CN102684069B

CN102684069B - 基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器

Info

Publication number: CN102684069B
Application number: CN 201210174309
Authority: CN
Inventors: 张冶金; 渠红伟; 王海玲; 马绍栋; 郑婉华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN102684069A

Abstract

一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，包括：一硅衬底，该硅衬底为单晶硅材料；一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在硅衬底之上；一硅波导层，该波导层制作在二氧化硅层之上，该波导层的纵向开有两条空气沟道，两条空气沟道之间为带有周期微结构的脊形条；一键合缓冲层，其制作在硅波导层上的中间，该键合缓冲层的宽度小于硅波导层的宽度，形成脊形条状，该键合缓冲层的两侧形成台面；两条状N型电极，制作在键合缓冲层两侧的台面上；一N型接触层，其制作在键合缓冲层之上；一量子阱有源区，其制作在N型接触层之上；一P型接触层，其制作在量子阱有源区之上；一P型盖层，其制作在P型接触层之上；一条状P型电极制作在P型盖层之上。

Description

基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器

技术领域

本发明涉及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，适于光子光电子集成应用。

背景技术

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限，尤其在互连方面。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。

InP(磷化铟)和硅的混合激光是一种目前被认为最有应用前景的适于高密度集成的技术。通常采取带有波导结构的SOI材料与III-V外延材料通过有机材料粘合，去掉InP衬底，然后再进行激光器的加工，光波是通过倏逝场耦合进入下层的SOI波导的，电注入采用共面电极在III-V材料层完成。这其中键合技术和激光器的单纵模实现非常重要。近几年有人提出基于此混合结构的布拉格分布反馈(DFB)，分布反射(DBR)，分段光栅等激光器，实现了单波长激射，使之适于密集波分复用系统的传输应用；根特大学的研究人员实现了4波长微碟紧凑型激光器。这些激光器还没有商用，主要是因为工艺上还是比较复杂，成本也很高。要实现高速光互连，单纵模激光器是核心器件之一。布拉格分布反馈和分布反射常用的单纵模激光器，这些激光器往往需要全息或电子束等较难或昂贵加工手段，有时还需要二次外延，单片多波长集成很困难。

本发明提出在硅基波导上刻蚀周期微结构，来实现多腔的反馈，利用带有周期微结构来选频，特点在于微结构尺度较大，特征尺寸大于1um，按照一定周期分布，最小特征尺寸适于1∶1的光学直接曝光技术。在波导图形基础上，进行图形键合，然后在III-V材料基础上进行常规的半导体激光器工艺流程。通过改变不同反射器的注入电流，还可以实现宽带调谐，制作工艺简单，整个结构在同一有源区上，不需要二次外延技术和复杂的光栅制备技术。目前通过周期微结构实现单模激射的研究在硅基混合激光器上还未见报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，该结构在高密度集成，单纵模工作，高效耦合输出，大范围波长调谐等方面很有优势。更重要的是在工艺加工中省去通常的DFB分布反馈光栅制作及III-V族材料二次外延等工艺步骤，降低复杂性，采用新型的选频机制，非常适于多波长集成。

为了达到以上目的，本发明提供了一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，包括：

一硅衬底，该硅衬底为单晶硅材料；

一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在硅衬底之上；

一硅波导层，该波导层制作在二氧化硅层之上，该波导层的纵向开有两条空气沟道，两条空气沟道之间为带有周期微结构的脊形条；

一键合缓冲层，其制作在硅波导层上的中间，该键合缓冲层的宽度小于硅波导层的宽度，形成脊形条状，该键合缓冲层的两侧形成台面；

两条状N型电极，制作在键合缓冲层两侧的台面上；

一N型接触层，其制作在键合缓冲层之上；

一量子阱有源区，其制作在N型接触层之上；

一P型接触层，其制作在量子阱有源区之上；

一P型盖层，其制作在P型接触层之上；

一条状P型电极制作在P型盖层之上。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供的这种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，利用倏逝场实现光波的耦合输出，减少反射能量损失，有利于提高激光器效率。

