CN108242452B - 光子集成器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光子集成器件，包括衬底；衬底上设置有二维材料单元以及位于二维材料单元两侧的半导体发光单元；二维材料单元中设置有发光波段长于半导体发光单元的发光波段的发光二维材料，半导体发光单元向二维材料单元提供泵浦光源，以泵浦发光二维材料发光。本发明的光子集成器件通过改变发光二维材料的层数或种类即获得不同发光波段；同时，根据本发明的光子集成器件采用光泵浦发光的方式，无需形成p‑n结，与现有技术中以发光二维材料为基础制作p‑n结的电泵浦发光方式相比，简化了工艺难度。本发明还提供了上述光子集成器件的制作方法。该制作方法易于实现工艺标准化，与现有半导体器件制作工艺兼容，降低了制作成本，有利于批量生产。

Description

光子集成器件及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体光电集成技术领域，具体地讲，涉及一种光子集成器件及其制作方法。
背景技术
具有原子级厚度的二维材料，如石墨烯、氮化硼、二维过渡金属硫化物、黑磷等，所表现出来的优异的物理和化学性质受到人们广泛关注。其中石墨烯拥有众多优异性质，如高电子迁移率、高热导率、常温霍尔效应等。但是，石墨烯的零带隙使它具有较小的开关电流比，这限制了它在实际器件中的应用。而以MoS2为代表的二维过渡金属硫化物的单层结构的载流子迁移率虽低于石墨烯，但它拥有1.8eV左右的直接带隙和相对高的开关电流比，由此启发了人们开始探索应用于特定目的的新型二维材料。
目前，有研究表明基于黑磷的晶体管具备较高的开关电流比和优异的载流子迁移率；同时，层数变化对黑磷和过渡金属硫化物电子结构也有着重要影响，从单层到薄层体材料，黑磷的带隙值可从2.0eV变化至0.3eV，过渡金属硫化物中的MoS2的带隙值可从1.8eV变化至1.29eV。因此，探寻能在光电性质上兼具石墨烯和二维过渡金属硫化物各自优点、且兼具合适电子能带结构与优异的载流子迁移率的二维半导体材料体系引起了科研界和工业界的广泛关注。根据二维材料独特的光电特性和优势，研究者尝试利用二维材料(如黑磷、过渡金属硫化物等)制作p-n结量子发光体系。例如，美国华盛顿大学Ross等人和瑞士洛桑联邦理工学院Lopez-Sanchez等以单层WSe2和MoS2二维材料为基础制作了p-n结发光二极管，得到了600nm～800nm波段的电致发光谱。但是在实际工艺制备过程中，二维材料与其它材料结合的界面纯洁度很难保证，并且接触电阻较大，这直接导致了相应的发光器件的制作难度加大、且具有极低的器件发光效率。上述难题即构成了目前制约二维材料发光器件发展的主要因素。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种光子集成器件及其制作方法，该光子集成器件以位于两侧的半导体发光单元泵浦位于其间的发光二维材料，不仅可以避免发光二维材料在现有的p-n结器件中的制作难度以及发光效率低下的问题，还能获得具有不同波段的光子集成器件。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种光子集成器件，包括衬底；所述衬底上设置有二维材料单元以及位于所述二维材料单元两侧的半导体发光单元；所述二维材料单元中设置有发光波段长于所述半导体发光单元的发光波段的发光二维材料，所述半导体发光单元向所述二维材料单元提供泵浦光源，以泵浦所述发光二维材料发光。
进一步地，所述二维材料单元两侧均设置有多个间隔排列的所述半导体发光单元。
进一步地，所述二维材料单元两侧的多个半导体发光单元的出光口交错相对。
进一步地，所述半导体发光单元为半导体激光器或超辐射发光管。
进一步地，所述二维材料单元的两侧均设置有2个～50个所述半导体发光单元；每相邻的两个所述半导体发光单元之间的间距为20μm～500μm；所述半导体发光单元的长度为0.5mm～5mm，宽度为5μm～200μm。
进一步地，所述发光二维材料选自黑磷、过渡金属化合物、石墨烯、氮化硼中的至少一种。
