CN101356655B - 发光缝隙波导器件 - Google Patents
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Abstract
一个场致发光材料缝隙波导(110)响应电流注入产生光。在一个实施方案中，该波导(110)组成如环形共振腔(100)波导或分布式布拉格反射器等光学共振腔的一部分，所述光学共振腔带有用于电激发的阳极(130，135)以及阴极(140)。可以形成一个用于硅微光子器件的紧凑的电驱动的共振腔发光器件(RCLED)。为了发射不同波长的光，可以利用几个不同的稀土离子，如铒、铽和镱来掺杂二氧化硅。
Description
相关申请
本申请要求序列号为60/735,736(名为LIGHT EMITTINGSLOT-WAVEGUIDE DEVICE，于2005年11月10日提交)的美国临时申请和序列号为60/735,313(名为LIGHT EMITTING SLOT-WAVEGUIDEDEVICE，于2005年11月11日提交)的美国临时申请的优先权，这两个申请此处通过引用纳入本文。
技术领域
本发明涉及发光器件，具体涉及发光缝隙波导器件。
背景技术
最近的突破掀起了人们对作为一种用于将光学和电学部件集成到单个硅芯片上的技术的基于硅的微光子学的兴趣。具体来说，特别相关的是连续波长光学泵浦的硅激光器的证实。然而，这样一种器件是光学泵浦的，在1.686μm波长发射，限制了它的实际应用。
发明内容
本发明通过下述1和19的技术特征实现。下述2-18以及20-22是本发明的优选实施方案。
1.一种发光器件，包括：
一个形成共振腔的缝隙波导，其中该缝隙波导还包括：
一个第一材料和一个第二材料，它们具有相对较高的折射率；
一个形成于第一材料和第二材料之间的缝隙，该缝隙包含场致发光材料，以及具有相对较低的折射率；以及
电极，被电耦接以将电流注入场致发光材料。
2.根据前述1的发光器件，其中缝隙波导被形成为一个环形共振腔。
3.根据前述1的发光器件，其中缝隙波导被形成为一个具有中间部分的共振腔，在该共振腔中间部分的两边上形成有分布式布拉格反射器。
4.根据前述1的发光器件，其中所述电极各自包括放置于缝隙波导对立边上的阳极和阴极。
5.根据前述4的发光器件，其中施加在阳极和阴极之间的电压激发包含缝隙的场致发光材料，以产生光。
6.根据前述1的发光器件，其中场致发光材料包括铒。
7.根据前述1的发光器件，其中场致发光材料包括铽或镱。
8.根据前述1的发光器件，其中场致发光材料包括稀土离子。
9.根据前述1的发光器件，其中所述第一材料包括一个第一材料层，所述第二材料包括一个第二材料层。
10.根据前述9的发光器件，其中电极包括：
一个耦接到第一材料层的导电性掺杂的阳极板；以及
一个耦接到第二材料层的导电性掺杂的阴极板。
11.根据前述10的发光器件，其中该缝隙与第一和第二材料层是共面的硅盘。
12.根据前述10的发光器件，其中该缝隙与第一和第二材料层是共面的硅环。
13.根据前述10的发光器件，其中该缝隙与第一和第二材料层是叠层。
14.根据前述10的发光器件，其中第一和第二材料层包括掺杂了p的硅，以及该电极包括掺杂了p+的硅。
15.根据前述10的发光器件，其中第一材料层包括基本未掺杂的硅，该缝隙包括掺杂了铒的二氧化硅，以及第二材料层包括掺杂了n+的多晶硅。
16.根据前述15的发光器件，其中阳极板包括形成于与该缝隙分开放置的第一材料层中的掺杂p++的硅，以及阴极包括被第二材料层支撑的掺杂了n++的硅。
17.根据前述16的发光器件，其中电极包括环。
18.根据前述9的发光器件，还包括光学耦接到缝隙波导的输出波导。
19.一种发光器件，包括：
一个形成共振腔的缝隙波导，其中该缝隙波导还包括：
一个由硅形成的第一和第二材料；
一个形成于第一和第二材料之间的缝隙，该缝隙包含掺杂有稀土离子的二氧化硅；以及
用于使电流注入掺杂有稀土离子的二氧化硅的装置。
20.根据前述19的发光器件，其中稀土离子选自由铒、铽和镱组成的组。
21.根据前述19的发光器件，其中用于使电流注入的装置包括一个和缝隙波导分开放置的阳极，以及一个阴极。