2)本发明提供的这种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，通过周期微结构实现选频和单模输出，更具有在光子集成中大规模应用价值。优势在于周期微结构在硅基上利用普通光刻腐蚀工艺就可实现，而不必通过电子束、全息曝光等昂贵复杂工艺技术实现。

3)本发明提供的这种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，波长可以通过微结构占空比和周期来调节，有利于实现多波长光源，并使其工作于通信波段，应用于未来高密度光子或光电子集成芯片。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的结构立体示意图；

图2是本发明的z-y平面侧向剖面示意图；

图3是显示硅波导宽度对调整耦合量；

图4是微结构调制产生单纵模增益的调整坐标图。

具体实施方式

本发明将提出一种硅基并具有单模工作特性的集成光源，采用的是硅基和III-V半导体材料的混合结构，在电注入的情况下，通过倏逝场耦合和硅基上的周期微结构选频而实现单模激射，并将输出光耦合到硅基波导中。增益介质采用半导体量子阱结构，利用共面电极实现电注入，适于高密度光子光电子集成的需要。

请参阅图1及图2所示，本发明提供一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，包括：

一硅衬底10，该硅衬底10为单晶硅材料；可以是任意掺杂和导电类型，要求适于制作SOI材料。该衬底层将不参与导电，晶向可以是多种，厚度要求大于50微米，该厚度是根据工艺加工和实际应用的需要而定的。当手工解理时就需要薄一点，机械解理时厚一些也没有问题。目前最常用的衬底为标准8英寸。

一二氧化硅层11，该二氧化硅层11制作在硅衬底10之上；该二氧化硅层11厚度在0.5至3微米，太薄影响波导限制效果，大了则影响散热。

一硅波导层12，该波导层12制作在二氧化硅层11之上，该波导层12的纵向开有两条空气沟道123，两条空气沟道123之间为带有周期微结构的脊形条121；硅波导层12厚度在250纳米以上。倏逝场耦合依靠硅波导层12的厚度。

其中硅衬底10，二氧化硅11及硅波导层12为硅基材料，也称为SOI材料(silicon on insulator)；满足该发明的SOI是可以是导电、本征类型。在键合激光器的制作过程中，要首先通过光刻、腐蚀或刻蚀在硅波导层12上制出各种需要的图形。图形的尺度、分布和特征线条对后面和III-V外延材料的键合影响很大。

一键合缓冲层13，其制作在硅波导层12上的中间，该键合缓冲层13的宽度小于硅波导层12的宽度，形成脊形条状，该键合缓冲层13的两侧形成台面；

两条状N型电极122，制作在键合缓冲层13两侧的台面上；N型接触层通过横向注入方式形成电极；

一N型接触层131，其制作在键合缓冲层13之上；

一量子阱有源区14，其制作在N型接触层131之上；

一P型接触层15，其制作在量子阱有源区14之上；

一P型盖层151，其制作在P型接触层15之上；

一条状P型电极152制作在P型盖层151之上。

所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中键合缓冲层13和N型接触层131、量子阱有源区14、P型接触层15及P型盖层151，均为III-V族材料。

所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中该脊形条121的厚度与硅波导层12的厚度相同，宽度为1-5微米，该脊形条121的周期在2-10微米，该周期微结构121特征尺寸大于1微米。

所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中N型电极122和P型电极152的材料为Ti/Au或其他金属薄膜。P型电极和N型电极可通过一次电极生长工艺完成，大幅度降低成本。P，N电极图案上采取1∶1的面积比例，使之接触面大，阻抗均衡，利于焊线和导热。

所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中量子阱有源区14的周期数为1-9，发光波长大于1.1微米。量子阱有多种结构，通过势垒高度和厚度变化改善漏电流，通过阱区变化改变发光中心波长。

所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中量子阱有源区14的每一周期的材料为铟镓砷磷或铟镓铝砷，与铟磷形成晶格匹配或引入一定应变。在材料上要求增益尽量高，温度特性好，折射率满足键合激光器倏逝场耦合的需要。如本发明的表一结构能够满足高增益和倏逝场耦合的需要。