进一步地，所述发光二维材料的厚度为1ML～2μm。
进一步地，所述二维材料单元包括所述发光二维材料以及将所述发光二维材料完全包覆的介质膜层；所述半导体发光单元包括依次叠层设置的缓冲层、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、上包覆层以及欧姆接触层。
进一步地，多个所述半导体发光单元中的缓冲层、下包覆层及邻接于所述下包覆层的部分下波导层延伸并连成一整体。
进一步地，多个所述半导体发光单元中的有源层及邻接于所述有源层的部分上波导层延伸并连成一整体。
进一步地，所述介质膜层向所述半导体发光单元的顶面延伸形成延伸部，所述延伸部上设置有正电极，所述正电极穿透所述延伸部并与所述欧姆接触层相接触；所述衬底上设置有负电极。
本发明的另一目的在于提供一种如上任一所述的光子集成器件的制作方法，包括：
选取一衬底并在所述衬底上制作刻蚀基层；所述刻蚀基层包括依次叠层设置在所述衬底上的缓冲材料层、下包覆材料层、下波导材料层、有源区材料层、上波导材料层、上包覆材料层以及欧姆接触材料层；
按照垂直于所述衬底的方向刻蚀所述刻蚀基层，在所述衬底上形成二维材料填充槽以及位于所述二维材料填充槽两侧的半导体发光单元；其中，所述二维材料填充槽的两侧分别形成多个所述半导体发光单元；
在所述二维材料填充槽中形成二维材料单元；所述二维材料单元包括发光二维材料以及将所述发光二维材料完全包覆的介质膜层；
在所述欧姆接触层上制作正电极，在所述衬底上制作负电极。
进一步地，所述二维材料填充槽的底面与所述衬底的距离比所述有源区材料层的底端与所述衬底的距离少20nm～500nm；所述二维材料填充槽的长度为0.1mm～10mm，宽度为10μm～500μm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提了一种新颖结构的光子集成器件，该光子集成器件避免了现有技术中采用发光二维材料时其与其他材料结合界面质量难以保证的难题，降低了对制作工艺的要求；这是由于本发明的光子集成器件采用光泵浦发光的方式，无需形成p-n结，与现有技术中以发光二维材料为基础制作p-n结的电泵浦发光方式相比，简化了工艺难度；
(2)本发明的光子集成器件提高发光二维材料的发光效率，更易获得较大功率的光子集成器件；与现有技术中直接电泵浦发光的方式相比，光泵浦发光方式不再受不同材料接触电阻的影响，即减少了载流子损耗，提高了发光效率和出光功率；
(3)本发明提供的光子集成器件可以在不改变半导体发光单元的结构的前提下，仅通过改变发光二维材料的层数或种类即获得具有不同发光波段的光子集成器件；
(4)根据本发明的光子集成器件的制作方法，其工艺标准化，与现有半导体器件制作工艺兼容，降低了制作成本，有利于批量生产。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例1的光子集成器件的结构示意图；
图2是图1的光子集成器件沿A-A方向的剖面示意图；
图3是图1的光子集成器件沿B-B方向的剖面示意图；
图4是根据本发明的实施例2的光子集成器件的结构示意图；
图5是图4的光子集成器件沿C-C方向的剖面示意图；
图6是根据本发明的实施例3的光子集成器件的结构示意图；
图7是图6的光子集成器件沿D-D方向的剖面示意图；
图8根据本发明的实施例4的光子集成器件的结构示意图；
图9是图8的光子集成器件沿E-E方向的剖面示意图；
图10是根据本发明的实施例5的光子集成器件的制作方法的步骤流程图；
图11-图19是根据本发明的实施例5的光子集成器件的制作方法的工艺流程图；
图20-图24是根据本发明的实施例6的光子集成器件的制作方法的工艺流程图；
图25-图31是根据本发明的实施例7的光子集成器件的制作方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件或物质，但是这些元件或物质不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件或物质与另一个元件或物质区分开来。
