CN108521073A - 一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置及其制作方法，其不同之处在于：所述装置包括基底，用于承载功能器件及电流注入，所述基底包括由下至上依次设置的下金属层、衬底材料层、绝缘层、上金属层；直波导互连腔，用于形成激光振荡，所述直波导互连腔设于衬底材料层上，其包括四个直角互连的长条形直波导腔体分段，相邻两个直波导腔体分段接合处外侧面设有全反射镜面，其中一个直波导腔体分段上排布有周期微结构；输出波导段，所述输出波导段设于衬底材料层上且其一端连接于其中一个直波导腔体分段的端部。本发明可实现低损耗环路振荡，且功率可调。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置及其制作方法。
背景技术
目前，硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近物理极限，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，光电子集成将成为工业界极为重视的关键技术；
光电子集成目前主要集中在四种体系下，分别为：III-V族体系、铌酸锂体系、二氧化硅体系及硅基体系，各有优缺点；前三者发展较早，应用较多，但不能与CMOS大规模集成标准工艺兼容，使之与微电子集成受限，硅基集成可与CMOS工艺兼容，但目前硅基激光器还没有更好的方法来解决；通常光源采取的手段是通过III-V族实现发光，再通过消逝场或者模斑匹配耦合到硅基波导中；
III-V材料由于绝大部分为直接带隙材料，具有高的辐射跃迁速率，非常适合做发光材料，尤其是量子阱和量子点结构，可实现人工剪裁半导体材料，大幅度提高器件性能；通常的激光器结构包括：FP直腔结构，分布反馈（DFB）结构、分布反射（DBR）结构、环形腔结构及各种微腔结构；这些结构既可作独立器件使用，也可作片上集成光源使用，尤其是环形腔和微腔比较普遍；但这些结构自身特点，限制了其体积和功率，比如环形腔，由于弯曲半径的限制，使之在小半径下损耗很大，无法激射；微腔利用回音壁模式工作，功率很小，难于探测；
鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置及其制作方法成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置及其制作方法，可实现低损耗环路振荡，且功率可调。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其不同之处在于：其包括基底，用于承载功能器件及电流注入，所述基底包括由下至上依次设置的下金属层、衬底材料层、绝缘层、上金属层；直波导互连腔，用于形成激光振荡，所述直波导互连腔设于衬底材料层上，其包括四个直角互连的长条形直波导腔体分段，相邻两个直波导腔体分段接合处外侧面设有全反射镜面，其中一个直波导腔体分段上排布有周期微结构；输出波导段，所述输出波导段设于衬底材料层上且其一端连接于其中一个直波导腔体分段的端部。
按以上方案，所述全反射镜面与直波导腔体分段的角度为135度。
按以上方案，所述直波导互连腔包括由下至上依次设置的下盖层、有源层、上盖层、上接触层，其中，所述下盖层设于衬底材料层上端面。
按以上方案，所述直波导互连腔的外表面除上端面外均由内至外覆盖有绝缘层和上金属层；直波导互连腔的上接触层覆盖有上金属层用于电流注入。
按以上方案，所述直波导腔体分段的长度可改变用于调整输出功率，所述下盖层及有源层的组分和厚度控制出光到输出波导段的比例；所述周期微结构在直波导腔体分段上的排布可改变用于调控纵模波长。
按以上方案，所述输出波导段包括设于衬底材料层上的波导芯区和覆盖于波导芯区外表面的绝缘层。
按以上方案，所述波导芯区的折射率高于衬底材料层的折射率。
按以上方案，所述下金属层为金锗镍/金或钛金材料；衬底材料层为GaAs或InP材料；绝缘层为二氧化硅或氮化硅材料；上金属层为金锗镍/金或钛金材料；所述下盖层为InAlGaAs、InGaAsP或InGaP材料；有源层为InGaAs/AlGaAs、InAlGaAs/InGaAsP量子阱或量子点材料；上盖层为InP或GaAs材料；上接触层重掺杂InGaAs或GaAs材料。
