CN111355127A - 基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法 - Google Patents

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CN111355127A CN202010161864.7A CN202010161864A CN111355127A CN 111355127 A CN111355127 A CN 111355127A CN 202010161864 A CN202010161864 A CN 202010161864A CN 111355127 A CN111355127 A CN 111355127A
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刘建国
张志珂
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Abstract

本公开提供了一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法，其基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，自下而上顺次包括：SOI(Silicon on SiO2)芯片、光栅耦合层、多对下布拉格反射镜、III‑V族垂直腔激光器谐振腔、III‑V族多对上布拉格反射镜和III‑V族上欧姆接触层；所述光栅耦合层包括：Si倾斜光栅，SiO2填充层和SiO2间隔层；Si倾斜光栅嵌设于SOI芯片上；SiO2填充层填充Si倾斜光栅所在空隙区域，且SiO2填充层完全覆盖Si倾斜光栅。本公开具有更高的耦合效率和工艺容差。

Description

基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法
技术领域
本公开涉及晶片键合领域，尤其涉及一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法。
背景技术
信息时代，对硅基光子学的需求是提高计算机和网络数据处理和传输速率，这导致对硅基光子回路集成密度不断增加。SOI衬底由于具有和微电子CMOS工艺相兼容的特征，所以在SOI上的硅波导被期待着能够实现更加紧凑的光子回路。对于一个有源的光子回路，通常都需要如光的产生、传播、调制、放大和探测等各种不同功能的器件，因此片上集成光源在有源光子回路中是一个不可缺少的器件。然而，由于硅的间接带隙材料的本性，导致在硅上直接产生光源一直都是一个极大的挑战。而且由于硅和III-V族材料具有较大的晶格失配度和热膨胀系数，所以在硅衬底上外延III-V族材料仍然很不成熟。硅基混合激光器结合了III-V族材料和硅两者分别在半导体激光器和微电子CMOS等方面的优势，成为了目前光子回路中最有希望解决硅上光源问题的最佳方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，自下而上顺次包括：SOI芯片、光栅耦合层、多对下布拉格反射镜、III-V族垂直腔激光器谐振腔、多对III-V族上布拉格反射镜和III-V族欧姆接触层；
所述光栅耦合层包括：
Si倾斜光栅，嵌设于所述SOI芯片上；
SiO2填充层，填充多个所述Si倾斜光栅所在空隙区域，且所述SiO2填充层完全覆盖所述Si倾斜光栅；所述SiO2填充层中还包括：
SiO2间隔层，为所述SiO2填充层超过Si倾斜光栅高度的区域，位于光栅耦合层和下布拉格反射镜之间。
在本公开的一些实施例中，所述Si倾斜光栅周期为Λ，Λ＝λ/(2neff)，其中，neff为Si倾斜光栅材料的有效折射率。
在本公开的一些实施例中，所述SOI芯片自下而上包括：Si衬底、SiO2层和Si层。
在本公开的一些实施例中，多对所述下布拉格反射镜包括交替沉积的Si层和SiO2层。
在本公开的一些实施例中，多对所述III-V族上布拉格反射镜包括：交替外延生长的不同组分不同折射率的III-V族半导体材料。
在本公开的一些实施例中，所述III-V族垂直腔激光器谐振腔自下而上顺次包括：下P型InGaAs欧姆接触层、P型InP渐变掺杂的限制层、P型InGaAsP分别限制异质层、有源区、N型InGaAsP分别限制异质层和N型InP渐变掺杂的限制层；
所述有源区包括：交替外延生长的量子阱和势垒层，所述量子阱和所述势垒层的组分和厚度各不相同。
根据本公开的一个方面，还提供了一种如上所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器的制备方法，包括步骤：
101、SOI芯片顶层Si材料通过干法刻蚀或FIB中任一种制作Si倾斜光栅；
102、在SOI芯片表面沉积SiO2获得SiO2填充层，用于填充Si倾斜光栅所在空隙区域，并形成SiO2间隔层；