实施例1
图1是根据本发明的实施例1的光子集成器件的结构示意图；图2是图1的光子集成器件沿A-A方向的剖面示意图；图3是图1的光子集成器件沿B-B方向的剖面示意图。
参照图1-图3，本实施例提供了一种光子集成器件，其包括衬底1、设置在该衬底1上的二维材料单元2以及位于二维材料单元2两侧的半导体发光单元3；半导体发光单元3顶层设置有正电极41，衬底1上还设置有负电极42。
二维材料单元2中设置有发光波段长于半导体发光单元3的发光波段的发光二维材料21，半导体发光单元3在接收外界电流后，会向发光二维材料21提供泵浦光源，以泵浦该发光二维材料21进行发光。
具体来讲，衬底1的材料可以是GaAs、InP、GaN或蓝宝石等材料，发光二维材料21可以是不耐高温的黑磷或是耐高温(一般为300℃以上)的过渡金属化合物、石墨烯或氮化硼等材料中的至少一种；在本实施例中，衬底1具体为GaAs。发光二维材料21的厚度一般控制为1ML～2μm，其中1ML表示一个原子层厚度；也就是说，发光二维材料21可以是一层原子层，也可以是总厚度不超过2μm的堆叠的多层原子层。由此，通过改变发光二维材料21的材料或层数，即可使得该光子集成器件具有不同的发光波段。
二维材料单元2两侧均可以设置多个间隔排列的半导体发光单元3，每一侧的半导体发光单元3的个数优选为2个～50个；且每相邻的两个半导体发光单元3之间的间距控制为20μm～500μm；每一个半导体发光单元3的长度控制为0.5mm～5mm，宽度控制为5μm～200μm。
为了获得更高的泵浦效果，二维材料单元2两侧的多个半导体发光单元3的出光口优选交错相对；也就是说，二维材料单元2两侧的多个半导体发光单元3的出光口均朝向二维材料单元2，且在同一侧的所有半导体发光单元3的出光口在另一侧的半导体发光单元3的出光口所在的平面上的投影与本侧的半导体发光单元3的出光口相互交错，优选完全错开，以使得更多的泵浦光源可以传播至二维材料单元2中的发光二维材料21上，并泵浦其发光。
更为具体地，二维材料单元2还包括包覆在发光二维材料21外的第一介质膜层22；第一介质膜层22的材料可以是SiO2或Si3N4，且包覆在发光二维材料21外部的第一介质膜层22的厚度不均匀。
半导体发光单元3包括依次叠层设置在衬底1上的下结构层31、有源层32及上结构层33；具体地，下结构层31包括依次设置在衬底1上的缓冲层、下包覆层和下波导层，上结构层33包括依次设置在有源层32上的上波导层、上包覆层和欧姆接触层。
在本实施例中，缓冲层的材料为GaAs，下包覆层和下波导层的材料均为n型掺杂AlGaAs；有源层32的材料为InAs/GaAs量子点；上波导层和上包覆层的材料均为p型掺杂AlGaAs，欧姆接触层为p型重掺杂GaAs。当然，有源层32的材料还可以选自InAs/InP量子点、InGaN/GaN量子点、InGaAsP/InP量子阱、InAs/GaAs量子阱、InGaAs/InAlAs量子阱、InGaN/GaN量子阱等；同时，缓冲层、下包覆层、下波导层、上波导层、上包覆层的材料根据衬底1以及有源层32的材料具体选择，此处不再赘述，本领域技术人员参照现有技术即可。
第一介质膜层22向两侧的半导体发光单元3处延伸形成延伸部221，延伸部221覆盖在半导体发光单元3的顶面以及半导体发光单元3之间的衬底1的表面上；换句话说，多个半导体发光单元3之间没有任何其内部的结构层之间相互连接，该半导体发光单元3为半导体激光器。
值得说明的是，根据不同的光子集成器件的制作工艺，一方面，下结构层31的整体或靠近衬底1的部分会向二维材料单元2处延伸并夹设于二维材料单元2与衬底1之间；另一方面，由于发光二维材料21的不同而导致的制作工艺不同，会导致延伸部221的厚度与第一介质膜层22不相同，延伸部221的厚度一般为10nm～1200nm。
在每一半导体发光单元3的顶面的延伸部221上设置有正电极41，正电极41穿透位于半导体发光单元3顶面的延伸部221并与欧姆接触层相接触；在衬底1背离二维材料单元2及半导体发光单元3的底面设置有负电极42。
优选地，在二维材料单元2同一侧的多个正电极41向两侧延伸并连接成一整体。