所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中该脊形条121的周期微结构，具有多种周期形式，每一单元为一字型、十字形或圆孔型。该周期微结构不是普通的布拉格反馈(DFB)和布拉格反射(DBR)。每一周期单元根据反馈量和键合强度的需要有多种备选形式。可以是单周期、多周期，交叉形式等。可引入光子晶体各种晶格形式。用标准的1∶1光刻就可以加工，节约成本，可以避免全息曝光，电子束曝光的应用。激光器的单模工作依赖于此微结构。

其中III-V外延层结构如图表一所示。

表一III-V外延片详细结构

SOI与III-V族外延层采用低温图形键合技术，典型温度为350度，采用亲水性键合，与光片键合不同在于，III-V材料与带图形硅基波导通过分子间作用力直接结合，界面平整，硅基波导中可形成空气槽，横向可实现高折射率对比度，更易于倏逝场控制。本发明硅波导层12中不仅有带有周期微结构的脊形条121，沟道123，实际上为了后面工艺的需要，还设计了一些特殊对版标记，包括“十”，“T”，“L”，“一”的图案，该图案通过大小控制，使之键合后在此处不能和III-V族材料稳固键合，在腐蚀作用下，可以完全露出，为后面工艺提供标记。

上述方案中，基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，是电注入工作方式，在III-V族光增益结构中实现粒子数反转，产生受激辐射光子，一部分光通过SOI倏逝场耦合到硅基条形波导中，耦合量由硅基条形波导条宽控制。硅基条形波导上分布周期多个狭槽，形成反馈，实现单纵模输出，注意还可以有多种类型的周期单元，要依靠材料间的键合强度而定。该结构优点在于，用常规半导体工艺就可以实现硅基单纵模激光器。

为了使该发明表述更清楚，对于本发明中的工艺流程详述如下：

包括在SOI材料上利用普通光刻方式制备倏逝场波导和周期微结构；定制III-V族量子阱有源区外延片，典型结构如表一所示；SOI与III-V族外延材料低温图形键合；去除III-V族InP衬底；在III-V族材料上制作脊形波导条；蒸发绝缘层，二氧化硅或氮化硅等；光刻及蒸发金属薄膜；共面电极制作，最后减薄解理和封装等。

分析表明，如图3所示，上层为III-V族材料区，中间为Si，下层为SiO2，可见当中间Si波导宽度变化时，可以调整光场在上层增益区和中间层传导区的分布，而且Si波导宽度在1微米以上，不用电子束等昂贵工艺。这样就可以通过调整硅基倏逝场波导宽度，调整耦合量和增益，实现硅波导光输出。

针对周期微结构多狭槽选频，在III-V族脊形条上分析表明，在25个狭槽情况下，我们得到了图4所示结果，边模抑制比达到40dB。初步验证可以形成单模，好处是多狭槽尺度在微米量级，普通光刻同样可以实现。

在本发明中，通过调整SOI波导上狭槽周期和狭槽宽度能够实现波长的调节。可以对模式进行控制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，包括：

一硅衬底，该硅衬底为单晶硅材料；

一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在硅衬底之上；

一硅波导层，该波导层制作在二氧化硅层之上，该波导层的纵向开有两条空气沟道，两条空气沟道之间为带有周期微结构的脊形条，该脊形条的周期微结构，具有多种周期形式，每一单元为一字型、十字形或圆孔型；该周期微结构的特征尺寸大于1um；

两条状N型电极，制作在键合缓冲层两侧的台面上；

一N型接触层，其制作在键合缓冲层之上；

一量子阱有源区，其制作在N型接触层之上；

一P型接触层，其制作在量子阱有源区之上；

一P型盖层，其制作在P型接触层之上；

一条状P型电极制作在P型盖层之上。

2.根据权利要求1所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中键合缓冲层和N型接触层、量子阱有源区、P型接触层及P型盖层，均为III-V族材料。

3.根据权利要求1所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中该脊形条的厚度与硅波导层的厚度相同，宽度为1-5微米，该脊形条的周期在2-10微米。

4.根据权利要求1所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中N型电极和P型电极的材料为Ti/Au。

5.根据权利要求1所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中量子阱有源区的周期数为1-9，发光波长大于1.1微米。

6.根据权利要求1所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中量子阱有源区的每一周期的材料为铟镓砷磷或铟镓铝砷。