CN111987585A - 一种硅波导输出激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅波导输出激光器，包括：III‑V族有源结构，用于生成所述激光器的光源，所述III‑V族有源结构包括：隧道结层，用于形成反向隧穿电流通道；N型衬底，设置于所述隧道结层上表面；P型层，设置于所述隧道结层下表面；量子阱有源层，设置于所述P型层下表面；N型层，设置于所述量子阱有源层下表面；以及，硅波导结构，设置于所述III‑V族有源结构之下，用于与所述III‑V族有源结构共同形成光学谐振腔和激光输出波导。

Description

一种硅波导输出激光器
技术领域
本发明涉及光通信领域中的核心光源，尤其涉及一种硅光互连系统中的基于隧道结的硅材料与III-V族混合集成硅波导输出激光器。
背景技术
近年来，光互连技术被认为是解决未来超级计算机、高性能计算中的访存带宽和计算速度问题的关键技术之一，而硅基光电集成被认为是实现高性能计算机超节点间、芯片间以及片上光互连最有潜力的技术途径。作为硅光互连系统的核心器件，硅基集成光源一直以来都是世界各国的研究热点，但是由于硅是间接带隙材料，光学增益比III-V族材料低几个数量级，所以难以直接利用硅制作高效率的激光光源。
目前，能够实现硅基集成光源的主流方案有三种：
其一是硅基外延激光器，在硅衬底异质外延生长III-V有源材料或锗材料，III-V材料产生的光通过倏逝波耦合到硅波导中进行输出，但是由于硅和III-V族增益材料之间存在较大的晶格失配，在硅衬底上生长高质量的III-V族材料变得十分困难；
其二是倒装焊端面耦合的硅基集成激光器，将制作好的III-V激光器通过倒装焊技术焊接到SOI(绝缘体上硅，Silicon on Insulators)波导上，III-V激光器发出的光通过端面耦合进入硅波导输出，该方案需要精确的对准，容差在亚微米量级，而且还要考虑端面的反射损耗，不适合制作多阵列激光器和批量生产；
其三是异质晶片键合倏逝波耦合硅基集成激光器，先将III-V材料键合到制作好的SOI波导上，然后去掉III-V衬底，在SOI波导上只留下几微米厚的III-V有源材料，最后进行激光器的制作。很显然，去掉衬底之后的III-V有源材料只有几个微米厚，不利于后续工艺的进行，而且有些键合方案需要衬底转移技术，增加了器件工艺复杂度和制作难度。
因此硅基集成光源一直都是硅光互连系统的瓶颈问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出了一种基于隧道结的硅材料与III-V族混合集成的硅波导输出激光器，以至少部分解决现有方法中存在的器件工艺复杂度高和制作难度大的问题。
(二)技术方案
在本发明的一个方面，提供了一种硅波导输出激光器，包括：
III-V族有源结构，用于生成所述激光器的光源，包括：隧道结层，用于形成反向隧穿电流通道；N型衬底为以电子的迁移作为电流传导机制的半导体材料，厚度为100至200微米，设置于所述隧道结层上表面，用于为所述隧道结层提供反向隧穿电压；量子阱有源层，设置于所述隧道结层之下，用于产生光增益；P型层，设置于所述隧道结层与所述量子阱有源层之间，用于限制注入所述量子阱有源层的P型载流子，限制所述量子阱有源层所产生的光场分布，以及避免所述隧道结层对所述量子阱有源层光增益的损耗；N型层，设置于所述量子阱有源层下表面，用于限制注入所述量子阱有源层的N型载流子，以及限制所述量子阱有源层所产生的光场分布。
以及，硅波导结构，设置于所述III-V族有源结构之下，用于与所述III-V族有源结构共同形成光学谐振腔和激光输出波导。
其中，所述的III-V族有源结构和硅波导结构通过键合技术集成。
在进一步的方案中，所述隧道结层为两层重掺杂半导体材料形成的具有电子隧穿效应的PN结，包括N型重掺杂层和P型重掺杂层，其中N型重掺杂层的掺杂浓度为1×1019-1×1020原子/cm3，P型重掺杂层的掺杂浓度为1×1019-5×1020原子/cm3，此外，N型重掺杂层和P型重掺杂层中间还可以配置一中性层，该隧道结层中的隧道结包括III-V族元素组成的二元、三元或四元化合物。