22.根据前述21的发光器件，其中所述阴极与缝隙波导分开放置。
掺杂了场致发光材料的缝隙波导响应电流注入而产生光。在一个实施方案中，波导组成如环形波导或分布式布拉格反射器等光学共振腔的一部分。可形成一个用于硅微光子器件的紧凑的电驱动的共振腔发光器件(RCLED)。在一个实施方案中，为了发射不同波长的光，可以利用几个不同的稀土离子，如铒、铽和镱来掺杂二氧化硅。
附图说明
图1A是根据本发明一个示范实施例的发光缝隙波导器件的示意性俯视图。
图1B是图1B的发光缝隙波导器件的示意性横截面视图。
图2是一个示出了垂直于图1A的发光缝隙波导器件的缝隙的准TE光学模的光场分布的图。
图3是一个示出了根据本发明一个实施方案的在朝向左边的弯曲缝隙波导之中的准TE光学模的光场分布的图。
图4是一个示出了图1A的发光缝隙波导器件的光谱透射率的图。
图5A是一个示出了对于一个施加的电压的DC电场的二维分布的图。
图5B示出了图5A中所施加的电场的轮廓图(profile)。
图6A是根据一个示范性实施方案的水平缝隙波导的横截面示意图。
图6B示出了图6A器件的准TM光学模的横向电场幅值。
图7是根据一个示范性实施方案的基于法布里-珀罗微腔的缝隙波导的透视示意图。
图8A是根据一个示范性实施方案的又一个可替代的发光缝隙波导器件的示意性横截面图。
图8B是图8A的发光缝隙波导器件的示意性透视图。
具体实施方式
在以下说明中，参考了作为本说明一部分的附图，并在图中以图解的方式示出了本发明可在其中得以实现的具体实施方案。对这些实施方案做了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实现该发明，也应该理解可以使用其他实施方案，以及可以不脱离本发明范围而对其作出结构、逻辑和电学的改变。因此，以下说明并不意在限制本发明的范围，且本发明的范围由所附的权利要求限定。
硅平面内微米尺寸电驱动共振腔发光器件(RCLED)是基于缝隙波导的。该器件由微环形共振腔组成，该微环形共振腔由缝隙区域具有低指数的场致发光材料(如掺杂铒的二氧化硅或其他类型的包括了稀土金属的场致发光材料)的硅/二氧化硅缝隙波导组成。缝隙波导的几何形状允许限定一个用于活性材料的电激发的金属氧化物-半导体(MOS)的结构。仿真过程为一个能够在非常低的偏置电流1.5nA下运行的半径为40μm的电驱动的微环形RCLED预测了一个高达33000的品质因数Q。还讨论了激发条件。
电驱动的硅发光器件(LED)是合乎需要的，因为它可以看成是光子技术和诸如CMOS技术之类的电子技术之间的自然过渡。此外，1.5μm波长附近的发射对于长途通信方面的应用来说也是合乎需要的。
基于金属氧化物半导体(MOS)结构且薄栅氧化层中植入了铒的硅LED已经显示出高达10％的外量子效率，可比标准III-V半导体LED。通过在MOS结构中注入电流，高能(热)电子可以通过碰撞电离激发铒离子以及产生1.54μm的场致发光。
一个光学腔可以增强LED的外量子效率，它对于激光器来说是必要的。为了能与前述掺杂铒的二氧化硅活性材料一起应用于芯片上，一个光学腔应该：1)允许电注入，2)表现出高的光学模-有效材料(optical mode-active material)交叠，3)由CMOS可兼容的材料制备，4)是微米尺寸的，以及5)表现出高的品质因数Q。一个平面的基于波导的腔，如环形或盘形共振腔，可以提供长的光-物质相互作用路径。然而，掺杂铒的二氧化硅具有低折射率，并且，常规的使用该材料为核心的条状波导会因此表现出两个严重缺陷：a)波导会要求大的截面面积，这使将电流注入整个厚氧化物层变得困难，以及b)二氧化硅/空气的低指数-对比系统不利于实现小型化。
一个新颖的波导缝隙结构，使大部分导模集中到一个薄的夹在两个高指数条中间的低指数层(缝隙)中，在一个实施方案中，两个掺杂了的硅条(电极)，夹住一个薄的掺杂了铒的二氧化硅缝隙层(栅氧化层)。穿过栅氧化层的电流注入导致在强烈限制了导模的缝隙区域中产生光。在一个实施方案中，基于缝隙波导的直径50μm的高Q值(～20,000)的绝缘体上硅结构的光学共振腔有低至10dB/cm的损耗。利用缝隙波导几何形状的这些有利特性，可以为硅微光子器件获取紧凑的电驱动共振腔发光器件(RCLED)。