如此，本实施例的光子集成器件通过设置一种特殊的结构，与现有技术中利用发光二维材料制作p-n结的电泵浦发光器件相比，其一，避免了现有技术中发光二维材料与其它材料的结合界面质量难以保证的难题，降低了对工艺的要求，简化了工艺难度；其二，本实施例提供的光子集成器件提高了发光二维材料21的发光效率，更易获得较大功率的光子集成器件，相比直接电泵浦发光，光泵浦发光方式不再受不同材料接触电阻的影响，即减少了载流子损耗，提高了发光效率和出光功率；其三，本实施例所提供的光子集成器件在无需改变半导体发光单元3的结构的同时，仅通过改变发光二维材料21的材料及层数即可获得具有不同发光波段的光子集成器件。
实施例2
在实施例2的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。参照图4和图5，实施例2与实施例1的不同之处在于，多个半导体发光单元3中的部分下结构层31延伸并连成一整体，同时，延伸部221覆盖在多个半导体发光单元3之间的部分下结构层31上。
在本实施例中，延伸并连成一整体的部分下结构层31具体指缓冲层、下包覆层以及邻接于下包覆层的部分下波导层。
实施例3
在实施例3的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。参照图6和图7，实施例3与实施例1的不同之处在于，多个半导体发光单元3中的下结构层31、有源层32及部分上结构层33同时延伸并连成一整体，延伸部221覆盖在多个半导体发光单元3之间的部分上结构层33上；同时，半导体发光单元3与二维材料单元2之间也呈一不等于90°的角度；如此，该半导体发光单元3具体为超辐射发光管。
在本实施例中，延伸并连成一整体的部分上结构层33具体指邻接于有源层32的部分上波导层。
本实施例提供的光子集成器件中的半导体发光单元3的结构对光损耗较小。
实施例4
在实施例4的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。参照图8和图9，半导体发光单元3的远离二维材料单元2的端部外的衬底1的顶面暴露，该暴露区上设置有第二介质膜层421，第二介质膜层421上设置有负电极42，负电极42穿透第二介质膜层421与暴露区的衬底1相接触；也就是说，负电极42设置在衬底1的具有二维材料单元2和半导体发光单元3的表面上。
一般地，第二介质膜层421的厚度为10nm～600nm，第二介质膜421的材料为SiO2或Si3N4。
当然，具有本实施例所述的负电极42结构的光子集成器件并不限于本实施例中所述的半导体发光单元3的结构，在二维材料单元2同一侧的多个半导体发光单元3之间也可以像实施例2或实施例3中所述，多个半导体发光单元3中的部分下结构层31延伸并连成一整体，或多个半导体发光单元3中的下结构层31、有源层32及部分上结构层33同时延伸并连成一整体。
值得说明的是，根据本发明的实施例的光子集成器件中的半导体发光单元3的结构并不限于上述实施例1-4中所述，本领域技术人员可参照现有技术中半导体激光器或超辐射发光管的结构来设计半导体发光单元3的材料、厚度及深度等具体结构，此处不再赘述。
实施例5
本实施例提供了如实施例1所述的光子集成器件的一种制作方法，本实施例提供的制作方法主要针对光子集成器件中的发光二维材料为耐高温的材料所进行的。
图10是根据本发明的实施例5的光子集成器件的制作方法的步骤流程图。
参照图10，根据本实施例的光子集成器件的制作方法包括下述步骤：
步骤S1、选取一衬底1并在衬底1上制作刻蚀基层3a。
具体地，刻蚀基层3a包括依次叠层设置在衬底1上的下结构材料层3a-1、有源区材料层3a-2和上结构材料层3a-3；如图11所示。更为具体地，按照远离衬底1的方向，下结构材料层3a-1包括缓冲材料层、下包覆材料层和下波导材料层，上结构材料层3a-3包括上波导材料层、上包覆材料层和欧姆接触材料层。
