CN104283093B - 混合波导激光器和用于制造混合波导激光器的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及混合波导激光器和用于制造混合波导激光器的方法。提供了亚微米III‑V波导激光器，该激光器包括：宽度范围在50nm和800nm之间且高度范围在500nm和1200nm之间的沟道波导；邻近该波导横向各侧的横向包层；以及用于把光限制在波导内的光限制元件。该波导可包括III‑V叠层，其包括：下包层、有源区和上包层。激光器可光耦合至输出波导。它可被电泵浦。提供了用于把亚微米III‑V波导激光器集成在硅光子平台上的方法，该方法包括：在硅衬底上提供电绝缘层，通过该电绝缘层来蚀刻宽度范围在50nm和800nm之间的沟槽，通过局部外延生长在沟槽内提供III‑V叠层以形成沟道波导，并提供光限制元件以便把光限制在沟道波导内。

Description

混合波导激光器和用于制造混合波导激光器的方法
技术领域
所公开的技术涉及混合波导激光器(例如，亚微米混合波导激光器)以及用于把此类波导激光器集成在硅光子平台上的方法。
背景技术
受到来自光I/O、电信、光计算以及其他应用的需求的驱驶，在硅上集成III-V器件的领域内正在开展大量研究。已经提出各种选项用于在基于硅的光子学平台上集成电泵浦激光器和光学放大器。
单独的激光器管芯可以是安装到硅光子晶片的倒装芯片或可使用外延剥离过程被转移到硅平台。紧密的机械对准要求降低了这个选项的吸引力，尤其对其中每个芯片所需激光器数量在过去数年增加了的波分多路复用(WDM)系统而言。
替换地，键合方法可用于实现III-V激光器在硅光子平台(例如，基于SOI)上的混合集成而无需封装过程中的严苛对准。这一方法的示例是分子直接键合和粘结键合。在分子直接键合方法中，通过界面键合实现不同晶片/管芯间的强键合。粘结键合技术使用胶(例如，聚合物或金属)来实现晶片键合。这些键合方法的优点是通过光刻一起实现了诸III-V结构和诸硅结构之间的对准。此外，许多激光器是通过将单个III-V管芯或III-V晶片键合到硅芯片上而制造的，这允许与适于WDM链路的其它硅光子组件一起集成的多个波长激光器阵列的制造。然而，使用管芯键合或晶片键合方法相对昂贵。
除了基于集成的键合方法之外，在硅上进行III-V层的外延生长重获材料科学和光学工程二者的兴趣。尽管硅和典型III-V材料间有大晶格失配，在材料质量和器件性能二者上相当多的改善是通过诸如晶格匹配生长，对自组织位错网络、横向外延附晶生长以及量子点外延的使用等技术而实现的。然而，这一方法导致由于对昂贵的III-V材料的极大消耗而引起的相对高的制造成本。
发明内容
本发明的某些方面涉及集成在硅光子平台上的III-V波导激光器(例如，亚微米III-V波导激光器)以及用于把此类III-V波导激光器集成在硅光子平台上的方法。
根据本发明的一方面，集成在硅光子平台上的亚微米III-V波导激光器包含：宽度范围在50nm和800nm之间且高度范围在500nm和1200nm之间的沟道波导；邻近该沟道波导横向各侧的横向包层；以及用于把光限制在亚微米沟道波导内的光限制元件。该沟道波导例如可包括III-V叠层，其包括：下包层、有源区和上包层，然而本公开不受限于此。
应当注意到，在本申请的上下文中术语“光限制元件”可以是使沟道波导内(优选在有源区内)对光的限制得以改善的任何类型的元件或特征，即，使得保留在亚微米沟道波导内(例如，在该亚微米沟道波导的有源区内)的光量得以增加的任何类型的元件或特征。可邻近该沟道波导提供该光限制元件。
根据本公开的实施例，该光限制元件可包括覆盖层，该覆盖层是覆盖该沟道波导且包括高折射率材料的层。该覆盖层例如可包含非晶硅、多晶硅或氮化硅。例如，它的厚度范围可在50nm和200nm之间，但本公开不受限于此。在此类实施例中，沟道波导的宽度优选在50nm和300nm之间的范围，例如在100nm和30nm之间。
应当注意到，在本申请的上下文中术语“高折射率材料”是所具有的折射率比横向包层的折射率高的材料。。例如，在这一申请的上下文中，高折射率材料可具有范围在2和4之间(优选大于3)的折射率。
亚微米III-V波导激光器可光耦合至输出波导。根据本公开的实施例，输出波导可以是沉积式波导，例如具有用与覆盖层相同材料制成的芯。根据另一实施例，输出波导例如是制造在绝缘体上硅(SOI)材料系统中的波导，该输出波导的芯形成在SOI晶片的硅器件层内。激光器和输出波导间的光耦合可通过直接耦合来获得，其中激光器的有源区在该激光器的端面处与输出波导直接接触。替换地，激光器和输出波导间的光耦合可通过倏逝耦合来获得，其中，举例而言，该覆盖层与该沟道波导一起充当第一波导，并且其中提供基本平行于第一波导且距第一波导的距离小于500nm的输出波导，从而可在第一波导和输出波导之间获得倏逝耦合。激光器和输出波导间的光耦合还可通过光栅辅助耦合来获得，其中提供足够接近该激光器波导的带有光栅的输出波导。倏逝耦合可由光栅的存在而显著改变，这可提供对耦合效率的良好控制。
