CN110429474B - 一种全四族硅基c波段半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种全四族硅基C波段半导体激光器，包括有硅衬底，所述硅衬底上并排设置有构成外接负电源引入端口的侧边负电极和N型掺杂硅体材料区，所述N型掺杂硅体材料区上设置有三层Ge/Si量子阱，所述三层Ge/Si量子阱上设置有脊型波导结构，所述脊型波导结构上面设置有相连接的构成外接正电源引入端口的上边正电极。本发明的一种全四族硅基C波段半导体激光器，解决了目前在硅基光电子集成领域光源与硅基CMOS工艺不兼容的问题。由全四族元素构成的半导体激光器光源能够实现在硅片上直接生长光源，免去了传统键合光源步骤，可以降低光电子集成的制作难度和成本。本发明的全四族硅基C波段半导体激光器能在室温下进行工作。

Description

一种全四族硅基C波段半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器。特别是涉及一种全四族硅基C波段半导体激光器。
背景技术
随着现代社会信息化技术的不断发展，人们对于通信线路的性能要求也日渐提高。硅基光互联技术因其较传统的电互联方式具有低延迟时间、低热耗散功率、高带宽、高速读取速率等优点而引起广泛的重视。目前，除了硅基光源外其它的硅基光电子器件(如硅基光波导、硅基光栅、硅基调制器、硅基解调器、硅基光探测器)都已经能实现，而实现能与硅基CMOS工艺相兼容的硅基光源却仍然是一个亟待解决的问题。
半导体激光器是采用半导体材料作为光源的产生物质，并运用受激幅射的原理产生光源的一类激光器。因其具有体积小、发光效率高、易于集成的优点，现在已被广泛地运用在光通信中的光源领域。传统的半导体光源为三族和五族元素组成的化合物半导体材料，虽然具有良好的发光效率，但是其并不能直接生长在硅片上，不能直接与硅基CMOS工艺相互兼容。目前的解决方案是采用键合的方式将其组装在硅基光电子芯片中，这种方法成本不但高昂而且不利于工业化的规模生产。
为了能够在硅基衬底直接生长光源，光源的组成材料必须为四族金刚石结构的半导体材料。未经材料改性的四族半导体材料为间接带隙半导体材料，其作用于半导体激光器的有源区时发光效率十分低下，不能满足通信光源的要求。目前对于四族半导体的研究还停留在材料改性方面的研究，并没有提供一整套的全四族硅基半导体激光器的设计方案，也并没有从器件结构的角度进行优化来提高器件的工作效率和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够与硅基CMOS工艺相互兼容的全四族硅基C波段半导体激光器。
本发明所采用的技术方案是：一种全四族硅基C波段半导体激光器，包括有硅衬底，所述硅衬底上并排设置有构成外接负电源引入端口的侧边负电极和N型掺杂硅体材料区，所述N型掺杂硅体材料区上设置有三层Ge/Si量子阱，所述三层Ge/Si量子阱上设置有脊型波导结构，所述脊型波导结构上面设置有相连接的构成外接正电源引入端口的上边正电极。
所述的脊型波导结构是由并排依次设置的能与硅基CMOS工艺相兼容的第一SiO2限制层、P型掺杂硅体材料区和第二SiO2限制层构成。
所述的三层Ge/Si量子阱是由能与硅基CMOS工艺相兼容的三层N型重掺杂张应变Ge层和三层Si层相间隔设置构成，其中，最上层为Si层与所述的脊型波导结构相接，最下层为Ge层与所述的N型掺杂硅体材料区相接，所述N型重掺杂张应变Ge层的重掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1020cm-3之间。
每一层所述的N型重掺杂张应变Ge层的厚度为35nm，每一层所述的Si层厚度为50nm。
所述的侧边负电极与硅衬底的接触方式为欧姆接触，且侧边负电极的上方经开窗处理与外部环境接触。
所述的上边正电极与P型掺杂硅体材料区的接触方式为欧姆接触，所述的P型掺杂硅体材料区由掺硼实现，掺硼浓度为1×1018cm-3。
所述的N型掺杂硅体材料区由掺磷实现，掺磷浓度为1×1018cm-3，并能与硅基CMOS工艺相兼容。
所述的硅衬底采用能与硅基CMOS工艺相兼容的晶面为(100)的单晶硅。
全四族硅基C波段半导体激光器的腔长小于等于100μm，底边长度小于等于10μm。
全四族硅基C波段半导体激光器能在室温下工作，且在300K温度时最大输出功率为22mW。
本发明的一种全四族硅基C波段半导体激光器，解决了目前在硅基光电子集成领域光源与硅基CMOS工艺不兼容的问题。由全四族元素构成的半导体激光器光源能够实现在硅片上直接生长光源，免去了传统键合光源步骤，可以降低光电子集成的制作难度和成本。本发明的全四族硅基C波段半导体激光器能在室温下进行工作。
