CN104092096B - 一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源，该激光光源包括叠层设置的锥形(Taper)增益结构和SOI脊型波导结构，其中该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上。本发明通过在周期性微槽混合激光器中引入III‑V族Taper结构并生长光学下限制层，提高了有源区限制因子，从而增加了III‑V族中的模式增益；同时Taper结构的引入保证了III‑V族结构与硅波导的高效耦合，实现单纵模激光从硅波导输出。本发明制作成本较低，可用于硅基光互连，光通信中的激光光源，提高了III‑V族光源与硅波导的耦合效率，实现了高效耦合的单模混合硅基半导体激光光源。
Description
技术领域
本发明涉及硅基平台光电子集成领域的激光光源，尤其涉及硅基混合集成中一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源。
背景技术
随着光通信技术和微电子工艺技术的发展，人们对于计算机的运算速度要求越来越快、器件的尺寸要求越来越小。然而，以电互连为基础的集成电路的互连延迟效应与能耗问题限制了微电子技术的进一步发展，与传统的电互连技术相比，以光波子作为信息载体的光互连技术，具有信号无干扰、响应速度快、低功耗、大带宽等优点。因此，人们目前的一个研究热点是，希望借助于成熟的CMOS工艺，以光子作为信息载体，在硅基平台上实现光电子器件的混合集成。
近年来，随着硅基光子学的深入发展，人们已经在SOI平台上成功实现了诸如光开关，光波导等无源器件的集成，然而，核心器件Si上激光器的研究却进展缓慢，主要因为Si是间接带隙半导体，发光效率较低，目前，比较成熟的方法是制作硅基混合激光器，利用消逝场耦合的方法实现了从Si波导输出的Si与III-V族混合集成光源。
通过消逝场耦合的办法，人们已经实现了III-V族光源从Si波导耦合输出。然而，其耦合效率的提高需要牺牲III-V族结构中有源区的光学限制因子以及提高SOI上硅波导的厚度来完成。但限制因子的减小会降低激光器的模式增益，从而会导致阈值电流密度的提高；而SOI上硅波导如果太厚(高于400nm)，则会引发激光器多横模输出，不利于在与CMOS兼容的硅基平台上实现激光器与其他单模器件(如放大器，调制器等)的集成。这些因素限制了单模硅基混合半导体激光器的发展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源，以提高III-V族光源与硅波导的耦合效率，实现高效耦合的单模混合硅基半导体激光光源。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源，该激光光源包括叠层设置的锥形(Taper)增益结构和SOI脊型波导结构，其中该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上。
上述方案中，该锥形增益结构是通过对外延结构进行刻蚀而形成的，该外延结构包括：P型衬底1；形成于该P型衬底之上的腐蚀停止层2；形成于该腐蚀停止层2之上的P型接触层3；形成于该P型接触层3之上的上光学限制(SCH)层4；形成于该上SCH层之上的有源层5；形成于该有源层5之上的下SCH层4′；形成于该下SCH层4′之上的N型接触层6；以及形成于该P型衬底1背面的P型电极层1′。
上述方案中，所述有源层5采用的结构为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
上述方案中，所述对外延结构进行刻蚀而形成该锥形增益结构，其刻蚀过程包括：在于该P型衬底1背面形成P型电极层1′之后，将该外延结构倒置，使P型电极层1′朝上，N型接触层6朝下；以及在P型电极层1′上设置掩模，对P型电极层1′、P型衬底1、腐蚀停止层2、P型接触层3、上SCH层4、有源层5和下SCH层4′进行刻蚀，得到该锥形增益结构。
上述方案中，该锥形增益结构是单锥形结构或多锥形结构，其中锥形结构采用正锥形结构或反锥形结构。其中，该单锥形结构是对除去N型接触层6外的整个III-V族外延层，即从P型电极层1′至下光学限制层4′，进行刻蚀而得到一种锥形结构；或者该多锥形结构是先从P型电极层1′到III-V族外延层的上光学限制层4刻蚀出一种锥形结构，再从有源区层5到下光学限制层4′刻蚀另一种锥形结构；或者该多锥形结构是先从P型电极层1′到III-V族外延层的上光学限制层4刻蚀出一种锥形结构，另外在SOI的顶层硅脊型波导层9刻蚀新的锥形结构；此处多锥形指双锥形或三锥形；正锥形结构是指波导宽度逐渐增加；该反锥形结构是指波导宽度逐渐变细。