根据本公开的实施例，用于把光限制在沟道波导内的光限制元件可包括被提供在横向包层内在沟道波导的横向两侧处的台地(plateau)，从而使沟道波导呈T形，即，具有第一窄波导部分(例如宽度在50nm和200nm之间的范围，且高度在400nm和600nm之间的范围)以及覆盖该第一波导部分的第二宽波导部分，该第二波导部分包含有源区并且例如具有在400nm和800nm之间范围的宽度以及在250nm和600nm之间的高度。然而，本公开并不受限于此，并且可以使用其它适用的尺寸。
亚微米III-V波导激光器可被光耦合至输出波导，该输出波导例如可以是(例如，由非晶硅、多晶硅或氮化硅制成的)沉积式波导，但本公开不受限于此。替换地，输出波导例如是制造在绝缘体上硅(SOI)材料系统中的波导，该输出波导的芯形成在SOI晶片的硅器件层内。激光器和SOI波导间的光耦合例如可通过如上所述的直接耦合、倏逝耦合或光栅辅助耦合来获得。
根据本公开实施例的波导激光器的优点在于它可以小(亚微米级)并且可具有低阈值和低功耗。
根据本公开实施例的激光器的优点在于它可以被电泵浦。为了启用电荷载流子的电注入，可提供包括接触的第一金属和包括接触的第二金属，其中包括接触的第一金属与III-V波导叠层的下包层电接触，而包括接触的第二金属与III-V波导叠层的上包层电接触。包括接触的第一金属可与下包层间接电接触，例如通过其上提供有III-V叠层的掺杂的硅衬底。包括接触的第二金属可与上包层间接接触，诸如举例而言通过本公开实施例中的覆盖层。替换地，包括接触的第二金属可与上包层间接接触，例如在实施例中通过根据本公开的T形沟道波导。
根据本公开的第二方面，提供了用于把亚微米III-V波导激光器集成在硅光子平台上的方法。该方法包括：在硅衬底上提供电绝缘层，通过该电绝缘层蚀刻宽度范围在约50nm和约800nm之间的沟槽，由此局部地暴露该硅衬底，通过局部外延生长在沟槽内提供III-V叠层以形成沟道波导，并提供光限制元件。
根据本公开的方法的实施例，提供光限制元件可包括提供覆盖层，该覆盖层是覆盖该沟道波导且包含高折射率材料的层。例如，在这一申请的上下文中，高折射率材料可具有范围在2和4之间(优选大于3)的折射率。该覆盖层例如可包括非晶硅、多晶硅或氮化硅。例如，它的厚度范围可在50nm和200nm之间，但本公开不受限于此。
根据本公开的方法实施例，提供光限制元件可包括：在电绝缘层中蚀刻沟槽其中在沟槽的横向两侧处有台地，从而使得在该沟槽内提供III-V叠层之后可获得T形沟道波导，即，具有第一窄波导部分(宽度在50nm和200nm之间的范围，且高度在400nm和600nm之间的范围)以及覆盖该第一波导部分且包含有源区的第二宽波导部分，该第二波导部分具有在400nm和800nm之间范围的宽度以及在250nm和600nm之间的高度。
本公开的方法的优点在于发达的半导体制造基础设施可用于制造亚微米III-V波导激光器以及把亚微米III-V波导激光器集成在硅光子平台上。由于小器件尺寸，昂贵的III-V材料的消耗可被限制并且制造成本可被降低。与通过键合技术制造的混合激光器相比，可改善散热。
已经在上文中描述了本发明各方面的某些目标及优点。当然，应理解，不一定所有此类目的或优势都可根据本公开的任何特定实施例实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到本公开可按实现或优化本文所教导的一个优势或一组优势的方式来具体化或执行，而不一定要同时实现本文可能教导或提出的其他目的或优势。此外，可理解的是这个概述仅仅是示例且并不意在限制本公开的内容。关于组织和操作方法两者的本公开，连同其特征和优势一起，通过结合附图而阅读参考以下详细描述可被最好地理解。
附图说明
图1示出根据本公开实施例的带有覆盖层的亚微米混合波导激光器的横截面。
图2示意性地示出了根据本公开实施例的亚微米混合波导激光器的制造方法。
图3示出针对III-V波导的不同宽度在如图1所示的本公开器件的有源层中因变于覆盖层厚度所算出的光学限制因子(实线)以及光学模式损耗(虚线)
图4示出根据本公开的实施例可用于激光器的直接波导耦合的机制，以及用于电注入的机制。图4(a)是俯视图，图4(b)是沿线AA’的横截面且图4(c)是沿线BB’的横截面。
图5示出根据本公开的实施例可用于波导和激光器间侧耦合的机制，以及用于电注入的机制。图5(a)是俯视图，图5(b)是沿线CC’的横截面。
图6示出根据本公开的实施例可用于激光器的直接波导耦合的机制，以及用于电注入的机制。图6(a)是俯视图，图6(b)是沿线DD’的横截面且图6(c)是沿线EE’的横截面。
图7示出根据本公开实施例的带有T形波导的亚微米混合激光器的横截面。
图8示意性地示出了包含第一窄沟槽部分和在第一沟槽部分上方的第二宽沟槽部分的T形沟槽。
图9示出根据本公开实施例的带有T形波导的器件结构的有源层中所算出的光学限制因子和光学模式损耗。
图10示出根据本公开的实施例可用于T形激光器的波导耦合的机制，以及用于电注入的机制。图10(a)是俯视图，图10(b)是沿线FF’的横截面且图10(c)是沿线GG’的横截面。
权利要求书中的任何参考标记不应当被解释为限制本公开的范围。
