進ー步詳細(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、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于微結(jié)構(gòu)娃波導(dǎo)選頻的混合娃單模環(huán)形腔激光器，包括 一硅襯底，該硅襯底為單晶硅材料； 一二氧化硅層，該二氧化硅層制作在硅襯底之上； 一硅環(huán)狀波導(dǎo)層，該硅環(huán)狀波導(dǎo)層制作在二氧化硅層之上，該硅環(huán)狀波導(dǎo)層的平面內(nèi)開有兩條平行的環(huán)形空氣溝道，該兩條環(huán)狀空氣溝道之間為帶有周期微結(jié)構(gòu)的環(huán)狀脊形條；在兩條環(huán)形空氣溝道的一側(cè)切向開有兩條直空氣溝道，形成耦合輸出； 一鍵合緩沖層，其制作在硅波導(dǎo)層上； 一 N型接觸層，其制作在鍵合緩沖層之上； 一 N型電極，其制作在N型接觸層之上的中間，該N型電極由環(huán)狀部分和方形焊線部分連接而成，該環(huán)狀部分內(nèi)邊緣與環(huán)形空氣溝道的外環(huán)外邊緣相切； 一環(huán)狀量子阱有源區(qū)，該環(huán)狀量子阱有源區(qū)制作在N型電極的環(huán)狀部分之內(nèi)，N型接觸層之上，形狀與環(huán)狀脊形條相同； 一 P型環(huán)狀接觸層，其制作在環(huán)狀量子阱有源區(qū)之上； 一 P型環(huán)狀蓋層其制作在P型環(huán)狀接觸層之上； 一環(huán)狀P型電極，其制作在環(huán)狀P型蓋層之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，其中鍵合緩沖層、N型接觸層、環(huán)狀量子阱有源區(qū)、P型環(huán)狀接觸層和P型環(huán)狀蓋層均為III-V族材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，其中環(huán)狀脊形條的高度與環(huán)狀硅波導(dǎo)層的厚度相同，寬度為1-5微米，與其上方的III-V族材料形成消逝場耦合波導(dǎo)，該環(huán)狀脊形條分布的微結(jié)構(gòu)周期為2-10微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，其中N型電極、環(huán)狀P型電極均為Ti/Au材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，其中環(huán)狀量子阱有源區(qū)，量子阱數(shù)為1-9個，發(fā)光波長大于I. I微米，為銦鎵砷磷或銦鎵鋁砷多量子阱系，與銦磷形成晶格匹配或引入一應(yīng)變。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，其中環(huán)狀硅波導(dǎo)層上分布的帶有周期微結(jié)構(gòu)的環(huán)狀脊形條，有多種周期形式級聯(lián)，微結(jié)構(gòu)單元是“一”字型、“十”字形或圓孔型。
全文摘要
一種基于微結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)選頻的混合硅單模環(huán)形腔激光器，包括一硅襯底；一二氧化硅層制作在硅襯底之上；一硅環(huán)狀波導(dǎo)層制作在二氧化硅層之上；一鍵合緩沖層制作在硅波導(dǎo)層上；一N型接觸層制作在鍵合緩沖層之上；一N型電極制作在N型接觸層之上的中間；一環(huán)狀量子阱有源區(qū)制作在N型電極的環(huán)狀部分之內(nèi)，N型接觸層之上；一P型環(huán)狀接觸層制作在環(huán)狀量子阱有源區(qū)之上；一P型環(huán)狀蓋層制作在P型環(huán)狀接觸層之上；一環(huán)狀P型電極制作在環(huán)狀P型蓋層之上。本發(fā)明該結(jié)構(gòu)在高密度集成，單縱模工作，高效耦合輸出。更重要的是在工藝加工中省去通常的DFB分布反饋光柵制作及III-V族材料二次外延等工藝步驟，降低復(fù)雜性。
文檔編號H01S5/30GK102856789SQ20121035001
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者張冶金, 王海玲, 渠紅偉, 馬紹棟, 鄭婉華 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所