CN105140778A - 一种多边形-环硅基激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种多边形-环硅基激光器，包括：一带有波导结构的SOI片；一键合层，位于所述SOI片之上；一半导体多边形-环谐振腔，位于所述键合层之上；其中，所述键合层用于将半导体多边形-环谐振腔和所述SOI片连接在一起，使得所述半导体多边形-环谐振腔中产生的激光耦合到所述SOI片中的波导结构中输出。以及一种多边形-环硅基激光器的制造方法。本发明的硅基激光器结合了硅基微腔激光器低阈值和硅基FP腔激光器耦合长度长的优点，可以同时实现低阈值和高输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，尤其涉及一种多边形-环硅基激光器及其制备方法。
背景技术
基于硅在通信波长的透明性以及与CMOS工艺相兼容的特点，混合硅平台已经成为了实现大规模光子集成的重要途径。然而，由于硅是一种间接带隙半导体材料，发光效率极低，所以实现直接以硅作为发光材料的光源是很困难的。而在硅上生长直接带隙半导体材料，由于晶格不匹配的限制，制作出的激光器很难用于实际应用中。近些年来，基于键合技术的混合集成平台为实现硅基光源提供了一种可靠、简单的途径。其主要原理是通过键合技术将直接带隙的半导体材料与带有硅波导的SOI片键合在一起，并在键合片上制作出高性能的激光器，解决了硅的间接带隙和晶格不匹配的难题。其中，直接带隙的半导体材料用于提供光增益产生激光，硅波导用于实现光输出。基于此，混合FP、DBR、BFB等硅基激光器已经相继问世，具有良好的应用前景。
微腔激光器由于体积小、能耗低和阈值低的优点受到人们的广泛关注。对于硅基微盘或微环激光器，其基本原理是光在有源层中产生，通过全反射以回音壁模式传播，通过垂直耦合方式经过键合层耦合到硅波导中输出。基于回音壁模式很高的品质因子，硅基微腔激光器可以实现很低的工作阈值，然而，硅基微腔激光器的光场模式主要分布在微腔谐振腔的圆周上，因此与硅波导之间的耦合长度很短，限制了硅基微腔激光器的输出功率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种多边形-环硅基激光器及其制作方法。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种多边形-环硅基激光器，包括：
一带有波导结构的SOI片；
一键合层，位于所述SOI片之上；
一半导体多边形-环谐振腔，位于所述键合层之上；
其中，所述键合层用于将所述半导体多边形-环谐振腔和所述SOI片连接在一起，使得所述半导体多边形-环谐振腔中产生的激光耦合到所述SOI片中的波导结构中输出。
作为本发明的另一个方面，本发明还提出了一种多边形-环硅基激光器的制造方法，包括以下步骤：
在SOI晶片上刻蚀出硅波导结构；
利用键合技术将生长好的III/V族外延片键合到所述带有硅波导结构的SOI晶片上，形成键合片；
通过半导体加工技术在所述键合片上制作出具有多边形-环谐振腔结构的硅基激光器，并使得所述多边形-环谐振腔的一边与下方的硅波导结构对准，由此得到所述多边形-环硅基激光器。
基于上述技术方案可知，本发明的多边形-环硅基激光器具有如下有益效果：本发明的半导体多边形-环谐振腔包括条形增益区和反射端面，光在条形增益区中产生，并且在多边形-环谐振腔拐角处通过全反射端面以全反射的方式传播，因此具有较高的品质因子，相比于硅基法布里-波罗腔激光器而言，其具有更低的工作阈值；此外，由于半导体多边形-环谐振腔中的一条条形增益区完全对准于硅波导的正上方，因此相比于硅基微腔激光器，其具有更长的耦合区域，可以使得半导体多边形-环谐振腔中产生的光尽可能多的耦合到硅波导中，提高输出功率。因此，本发明的半导体多边形-环硅基激光器综合了硅基法布里-波罗腔激光器和硅基微腔激光器的优点，可以同时实现高的输出功率和低阈值工作。
附图说明
图1(a)为本发明的三角形-环谐振腔的平面结构示意图，其全反射端面反射角度为30°；
图1(b)为本发明的正方形-环谐振腔的平面结构示意图，其全反射端面反射角度为45°；
图2(a)为本发明的正方形-环硅基激光器的立体结构示意图；
图2(b)为本发明的正方形-环硅基激光器的截面结构示意图；