在不同附图中，相同参考标记指示相同或相似元件。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述众多特定细节以提供对本公开以及其可如何在特定实施方式中实施的透彻理解。然而，将理解，本公开在没有这些特定细节的情况下也可以实施。在其它情形中，众所周知的方法、程序和技术并未进行详细描述以免混淆本公开。虽然将针对特定实施方式并参考特定附图描述本公开，但本公开不限于此。本文中所包括和描述的附图是示意性的且不限制本公开的范围。还应注意，在附图中，出于说明目的，一些元件的大小可能被放大，因此未按比例绘制。
将针对具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书限定。所描述的附图只是示意性的和非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。尺寸和相对尺寸并不必然对应于对本发明实践的实际修正简化。
此外，本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等等用于在类似的元件之间进行区分，而不一定用于描述顺序次序或时间次序。这些术语可在适当环境中互换，并且本发明的实施例可以不同于本文中描述或示出的其他顺序操作。
此外，本说明书和权利要求书中的术语“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本公开的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它取向操作。
权利要求中所使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的装置；它不排除其他元件或步骤。它需要被解释为指定存在如所引用的所述特征、整体、步骤或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤或组件、或者其组合。因此，措辞包括装置“A和B的设备“的范围不应当局限于仅由组件A和B构成的设备。
在本发明的一方面，本公开涉及用于把亚微米III-V波导激光器集成在光子学平台(诸如硅光子平台)上的方法。
在根据本发明一方面的制造方法中，把亚微米III-V波导激光器集成在硅光子平台上包括通过局部外延生长在硅衬底上形成III-V叠层。局部外延生长例如可通过以下步骤获得：首先在硅衬底上提供掩模层(诸如氧化硅层)；通过该掩模层蚀刻开口或沟槽从而使在需要提供III-V叠层的所在位置处的底层硅衬底被暴露；以及使用暴露出的区域作为外延生长的籽晶，在开口中外延生长叠层。
在本公开的上下文中，III-V叠层可包括用于实现激光器结构的任何使用的叠层，诸如举例而言：III-V异质结构，或内嵌在各包层间的量子阱，或内嵌在各包层内的量子点。
通过外延生长在硅衬底上直接形成III-V叠层的优点在于发达的半导体制造设施(例如，CMOS设施)可用于制造激光器。
局部外延生长的优点在于，相比其中III-V材料非局部生长的制造过程，III-V材料的消耗减少以及还由此而来的成本减少。
在本公开的实施例中，掩模层优选由具有低折射率的材料制成，例如具有1.4和1.7之间折射率范围的材料(诸如，举例而言，约1.5量级的折射率)。这所具有的优点在于：它可具有包层的功能(即它改善波导激光器中光学模式的限制)；以及它可导致减小的衬底泄漏。掩模层优选由电绝缘材料制成。
可用来减少在其中高晶格失配的衬底上生长的薄异质外延层内缺陷数的强大方法通过选择性区域外延或选择性外延生长(SEG)来使用几何缺陷限制。例如，在US 2012/0032234中描述了一种方法，其允许避免或大幅降低在硅衬底上生长的III-V外延层中反相畴界的形成。描述了用于在衬底上外延生长III-V化合物半导体材料的方法，该衬底包括{100}取向的半导体材料(诸如硅)和该半导体材料上的绝缘层，其中该绝缘层具有局部地暴露该半导体材料的凹陷区域(沟槽)。该方法包括：通过选择性外延生长过程在暴露的区域内形成包括IV族半导体材料(诸如Ge)的缓冲层；热退火该衬底和该缓冲层，由此使该缓冲层粗糙化以创建该缓冲层经倒圆的、双阶梯表面；以及使用该缓冲层作为籽晶层，通过选择性外延生长用III-V化合物半导体材料至少部分地填充该凹陷区域。纵横比大于2的沟槽被示出可获得几乎没有缺陷的层。为了避免缺陷的形成，凹陷区的宽度小于或等于500nm，优选小于200nm。
虑及获得的高材料质量，这一方法可被认为对有源光子器件(例如，激光器)连同硅光子电路的实现而言颇具吸引力。然而，因为III-V材料及硅之间的晶格失配，在硅上仅可生长出小区域的高质III-V材料。通过在US2012/0032234中描述的方法，仅可生长出小尺寸区域的高质III-V材料：绝缘层中的凹陷区域或开口需要足够狭窄(例如，比500nm窄，优选比200nm窄)以供阻挡错位。在具有可接受的衬底泄漏的如此狭窄的III-V条内的严格光约束几乎是不可能的。因此，针对光子应用使用这一方法是具有挑战的。