附图说明
图1是本发明一种全四族硅基C波段半导体激光器的结构示意图；
图2是本发明的激光器发光光场效果图；
图3是本发明的激光器在300mA情况下的增益图；
图4是本发明的激光器在不同电流情况下的光功率密度图；
图5是本发明的激光器电压光功率图；
图6是本发明的激光器在不同温度情况下的峰值波长图；
图7是本发明的激光器在不同温度下的输出功率图；
图8是本发明的激光器不同发光模式在不同电流下的吸收系数图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种全四族硅基C波段半导体激光器做出详细说明。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明的一种全四族硅基C波段半导体激光器，包括有硅衬底2，所述硅衬底2上并排设置有构成外接负电源引入端口的侧边负电极1和N型掺杂硅体材料区4，所述N型掺杂硅体材料区4上设置有三层Ge/Si量子阱7，所述三层Ge/Si量子阱7上设置有脊型波导结构，所述脊型波导结构上面设置有相连接的构成外接正电源引入端口的上边正电极5。
所述的全四族硅基C波段半导体激光器的腔长小于等于100μm，底边长度小于等于10μm。较大的腔长有利于实现较大的功率，但不利于实现激光器的单纵模发射。经实验分析，本实施例的一种全四族硅基C波段半导体激光器在100μm时，刚好能够实现单纵模的发射。为了实现单纵模发射，本实施例的一种全四族硅基C波段半导体激光器的腔长选择为小于等于100μm。
所述的脊型波导结构是由能与硅基CMOS工艺相兼容的且并排依次设置的第一SiO2限制层6、P型掺杂硅体材料区3和第二SiO2限制层8构成。本实施例中第一SiO2限制层6和第二SiO2限制层8的尺寸为2.5μm×0.95μm×100μm，P型掺杂硅体材料区3的尺寸为1μm×0.95μm×100μm。
第一SiO2限制层6和第二SiO2限制层8将P型掺杂硅体材料区3包裹在中间，形成导电沟道，使得正极的电流注入。此外由于SiO2折射率远小于硅层，形成了脊型波导结构，使得激射的光可以传播，形成良好的光斑形状，便于与波导耦合。并且，所述的P型掺杂硅体材料区3由掺硼实现，并施加重掺杂，掺硼浓度为1×1018cm-3，用于给三层Ge/Si量子阱7提供足够的载流子。
所述的三层Ge/Si量子阱7是由能与硅基CMOS工艺相兼容的三层N型重掺杂张应变Ge层和三层Si层相间隔设置构成，其中，最上层为Si层与所述的脊型波导结构相接，最下层为Ge层与所述的N型掺杂硅体材料区4相接，所述N型重掺杂张应变Ge层的重掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1020cm-3之间。每一层所述的N型重掺杂张应变Ge层的厚度为35nm，具体尺寸为6μm×35nm×100μm，通过晶格热实配工艺引入张应变。每一层所述的Si层厚度为50nm，具体尺寸为6μm×50nm×100μm。
为了实现在Si材料上生长张应变的Ge层，本实施例采用热退火晶格失配工艺，在950摄氏度的高温下生长Ge层，并在335摄氏度的低温下生长Si层。由于Ge材料的热膨胀系数远大于Si材料，故高温状态下生长的Ge层与低温状态下生长的Si层降至室温后，在Ge层上就能引入张应变。
在常温下Ge材料的直接带隙宽度为0.8eV，其直接带隙跃迁所发射的光波长正好对应C波段的波长，正是由于Ge材料具有如此多的良好性质，本发明实施例将Ge材料作为一种全四族硅基C波段半导体激光器的有源区材料。从而使本发明的全四族硅基C波段半导体激光器能在室温下工作，且在300K温度时最大输出功率为22mW。
本发明实施例中，为提高Ge材料的发光效率，采用的材料改性方法包括如下两个方面：1.对Ge实施张应变。2.对Ge实施重型N掺杂。对Ge实施张应变工艺会使得Ge的直接带隙和间接带隙之间的差距会缩小，能减小Ge的间接带隙特性，使得Ge的直接带隙发光强度变高。此外对Ge施加重型N掺杂将使得Ge的直接带隙和间接带隙的差距得到补偿，使得Ge改造为直接带隙半导体材料，高效率的发射出C波段波长的光。
所述的侧边负电极1与硅衬底2的接触方式为欧姆接触，组成元素为铝元素，且侧边负电极1的上方经开窗处理后侧边负电极与外部环境相连，有利于散热处理。所述的上边正电极5与P型掺杂硅体材料区3的接触方式为欧姆接触，组成元素为铝元素，为有源区注入电流。
所述的N型掺杂硅体材料区4由掺磷实现，并施加重掺杂，掺磷浓度为1×1018cm-3，用于给三层Ge/Si量子阱7提供足够的载流子，尺寸为1μm×0.45μm×100μm，并能与硅基CMOS工艺相兼容。