在进一步的方案中，所述的P型层包括P型隔离层，P型限制层和P型波导层。
在进一步的方案中，所述量子阱有源层为由元素周期表中III-V族元素组成的、具有量子阱或量子点结构的、能够产生光增益的化合物半导体材料。
在进一步的方案中，所述隧道结层与所述N型衬底之间还配置一缓冲层，用于减少N型衬底对外延生长的隧道结质量的影响，所述隧道结层与所述的量子阱有源层在结平面法线方向的距离大于量子阱有源层增益波长。
在进一步的方案中，所述的N型层包括N型波导层，N型限制层和N型欧姆接触层。
本发明还提供了一种硅波导输出激光器的制备方法，包括：
制备III-V族有源结构，包括：
在N型衬底上依次外延生长缓冲层、N型重掺杂层、P型重掺杂层、P型隔离层、P型限制层、P型波导层、量子阱有源层、N型波导层、N型限制层和N型欧姆接触层；
在N型欧姆接触层上外延一层电绝缘层；
在电绝缘层上光刻出N面电极窗口和中间的光耦合区；
在露出N面电极窗口和光耦合通道的电隔离层薄膜上淀积一层N面金属；
在淀积了N面金属的外延片表面光刻金属焊接的对准标记、N面金属焊点以及中间的光耦合通道；
N型衬底减薄至100至200微米，并在其外淀积一层电隔离层；
在该电隔离层上溅射一层P面金属；
将上述制备完毕的III-V族有源结构，按设定尺寸划片解理成单个III-V族有源结构；
制备硅波导结构，包括：
在SOI(Silicon on insulators，绝缘体上硅)平台光刻出硅波导上的光栅结构，包括表面耦合光栅和DFB(Distributed feedback，分布反馈)光栅；
进行第二次光刻，形成条形硅波导；
在制作好的硅波导结构上旋涂一层较厚的光刻胶，然后光刻显影，把需要淀积金属的区域露出来，其余部分都被光刻胶覆盖；
使用磁控溅射或热蒸发技术制备金属键合层；
用倒装焊接机将制备好的III-V族有源结构与硅波导结构金属键合在一起，形成一个完整的基于隧道结的硅材料与III-V族混合集成的硅波导输出激光器。
在进一步的方案中，所述的电绝缘层包括二氧化硅，且采用PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学汽相沉积)法进行外延生长，所述的N面金属包括Au、Ge、Ni、Ti、Pt或其组合，所述的P面金属包括Au、Ge、Ni、Ti、Pt或其组合，所述的电隔离层包括二氧化硅。
在进一步的方案中，所述的III-V族有源结构的制备过程与所述的硅波导结构的制备过程互不干扰，可分开单独流片。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提出了一种基于隧道结的硅材料与III-V族混合集成的硅波导输出激光器，由于引入了隧道结，使得III-V族有源结构保留了较厚的一层衬底，为后续键合操作提供了便利条件，降低了与硅波导结构集成的难度，为硅基集成光源提供了一种可行的方案。
附图说明
图1是本发明一种基于隧道结的硅材料与III-V族混合集成的硅波导输出激光器的结构图。
图2是图1所示激光器的三维示意图。
图3A是图1所示激光器中的III-V族有源结构制备过程中光刻二氧化硅形成N面电极窗口和中间光耦合区步骤。
图3B是图1所示激光器的III-V族有源结构制备过程中淀积N面金属电极步骤。
图3C是图1所示激光器的III-V族有源结构制备过程中在N型衬底上制作P面电极步骤。
图4A是图1所示激光器的硅波导结构制备过程中刻蚀条形波导和光栅结构步骤。
图4B是图1所示激光器中的硅波导结构制备过程中选择性淀积金属步骤。
【附图符号说明】
1、P面金属，2、N型衬底，3、缓冲层，4、N型重掺杂层，
5、P型重掺杂层，6、P型隔离层，7、P型限制层，
8、P型波导层，9、量子阱有源层，10、N型波导层，
11、N型限制层，12、N型欧姆接触层，13-1、P面金属电隔离层，
13-2、N面金属电隔离层
14、N面金属，15、多层金属键合层，16、埋氧层BOX，