上述方案中，该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上，包括：在该锥形增益结构的N型接触层6背面形成回流焊金属层7；对该回流焊金属层7采用剥离工艺，剥离掉该回流焊金属层7中间部分的金属，于该N型接触层6背面形成两个回流焊金属条，且这两个回流焊金属条的走向与该N型接触层6正面顶层刻蚀剩余的P型电极层1′的走向一致；将该背面具有两个回流焊金属条的锥形增益结构与该SOI脊型波导结构对准贴合，并回流焊接，使该SOI脊型波导结构顶层的脊形波导9与该N型接触层6背面直接接触，且该脊形波导9与这两个回流焊金属条之间采用空气层隔离，形成单模硅基混合激光光源。
上述方案中，这两个回流焊金属条与该脊形波导9所在的区域为消逝场耦合区域，激光在该锥形增益结构中产生并获得增益，然后在此消逝场耦合区域通过消逝场耦合进入到该脊形波导9中，利用消逝场耦合的方法实现III-V族光源与硅波导的混合集成。
上述方案中，该回流焊金属层7采用的材料为PdIn、AuSn或In；这两个回流焊金属条作为该单模硅基混合激光光源的N型电极。
上述方案中，该SOI脊型波导结构是通过对SOI进行干法刻蚀而形成的，该刻蚀过程包括：对SOI的顶层硅进行刻蚀，刻蚀该顶层硅的一部分于该顶层硅上形成脊形波导9；以及对该脊形波导9的上进行刻蚀，于该脊形波导9的上形成周期性的微槽结构8。
上述方案中，该周期性的微槽结构8的周期为固定周期或渐变周期。该周期性的微槽结构8中的刻蚀槽为任意形状，至少包括长方形、菱形或十字形。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，通过在硅波导上刻蚀周期型微槽结构选择单纵模输出，其制作由CMOS工艺中的接触式光刻与干法刻蚀来完成，制作简单，成本较低，利于大规模生产。
2、本发明提供的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，Taper结构既保证了III-V族光源获得高模式增益，降低了阈值电流密度；同时又实现了III-V族光源与硅波导的高效率耦合输出，其制作过程同样利用CMOS兼容工艺。
总之，本发明提供的这种硅波导输出的单模硅基混合激光光源，在保证有源区高的模式增益的同时，既获得高的耦合效率，又实现单纵模输出。且制作工艺简单，成本低，与CMOS工艺兼容。在光通信、光互连、硅基光电子等领域应用前景广阔。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1(a)至图1(c)为依照本发明实施例的硅波导输出的单模硅基混合激光光源的三维结构演化示意图；
图2(a)为依照本发明实施例的硅波导输出单模锥形硅基混合激光光源混合波导的折射率垂直分布示意图；
图2(b)为依照本发明实施例的硅波导输出单模锥形硅基混合激光光源混合波导的混合模式图；
图3为不同Taper顶端宽度(W_tip)与Taper长度(L)对应硅波导的限制因子(Γsi)曲线图；
图4为依照本发明实施例的模拟得到的周期性刻蚀微槽对腔内激光的振幅反射谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1所示，图1为依照本发明实施例的硅波导输出的单模硅基混合激光光源的三维结构演化示意图，该单模硅基混合激光光源包括叠层设置的锥形(Taper)增益结构(图1a所示)以及SOI脊型波导结构(图1b所示)，其中该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上，形成单模硅基混合激光光源(图1c所示)。
其中，该锥形增益结构是通过对外延结构进行刻蚀而形成的，该外延结构包括：P型衬底1；形成于该P型衬底之上的腐蚀停止层2；形成于该腐蚀停止层2之上的P型接触层3；形成于该P型接触层3之上的上光学限制(SCH)层4；形成于该上SCH层之上的有源层5；形成于该有源层5之上的下SCH层4′；形成于该下SCH层4′之上的N型接触层6；以及形成于该P型衬底1背面的P型电极层1′。其中，P型电极层1′是利用磁控技术溅射在该P型衬底1的背面。该有源层5上下两侧分别被上SCH层4与下SCH层4′所包裹，该有源层5采用的结构为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
上述对外延结构进行刻蚀而形成该锥形增益结构，其刻蚀过程包括：在于该P型衬底1背面形成P型电极层1′之后，将该外延结构倒置，使P型电极层1′朝上，N型接触层6朝下；以及在P型电极层1′上设置掩模，对P型电极层1′、P型衬底1、腐蚀停止层2、P型接触层3、上SCH层4、有源层5和下SCH层4′同时进行刻蚀，得到该锥形增益结构。该锥形增益结构是单锥形结构或多锥形结构，其中锥形结构采用正锥形结构或反锥形结构。其中，该单锥形结构是对除去N型接触层6外的整个III-V族外延层，即从P型电极层1′至下光学限制层4′，进行刻蚀而得到一种锥形结构；或者该多锥形结构是先从P型电极层1′到III-V族外延层的上光学限制层4刻蚀出一种锥形结构，再从有源区层5到下光学限制层4′刻蚀另一种锥形结构；或者该多锥形结构是先从P型电极层1′到III-V族外延层的上光学限制层4刻蚀出一种锥形结构，另外在SOI的顶层硅脊型波导层9刻蚀新的锥形结构；此处多锥形指双锥形或三锥形；正锥形结构是指波导宽度逐渐增加；该反锥形结构是指波导宽度逐渐变细。