用来减少在具有高晶格失配的衬底上生长的异质外延层内缺陷数(诸如，反相界)的另一方法包括在沟槽内沉积外延层(在衬底(例如，硅衬底)内该沟槽在其底部处具有“V槽”)，该V槽具有{111}面。该V槽例如可通过各向异性湿蚀刻来形成，例如使用碱性溶液，诸如，举例而言KOH溶液(例如在70℃的50％KOH溶液)或TMAH溶液(例如在80℃的5％的TMAH溶液)。当使用这一方法时，优选使用{100}取向的硅衬底，其中在该衬底上有具有凹陷区域或沟槽的绝缘层，从而使硅衬底被局部暴露。优选该凹陷区域具有沿<110>方向取向的纵轴。例如，在Cryst.Growth Des.(晶体生长与设计),2012,12(10),针对80nm和40nm宽沟槽的第4696-4702页，M.Paladugu等人的“Site Selective Integration of III-V Materials onSi for Nanoscale Logic and Photonic Devices(针对纳米级逻辑和光子器件的Si上III-V材料的场所选择性集成)”描述了这一方法。在具有可接受的衬底泄漏的如此狭窄的III-V条内的严格光约束几乎是不可能的。因此，针对光子应用使用这一方法是具有挑战的。
在本发明的另一方面，本公开涉及混合亚微米III-V波导激光器，其中通过在硅的顶部上局部或选择性外延生长III-V层来形成波导。
已知的激光器配置，诸如举例而言FP激光器(法布里佩罗)、DFB激光器(分布式反馈)和DBR激光器(分布式布拉格反射器)，原则上可以通过在硅上选择地生长III-V波导而得以实现。然而，用于通过局部外延生长实现具有低缺陷密度的III-V结构所需的极其紧凑的尺寸(诸如，举例而言，根据US2012/0032234，或通过使用上述的“V槽”方法)限制了光子应用的潜力，这主要是由于在此类小器件中限制光而没有大量泄漏损耗的问题引起的。
在本公开的一实施例中，通过在III-V激光器结构的顶部上使用覆盖层(诸如举例而言，非晶硅覆盖层)来改善光限制。在图1中示出了可能配置的一种示例，其示出了在硅衬底1上形成的亚微米混合激光器的横截面。该波导激光器结构包含由第一III-V材料(诸如举例而言InP)制成的下包层4，由第二III-V材料(诸如举例而言InGaAs)制成的有源层5，以及由第三III-V材料(诸如举例而言InP)制成的上包层6。下包层4、有源层5和上包层6被限定在绝缘层2(诸如举例而言氧化硅层)内形成的凹陷区域或沟槽中，并形成沟道波导100。绝缘层2还充当波导激光器结构的横向两侧处的横向包层。III-V叠层100的宽度(对应于绝缘层2中凹陷区域的宽度)例如可在50nm和300nm之间的范围内，优选在100nm和300nm之间。下包层4例如可具有在400nm和600nm之间范围的厚度。有源层5的厚度例如可在50nm和200nm之间的范围内。上包层6例如可50nm到300nm厚。然而，本公开并不受限于此，并且可以使用其它层厚度和宽度。
如在本公开的实施例中，极其狭窄的III-V波导将导致光学模式的高泄漏损耗，主要是对衬底的高泄漏损耗。获得低损耗波导的一种可能方案是增加沟槽深度，但是这使得制造过程复杂化。
在本公开的一实施例中，为了在III-V波导100的有源层5内实现良好的光学限制以及为了减少泄漏损耗，在绝缘层2和上包层6顶上提供相比横向包层2的折射率具有高折射率(例如，范围在2到4之间，优选大于3的折射率)的覆盖层7(光学限制元件)。在图1所示的示例中，覆盖层7还覆盖有源层5和上包层6的侧壁。然而，本公开并不受限于此并且取决于波导激光器的具体设计其它配置是可能的。覆盖层7例如可包含非晶硅、多晶硅或氮化硅或为本领域技术人员所知的任何其他适用的高折射率材料。覆盖层7的厚度取决于材料的折射率和III-V叠层的宽度。非晶硅覆盖层例如可具有在50nm和200nm之间范围的厚度，但本公开不受限于此。
在图2中示意性地示出了可用于制造图1的激光器结构的方法。在第一步骤(图2(a))，在硅衬底1上提供电绝缘层(例如，二氧化硅层2)。随后通过光绝缘层2蚀刻狭窄沟槽10，由此局部地暴露底层硅衬底1(图2(b))。沟槽深度d和沟槽宽度w的比值优选大于2。例如，沟槽深度范围在400nm和600nm之间，沟槽宽度范围例如在50nm和300nm之间，优选在100nm和300nm之间。然而，本公开并不受限于此，并且可以使用其它适用的尺寸。可选地，随后可在沟槽底部硅被暴露处形成Ge缓冲层3，例如根据US2012/0032234中所述的方法。替换地，可使用V槽方法(未示出)。如图2(c)所示，接下来通过选择性外延生长提供III-V材料层4、5、6的堆叠，由此形成至少部分在沟槽10内的狭窄III-V波导100。III-V材料层的堆叠可包括下包层4(“柱”)、有源层5(诸如，举例而言InGaAs层或InGaAsP层)和上包层6。有源层5的厚度例如可在50nm和200nm之间的范围内，并且形成III-V波导100的芯层。下包层4和上包层6形成有源层5的纵向包层，而电绝缘层2形成III-V堆叠的航向两侧处的横向包层。尽管在图1和图2中下包层4具有和绝缘层2基本相同的厚度，但是本公开不受限于此。下包层4的厚度还可以小于或大于绝缘层2的厚度。
为了把光限制在III-V波导100的上部中，可在III-V波导结构和围绕该III-V波导结构的绝缘层2(例如，氧化硅层)上沉积高折射率材料层7(诸如非晶硅层、多晶硅层或氮化硅层)，如图2(d)所示。层7的折射率大于绝缘层2的折射率。例如，当绝缘层2是折射率为约1.46的氧化硅层时，对层7而言合适的折射率可在2和4之间的范围内。使用非晶硅或氮化硅来形成高折射率材料层7的优点在于可以在低温(例如，在150℃和250℃之间的温度范围内)下沉积这些材料。