17、硅衬底，18、硅波导
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。
本发明提供了一种硅波导输出激光器，图1是本发明一种硅波导输出激光器的结构图，图2为图1所示激光器的三维示意图，如图1和图2所示，包括：
III-V族有源结构，用于作为产生激光的光源，包括：隧道结层，用于形成反向隧穿电流通道；N型衬底2，设置于所述隧道结层上表面，用于为所述隧道结层提供反向隧穿电压；量子阱有源层9，设置于所述隧道结层之下，用于产生光增益；P型层，设置于所述隧道结层与所述量子阱有源层9之间，用于限制注入所述量子阱有源层9的P型载流子，限制所述量子阱有源层9所产生的光场分布，以及避免所述隧道结层对所述量子阱有源层9光增益的损耗；N型层，设置于所述量子阱有源层下表面，用于限制注入所述量子阱有源层9的N型载流子，以及限制所述量子阱有源层所产生的光场分布。
以及，硅波导结构，设置于所述III-V族有源结构之下，用于与所述III-V族有源结构共同形成光学谐振腔和激光输出波导。
其中，所述的III-V族有源结构和硅波导结构通过键合技术集成。
在本发明的示例实施例中，所述N型衬底2为以电子的迁移作为电流传导机制的半导体材料，此外，由于引入了隧道结，所述III-V族有源结构保留了一层较厚的N型衬底2，厚度为100至200微米，为后续键合操作提供了便利条件，降低了与硅波导结构集成的难度。
在本发明的示例实施例中，所述隧道结层为两层重掺杂半导体材料形成的具有电子隧穿效应的PN结，包括N型重掺杂层4和P型重掺杂层5，N型重掺杂层4的掺杂浓度为1×1019-1×1020原子/cm3，P型重掺杂层5的掺杂浓度为1×1019-5×1020原子/cm3，此外，N型重掺杂层4和P型重掺杂层5中间还可以配置一中性层，该隧道结层中的隧道结包括III-V族元素组成的二元、三元或四元化合物。
此外，所述隧道结层与所述N型衬底2之间还配置一缓冲层3，用于减少N型衬底2对外延生长的隧道结质量的影响。
在本发明的示例实施例中，所述的P型层包括：P型隔离层6、P型限制层7和P型波导层8。
在本发明的示例实施例中，所述量子阱有源层9为由元素周期表中III-V族元素组成的、具有量子阱或量子点结构的、能够产生光增益的化合物半导体材料，此外，所述量子阱有源层9与所述隧道结层在结平面法线方向的距离大于量子阱有源层9增益波长。
在本发明的示例实施例中，所述的N型层包括：N型波导层10，N型限制层11和N型欧姆接触层12。
本发明还提供了一种硅波导输出激光器的制备方法，分别包括III-V族有源结构的制备方法和硅波导结构的制备方法。
其中，所述III-V族有源结构的制备方法包括：
在N型衬底2上依次外延生长缓冲层3、N型重掺杂层4、P型重掺杂层5、P型隔离层6、P型限制层7、P型波导层8、量子阱有源层9、N型波导层10、N型限制层11和N型欧姆接触层12；
在N型欧姆接触层12上外延一层N面金属电隔离层13-2。在本发明的示例实施例中，所述N面金属电隔离层13-2为二氧化硅，采用PECVD法进行外延生长；
在N面金属电隔离层13-2上光刻出N面电极窗口和中间的光耦合区，在本发明的示例实施例中，如图3A所示，实施步骤为，在生长了N面金属电隔离层13-2的外延片上旋涂一层均匀的光刻胶，然后进行光刻显影，显影之后用ICP(Inductively Coupled Plasma电感耦合等离子体)刻蚀未被光刻胶覆盖的区域，露出N面电极窗口和中间的光耦合区，最后去掉残留的光刻胶；
在露出N面电极窗口和光耦合通道的二氧化硅薄膜上淀积一层N面金属14，所述N面金属14包括Au、Ge、Ni、Ti、Pt或其组合，在本发明的示例实施例中，所述N面金属14的生长方法为磁控溅射生长；
在淀积了N面金属14的外延片表面光刻金属焊接的对准标记、N面金属14焊点以及中间的光耦合通道，在本发明的示例实施例中，如图3B所示，实施步骤为，在磁控溅射的N面金属14表面旋涂一层均匀的光刻胶，光刻显影，用湿法腐蚀未被光刻胶覆盖的区域，形成焊接时的对准标记和N面金属14焊接点，同时露出中间的光耦合通道；