在本实施例中，缓冲材料层的材料为GaAs，下包覆材料层和下波导材料层的材料均为n型掺杂AlGaAs；有源区材料层3a-2的材料为InAs/GaAs量子点；上波导材料层和上包覆材料层的材料均为p型掺杂AlGaAs，欧姆接触材料层的材料为p型重掺杂GaAs。当然，有源区材料层3a-2的材料还可以选自InAs/InP量子点、InGaN/GaN量子点、InGaAsP/InP量子阱、InAs/GaAs量子阱、InGaAs/InAlAs量子阱、InGaN/GaN量子阱等；同时，缓冲材料层、下包覆材料层、下波导材料层、上波导材料层、上包覆材料层的材料根据衬底1以及有源区材料层3a-2的材料具体选择，此处不再赘述，本领域技术人员参照现有技术即可。
一般地，在衬底1上制作刻蚀基层3a的方法可以是分子束外延(简称MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等。
步骤S2、按照垂直于衬底1的方向刻蚀刻蚀基层3a，在衬底1上形成二维材料填充槽2a以及位于二维材料填充槽2a两侧的半导体发光单元3。
具体来讲，首先，刻蚀刻蚀基层3a形成相对的半导体发光单元3，如图12所示；然后在相对的半导体发光单元3之间刻蚀刻蚀基层3a，形成二维材料填充槽2a，如图13所示。
更为具体地，二维材料填充槽2a的长度为0.1mm～10mm，宽度为10μm～500μm。同时，二维材料填充槽2a的底面与衬底1的距离比有源区材料层3a-2的底端与衬底1的距离少20nm～500nm；也就是说，二维材料填充槽2a的刻蚀深度为有源区材料层3a-2下方的20nm～500nm处。由此，根据缓冲材料层、下包覆材料层和下波导材料层的不同厚度，二维材料填充槽2a可能刻蚀至下波导层、或下包覆材料层、或缓冲材料层、甚至可能刻蚀部分衬底1，但二维材料填充槽2a的地面与哪一层平齐并不会影响最终获得的光子集成器件的性能。
优选地，二维材料填充槽2a的两侧分别形成多个半导体发光单元3，每一半导体发光单元3包括叠层设置的下结构层31、有源层32和上结构层33。同时，每个半导体发光单元3的出光口均朝向二维材料填充槽2a，且分布在一侧的若干个半导体发光单元3的出光口与分布在另一侧的多个半导体发光单元3的出光口交错分布；也就是说，一侧的多个半导体发光单元3的出光口在另一侧的多个半导体发光单元3的出光口所在的平面上的投影与本侧的多个出光口不完全重叠、最好完全不重叠。如此，即可使分布在二维材料填充槽2a两侧的多个半导体发光单元3的出光口出射的泵浦光形成更大的泵浦区域，以提高最终获得的光子集成器件的泵浦效率，并可以减少多个半导体发光单元3之间的相互干扰，延长半导体发光单元3的使用寿命。
二维材料填充槽2a每侧优选具有2个～50个半导体发光单元3，在同一侧的每相邻的两个半导体发光单元3之间的间距为20μm～500μm；每一个半导体发光单元3的长度为0.5mm～5mm，宽度为5μm～200μm。
值得说明的是，在本实施例中，刻蚀刻蚀基层3a以形成半导体发光单元3时，刻蚀深度为到达衬底1表面，如此，形成的半导体发光单元3即为一种半导体激光器，这种结构对波导具有强的光限制作用。当然，上述刻蚀深度还可以到达下结构材料层3a-1并刻蚀部分下波导材料层，即获得了如实施例2中所示的光子集成器件；如若上述刻蚀深度到达上波导材料层中，同时相应改变半导体发光单元3的形状，如与二维材料填充槽2a之间形成一非90°的夹角的倾斜状、或弯曲状等，则形成的半导体发光单元3为一种超辐射发光管，即获得了如实施例3中所示的光子集成器件。
步骤S3、在二维材料填充槽2a中形成二维材料单元2。
具体地，首先，在二维材料填充槽2a和半导体发光单元3上沉积一层介质薄膜，这层介质薄膜覆盖在二维材料填充槽2a的内壁上以及每个半导体发光单元3顶面和多个半导体发光单元3之间，并对应分别形成第一介质材料层22a和第二介质材料层221a；如图14所示。
第一介质材料层22a和第二介质材料层221a的材料可以是SiO2或Si3N4，且厚度均为10nm～600nm。
第一介质材料层22a和第二介质材料层221a可采用等离子体增强化学气相沉积法(简称PECVD)、化学气相沉积法(简称CVD)、低压力化学气相沉积法(简称LPCVD)、或感应耦合等离子体化学气相沉积法(简称ICPCVD)等方法进行沉积。