图3(a)-(f)为本发明的正方形-环硅基激光器的制作流程图。
附图标记说明如下：
1、硅衬底2、掩埋氧化硅层3、硅波导4、键合层
5、正方形-环谐振腔6、条形增益区7、全反射端面
8、底部接触层9、隔离层10、N电极金属11、P电极金属
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种多边形-环硅基激光器，其基于多边形-环谐振腔结构，主要工作原理是：光在半导体多边形-环谐振腔中产生，并且在多边形-环谐振腔拐角处以全反射的方式传播，通过多边形-环谐振腔的一边与下方硅波导的长耦合区域，使得光从半导体多边形-环谐振腔垂直耦合进硅波导中输出。
本发明公开的多边形-环硅基激光器，其具有多边形-环谐振腔结构，增加了半导体激光器与硅波导之间的耦合长度，并且光场在多边形-环谐振腔端面之间以全反射方式传播，提高了激光器的品质因子，可以同时实现高的输出功率和低阈值工作。
更具体地，本发明公开的多边形-环硅基激光器，包括：
一带有波导结构的SOI片；
一键合层，位于所述SOI片之上；
一半导体多边形-环谐振腔，位于所述键合层之上；
其中，键合层用于将半导体多边形-环谐振腔和SOI片连接在一起，使得半导体多边形-环谐振腔中产生的激光耦合到SOI片中的波导结构中输出。
其中，半导体多边形-环谐振腔采用p型衬底半导体材料制造其有源区为量子阱或量子点结构。
其中，半导体多边形-环谐振腔通过一次刻蚀工艺形成；或者先通过一次刻蚀技术形成多边形谐振腔结构，再次通过第二次刻蚀技术在多边形谐振腔结构中心刻蚀形成所述多边形-环谐振腔结构。半导体多边形-环谐振腔为三角形-环结构、正方形-环结构或矩形-环结构。
半导体多边形-环谐振腔还包括条形增益区和全反射端面。条形增益区用于激光的产生，长度与宽度和所述半导体多边形-环谐振腔的边长与宽度相同。作为一个优选实施例，条形增益区中的一个位于所述SOI片的波导结构的正上方，以保证所述半导体多边形-环谐振腔与所述波导结构之间尽量长的耦合长度，从而保证了半导体多边形-环谐振腔与硅波导之间较长的耦合长度，使产生的激光可以尽量多的耦合到硅波导中，提高了输出功率。
全反射端面位于所述条形增益区的两端，用于将从一个条形增益区中产生的光以全反射的方式传播到另一个条形增益区中，从而实现对光场的反馈，增加了激光器的品质因子，降低了工作阈值。全反射端面根据不同的半导体多边形-环谐振腔，其反射角度也不同。
该多边形-环硅基激光器还可以包括N电极金属和P电极金属，N电极金属和P电极金属用于提供电注入，使得激光器工作，可以选用多种金属作为电极材料，只要能实现电注入即可。
该多边形-环硅基激光器还可以包括隔离层，隔离层可以由BCB、二氧化硅或氮化硅制成，只要可以覆盖在半导体多边形-环谐振腔侧面，实现电极金属和半导体多边形-环谐振腔的隔离即可。
作为一个优选实施例，本发明公开了一种多边形-环硅基激光器，包括：
一带有波导结构的SOI片；
一键合层，该层在SOI片之上，用于将半导体激光器和SOI片连接一起，使得在上方的半导体激光器中产生的激光耦合到下方的硅波导中输出，根据具体的键合方式的不同可以为BCB聚合物、二氧化硅等键合材料；
一半导体多边形-环谐振腔，该层在键合层之上，为p型衬底半导体材料，利用半导体刻蚀工艺刻蚀而成。
一底部接触层，位于键合层之上，通过对p型衬底半导体材料刻蚀形成的一层很薄的InP层；
一N电极金属，位于底部接触层之上；
一隔离层，位于半导体多边形-环谐振腔侧壁，可以由BCB、二氧化硅或氮化硅制成，只要可以覆盖在半导体多边形-环谐振腔侧面，实现电极金属和半导体多边形-环谐振腔的隔离即可；
一P电极金属，位于半导体多边形-环谐振腔的上方。
作为本发明的另一个方面，本发明还公开了一种多边形-环硅基激光器的制造方法，包括以下步骤：
在SOI晶片上刻蚀出硅波导结构；
利用键合技术将生长好的III/V族外延片键合到带有硅波导结构的该SOI晶片上，形成键合片；
通过半导体加工技术在键合片上制作出具有多边形-环谐振腔结构的硅基激光器，并使得多边形-环谐振腔的一边与下方的硅波导结构对准，由此得到所述多边形-环硅基激光器。
其中，生长好的III/V族外延片是在P型InP衬底上生长形成的。
其中，多边形-环谐振腔具有多个条形增益区，条形增益区中的一个位于该SOI片的硅波导结构的正上方，以保证多边形-环谐振腔与硅波导结构之间尽量长的耦合长度。