减薄N型衬底2，在本发明的示例实施例中，如图3C所示，采用CMP(ChemicalMechanical Polishing，化学机械抛光)工艺研磨抛光N型衬底2，使整个外延片减薄到合适的厚度，在本发明的示例实施例中，厚度为100至200微米，在减薄之后的N型衬底2上外延一层P面金属电隔离层13-1，旋涂光刻胶、光刻P面电极窗口作为P型电流的注入通道；
在所述P面金属电隔离层13-1上表面磁控溅射P面金属1，所述P面金属1包括Au、Ge、Ni、Ti、Pt或其组合；
将上述步骤制备好的III-V族有源结构，划片解理成大小合适的单个III-V族有源结构。
所述硅波导结构的制备方法包括：
光刻出硅波导18上的光栅结构，包括表面耦合光栅和DFB光栅等，然后进行第二次光刻，形成条形硅波导18，在本发明的示例实施例中，如图4A所示，第二次光刻的时候，直接刻掉埋氧层BOX16，同时，在硅波导18两侧淀积的金属还能起到散热作用，所述硅波导18为采用SOI平台制备；
在制作好的硅波导结构上选择性淀积金属，在本发明的示例实施例中，如图4B所示，实施步骤为，在上述步骤制备的硅波导结构上旋涂一层较厚的光刻胶，然后光刻显影，把需要淀积金属的区域露出来，其余部分都被光刻胶覆盖，然后磁控溅射或热蒸发多层金属键合层15，最后采用剥离的方法去掉被光刻胶覆盖的区域的金属。
最后用倒装焊接机将上述步骤制备好的III-V族有源结构与硅波导结构金属键合在一起，从而形成一个完整的基于隧道结的Si/III-V族混合集成硅波导输出激光器。
在本发明的示例实施例中，所述的III-V族有源结构的制备过程与所述的硅波导结构的制备过程互不干扰，可分开单独流片。
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 (12)

1.一种硅波导输出激光器，包括：
III-V族有源结构，用于生成所述激光器的光源，包括：
隧道结层，用于形成反向隧穿电流通道；
N型衬底，设置于所述隧道结层上表面；
P型层，设置于所述隧道结层下表面；
量子阱有源层，设置于所述P型层下表面；
N型层，设置于所述量子阱有源层下表面；
以及，硅波导结构，设置于所述III-V族有源结构之下，用于与所述III-V族有源结构共同形成光学谐振腔和激光输出波导。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述的隧道结层为两层重掺杂半导体材料形成的具有电子隧穿效应的PN结，包括N型重掺杂层和P型重掺杂层。
3.根据权利要求2所述的激光器，其中所述的隧道结层中的隧道结包括III-V族元素组成的二元、三元或四元化合物。
4.根据权利要求2所述的激光器，其中所述的N型重掺杂层的掺杂浓度为1×1019-1×1020原子/cm3，P型重掺杂层的掺杂浓度为1×1019～5×1020原子/cm3。
5.根据权利要求1所述的激光器，其中所述的P型层包括P型隔离层，P型限制层和P型波导层。
6.根据权利要求5所述的激光器，其中所述的量子阱有源层和隧道结层在结平面法线方向的距离大于量子阱有源层增益波长。
7.根据权利要求1所述的激光器，其中所述的N型层包括N型波导层，N型限制层和N型欧姆接触层。
8.根据权利要求1所述的激光器，其中所述量子阱有源层为由元素周期表中III-V族元素组成的、具有量子阱或量子点结构的、能够产生光增益的化合物半导体材料。
9.根据权利要求1所述的激光器，其中N型衬底和隧道结层中间还配置一缓冲层。
10.根据权利要求1所述的激光器，其中N型衬底为以电子的迁移作为电流传导机制的半导体材料。
11.根据权利要求1所述的激光器，其中所述的III-V族有源结构和硅波导结构通过键合技术集成。
12.根据权利要求1所述的激光器，其中所述N型衬底厚度为100至200微米。
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