其次，向二维材料填充槽2a中填充发光二维材料21；如图15所示。
发光二维材料21是一种发光波段长于半导体发光单元3的发光波段的耐高温的二维材料，如黑磷、过渡金属化合物、石墨烯或氮化硼等材料；鉴于本实施例所采用的工艺，本实施例选用耐高温(一般指超过300℃)的过渡金属氧化物。发光二维材料21的厚度为1ML～2μm，其中1ML表示一个原子层厚度；也就是说，发光二维材料21可以是一层原子层，也可以是总厚度不超过2μm的堆叠的多层原子层。由此，通过改变发光二维材料21的材料或层数，即可使得该光子集成器件具有不同的发光波段。
值得注意的是，半导体发光单元3主要通过其内部的有源层33来发射泵浦光，因此，需要根据预填充的发光二维材料21的厚度来制备第一介质材料层22a的厚度，以使发光二维材料21的中心高度与有源层33的中心高度相同，以获得更大的泵浦效率。
最后，在发光二维材料21和第二介质材料层221a上沉积另一层介质薄膜，在发光二维材料21上形成的第三介质材料层与第一介质材料层22a即形成将发光二维材料21完全包覆形成第一介质膜层22，在第二介质材料层221a上形成的第四介质材料层与第二介质材料层221a即形成延伸部221；如图16所示。
第三介质材料层和第四介质材料层的材料可以是SiO2或Si3N4，且厚度均为10nm～600nm。
第三介质材料层和第四介质材料层的沉积方法与第一介质材料层22a和第二介质材料层221a的沉积方法选择相同。
如此，发光二维材料21以及将该发光二维材料21完全包覆的第一介质膜层22即形成了位于半导体发光单元3之间的二维材料单元2。
步骤S4、在半导体发光单元3上制作正电极41，在衬底42上制作负电极42。
具体地，首先，刻蚀半导体发光单元3顶部的延伸部221，刻蚀深度到达欧姆接触层，形成正电极窗口411；如图17所示。
然后，在正电极窗口411上制作一层金属作为正电极41，正电极41填充在正电极窗口411中并与欧姆接触层相接触。
优选地，多个半导体发光单元3顶部的正电极41延伸并连成一整体，覆盖在半导体发光单元3的侧壁上以及多个半导体发光单元3之间的延伸部221上；如图18所示。
在本实施例中，正电极41的制作方法可以采用带胶剥离工艺。
最后，对衬底1的背离二维材料单元2的表面进行减薄处理，并制作负电极42；如图19所示。
值得说明的是，当正电极41及负电极42制作完成后，一般需要经过退火处理，此时已制作完成的二维材料单元2一并进行退火处理，因此要求发光二维材料21应当是耐高温(一般为超过300℃)的二维材料。
实施例6
实施例6提供了如实施例1中所述的光子集成器件的另一制作方法，本实施例提供的制作方法主要针对光子集成器件中的发光二维材料为黑磷等不耐高温的材料所进行的。
在本实施例中，光子集成器件的制作方法具体包括下述步骤：步骤Q1-Q2分别对应与实施例5中的步骤S1-S2相同，并分别对应图11-图13，此处不再赘述，只描述与实施例5的不同之处。实施例6的制作方法与实施例5的制作方法的不同之处在于：
步骤Q3、在半导体发光单元3上制作正电极41，在衬底42上制作负电极42。
具体地，首先，在二维材料填充槽2a和半导体发光单元3上沉积一层介质薄膜，这层介质薄膜覆盖在二维材料填充槽2a的内壁上以及每个半导体发光单元3顶面和多个半导体发光单元3之间，并对应分别形成第一介质材料层22a和第二介质材料层221a；如图14所示。
值得说明的是，在本实施例中，半导体发光单元3的顶面与预制作的正电极41之间仅需一次介质薄膜的沉积过程，因此此处形成的第二介质材料层221a即形成了最终获得的光子集成器件中的延伸部。
然后，刻蚀半导体发光单元3顶部的延伸部221，刻蚀深度到达欧姆接触层，形成正电极窗口411；如图20所示。
再次，在正电极窗口411上制作一层金属作为正电极41，正电极41填充在正电极窗口411中并与欧姆接触层相接触；如图21所示。
最后，对衬底1的背离半导体发光单元3的表面进行减薄处理，并制作负电极42；如图22所示。
步骤Q4、在二维材料填充槽2a中形成二维材料单元2。