图1A示出了MOS缝隙波导发光器件100的示意图。它由微环形共振腔组成，该微环形共振腔由缝隙波导110形成，该缝隙波导也称为主体。在一个实施方案中，该缝隙波导110包括一对高折射率硅环115和116，这两个环将掺杂了铒的二氧化硅同心环120夹在中央，该同心环称为缝隙层120。该缝隙层120有一个与高指数硅环115和116相比相对较低的折射率。
在一个实施方案中，阳极部分130和135形成在缝隙波导110之外，而阴极140形成在缝隙波导110之内。在一个实施方案中，阳极135和阴极140是掺杂p+的。一个或多个波导150和152可以与缝隙波导110相邻地形成，以便它们被光学耦接到缝隙波导120，以提供对来自缝隙波导的光的输出。可以改变阳极和阴极区域的布置，以使当电流从阳极流到阴极时，它们还能够提供穿过缝隙层120的电流注入。二氧化硅可以用来覆盖整个器件，如160处所示。
图1B示出了发光缝隙波导110的示意性横截面视图。绝缘体上硅结构(SOI)平台包括一个带有隐埋氧化层215的硅衬底210。在一个示范性实施方案中，60nm宽的掺杂了铒的二氧化硅区域(缝隙)120夹在两个高300nm以及宽180nm的p型掺杂(p＝1018cm-3)的硅条之间，所述硅条对应为环115和116。50nm厚的板或条220和222被引入用于限定了高p型掺杂(p＝1019cm-3)的硅区域，所述硅区域相当于阳极130、135和阴极140。在一个实施方案中，板(slab)220和222提供了硅环和电极之间的一些间隔。
可以采用光束传播方法(BPM)来计算缝隙波导的光学模。一个示范性总线耦合(bus-coupled)微环的透射特性通过传递矩阵(transfermatrix)方法来计算。未掺杂的硅和二氧化硅(以及掺杂了铒的二氧化硅)的折射率被分别假定为3.48和1.46。由自由载流子的分布引起的掺杂了硅的区域的实际折射率和吸收系数使用以下关系式来计算：
Δn＝Δne+Δnh＝-[8.8×10-22·ΔN+8.5×10-18·(ΔP)0.8] (1)
Δα＝Δαe+Δαh＝8.5×10-18·ΔN+6.0×10-18·ΔP (2)
其中
Δne是由电子浓度变化引起的折射率变化；
Δnh是由空穴浓度变化引起的折射率变化；
ΔN是以cm-3为单位的电子浓度变化；
ΔP是以cm-3为单位的空穴浓度变化；
Δαe(以cm-1为单位)是由ΔN引起的吸收系数的变化；
Δαh(以cm-1为单位)是由ΔP引起的吸收系数的变化。
采用一个二维(2-D)半导体器件模拟软件——来自SILVAC0的ATLAS来计算偏置结构的栅氧化层上的DC电场。
光学特性
图2示出了根据图1A和1B构造的示范性缝隙波导的准TE的光场分布(垂直于硅/缝隙交界面的主电场分量)。本发明中所显示和描述的结果不代表平均值、最好情况或最差情况。它们只是从一个或多个根据所述实施方案构造的示范性器件上获取的结果。工作波长为1.54μm。光场被强烈限制在低折射率区域120。缝隙120中的最大归一化功率(相对于波导中总功率)估计约为30％。有效折射率计算为neff＝1.9659+j9.24x10-6。neff的虚部表示吸收系数为3.2dB/cm。注意到后一个值小于掺杂的(p＝1018cm-3)硅环所表现的值(6dB/cm)。这是因为只有一小部分的光学模位于高损耗硅区域，如图2所示。这是缝隙波导的一个独特特性，它使得可以应用高指数损耗材料(如，用于限定电场)，而不引进过度的光学损耗，这对于设计高性能电光器件是特别有用的。
图3示出了曲率半径为40μm的朝向左边(-x轴)的弯曲缝隙波导中的准TE光学模分布。可以看出光场还是强烈地集中在缝隙区域，以及由于弯曲效应轻微地偏移至右边(+x轴)。弯曲缝隙波导的有效折射率计算为neff，bend＝1.9666+j9.99x10-6，对应于吸收系数为αbend＝3.5dB/cm。除了自由载流子吸收引起的损耗外，还必须考虑与弯曲相关的辐射损耗(αrad)。BPM模拟显示了40μm的曲率半径对应的辐射损耗为2.9dB/cm。