层7的高折射率帮助上拉光学模式，由此大幅减少衬底泄漏损耗。覆盖层越厚，限定在高折射率材料层7内的光学模式的部分越大，并且泄漏损耗越小。然而，对于较厚的覆盖层7而言，III-V有源层5中光学模式的光学限制被减小并且所获得的光学增益可能不足以产生激光。因此，当为覆盖层7选择合适厚度时，需要在覆盖层的光学模式损耗和光学模式增益间折衷。图3示出针对III-V波导的两个不同宽度(150nm和230nm)的60nm厚有源层5中因变于非晶硅层(覆盖层7)厚度所算出的光学限制因子CF(实线)以及光学模式的损耗(虚线)。光学限制因子被定义为限定在有源区内的总的光功率部分。损耗对应于光学模式的总光学损耗，包括泄漏损耗和吸收损耗。随着覆盖层厚度增加，有源层5内的限制因子降低并且低增益是可预期的，这对于产生激光而言是不利的。另一方面，当覆盖层厚度增加时光学损耗减小，这增强了产生激光的机会。参数窗可用于确定理论上可获得哪种产生激光。基于有源材料的已知材料增益，可通过用限制因子乘以材料增益来计算模式增益。当模式增益大于光学损耗时则可获得产生激光的条件。例如，假设2000/cm的有源材料增益，基于图3中所示的示例性数据，光学增益可超过100/cm，当覆盖层7的厚度大于90nm时这可胜过光学损耗并允许产生激光。
在本公开的实施例中，通过解理或切割样本以形成两个反射镜来形成激光腔。优选在沿着基本垂直于III-V波导纵轴的第一面和在沿着平行于该第一面的第二面进行解理或切割。然而，通过对覆盖层7进行图案化可以形成更加先进的激光腔。例如，可通过蚀刻仅在覆盖层7(例如，非晶硅覆盖层)内的光栅来构建DFB激光器。相比现有技术中的III-V DFB激光器，蚀刻仅在覆盖层(而非各III-V层)内的光栅避免伤害III-V材料。此外，本公开的激光器实质上可更紧凑。腔的厚度例如可在数百微米和数mm之间的范围内。然而，本公开不受限于此。
相比基于在硅波导上键合III-V层的现有技术方法而言，通过本公开的激光器结构可获得更好的散热。针对如图1所示结构的散热仿真揭示在根据本公开实施例的设备中可获得朝向衬底的良好散热。此外，相比现有技术方法III-V材料消耗大幅减少。根据本公开器件配置的优点在于它具有良好的纵向及横向光学限制。因此，该器件相比现有技术器件可更小。
根据本公开实施例的集成在硅光子平台上的III-V波导激光器例如可通过使用高折射率材料层7作为用于实现其它光学器件的器件层而光连接至相同平台上的其它光学器件。在替换性方案中，SOI(绝缘体上硅)的硅衬底层可用作用于生长III-V波导激光器的衬底并且SOI衬底的器件层可用于实现其它光学器件。
图4示出根据本公开的实施例可用于直接耦合激光器与光学波导的机制，以及用于电注入的机制。图4(a)示出俯视图，图4(b)示出沿线AA’的横截面且图4(c)示出沿线BB’的横截面。在这一方法中，III-V波导激光器的电绝缘层2(横向包层)具有比下包层4的厚度小的预定厚度，如图4(b)和图4(c)所示。选择电绝缘层2的预定厚度以启用到输出波导的良好耦合，如进一步示出的。如上所述包括高折射率材料(诸如，举例而言非晶硅、多晶硅或氮化硅)层的覆盖层7被图案化以形成波导芯。图4(a)是由此得到的结构的俯视图，其作为示例示出具有第一宽波导部分11和第二窄波导部分12的覆盖层(波导芯)。宽波导部分11覆盖III-V叠层，例如InP/InGaAs/InP堆叠，并且在横向两侧处延伸超出III-V叠层的横向边缘。通过III-V波导叠层100和覆盖层7的结合形成(携带激光器光学模式的)激光器波导。窄波导部分12充当输出波导。第一波导部分11和第二波导部分12之间的截锥形部分13从宽波导部分11的光学模式变换成窄波导部分12的光学模式。选择电绝缘层12的预定厚度从而使得激光模式与窄波导部分12(输出波导)的中心部分对准，如图4(c)中通过虚线X所示意性指示的。
图4(b)还示出了一种可用于启用电注入的方法。在电绝缘层2中的通孔或沟槽中提供用于底部载流子注入的包括接触21(底部接触)的第一金属。包括接触21的第一金属通过硅衬底1电连接至下包层4。优选掺杂硅衬底，例如其中在提供包括接触21(为了具有低接触电阻)的第一金属处的区域内掺杂浓度较高(例如，1019cm-3的量级)，而在接近III-V外延堆叠100所在处(为了限制光学损耗)区域掺杂浓度较低(例如，1018cm-3的量级)。下包层4(例如InP层)优选掺杂有中等浓度(例如在1018cm-3和1019cm-3之间的范围内)以促成在III-V叠层底部处来自硅衬底1的载流子注入。为了顶部载流子注入，提供了包括接触22(顶部接触)的第二金属，包括接触22的第二金属在第一波导部分11的横向侧处部分地覆盖该覆盖层7。包括接触22的第二金属通过覆盖层7与上包层6电接触。第一波导部分11(波导芯层)在被包括接触22的第二金属覆盖的区域内也被掺杂(掺杂浓度例如在1018cm-3和1019cm-3之间的范围内)。第一波导部分11的掺杂浓度优选越接近III-V叠层越低，从而限制可能由自由载流子吸收而导致的光学损耗。上包层6(例如InP层)优选掺杂有中等浓度(例如在1018cm-3和1019cm-3之间的范围内)以供良好的载流子注入。为了启用良好的电注入，使用多晶硅作为覆盖层7的材料是有利的，其中通过首先沉积非晶硅层，且随后使用局部加热过程(例如，准分子激光退火)来退火非晶硅层来形成多晶硅膜。在这一退火步骤期间，存在于非晶硅层内的掺杂物可被激活，使得该层适合于电流注入。