按以上方案，所述波导芯区为InAlGaAs、InGaAsP或InGaP材料。
一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置的制作方法，其特征在于：其步骤为：
步骤1）、定制激光器外延片，外延片是指在所述衬底材料层之上，通过MOCVD或者MBE生长手段，依次向上生长形成的所述下盖层、有源层、上盖层和上接触层；
步骤2）、在激光器外延片的上表面通过干法刻蚀直波导互连腔、周期微结构及输出波导段；
步骤3）、对干法刻蚀过的外延片进行光刻胶保护，只露出四个135度的接合处，通过湿法选择性腐蚀形成光滑的全反射镜面；
步骤4）、全结构覆盖二氧化硅或者氮化硅；
步骤5）、去掉覆盖在直波导互连腔顶端的二氧化硅或者氮化硅，露出上接触层，制作电极窗口；
步骤6）、在直波导互连腔顶端覆盖金属形成上金属层；
步骤7）、减薄衬底材料层，并在衬底材料层底部生长金属制作下金属层；
步骤8）、上述步骤形成晶片，在氮气保护下施加高温并进行合金；然后将晶片分割成管芯，即进行解理；测试每颗管芯性能。
由上述方案，本发明中的基底用于承载功能器件及电流注入，直波导互连腔用于形成激光振荡且直波导互连腔中光束传输通过直波导分段腔体和使光束90度弯折的全反射镜面实现，损耗小；直波导分段腔体长度可调节用于改变输出功率，其中一个直波导分段腔体上分布周期微结构可实现纵模的控制，输出波导段采用端面尺寸变化实现且易于与硅基器件集成；本发明即可实现低损耗环路振荡，又可实现可控光功率输出，通过微米级工艺就可实现单模激射，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例整体结构示意图；
图2为图1中X剖面结构示意图；
图3为图1中Y剖面结构示意图；
图4为本发明实施例的制作方法流程图；
其中：1-基底（101-下金属层、102-衬底材料层、103-绝缘层、104-上金属层）、2-直波导互连腔（201-直波导腔体分段、202-全反射镜面、203-周期微结构、204-下盖层、205-有源层、206-上盖层、207-上接触层）、3-输出波导段（301-波导芯区）。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。
如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。
请参考图1至图3，本发明为一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其包括：用于承载功能器件及电流注入的基底1、用于形成激光振荡的直波导互连腔2、用于输出波导的输出波导段3；
请参阅图1，所述基底1包括由下至上依次设置的下金属层101、衬底材料层102、绝缘层103、上金属层104；
本发明实施例中，下金属层101由金锗镍/金(N型接触)或者钛金(P型接触)构成；对于金锗镍结构，一般锗镍重量比为5%左右，厚度为50nm，金厚度为300nm以上，一般用热蒸发或者电子束蒸发而成；对于钛金结构，钛层厚度一般为50～100nm，金层厚度一般为300～1000nm，通过采用蒸发或者磁控溅射而成；
衬底材料层102由N型或P型GaAs或者InP材料构成，其晶向为（100）方向，有利于直波导斜面接口镜面的形成；衬底层厚度一般为100～200微米厚；
绝缘层103为二氧化硅或者氮化硅材料，厚度为200～300nm；
上金属层104由金锗镍/金(N型接触)或者钛金(P型接触)构成；与下金属层101类似，根据N，P接触而定。
图2示出了图1中X剖面结构，结合图1和图2，所述直波导互连腔2设于衬底材料层102上，其包括四个直角互连的长条形直波导腔体分段201，相邻两个直波导腔体分段201接合处外侧面设有全反射镜面202，其中一个直波导腔体分段201上排布有周期微结构203；全反射镜面202与直波导腔体分段201的角度为135度，光波在此处可实现全反射；请参阅图2，直波导互连腔2包括由下至上依次设置的下盖层204、有源层205、上盖层206、上接触层207，其中，所述下盖层204设于衬底材料层102上端面；直波导互连腔2外表面除上端面外由内至外覆盖有绝缘层103和上金属层104，直波导互连腔2的上接触层207与上金属层104直接接触形成欧姆接触，用于电流注入；直波导腔体分段201宽度在微米到毫米量级，长度在微米到厘米量级，直波导腔体分段201的长度可改变用于调整输出功率；该直波导互连腔2其中一个直波导腔体分段201上分布着周期微结构203，本发明实施例中的周期微结构203为周期微槽，周期微槽深入波导1～2个微米，周期微槽宽度在1微米左右，周期大约3～10微米，个数为5～10个，在直波导腔体分段201上的排布可改变用于调控纵模波长，可由其选择纵模，实现单纵模激射；