103、在步骤102制备的SiO2层上交替沉积Si层和SiO2层获得多对下布拉格反射镜；
104、外延生长III-V垂直腔激光器芯片，自下而上包括：垂直腔外延片衬底、N型InGaAs接触层,III-V上布拉格反射镜和III-V族垂直腔激光器谐振腔；
105、经过严格的清洗后，采用等离子辅助技术，在低温下，步骤104中外延生长垂直腔激光器芯片P面朝下、衬底在上与步骤103获得的SOI波导结构芯片进行晶片键合；
106、III-V族垂直腔激光器外延片的衬底通过化学腐蚀液移除；
107、对步骤105获得的芯片，进行标准的VCSEL工艺制作。
在本公开的一些实施例中，所述步骤107包括子步骤：
1071、第一次光刻，然后使用光刻胶做掩膜或SiO2/Si3N4做硬掩膜，通过湿法腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀至下P型InGaAs欧姆接触层，获得圆柱形台面；
1072、在完成子步骤1071形成台面后，清洗外延片，沉积SiO2或Si3N4绝缘层；
1073、第二次光刻，通过ICP刻蚀或者HF腐蚀液去掉没有光刻胶保护地方的SiO2或Si3N4，形成N面电极和P面电极注入窗口；
1074、溅射Ti/Au,制作电极接触；
1075、第三次光刻，通过Ti/Au腐蚀液，腐蚀出P电极和N电极的隔离槽。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开中倾斜光栅结构，具有较高的折射率对比度，波导长度可以大大减少，使光子回路集成度更高。
(2)本公开倾斜光栅，光经过光栅后可以单向传播到硅波导结构中，提高了特定方向上的耦合效率。
(3)本公开的晶片键合时间隔层的厚度容差较大。
(4)本公开无需考虑III-V族材料和硅波导耦合材料的光增益平衡问题，利于获得更高的耦合效率。
附图说明
图1为本公开实施例基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器的结构示意图。
图2为本公开实施例基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器制备方法的流程框图。
图3为图2中步骤105晶片键合后形成器件的结构示意图。
图4为在不同发射波长情况下模拟计算出的光耦合到SOI波导结构中的耦合效率图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-Si衬底；
2-SiO2层；
31-SiO2填充层；
32-Si倾斜光栅；
4-SiO2间隔层；
51-Si层；
52-SiO2层；
6-下P型InGaAs欧姆接触层；
7-P型InP渐变掺杂的限制层；
8-P型InGaAsP分别限制异质层；
9-有源区；
10-N型InGaAsP分别限制异质层；
11-N型InP渐变掺杂的限制层；
12-InGaAsP层；
13-InP层；
14-上N型InGaAs接触层；
15-垂直腔外延片InP衬底；
16-SiO2绝缘层；
17-P电极；
18-N电极；
101～107-步骤；
1071～1075-子步骤。
具体实施方式
本公开结合VCSEL和倾斜光栅的优势，通过晶片键合技术把III-V族垂直腔激光器制作在SOI波导上形成的硅基垂直耦合混合激光器。本公开基于倾斜光栅，无需考虑两种波导耦合材料的光增益平衡问题，所以该类型的激光器和采用消逝波耦合方法的激光器相比具有高的耦合效率，而且该激光器可以完全兼容目前的220nm/340nm Si厚度的SOI平台来制作光集成回路。此外，VCSEL中产生的光垂直耦合到SOI波导中，然后通过SOI上的硅倾斜光栅高效地单向耦合到水平的Si波导一端中，大大提高了波导中定向耦合效率。工艺上，公开的这种混合硅基集成激光器即使使用了厚的间隔层，也能取得高的耦合效率。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器。图1为本公开实施例垂直耦合激光器的结构示意图。如图1所示，本公开基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，自下而上顺次包括：SOI芯片、光栅耦合层、多对下布拉格反射镜、III-V族垂直腔激光器谐振腔、多对III-V族上布拉格反射镜和III-V族欧姆接触层；所述光栅耦合层包括：Si倾斜光栅32和SiO2填充层31；Si倾斜光栅32嵌设于SOI芯片上；SiO2填充层31填充Si倾斜光栅32所在空隙区域，且SiO2填充层31完全覆盖Si倾斜光栅32。所述SiO2填充层31中还包括：SiO2间隔层，为所述SiO2填充层31超过Si倾斜光栅32高度的区域，位于光栅耦合层和下布拉格反射镜之间。
本公开中在垂直激光器芯片中产生的激光经过Si倾斜光栅32转了90度直接耦合到水平的Si波导一个方向中，本公开的混合集成光源中，即使使用了厚的间隔层，也能取得高的耦合效率，同时本公开的工艺容差更高，更加适合批量生产。