之后，该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上，包括：在该锥形增益结构的N型接触层6背面形成回流焊金属层7；对该回流焊金属层7采用剥离工艺，剥离掉该回流焊金属层7中间部分的金属，于该N型接触层6背面形成两个回流焊金属条，且这两个回流焊金属条的走向与该N型接触层6正面顶层刻蚀剩余的P型电极层1′的走向一致；将该背面具有两个回流焊金属条的锥形增益结构与该SOI脊型波导结构对准贴合，并回流焊接，使该SOI脊型波导结构顶层的脊形波导9与该N型接触层6背面直接接触，且该脊形波导9与这两个回流焊金属条之间采用空气层隔离，形成单模硅基混合激光光源。
这两个回流焊金属条与该脊形波导9所在的区域为消逝场耦合区域，激光在该锥形增益结构中产生并获得增益，然后在此消逝场耦合区域通过消逝场耦合进入到该脊形波导9中，利用消逝场耦合的方法实现了半导体激光器与硅波导的混合集成。该回流焊金属层7用于该锥形增益结构与该SOI脊型波导结构的回流焊接，其采用的材料为PdIn、AuSn或In等；这两个回流焊金属条还作为该单模硅基混合激光光源的N型电极。
该SOI脊型波导结构是通过对SOI进行刻蚀而形成的，该刻蚀过程包括：对SOI的顶层硅进行刻蚀，刻蚀该顶层硅的一部分于该顶层硅上部中间位置形成脊形波导9；以及对该脊形波导9的上表面进行刻蚀，于该脊形波导9的上表面形成周期性的微槽结构8。该周期性的微槽结构8的周期为固定周期或渐变周期。该周期性的微槽结构8中的刻蚀槽为任意形状，例如长方形、菱形或十字形等，但不限于此。在该SOI脊型波导结构中，脊形波导9之下是二氧化硅缓冲层10与衬底硅11，如图1所示。
该周期性的微槽结构8类似于高阶布拉格光栅，其周期a需满足布拉格光栅关系：2a＝N·λ/neff，其中N为正整数，λ为激光器激射波长，neff为周期性微槽结构8中的有效折射率。微槽的宽度大于1μm，可以通过普通光刻来完成。
该锥形增益结构的顶端宽度的缩小可以提高III-V族光源与硅波导的耦合效率，通过计算，一般顶端宽度百纳米附近便可获得60％的耦合效率。而小的Taper角度可以减小光在Taper增益结构和硅波导之间耦合时的损耗。因此为了获得高的耦合效率和小的光损耗，可以增加Taper的长度。
以下结合具体的实施例对本发明提供的硅波导输出的单模硅基混合激光光源作进一步详细说明。
实施例
图1(a)至图1(c)为依照本发明实施例的硅波导输出的单模硅基混合激光光源的三维结构演化示意图。图1(a)为III-V族Taper增益结构，其中Taper的长度为500μm，顶端宽度为0.4μm；图1(b)为SOI脊型波导结构，其中SOI顶层硅的高度为0.34μm，硅波导与周期性微槽刻蚀深度均为0.2μm；图1(c)为回流焊接后得到的单模硅基混合激光光源，回流焊金属为AuSn合金，退火后形成欧姆接触，作为器件的负极使用；该单模硅基混合激光光源激射波长为1490nm，器件总长度为1000μm。
图2(a)为依照本发明实施例的硅波导输出单模锥形硅基混合激光光源混合波导的折射率垂直分布示意图；图2(b)为依照本发明实施例的硅波导输出单模锥形硅基混合激光光源混合波导的混合模式图。如图2(a)所示，有源区量子阱层模拟采用平均折射率，有源区两侧被光学限制层所包围，保证有源区较高的光学限制因子Γin，从而提高模式增益G(G＝Γing，其中g为激光器的增益系数)。并且，根据阈值电流密度的经验公式(其中J2为流过有源区的电流密度，J2与J2分别为流过异质结势垒电子和空穴的漏电流密度，da与ηi分别为有源层厚度和内量子效率，αfc与αout分别为有源区和包层的自由载流子吸收系数)，Jth∝Γin -1，可见在同等注入水平下，有源区限制因子的提高相应会引起阈值电流密度的同等倍数降低。此外，优化后的Taper结构可以保证光学模式更好的耦合进入硅波导中，如图2(b)所示，当激光沿Taper混合结构传播500μm之后，模式更多的集中到了硅波导中，实现了高效的耦合。
图3为通过仿真模拟得到的，不同Taper顶端宽度(W_tip)与Taper长度(L)所对应硅波导的模式限制因子(Γsi)曲线图；根据曲线可得，Taper顶端宽度(W_tip)为0.4μm，Taper长度(L)为500μm，即可实现稳定、高效的耦合。而且，引入Taper结构，相比传统直腔激光器，耦合效率提高了20％。
图4为本实例中模拟得到的周期性刻蚀微槽对腔内激光的振幅反射谱，微槽的周期为5.7μm，属于26阶布拉格光栅。通过选择周期与槽宽，振幅反射谱的峰值波长为1.536μm，与激射波长1.55μm基本吻合，最高反射率约为0.98。模拟说明通过引入周期性微槽结构可以实现选择纵向模式，实现单纵模输出。
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 (8)