下面结合图2和图3，对本发明提出的多边形-环硅基激光器作进一步详细的描述。
本发明公开的多边形-环硅基激光器，包括：
带有硅波导的SOI晶片，包括：硅衬底1；掩埋氧化硅层2，位于硅衬底1上方，该层的作用主要用于隔离光场，防止光损耗；顶部硅波导3，位于掩埋氧化硅层2上方，硅波导3的作用是实现光输出。
键合层4，该层在SOI片之上，用于将P型InP衬底的半导体材料和SOI片连接一起，使得在上方的半导体激光器中产生的激光耦合到下方的硅波导3中输出，对于BCB键合方法，该键合层4材料为BCB，并且该BCB层厚度比较薄，以保证激光器可以有效到耦合进硅波导中；
半导体多边形-环谐振腔5，该层在键合层4之上，为p型InP衬底半导体材料，利用半导体刻蚀工艺刻蚀而成。可以通过一次刻蚀工艺直接刻蚀至底部的InP层形成多边形-环谐振腔结构；也可以先通过一次半导体刻蚀技术直接刻蚀至键合层4形成多边形谐振腔结构，再次通过第二次半导体刻蚀技术在多边形谐振腔结构中心刻蚀至底部的InP层，形成多边形-环谐振腔结构，包括条形增益区6和全反射端面7。
条形增益区6，其长度与宽度和半导体多边形-环谐振腔5的边长与宽度相同，用于激光的产生，并且半导体多边形-环谐振腔5中的一个条形增益区位于SOI片硅波导的正上方，保证半导体多边形-环谐振腔5与硅波导3之间较长的耦合长度，提高输出功率；
全反射端面7，位于条形增益区6的两端，用于将从一个条形增益区6中产生的光以全反射的方式传播到另一个条形增益区6中，从而实现对光场的反馈，增加了激光器的品质因子，降低了工作阈值，根据不同结构的半导体多边形-环谐振腔5，其全反射角度也不同。
一底部接触层8，位于键合层4之上，为n型InP材料，根据不同的半导体多边形-环谐振腔5的刻蚀制作工艺不同，底部接触层8可以位于半导体多边形-环谐振腔5的内部也可以位于半导体多边形-环谐振腔5的外部。
隔离层9，位于半导体多边形-环谐振腔5的表面，该层为低折射率绝缘性材料，用于分离半导体多边形-环谐振腔5和电极金属，用作电隔离。
N电极金属10，该层位于底部接触层8的上方。
P电极金属11，该层位于多边形-环谐振腔5的上方。
以正方形-环谐振腔结构为例，本发明还提出了一种多边形-环硅基激光器的制作方法，包括：
步骤1：利用MOCVD技术在p型InP衬底上生长半导体外延片，用于制作半导体多边形-环激光器。清洗SOI片，并且在顶部硅层刻蚀出硅波导结构，该SOI片包括：硅衬底1；掩埋氧化硅层2；顶部硅波导3，用于光的输出，如图3(a)所示。
步骤2：在带有波导结构的SOI片上甩一层薄的BCB溶液作为键合层4，随后将p型InP半导体外延片键合在该SOI片上，在250℃的环境下固化一小时，得到高质量的键合片用于接下来的器件制作，如图3(b)所示。
步骤3：利用物理研磨和化学湿法腐蚀的方法，对键合片进行去除衬底处理，并且去掉顶部的刻蚀阻挡层，使之暴露出欧姆接触层。
步骤4：利用PECVD生长技术在处理完毕的键合片表面生长一层400nm厚的SiO2掩膜，然后甩一层光刻胶，利用光刻技术，将光刻版上的带有45°倾斜角端面的正方形谐振腔图形转移到SiO2掩膜层上，利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术刻蚀SiO2和p型InP衬底半导体外延片直到键合层4，刻蚀出带有45°反射角端面的多边形谐振腔结构，如图3(c)所示。
步骤5：对键合片表面进行去胶、清洁处理，并且再次生长一层300nm厚的SiO2掩膜，甩一层光刻胶，在已经制作出的带有45°反射角端面的正方形谐振腔中心光刻出正方形的刻蚀窗口，利用ICP技术刻蚀掉刻蚀窗口处的SiO2，本次光刻要求比较高的对准精度，以保证光场在谐振腔内顺利传播。利用丙酮溶液和等离子体打胶机对键合片进行去胶、清洁处理。
步骤6：利用ICP干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术对步骤5刻蚀窗口内的半导体材料刻蚀至底部的n型InP层，从而制作出半导体正方形-环谐振腔5，包括条形增益区6和反射角度为45°的全反射端面7，并且在光刻过程中使条形增益区6对准于硅波导3的正上方，从而保证长的耦合区域。剩余的底部n型InP层作为底部接触层8，用于沉积N电极，如图3(d)所示。