以下分别对本实施例垂直腔耦合激光器的各个组成部分进行详细描述。需要说明的是，具体发射波长由III-V材料，特别是有源区的组分决定，III-V材料可以是InP基材料系，也可以选择GaAs材料系，具体选择依据所需激光器的波长来决定，例如波长940nm的激光器可以选择GaAs材料系来实现。
在本公开中我们采用InP基材料，发射波长1.55微米激光器作为实例，但不对本发明构成限制。在我们的具体实施例中，对发射波长1.55微米垂直腔激光器，其DBR由39对上DBR布拉格反射镜由InGaAsP层12/InP层13交替外延生长形成，其反射率达到99％。
Si倾斜光栅，周期为∧，Si倾斜光栅与波导的法线构成的倾斜角度为Φ在一具体实施方式中，为了增加耦合效率，Si倾斜光栅32的参数必须经过优化。优化后的具体参数如下，1.55微米垂直腔耦合激光器的一阶衍射Si倾斜光栅的周期∧是585nm，和波导的法线构成倾斜角度Φ是55°，Si倾斜光栅宽度是485nm。
SOI芯片，自下而上包括：Si衬底1和SiO2层2；所述Si衬底1的厚度为220nm；所述SiO2层2的厚度为2μm。
4对所述下布拉格反射镜，包括交替沉积的Si层51和SiO2层52。
39对III-V族上DBR布拉格反射镜由InGaAsP层12和InP层13交替外延生长形成，或者由AlGaInAs和InP层交替生长构成，具体对数要根据高低材料的折射率决定。
III-V族垂直激光器谐振腔自下而上顺次包括：下P型InGaAs欧姆接触层6、P型InP渐变掺杂的限制层7、P型InGaAsP分别限制异质层8、有源区9、N型InGaAsP分别限制异质层10和N型InP渐变掺杂的限制层11。
有源区9由7nm InGaAsP量子阱和8nm InGaAsP势垒层交替重复生长8次后再生长1次8nm InGaAsP势垒层构成，实际上最后形成的有源区由9个InGaAsP势垒层和8个不同组分的InGaAsP量子阱交替生长构成。
下P型InGaAs欧姆接触层6的厚度为200mm。
P型InP渐变掺杂的限制层7的厚度为50nm。
N型InGaAsP分别限制异质层10的厚度为50nm。
本公开还提供了一种如上所述的基于倾斜光栅的垂直耦合激光器的制备方法。图2为本公开实施例垂直耦合激光器制备方法的流程框图。如图2所示，包括步骤：
101、SOI芯片顶层通过干法刻蚀或聚焦离子束FIB(Focused Ion Beam)中任一种制作Si倾斜光栅。
102、在SOI芯片表面沉积SiO2获得SiO2填充层31，用于填充Si倾斜光栅所在区域。具体制备时，一部分SiO2材料被填充在步骤101获得的Si倾斜光栅的空隙区域中，SiO2填充层的高度应大于Si倾斜光栅的垂直高度，以使SiO2填充层31完全覆盖Si倾斜光栅。然后化学机械抛光SiO2表面，为了保证光耦合效率，剩余的SiO2厚度约为100nm或者更少，其最后的厚度由化学机械抛光的精度决定，剩余的SiO2作为SiO2间隔层4。在本公开的模拟中，设定剩余SiO2间隔层4的厚度为100nm，对1.55微米，光耦合效率能达到64％，而且该耦合效率对间隔层的厚度是不敏感的，相对于消逝波耦合方案来说，SiO2间隔层4的厚度容差大大增加了。
103、在步骤102制备的SiO2间隔层上，交替沉积4对Si和SiO2层，构成下布拉格反射镜。
104、外延生长III-V垂直腔激光器芯片，自下而上包括：垂直腔外延片衬底、N型InGaAs接触层,III-V上布拉格反射镜和III-V族垂直腔激光器谐振腔。InGaAsP层和InP层交替外延生长获得多对上布拉格反射镜。具体发射波长由有源区材料的组分决定，在本公开中采用发射波长1.55微米，由39对上布拉格反射镜由InGaAsP/InP层交替外延生长形成，其反射率达到99％，也可以由外延生长其他材料来构成，或者沉积具有高低折射率的介质材料，然后通过与有源区晶片键合的办法来实现。
105、经过严格的清洗后，采用等离子辅助技术，在低温下III-V族外延层材料被键合到SOI波导结构上。具体说明如下：在低温下III-V族外延生长垂直腔激光器芯片被P面朝下，InP衬底在上，键合到SOI波导结构芯片上,形成芯片结构如图3所示。
106、III-V族垂直腔激光器外延片的InP衬底通过化学腐蚀液移除。
107、对步骤106获得的芯片，进行标准的VCSEL工艺制作。工艺制作完成后的芯片结构如图1所示，光耦合后光的传播路径请参见图1中箭头所示。具体包括以下子步骤：
1071、第一次光刻，然后使用光刻胶做掩膜或SiO2/Si3N4做硬掩膜，通过湿法腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀至下P型InGaAs欧姆接触层，获得圆柱形台面；
1072、在完成子步骤1071形成台面后，清洗外延片，沉积SiO2或Si3N4绝缘层；
1073、第二次光刻，通过ICP刻蚀或者HF腐蚀液去掉没有光刻胶保护地方的SiO2或Si3N4，形成N面电极和P面电极注入窗口；