1.一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该激光光源包括叠层设置的锥形(Taper)增益结构和SOI脊型波导结构，其中该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上；
其中，该锥形增益结构是单锥形结构或多锥形结构，其中锥形结构采用正锥形结构或反锥形结构；
该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上，具体包括：
在该锥形增益结构的N型接触层(6)背面形成回流焊金属层(7)；
对该回流焊金属层(7)采用剥离工艺，剥离掉该回流焊金属层(7)中间部分的金属，于该N型接触层(6)背面形成两个回流焊金属条，且这两个回流焊金属条的走向与刻蚀剩余的位于该锥形增益结构顶层的P型电极层(1′)的走向一致；以及
将该背面具有两个回流焊金属条的锥形增益结构与该SOI脊型波导结构对准贴合，并回流焊接，使该SOI脊型波导结构顶层的脊形波导(9)与该N型接触层(6)背面直接接触，且该脊形波导(9)与这两个回流焊金属条之间采用空气层隔离，形成单模硅基混合激光光源；
其中，这两个回流焊金属条与该脊形波导(9)所在的区域为消逝场耦合区域，激光在该锥形增益结构中产生并获得增益，然后在此消逝场耦合区域通过消逝场耦合进入到该脊形波导(9)中，利用消逝场耦合的方法实现III-V族光源与硅波导的混合集成；该回流焊金属层(7)采用的材料为PdIn、AuSn或In；这两个回流焊金属条作为该单模硅基混合激光光源的N型电极。
2.根据权利要求1所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该锥形增益结构是通过对外延结构进行刻蚀而形成的，该外延结构包括：
P型衬底(1)；
形成于该P型衬底(1)之上的腐蚀停止层(2)；
形成于该腐蚀停止层(2)之上的P型接触层(3)；
形成于该P型接触层(3)之上的上光学限制层(4)；
形成于该上光学限制层(4)之上的有源层(5)；
形成于该有源层(5)之上的下光学限制层(4′)；
形成于该下光学限制层(4′)之上的N型接触层(6)；以及
形成于该P型衬底(1)背面的P型电极层(1′)。
3.根据权利要求2所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，所述有源层(5)采用的结构为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为III-V族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
4.根据权利要求2所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，所述对外延结构进行刻蚀而形成该锥形增益结构，其刻蚀过程包括：
在于该P型衬底(1)背面形成P型电极层(1′)之后，将该外延结构倒置，使P型电极层(1′)朝上，N型接触层(6)朝下；以及
在P型电极层(1′)上设置掩模，对P型电极层(1′)、P型衬底(1)、腐蚀停止层(2)、P型接触层(3)、上光学限制层(4)、有源层(5)和下光学限制层(4′)进行刻蚀，得到该锥形增益结构。
5.根据权利要求1所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，
该单锥形结构是对除去N型接触层(6)外的整个III-V族外延层，即从P型电极层(1′)至下光学限制层(4′)，进行刻蚀而得到一种锥形结构；或者
该多锥形结构是先从P型电极层(1′)到III-V族外延层的上光学限制层(4)刻蚀出一种锥形结构，再从有源区层(5)到下光学限制层(4′)刻蚀另一种锥形结构；或者
该多锥形结构是先从P型电极层(1′)到III-V族外延层的上光学限制层(4)刻蚀出一种锥形结构，另外在SOI的顶层硅脊型波导层(9)刻蚀新的锥形结构；
此处多锥形指双锥形或三锥形；正锥形结构是指波导宽度逐渐增加；该反锥形结构是指波导宽度逐渐变细。
6.根据权利要求1所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该SOI脊型波导结构是通过对SOI进行干法刻蚀而形成的，该刻蚀过程包括：
对SOI的顶层硅进行刻蚀，刻蚀该顶层硅的一部分于该顶层硅上形成脊形波导(9)；以及
对该脊形波导(9)的上表面进行刻蚀，于该脊形波导(9)的上表面形成周期性的微槽结构(8)。
7.根据权利要求6所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该周期性的微槽结构(8)的周期为固定周期或渐变周期。
8.根据权利要求6所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该周期性的微槽结构(8)中的刻蚀槽为任意形状，至少包括长方形、菱形或十字形。
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