为了估计图1A所示的示范性微环形共振腔110的性能，使用了以下参数：半径(R)＝40μm，功率耦合系数(|κ|2)＝0.025，光学损耗α＝αscattering+αbend+αrad。αscattering表示缝隙波导内由硅轨侧壁处的散射引起的损耗，实验确定为～10dB/cm。这样，α＝16.4dB/cm，以及环内部总的内损耗，Ai＝α2πR＝0.41dB。为了在发射波长λemission＝1540nm处有一个共振，该环半径应该满足条件2πR＝m(λemission/neff，bend)，其中m是一个整数。
图4示出了微环220的透射特性。所计算的品质因数Q，定义为共振频率(ωr)与共振最大值一半处的整个宽度(Δω)之间的比值，Q＝ωr/Δω＝3.3x104。该值比多层硅/二氧化硅分布式布拉格反射器组成的垂直法布里-珀罗腔所表现的值大两个数量级。由于对应于铒离子锐线发光(sharp luminescence)的发射波长是和腔模共振的，发射光可以增强好几个量级。还注意到，所计算的Q对应于无源环；如果光学增益是从活性材料中获取的，可以获取一个较窄的共振峰，以及较高的Q。
如果满足以下条件，还可以发生激光振荡：a(1-|κ|2)＝1，其中a是内循环因数(inner circulation factor)。对于|κ|2＝0.025，a＝1.0256，这对应于净光学增益为8.64dB/cm。由于内损耗为α＝16.4dB/cm，产生激光所需的总光学增益是25dB/cm。目前，当被光学泵浦时，二氧化硅内材料系统Er3+已表现出光学增益，以及目前所获取的最大总增益小于所计算的25dB/cm。通过改进缝隙波导的设计以减少散射，可以在更少的波导损耗下获取激光发射，散射被认为是所提议的结构中的主要损耗来源。
电学特性
图5示出了对于所施加的20V电压(Vanode-Vcathode)，dc电场的二维分布。缝隙区域中的横向电场几乎均匀，所加电压大部分降在掺杂铒的二氧化硅上。这确保了一均匀的电流注入栅氧化层。掺杂了(p＝1018cm-3)的硅条220和222的高导电性允许将有耗电极区域(p＝1019cm-3)130、135和140放置在远离波导核心的位置，以显著降低波导的光学损耗。在所研究的器件中的穿过栅氧化层的载流子可以归于Fowler-Nordheim(F-N)隧穿。假设在掺杂了铒的二氧化硅MOS器件中产生场致发光所需的F-N电流密度的实验值为2mA/cm2，缝隙波导环LED的偏置电流为：
I＝J·Aring＝(2mA/cm2)·(2π40μm0.3μm)＝1.5nA
其中Aring为有源区(active region)(缝隙120)的垂直表面的面积。这样，如果获取这种电流密度的所需电压为20V，功率消耗可以只是30nW。该小功率消耗由有源区(active area)的小面积引起。
其他结构
除了图1A和1B的垂直缝隙波导结构外，还可以使用诸如图6A所示的水平结构600之类的其他结构。在一个实施方案中，该水平结构600形成于一个氧化层605上，氧化层605形成于硅衬底610上。第一硅环615被形成并支撑缝隙620，第二硅环625接着缝隙620。板630形成于第一硅环的任意一面上，阴极635也形成为与环分开。此外板640形成于沿着阳极645的第二硅环625的任意一面上。
在水平结构600中，该器件可以在准TM偏振(垂直于硅/缝隙交界面的主电场分量)下工作，如图6B所示。图6A所示的缝隙波导的复折射率计算为neff＝2.1198+j1.11x10-5，对应于吸收系数为3.9dB/cm。由于存在更多掺杂了的硅区域，该值略大于垂直结构所表现的值。为了减少由硅/二氧化硅交界面的缺陷引起的散射损失，该水平结构是有利的。这是因为一个水平的缝隙波导可以由离子植入(氧和铒离子)、沉积或横向外延过生长技术(Epitaxial Lateral Overgrowth)来制造，这使得可以实现比反应离子刻蚀所形成的用于垂直缝隙波导制造的交界面更为光滑的交界面。