1074、溅射Ti/Au,制作电极接触；
1075、第三次光刻，通过Ti/Au腐蚀液，腐蚀出P电极和N电极的隔离槽。
图4为在不同发射波长情况下模拟计算出的光耦合到SOI波导结构中的耦合效率。如图4所示，由于垂直腔耦合激光器和Si倾斜光栅共同的优化设计，只有1.55微米的光才能被耦合到SOI波导中。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各材料组分和厚度的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体材料、结构或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法提供的垂直耦合的硅基混合集成激光器作为光源可以被广泛应用在下一代光互连和光通讯系统的光子回路中。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，自下而上顺次包括：SOI芯片、光栅耦合层、多对下布拉格反射镜、III-V族垂直腔激光器谐振腔、多对III-V族上布拉格反射镜和III-V族欧姆接触层；
所述光栅耦合层包括：
Si倾斜光栅，嵌设于所述SOI芯片上；
SiO2填充层，填充多个所述Si倾斜光栅所在空隙区域，且所述SiO2填充层完全覆盖所述Si倾斜光栅；所述SiO2填充层中还包括：
SiO2间隔层，为所述SiO2填充层超过Si倾斜光栅高度的区域，位于光栅耦合层和下布拉格反射镜之间。
2.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，所述Si倾斜光栅周期为Λ，Λ＝λ/(2neff)，其中，neff为Si倾斜光栅材料的有效折射率。
3.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，所述SOI芯片自下而上包括：Si衬底、SiO2层和Si层。
4.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，多对所述下布拉格反射镜包括交替沉积的Si层和SiO2层。
5.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，多对所述III-V族上布拉格反射镜包括：交替外延生长的不同组分不同折射率的III-V族半导体材料。
6.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，所述III-V族垂直腔激光器谐振腔自下而上顺次包括：下P型InGaAs欧姆接触层、P型InP渐变掺杂的限制层、P型InGaAsP分别限制异质层、有源区、N型InGaAsP分别限制异质层和N型InP渐变掺杂的限制层；
所述有源区包括：交替外延生长的量子阱和势垒层，所述量子阱和所述势垒层的组分和厚度各不相同。
7.一种如权利要求1-6所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器的制备方法，包括步骤：
101、SOI芯片顶层Si材料通过干法刻蚀或FIB中任一种制作Si倾斜光栅；
102、在SOI芯片表面沉积SiO2获得SiO2填充层，用于填充Si倾斜光栅所在空隙区域，并形成SiO2间隔层；
103、在步骤102制备的SiO2层上交替沉积Si层和SiO2层获得多对下布拉格反射镜；
104、外延生长III-V垂直腔激光器芯片，自下而上包括：垂直腔外延片衬底、N型InGaAs接触层、III-V上布拉格反射镜和III-V族垂直腔激光器谐振腔；
105、经过严格的清洗后，采用等离子辅助技术，在低温下，步骤104中外延生长垂直腔激光器芯片P面朝下、衬底在上与步骤103获得的SOI波导结构芯片进行晶片键合；
106、III-V族垂直腔激光器外延片的衬底通过化学腐蚀液移除；
107、对步骤105获得的芯片，进行标准的VCSEL工艺制作。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述步骤107包括子步骤：
1071、第一次光刻，然后使用光刻胶做掩膜或SiO2/Si3N4做硬掩膜，通过湿法腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀至下P型InGaAs欧姆接触层，获得圆柱形台面；
1072、在完成子步骤1071形成台面后，清洗外延片，沉积SiO2或Si3N4绝缘层；
1073、第二次光刻，通过ICP刻蚀或者HF腐蚀液去掉没有光刻胶保护地方的SiO2或Si3N4，形成N面电极和P面电极注入窗口；
1074、溅射Ti/Au,制作电极接触；
1075、第三次光刻，通过Ti/Au腐蚀液，腐蚀出P电极和N电极的隔离槽。
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