在用于制造图4器件的方法中，首先在硅衬底1上电绝缘层2内形成的沟槽中生长III-V叠层(诸如，举例而言InP/InGaAs/InP堆叠)。随后执行蚀刻过程(例如，湿蚀刻过程)来选择性地移除电绝缘层2的上部，由此部分地暴露III-V叠层(例如InP/InGaAs/InP堆叠)的横向侧，即暴露上包层6、有源层5和部分下包层4。移除预定量的电绝缘层2，选择该预订量以启用到输出波导12(在后面步骤中形成)的良好耦合。在接下来的步骤，沉积覆盖整个样本表面的高折射率材料层7(例如，具有范围在2和4之间的折射率)，诸如举例而言非晶硅层或氮化硅层。随后该高折射率材料层被图案化以形成波导芯，该波导芯具有第一宽波导部分11、第二窄波导部分12和在第一宽波导部分11和第二窄波导部分12之间的截锥形部分13。例如可通过光刻和ICP(感应耦合等离子体)或RIE(反应离子蚀刻)干蚀刻过程对层7进行图案化。接下来，在电绝缘层2中蚀刻通孔并且用金属填充该通孔以形成包括接触21的第一金属。在硅衬底1上提供电绝缘层2之前，硅衬底被掺杂。在要形成包括接触21的第一金属处所在区域中(即，在通孔区域中)的掺杂浓度较高(例如，1019cm-3量级)而在接近要进行III-V外延生长所在区域处掺杂浓度较低(例如，1018cm-3量级)以形成激光器结构。包括接触22(顶部接触)的第二金属被沉积在第一波导部分11的高掺杂区域上以启用顶部载流子注入。
在图5中示出了可用于在本公开第一方面的激光器结构和输出波导间进行光耦合的另一种方法。这一方法基于激光器和输出波导间的侧面耦合(倏逝耦合)。图5(a)示出俯视图且图5(b)示出沿线CC’的横截面。图5(b)示出一示例，其中III-V波导激光器的电绝缘层2(横向包层)具有比下包层4的厚度小的厚度。然而本公开不受限于此，电绝缘层2的厚度还可等于或大于下包层4的厚度。如上所述包括高折射率材料(诸如，举例而言非晶硅、多晶硅或氮化硅)层的覆盖层7被图案化以形成覆盖III-V叠层且在横向两侧处延伸超出III-V叠层的横向边缘的第一波导芯31。提供第二波导32(输出波导)，其中第二波导32的纵轴基本平行于第一波导31的纵轴。第二波导32可有利地由与覆盖层7相同的材料形成，但是本公开不受限于此并且可使用其他材料。在距第一波导31的距离小于500nm处提供第二波导32以允许从第一波导31到第二波导32的激光模式倏逝场的横向耦合。通过这一方法，可实现第一波导31和第二波导32之间的侧面耦合，并由此从激光器耦合到输出波导(第二波导32)。可以用与关于图4的实施例所描述的方法类似的方式实现电注入。
图6示出用于波导耦合的方法其中输出波导是预定义的SOI波导。
图6(a)示出俯视图，图6(b)是沿线DD’的横截面且图6(c)是沿线EE’的横截面。在这一方法中，对于给定厚度的电绝缘层2，III-V波导激光器的下包层4具有比电绝缘层2的厚度大的预定厚度，如图6(b)中所示。选择下包层4的预定厚度已经有源层5的厚度以启用到输出波导42的良好耦合，如图6(c)中通过虚线Y所示意性指示的。如上所述包括高折射率材料(诸如，举例而言非晶硅、多晶硅或氮化硅)层的覆盖层7被图案化以形成覆盖III-V叠层100且在横向两侧处延伸超出III-V叠层的横向边缘的第一波导芯41(图6(a))。在SOI晶片的器件层中形成的硅波导被用作输出波导42。它包括在面向第一波导41的端部处的截锥形部分43，用以启用从宽的第一波导部分41的光学模式到窄的输出波导42的光学模式的良好耦合。通过控制下包层4的厚度，有源层5被定位在与SOI输出波导42、43的中心部分对准的预定位置。
图6中所示的器件结构的制作方法可例如包括首先在SOI衬底的硅器件层中形成包括截锥形部分43的硅波导42，例如通过光刻和ICP或RIE蚀刻。接下来，可在整个样本表面上沉积硅层或另一低折射率材料层，其后跟着表面平面化步骤，例如通过向下到SOI器件层上表面的CMP(化学机械抛光)。接下来形成沟槽并且用如上所述外延生长的III-V叠层填充该沟槽。接下来执行蚀刻过程(例如，湿蚀刻过程)来选择性地移除所沉积的低折射率材料，由此部分地暴露III-V叠层(例如InP/InGaAs/InP堆叠)，即暴露这一堆叠的上部。在接下来的步骤，沉积覆盖整个样本表面的高折射率材料层，诸如举例而言非晶硅层或氮化硅层。随后该高折射率材料层被图案化以形成覆盖III-V叠层且横向延伸出其边缘的第一波导芯41，由此形成混合激光器波导。可用与图4的实施例中类似的方式实现电注入。