步骤7：利用氢氟酸溶液去掉表面剩余的SiO2掩膜，并且重新生长一层500nm厚的SiO2层作为隔离层9，用于对带有45°反射角端面的半导体正方形-环谐振腔5和电极金属做电隔离，同时防止金属对光场的强烈吸收作用。
步骤8：利用光刻技术在底部接触层8的上方光刻出N电极窗口，并利用ICP干法刻蚀技术刻蚀掉N电极窗口处的隔离层9，最后通过电子束蒸发和剥离技术制作出N电极金属10，并对键合片进行去胶、清洁处理，如图3(e)所示。
步骤9：甩光刻胶，光刻出P电极窗口，利用ICP刻蚀掉窗口处的SiO2，使之暴漏出半导体正方形-环谐振腔5的顶部欧姆接触层，随后对键合片进行去胶、清洁处理。
步骤10：甩光刻胶，光刻出P电极图形，通过电子束蒸发和剥离技术制作出图形化P电极金属11，如图3(f)所示。
本发明中，以上所述的具体实施方式中提供了一种正方形-环硅基激光器及其制造方法，但本发明不局限于此，可以根据实际需求和结构设计对本发明阐述的结构进行相关参数的更改，只要保证激光器具有多边形-环谐振腔结构，可以对谐振腔内的光场实现全发射，并且增加与硅波导之间的耦合长度即可。比如：
本实施例中，半导体外延片采用p-InP衬底材料，实际器件制作也可以采用其他衬底类型的外延片结构；
本实施例中，用到的各种半导体激光器加工工艺和材料，也可以用其他技术和材料代替，只要能实现相对应的目的即可。
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，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 (10)
1.一种多边形-环硅基激光器，其特征在于，包括：
一带有波导结构的SOI片；
一键合层，位于所述SOI片之上；
一半导体多边形-环谐振腔，位于所述键合层之上；
其中，所述键合层用于将所述半导体多边形-环谐振腔和所述SOI片连接在一起，使得所述半导体多边形-环谐振腔中产生的激光耦合到所述SOI片中的波导结构中输出。
2.根据权利要求1所述的多边形-环硅基激光器，其特征在于，所述半导体多边形-环谐振腔采用p型衬底半导体材料制造，其有源区为量子阱或量子点结构。
3.根据权利要求1所述的多边形-环硅基激光器，其特征在于，所述半导体多边形-环谐振腔通过一次刻蚀工艺形成；或者先通过一次刻蚀技术形成多边形谐振腔结构，再次通过第二次刻蚀技术在所述多边形谐振腔结构中心刻蚀形成所述多边形-环谐振腔结构。
4.根据权利要求1所述的多边形-环硅基激光器，其特征在于，所述半导体多边形-环谐振腔为三角形-环结构、正方形-环结构或矩形-环结构，所述半导体多边形-环谐振腔包括条形增益区和全反射端面。
5.根据权利要求4所述的多边形-环硅基激光器，其特征在于，所述条形增益区长度与宽度和所述半导体多边形-环谐振腔的边长与宽度相同。
6.根据权利要求4所述的多边形-环硅基激光器，其特征在于，所述条形增益区中的一个位于所述SOI片的波导结构的正上方，以保证所述半导体多边形-环谐振腔与所述波导结构之间尽量长的耦合长度。
7.根据权利要求4所述的多边形-环硅基激光器，其特征在于，所述全反射端面位于所述条形增益区的两端，用于将从一个条形增益区中产生的光以全反射的方式传播到另一个条形增益区中。
8.一种多边形-环硅基激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
在SOI晶片上刻蚀出硅波导结构；
利用键合技术将生长好的III/V族外延片键合到所述带有硅波导结构的SOI晶片上，形成键合片；
通过半导体加工技术在所述键合片上制作出具有多边形-环谐振腔结构的硅基激光器，并使得所述多边形-环谐振腔的一边与下方的硅波导结构对准，由此得到所述多边形-环硅基激光器。
9.根据权利要求8所述的多边形-环硅基激光器的制造方法，其特征在于，所述生长好的III/V族外延片是在p型InP衬底上生长形成的。
10.根据权利要求8所述的多边形-环硅基激光器的制造方法，其特征在于，所述多边形-环谐振腔具有多个条形增益区，其中所述条形增益区中的一个位于所述SOI片的硅波导结构的正上方，以保证所述多边形-环谐振腔与所述硅波导结构之间尽量长的耦合长度。
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