具体地，首先，向二维材料填充槽2a中填充发光二维材料21；如图23所示。
在本实施例中，发光二维材料21可以是不耐高温的黑磷。这是由于在填充发光二维材料21之前，已完成了正电极41和负电极42的制作及退火处理，由此，发光二维材料21无需进行退火处理，即可选用不耐高温的发光二维材料。
然后，在发光二维材料21和正电极41上沉积另一层介质薄膜，在发光二维材料21上形成的第五介质材料层与第一介质材料层22a即形成将发光二维材料21完全包覆形成第一介质膜层22；并去除覆盖在正电极41上的部分介质薄膜；如图24所示。
如此，发光二维材料21以及将该发光二维材料21完全包覆的第一介质膜层22即形成了位于半导体发光单元3之间的二维材料单元2。
根据本实施例制作的光子集成器件，由于采用了不耐高温的黑磷作为发光二维材料21，由此采用了先制作正电极41和负电极42的方法，由此，在正电极41下方仅经过一次介质薄膜的制作，而包覆在发光二维材料21周围的第一介质膜层22则是经过两次介质薄膜的制作获得的。
实施例7
实施例7提供了如实施例4所示的光子集成器件的制作方法，本实施例提供的制作方法也是针对光子集成器件中的发光二维材料为黑磷等不耐高温的材料所进行的。
在本实施例中，光子集成器件的制作方法具体包括下述步骤：步骤W1-W2分别对应与实施例5中的步骤S1-S2相同，并分别对应图11-图13，此处不再赘述，只描述与实施例5的不同之处。实施例7的制作方法与实施例5的制作方法的不同之处在于：
步骤W3、在半导体发光单元3上制作正电极41，在衬底42上制作负电极42。
具体地，首先，刻蚀半导体发光单元3的远离二维材料填充槽2a的端部，并使刻蚀部分底面的衬底1暴露出，在衬底1的外端形成负电极区11；如图25所示。
第二步，在二维材料填充槽2a、半导体发光单元3以及负电极区11上沉积一层介质薄膜，这层介质薄膜覆盖在二维材料填充槽2a的内壁上、每个半导体发光单元3顶面和多个半导体发光单元3之间、以及负电极区11上，并对应分别形成第一介质材料层22a、第二介质材料层221a、以及第六介质材料层421a；如图26所示。
第一介质材料层22a、第二介质材料层221a以及第六介质材料层421a的材料可以是SiO2或Si3N4，且厚度均为10nm～600nm。
值得说明的是，在本实施例中，半导体发光单元3的顶面与预制作的正电极41之间仅需一次介质薄膜的沉积过程，因此此处形成的第二介质材料层221a即形成了最终获得的光子集成器件中的延伸部。
第三步，刻蚀半导体发光单元3顶部的延伸部221，刻蚀深度到达欧姆接触层，形成正电极窗口411；如图27所示。
第四步，刻蚀第六介质材料层421a，刻蚀深度优选刻蚀部分衬底1，形成第二介质膜层421以及位于其间的负电极窗口422；如图28所示。
最后，在正电极窗口411上制作一层金属作为正电极41，正电极41填充在正电极窗口411中并与欧姆接触层相接触；在负电极窗口422上制作一层金属作为负电极42，负电极42填充在负电极窗口422中并于衬底1相接触；如图29所示。
在本实施例中，正电极41和负电极42的制作方法均可采用带胶剥离工艺。
步骤W4、在二维材料填充槽2a中形成二维材料单元2。
具体地，首先，向二维材料填充槽2a中填充发光二维材料21；如图30所示。
在本实施例中，发光二维材料21可以是不耐高温的黑磷。这是由于在填充发光二维材料21之前，已完成了正电极41和负电极42的制作及退火处理，由此，发光二维材料21无需进行退火处理，即可选用不耐高温的发光二维材料。
然后，在发光二维材料21、正电极41、负电极42及第二介质膜层421上沉积另一层介质薄膜，在发光二维材料21上形成的第五介质材料层与第一介质材料层22a即形成将发光二维材料21完全包覆形成第一介质膜层22；并去除覆盖在正电极41、负电极42及第二介质膜层421上的部分介质薄膜；如图31所示。
如此，发光二维材料21以及将该发光二维材料21完全包覆的第一介质膜层22即形成了位于相对的半导体发光单元3之间的二维材料单元2。