除了微环形共振腔，由DBR限定的法布里-珀罗(F-P)微腔，如图7示意性所示的，也可以用于光学反馈。在该实施方案中，缝隙波导710基本和缝隙部分712笔直，缝隙部分712夹在硅部分712和714中间。阳极715和阴极720被放置在缝隙波导710的任意一边。分布式布拉格反射器725和730形成在缝隙波导710的两个端上。类似的基于常规的条光子线(strip photonic wire)的F-P腔被施用在SOI衬底上，表现出Q＞1400。
图8A和8B示出了由水平的(叠层)掺杂了铒的缝隙结构形成的发光盘形共振腔800的不同视图。在一个实施方案中，绝缘层810由二氧化硅或其他材料形成，并支撑未掺杂的硅层815。在硅层815中形成一个掺杂了p++的环形阳极820，以及形成一个由该环形阳极820围绕的掺杂了铒的二氧化硅盘825。然后在盘825的顶上形成一个掺杂了n+的多晶硅层820。在一个实施方案中，阴极环825由掺杂了n+的多晶硅层830的较外部顶部区域支撑。该掺杂了n+的多晶硅层830和硅层815，夹住掺杂了铒的盘825，形成一个发光缝隙波导。由阳极820和阴极环上的电压形成的电流注入导致掺杂了铒的二氧化硅盘825发光。
根据37C.F.R.§.72(b)提供了摘要，以使读者可以快速确定所公开的技术的本质和要点。应该理解该摘要不是用于解释或限制权利要求的范围或意思。
Claims (22)
1.一种发光器件，包括：
一个形成共振腔的缝隙波导，其中该缝隙波导还包括：
一个第一材料和一个第二材料，它们具有相对较高的折射率；
一个形成于第一材料和第二材料之间的缝隙，该缝隙包含场致发光材料，以及具有相对较低的折射率；以及
电极，被电耦接以将电流注入场致发光材料。
2.根据权利要求1的发光器件，其中缝隙波导被形成为一个环形共振腔。
3.根据权利要求1的发光器件，其中缝隙波导被形成为一个具有中间部分的共振腔，在该共振腔中间部分的两边上形成有分布式布拉格反射器。
4.根据权利要求1的发光器件，其中所述电极各自包括放置于缝隙波导对立边上的阳极和阴极。
5.根据权利要求4的发光器件，其中施加在阳极和阴极之间的电压激发包含缝隙的场致发光材料，以产生光。
6.根据权利要求1的发光器件，其中场致发光材料包括铒。
7.根据权利要求1的发光器件，其中场致发光材料包括铽或镱。
8.根据权利要求1的发光器件，其中场致发光材料包括稀土离子。
9.根据权利要求1的发光器件，其中所述第一材料包括一个第一材料层，所述第二材料包括一个第二材料层。
10.根据权利要求9的发光器件，其中电极包括：
一个耦接到第一材料层的导电性掺杂的阳极板；以及
一个耦接到第二材料层的导电性掺杂的阴极板。
11.根据权利要求10的发光器件，其中该缝隙与第一和第二材料层是共面的硅盘。
12.根据权利要求10的发光器件，其中该缝隙与第一和第二材料层是共面的硅环。
13.根据权利要求10的发光器件，其中该缝隙与第一和第二材料层是叠层。
14.根据权利要求10的发光器件，其中第一和第二材料层包括掺杂了p的硅，以及该电极包括掺杂了p+的硅。
15.根据权利要求10的发光器件，其中第一材料层包括基本未掺杂的硅，该缝隙包括掺杂了铒的二氧化硅，以及第二材料层包括掺杂了n+的多晶硅。
16.根据权利要求15的发光器件，其中阳极板包括形成于与该缝隙分开放置的第一材料层中的掺杂p++的硅，以及阴极包括被第二材料层支撑的掺杂了n++的硅。
17.根据权利要求16的发光器件，其中电极包括环。
18.根据权利要求9的发光器件，还包括光学耦接到缝隙波导的输出波导。
19.一种发光器件，包括：
一个形成共振腔的缝隙波导，其中该缝隙波导还包括：
一个由硅形成的第一和第二材料；
一个形成于第一和第二材料之间的缝隙，该缝隙包含掺杂有稀土离子的二氧化硅；以及
用于使电流注入掺杂有稀土离子的二氧化硅的装置。
20.根据权利要求19的发光器件，其中稀土离子选自由铒、铽和镱组成的组。
21.根据权利要求19的发光器件，其中用于使电流注入的装置包括一个和缝隙波导分开放置的阳极，以及一个阴极。
22.根据权利要求21的发光器件，其中所述阴极与缝隙波导分开放置。
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Granted publication date: 20100915 Termination date: 20191110 |