本发明实施例中，下盖层204不是常规的InP或者GaAs材料，而是InAlGaAs、InGaAsP或者InGaP材料，具有比常规的InP或者GaAs较高的折射率，折射率比衬底材料层102高0.2以上，以实现对光更好的限制，典型厚度在1.5微米，掺杂浓度典型值为1018/cm3；
有源层205为InGaAs/AlGaAs，InAlGaAs/InGaAsP量子阱或者量子点材料；量子阱的个数为1～10个，每个量子阱结构包括阱和磊，厚度大约5～10nm，其中一般不故意掺杂；量子点层个数为一个以上，采用MOCVD技术生长，发光波长大于0.8微米；
上盖层206为常规的InP或者GaAs材料，掺杂采用渐变方式，对于N型区掺杂浓度在1017～1018/cm3，对于P型区掺杂浓度在1017～1018/cm3左右；
上接触层207重掺杂InGaAs或者GaAs材料，掺杂浓度1019/cm3以上。
图3示出了图1中Y剖面结构，结合图1和图3，输出波导段3采用端面尺寸变化实现，所述输出波导段3设于衬底材料层102上且其一端连接于其中一个直波导腔体分段201的端部，通过对直波导互连腔2中下盖层204、有源层205的组分和厚度设计，实现对出光到输出波导段3中比例的控制，输出波导段3可直接与硅基波导通过键合及模斑匹配耦合，输出波导段3包括设于衬底材料层102上的波导芯区301和覆盖于波导芯区301外表面的绝缘层103，输出波导段3外表面不覆盖上金属层104；波导芯区301的折射率高于衬底材料层102的折射率，可保证光在此波导芯区301传输；本发明实施例中，波导芯区301由InAl GaAs、InGaAsP或者InGaP材料构成，折射率比衬底材料层102高0.2以上。
图4示出了本发明实施例一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置的制作方法的流程图，其具体步骤为：
步骤1）、定制激光器外延片，外延片是指在所述衬底材料层之上，通过MOCVD或者MBE生长手段，依次向上生长形成的所述下盖层、有源层、上盖层和上接触层，器件就是基于此外延片加工制作的；
步骤2）、在激光器外延片的上表面通过干法刻蚀直波导互连腔2、周期微结构203及输出波导段3；
步骤3）、对干法刻蚀过的外延片进行光刻胶保护，只露出四个135度的接合处，通过湿法选择性腐蚀形成光滑的全反射镜面202；
步骤4）、全结构覆盖二氧化硅或者氮化硅；
步骤5）、去掉覆盖在直波导互连腔2顶端的二氧化硅或者氮化硅，露出上接触层207，制作电极窗口；
步骤6）、在直波导互连腔2顶端覆盖金属形成上金属层104；
步骤7）、减薄衬底材料层102，并在衬底材料层102底部生长金属制作下金属层101；
步骤8）、上述步骤形成晶片，在氮气保护下施加高温并进行合金；然后将获得的晶片分割成小块器件管芯，即进行解理；测试每颗激光芯片即管芯的性能。
本发明实施例的优点为：
1）本发明适用于光子集成芯片的片上光源部分；基底1用于承载功能器件及电流注入；直波导互连腔2用于形成激光振荡，光束90度弯折采用镜面全反射方式实现，直波导互连腔2传输部分主要是直波导和全反射弯折，理论损耗很小，直波导腔体分段201中的一只其上分布周期微结构203可实现纵模的控制，该光源装置设计灵活，可通过改变直波导腔体分段201长度来改变输出功率，改变周期微结构203的周期排布实现纵模波长调控；输出波导段3采用端面尺寸变化实现；本发明即可实现低损耗环路振荡，又可实现可控光功率输出，是一种片上光源装置，该光源的输出波导段3易于与硅基波导利用消逝场耦合集成；本发明通过微米级工艺就可实现单模激射，成本低；