半导体发光单元3的远离二维材料单元2的端部外的衬底1的顶面暴露，该暴露区上设置有第二介质膜层421，第二介质膜层421上设置有负电极42，负电极42穿透第二介质膜层421与暴露区的衬底1相接触；也就是说，负电极42设置在衬底1的具有二维材料单元2和半导体发光单元3的表面上、且位于半导体发光单元3远离二维材料单元2的外侧。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (13)

1.一种光子集成器件，包括衬底；其特征在于，所述衬底上设置有二维材料单元以及位于所述二维材料单元两侧的半导体发光单元；所述二维材料单元中设置有发光波段长于所述半导体发光单元的发光波段的发光二维材料，所述半导体发光单元向所述二维材料单元提供泵浦光源，以泵浦所述发光二维材料发光。
2.根据权利要求1所述的光子集成器件，其特征在于，所述二维材料单元两侧均设置有多个间隔排列的所述半导体发光单元。
3.根据权利要求2所述的光子集成器件，其特征在于，所述二维材料单元两侧的多个半导体发光单元的出光口交错相对。
4.根据权利要求3所述的光子集成器件，其特征在于，所述半导体发光单元为半导体激光器或超辐射发光管。
5.根据权利要求2所述的光子集成器件，其特征在于，所述二维材料单元的两侧均设置有2个～50个所述半导体发光单元；每相邻的两个所述半导体发光单元之间的间距为20μm～500μm；所述半导体发光单元的长度为0.5mm～5mm，宽度为5μm～200μm。
6.根据权利要求1所述的光子集成器件，其特征在于，所述发光二维材料选自黑磷、过渡金属化合物、石墨烯、氮化硼中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的光子集成器件，其特征在于，所述发光二维材料的厚度为1ML～2μm。
8.根据权利要求1-7任一所述的光子集成器件，其特征在于，所述二维材料单元包括所述发光二维材料以及将所述发光二维材料完全包覆的介质膜层；
所述半导体发光单元包括依次叠层设置的缓冲层、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、上包覆层以及欧姆接触层。
9.根据权利要求8所述的光子集成器件，其特征在于，多个所述半导体发光单元中的缓冲层、下包覆层及邻接于所述下包覆层的部分下波导层延伸并连成一整体。
10.根据权利要求9所述的光子集成器件，其特征在于，多个所述半导体发光单元中的有源层及邻接于所述有源层的部分上波导层延伸并连成一整体。
11.根据权利要求8所述的光子集成器件，其特征在于，所述介质膜层向所述半导体发光单元的顶面延伸形成延伸部，所述延伸部上设置有正电极，所述正电极穿透所述延伸部并与所述欧姆接触层相接触；所述衬底上设置有负电极。
12.一种如权利要求1-11任一所述的光子集成器件的制作方法，其特征在于，包括：
选取一衬底并在所述衬底上制作刻蚀基层；所述刻蚀基层包括依次叠层设置在所述衬底上的缓冲材料层、下包覆材料层、下波导材料层、有源区材料层、上波导材料层、上包覆材料层以及欧姆接触材料层；
按照垂直于所述衬底的方向刻蚀所述刻蚀基层，在所述衬底上形成二维材料填充槽以及位于所述二维材料填充槽两侧的半导体发光单元；其中，所述二维材料填充槽的两侧分别形成多个所述半导体发光单元，所述半导体发光单元包括依次叠层设置的缓冲层、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、上包覆层以及欧姆接触层；
在所述二维材料填充槽中形成二维材料单元；所述二维材料单元包括发光二维材料以及将所述发光二维材料完全包覆的介质膜层；
在所述欧姆接触层上制作正电极，在所述衬底上制作负电极。
13.根据权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述二维材料填充槽的底面与所述衬底的距离比所述有源区材料层的底端与所述衬底的距离少20nm～500nm；所述二维材料填充槽的长度为0.1mm～10mm，宽度为10μm～500μm。
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