在本公开的其它实施例中，可通过使用T形III-V波导配置(即，具有T形横截面的波导)来获得良好的光学限制和低衬底损耗。在此类实施例中，可避免对提供覆盖层的需要。图7示出此类T形波导激光器(横截面)的示例。在这一配置中，在硅衬底1上的二氧化硅层2中形成的沟槽具有T形横截面，如图8中所示出的。该沟槽包括：在二氧化硅层2的下部(即，在邻近硅衬底1的二氧化硅层部分内)内的第一窄沟槽部分11，以及在二氧化硅层的上部内、在第一沟槽部分顶上且与其对准的第二宽沟槽部分12。宽沟槽部分12和窄沟槽部分11优选对准从而使它们具有沿垂直衬底方向的基本相同的中心轴。通过这一方式，在横向包层2内在沟槽的横向两侧的宽沟槽部分12和照沟槽部分11间的界面处形成台地110。这在图8中示意性地示出。第一沟槽部分具有宽度w1和深度d1。第二沟槽部分具有宽度w2和深度d2。例如，在本公开的器件中，w1可以在50nm和200nm之间的范围内，w2可以在400nm和800nm之间的范围内(例如，约500nm)，d1可以在400nm和600nm之间的范围内(例如，约500nm)，且d2可以在250nm和600nm之间的范围内(例如，约300nm)。然而，本公开并不受限于此，并且可以使用其它适用的尺寸。
T形沟槽例如可通过两个连续且充分对准的光刻及蚀刻步骤来形成。接下来，在III-V层的外延生长期间，在某些掩模设计和生长条件下，用III-V材料填充第一窄沟槽部分11并且之后的横向生长允许填充宽沟槽部分12。发现例如可通过恰当地选择沟槽的取向和/或通过使用切余的(off-cut)硅晶片来改善III-V外延层的材料质量。
完成其中在(001)多晶硅衬底顶部上的350nm厚的氧化硅层内形成130nm宽、350nm深的沟槽的实验。形成多个沟槽，每一沟槽沿着相对[110]方向的不同方向对准。随后，根据在US 2012/0032234中描述的方法通过使用Ge籽晶层在MOCVD反应器中局部外延生长在沟槽中提供InP层。在填充沟槽后，InP生长继续，导致在沟槽顶部处的横向附晶生长。通过SEM(扫描电子显微镜)、TEM(透射电子显微镜)和PL(光致发光)来分析材料质量，并且发现InP材料质量极大地取决于沟槽取向。基于样本的SEM分析，发现在沿<130>方向的沟槽中生长的InP层具有最佳表面均匀度(最低表面粗糙度)。作出PL分析，其中样本表面被532nm的激光泵浦并且从不同沟槽内生长的InP层收集光致发光发射。对于沿<130>方向对准的沟槽观察到最亮的光致发光发射，其指示这些定向的最佳材料质量。这与基于SEM分析的观察一致。TEM图像进一步确认在沿<130>方向对准的沟槽内生长的InP层具有最低缺陷密度。
从这些实验中可以总结出使用具有沿<130>方向取向的纵轴的沟槽(即，偏离<110>方向18度到24度之间(例如，约22度))会导致良好的材料质量。还发现，使用有这一取向的沟槽以及在外延生长期间使用较低的反应器温度和较低的V/III前体比例对刺激横向附晶生长而言是有利的。
在本公开的实施例中，宽沟槽部分12横向地限定横向外延生长，从而获得具有T形横截面的III-V波导200。T形III-V波导包含下部的、窄波导部分和上部的宽波导部分。在下波导部分中捕获缺陷。
如图7所示，可在宽沟槽部分12的拐角处形成小的空隙8(例如，填充有空气)。这主要有关于外延生长期间沿某些晶相形成的倾斜面。基于仿真，考虑到空隙远离关系模式中心，这些空隙8对器件的光学性能的影响被估计为小。在III-V波导的较宽部分中可获得良好的光学限制。
基于仿真，示出在根据本公开实施例的T形波导激光器的较宽波导部分中可获得良好的光限制，并且其损耗是可忽略的。发现T形III-V波导充分改变了光学模式分布，由于上波导部分可有效地保持该模式向上，导致泄漏损耗的大幅减少。
已经作出仿真来调查用于III-V T形波导尺寸的有用设计窗。图9示出有源层5中所算出的光学限制因子(实线)和光学模式损耗(虚线)。针对下波导部分，使用400nm的厚度d1和100nm的宽度w1。宽波导部分的宽度w2固定在500nm或600nm，而厚度d2在280nm到440nm变化。从仿真中可以总结出对于宽波导部分的固定宽度w2(500nm或600nm)限制因子超出厚度d2的仿真范围20％。考虑到低光损耗，所得到的高光学增益足以使激光产生。当进一步增加上波导部分的宽度或厚度时，更加好的限制和更低的光学损耗是可预期的。
通过解理或切割样本以形成两个反射镜可形成激光腔。优选在沿着基本垂直于III-V波导纵轴的第一面和在沿着平行于该第一面的第二面进行解理或切割。然而，通过对III-V波导的较宽部分进行图案化可以形成更加先进的激光腔。例如，可通过蚀刻上包层内的光栅来构建DFB激光器。
根据本公开实施例的器件的优点在于可以低成本制造紧凑器件(亚微米)。除了器件尺寸紧凑之外，波导配置还具有纵向光限制效果(通过窄波导部分和宽波导部分间界面处的SiO2台地)。这有助于大幅降低衬底泄漏损耗。
图10示出根据本公开的实施例可用于有T形横截面的激光器的波导耦合和电注入的机制。图10(a)示出俯视图，图10(b)是沿线FF’的横截面且图10(c)是沿线GG’的横截面。在这一方法中，在SOI晶片的器件层中形成的硅波导被用作输出波导42。如图10(a)所示，它包括在面向激光器的端部处的截锥形部分43，用以启用从激光器到窄的输出波导42的光学模式的光学模式的良好耦合。通过控制下包层4的厚度，有源层5被定位在与SOI输出波导的中心部分对准的预定位置(图10(c)中通过虚线Z所指示的)。这允许从有源层5的激光模式到输出波导42的良好耦合。关于电注入，底部接触21与上面有关图4的器件结构所述的类似。通过在T形波导上直接沉积包括接触的金属来形成顶部接触22。上包层6的掺杂可促成载流子注入。有效地，上包层6的掺杂浓度约接近包括接触22的顶部金属越大。