所述的硅衬底2尺寸为10μm×0.2μm×100μm，采用能与硅基CMOS工艺相兼容的晶面为(100)的单晶硅作为外延上层四族材料的衬底层，有利于硅材料外延，可以与硅基CMOS工艺相兼容，并且经实验证明在(100)晶面上更有利于实现Ge的张应变工艺。
图2是本实施例的一种全四族硅基C波段半导体激光器在1.5V电压情况下的发光光场图。从图中可以看出，本实施例的一种全四族硅基C波段半导体激光器能实现较好的边发射特性，光斑被限制在有源区附近，并形成椭圆形形状，有利于和波导进行直接耦合。
图3是本实施例的一种全四族硅基C波段半导体激光器在1.5V电压情况下的增益图。图中分别绘制了TM、TE模下的增益。从图中我们可以看出TM模在0.8eV时达到峰值，峰值增益为930cm-1，TE模在0.82eV下达到峰值，峰值增益为270cm-1。
图4为本发明实施例一种全四族硅基C波段半导体激光器在不同电流情况下的光功率密度图。从图中可以看出，随着电流的增加光功率密度也随之增加，但是因为增益饱和的限制导致增加趋势逐步放缓。光功率谱密度的中心波长在1550nm附近，符合激光器光发射波长为C波段的通信波长要求。
图5为本发明实施例一种全四族硅基C波段半导体激光器电压光功率图。从图中我们可以看出激光器的阈值电压为0.8eV，在1.5V的电压下，激光器的发光功率为22mW。
图6为本发明实施例一种全四族硅基C波段半导体激光器在不同温度情况下的峰值波长图。由于随着温度的增加，量子阱的带隙会相应的变窄，导致随着温度的增加，峰值波长发生红移。此外在室温下(300K)峰值波长正好在1550nm附近，符合在室温下激光器发射C波段通信波长的要求。
图7为本发明实施例一种全四族硅基C波段半导体激光器在不同温度下的输出功率图。从图中可以看出，激光器输出功率随着温度的升高有着先升后降的趋势。当温度在280K-300K之间时，激光器获得最大的输出功率，这也意味着激光器在室温的范围内能获得最大功率，并且激光器能保持一定的温度稳定性。
图8为本发明实施例一种全四族硅基C波段半导体激光器不同模式在不同电流下的吸收系数图。从图中我们可以看出，随着电流的增加，主模的吸收系数逐渐变为负值，其他边模的吸收系数都较主模大，这意味着激光器对于主模并不抑制，能够实现激光器的单纵模发射。

Claims (5)

1.一种全四族硅基C波段半导体激光器，包括有采用能与硅基CMOS工艺相兼容的晶面为（100）的单晶硅构成的硅衬底（2），其特征在于，晶面为（100）的所述硅衬底（2）上并排设置有构成外接负电源引入端口的侧边负电极（1）和N型掺杂硅体材料区（4），所述的侧边负电极（1）与硅衬底（2）的接触方式为欧姆接触，且侧边负电极（1）的上方经开窗处理与外部环境接触，所述的N型掺杂硅体材料区（4）由掺磷实现，掺磷浓度为1×1018cm-3，并能与硅基CMOS工艺相兼容，所述N型掺杂硅体材料区（4）上设置有三层Ge/Si量子阱（7），所述三层Ge/Si量子阱（7）上设置有脊型波导结构，所述的脊型波导结构是由并排依次设置的能与硅基CMOS工艺相兼容的第一SiO2限制层（6）、P型掺杂硅体材料区（3）和第二SiO2限制层（8）构成，所述脊型波导结构上面设置有相连接的构成外接正电源引入端口的上边正电极（5），所述的上边正电极（5）与P型掺杂硅体材料区（3）的接触方式为欧姆接触，所述的P型掺杂硅体材料区（3）由掺硼实现，掺硼浓度为1×1018cm-3。
2.根据权利要求1所述的一种全四族硅基C波段半导体激光器，其特征在于，所述的三层Ge/Si量子阱（7）是由能与硅基CMOS工艺相兼容的三层N型重掺杂张应变Ge层和三层Si层相间隔设置构成，其中，最上层为Si层与所述的脊型波导结构相接，最下层为Ge层与所述的N型掺杂硅体材料区（4）相接，所述N型重掺杂张应变Ge层的重掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1020cm-3之间。
3.根据权利要求2所述的一种全四族硅基C波段半导体激光器，其特征在于，每一层所述的N型重掺杂张应变Ge层的厚度为35nm，每一层所述的Si层厚度为50nm。
4.根据权利要求1所述的一种全四族硅基C波段半导体激光器，其特征在于，全四族硅基C波段半导体激光器的腔长小于等于100μm，底边长度小于等于10μm。
5.根据权利要求1所述的一种全四族硅基C波段半导体激光器，其特征在于，全四族硅基C波段半导体激光器能在室温下工作，且在300K温度时最大输出功率为22mW。
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