2）本发明实施例整个制作过程中，不需要电子束、全息曝光及二次外延等技术；而且电极制作简单，不需要特殊的电极制作，在特殊需要下，也可通过增加曝光次数和剥离工艺，制作不同材料的N型和P型电极；利用廉价的标准半导体工艺加工，适于大批量生产。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：其包括：
基底，用于承载功能器件及电流注入，所述基底包括由下至上依次设置的下金属层、衬底材料层、绝缘层、上金属层；
直波导互连腔，用于形成激光振荡，所述直波导互连腔设于衬底材料层上，其包括四个直角互连的长条形直波导腔体分段，相邻两个直波导腔体分段接合处外侧面设有全反射镜面，其中一个直波导腔体分段上排布有周期微结构；
输出波导段，所述输出波导段设于衬底材料层上且其一端连接于其中一个直波导腔体分段的端部。
2.根据权利要求1所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：所述全反射镜面与直波导腔体分段的角度为135度。
3.根据权利要求1所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：所述直波导互连腔包括由下至上依次设置的下盖层、有源层、上盖层、上接触层，其中，所述下盖层设于衬底材料层上端面。
4.根据权利要求3所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：所述直波导互连腔的外表面除上端面外均由内至外覆盖有绝缘层和上金属层；直波导互连腔的上接触层覆盖有上金属层用于电流注入。
5.根据权利要求4所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：所述直波导腔体分段的长度可改变用于调整输出功率，所述下盖层及有源层的组分和厚度控制出光到输出波导段的比例；所述周期微结构在直波导腔体分段上的排布可改变用于调控纵模波长。
6.根据权利要求1所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：所述输出波导段包括设于衬底材料层上的波导芯区和覆盖于波导芯区外表面的绝缘层。
7.根据权利要求6所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：所述波导芯区的折射率高于衬底材料层的折射率。
8.根据权利要求3所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：所述下金属层为金锗镍/金或钛金材料；衬底材料层为GaAs或InP材料；绝缘层为二氧化硅或氮化硅材料；上金属层为金锗镍/金或钛金材料；所述下盖层为InAlGaAs、InGaAsP或InGaP材料；有源层为InGaAs/AlGaAs、InAlGaAs/InGaAsP量子阱或量子点材料；上盖层为InP或GaAs材料；上接触层重掺杂InGaAs或GaAs材料。
9.根据权利要求6所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置，其特征在于：所述波导芯区为InAlGaAs、InGaAsP或InGaP材料。
10.一种基于直波导全反射耦合连接的微结构片上光源装置的制作方法，其特征在于：其步骤为：
步骤1）、定制激光器外延片，外延片是指在所述衬底材料层之上，通过MOCVD或者MBE生长手段，依次向上生长形成的所述下盖层、有源层、上盖层和上接触层；
步骤2）、在激光器外延片的上表面通过干法刻蚀直波导互连腔、周期微结构及输出波导段；
步骤3）、对干法刻蚀过的外延片进行光刻胶保护，只露出四个135度的接合处，通过湿法选择性腐蚀形成光滑的全反射镜面；
步骤4）、全结构覆盖二氧化硅或者氮化硅；
步骤5）、去掉覆盖在直波导互连腔顶端的二氧化硅或者氮化硅，露出上接触层，制作电极窗口；
步骤6）、在直波导互连腔顶端覆盖金属形成上金属层；
步骤7）、减薄衬底材料层，并在衬底材料层底部生长金属制作下金属层；
步骤8）、上述步骤形成晶片，在氮气保护下施加高温并进行合金；然后将晶片分割成管芯，即进行解理；测试每颗管芯性能。
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