基于仿真，考虑到小器件覆盖层区域，本公开的激光器配置预计呈现低阈值和良好散热。激光器可被电泵浦。它们可有利地用于芯片内光学通信和具有与功耗相关的严苛要求的其它应用(诸如，举例而言，超级计算和云计算)。
以上描述详细说明了本公开的某些实施例。然而，应当理解，不管以上在文本中显得如何详细，本公开可以其他方式实现。应当注意的是，在描述本公开的某些特征或方面时，特定术语的使用不应当用来暗示术语在本文中被重定义以受限于包括与所述术语相关联的本公开的特征或方面的任何特定特性。
尽管以上详细描述已示出、描述和指出应用于各实施例的本发明新颖性特征，但要理解本领域内技术人员可对所示设备或处理的形式和细节作出各种省略、替代和改变而不脱离本发明。

Claims (12)

1.一种亚微米III-V混合波导激光器，包括：
通过局部外延生长形成的宽度范围在50nm和800nm之间且高度范围在500nm和1200nm之间的沟道波导(100、200)，所述沟道波导(100,200)具有第一横向侧和第二横向侧；
邻近所述沟道波导的所述第一横向侧和所述第二横向侧的横向包层(2)；以及
用于把光限制在所述沟道波导内的光限制元件，其中所述光限制元件包括以下至少一个：
覆盖所述沟道波导和所述横向包层且包含高折射率材料的覆盖层(7)，所述覆盖层(7)的折射率高于横向包层(2)的折射率；或
在所述横向包层(2)内被提供在所述沟道波导的所述第一横向侧处和所述第二横向侧处的台地(110)。
2.根据权利要求1所述的亚微米III-V混合波导激光器，其特征在于，所述沟道波导(100,200)包括III-V叠层，所述III-V叠层包括：下包层(4)、有源区(5)和上包层(6)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的亚微米III-V混合波导激光器，其特征在于，所述激光器集成在硅光子平台上。
4.根据权利要求1所述的亚微米III-V混合波导激光器，其特征在于，所述高折射率材料包括非晶硅、多晶硅或氮化硅。
5.根据权利要求4所述的亚微米III-V混合波导激光器，其特征在于，所述沟道波导(200)具有T形横截面。
6.根据权利要求5所述的亚微米III-V混合波导激光器，其特征在于，所述沟道波导(200)包含第一窄波导部分以及覆盖所述第一窄波导部分的第二宽波导部分，所述第一窄波导部分具有范围在50nm和200nm之间的宽度以及在400nm和600nm之间范围的高度，所述第二宽波导部分具有范围在400nm和800nm之间的宽度以及在250nm和约600nm之间的高度。
7.根据权利要求2所述的亚微米III-V混合波导激光器，其特征在于，进一步包括与所述下包层(4)电接触的包括底部接触(21)的第一金属以及与所述上包层(6)电接触的包括顶部接触(22)的第二金属，以用于电荷载流子在沟道波导(100、200)有源区(5)中的电注入。
8.根据权利要求1至2中任意权利要求所述的亚微米III-V混合波导激光器，其特征在于，所述激光器光连接至输出波导(12、32、42)。
9.一种用于把亚微米III-V混合波导激光器集成在硅光子平台上的方法，所述方法包括：
在硅衬底(1)上提供电绝缘层(2)；
通过所述电绝缘层(2)蚀刻宽度范围在50nm和800nm之间的沟槽(10)，由此局部地暴露所述硅衬底(1)；
通过局部外延生长在所述沟槽(10)内提供III-V叠层以形成沟道波导；以及
提供光限制元件，包括以下至少一个：
提供覆盖层(7)，所述覆盖层是覆盖所述III-V叠层和所述电绝缘层且包含高折射率材料的层，所述覆盖层(7)的折射率高于横向包层(2)的折射率；或
在电绝缘层中蚀刻沟槽，所述沟槽在所述沟槽的横向两侧处有台地(110)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述高折射率材料包括非晶硅、多晶硅或氮化硅。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在电绝缘层中蚀刻沟槽从而使得在所述沟槽内提供III-V叠层之后获得具有T形横截面的沟道波导，所述沟道波导具有第一窄波导部分以及覆盖所述第一窄波导部分的第二宽波导部分，所述第一窄波导部分具有范围在50nm和200nm之间的宽度以及范围在400nm和600nm之间的高度，所述第二宽波导部分具有范围在400nm和800nm之间的宽度以及在250nm和600nm之间的高度。
12.根据权利要求10至11中任意权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括提供包括底部接触(21)的第一金属以及包括顶部接触(22)的第二金属以用于所述沟道波导内的电荷载流子注入。
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