CN112152081A - 一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法，其中，激光器包括SOI衬底、以及位于SOI衬底上的有源区和无源区，有源区包括多量子阱区，多量子阱区与位于其左右两侧的P型InP和N型InP构成侧向P‑I‑N结构；无源区包括波导、波导光栅和锥形耦合器，多量子阱区的两端分别设有一锥形耦合器，其中，一锥形耦合器与所述波导连接，另一锥形耦合器与波导光栅连接。本发明通过将多量子阱区与位于其左右两侧的P型InP和N型InP构成侧向P‑I‑N结构，一方面降低了多量子阱区厚度，有利于多量子阱区与波导之间实现折射率匹配，提高光场在两种波导之间的耦合效率；另一方面减小P型区域和N型区域的相对面积，增加电极之间的距离，降低寄生电容，提升激光器的调制带宽。

Description

一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法。
背景技术
随着数据流量的快速增长，对低成本、低尺寸、低功耗的高容量光发射机的需求越来越大。硅光子学平台是大规模生产PICs的一个很好的候选者，因为它使我们能够在成熟的大型硅晶片上制造高密度和高良率的光子器件。在过去的几年里，硅光技术已经被广泛应用于数据通信，由于硅是一种间接带隙半导体，硅光子学平台的主要问题是硅衬底上的激光光源集成，硅无源材料与III-V族有源材料混合集成是利用硅平台提供集成激光光源的最有效方法。
目前，大多数将III-V族有源材料集成在SOI波导上，采用的有源层结构都是垂直的P-I-N结构，为了增加光场和金属电极之间的距离，III-V有源层材料厚度将达到2μm左右，这样导致了III-V有源层波导和硅波导之间的折射率失配，需要更厚的Si波导来实现高效耦合，因此需要额外的制作硅波导刻蚀和生长工艺改变其厚度，这些方法增加了硅层的厚度变化和表面粗糙度，由于传播损耗的增加，导致器件性能下降，同时也增加了工艺的复杂性和成本，不利于III-V有源结构和SOI波导之间的集成。此外，混合集成的激光器采用直接调制时其调制速率往往受限于其腔长，调制速率较低，难以实现高速直接调制，一般采用外调制方案，需要额外的外调制器件。
发明内容
针对以及现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法，以解决混合集成谐振腔激光器的调制速率受限的问题。
本发明一方面提供的一种混合集成谐振腔激光器，包括SOI衬底、以及位于所述SOI衬底上的有源区和无源区，
所述有源区包括多量子阱区，所述多量子阱区与分别位于其左右两侧的P型InP和N型InP构成侧向P-I-N结构；
所述无源区包括波导、波导光栅和锥形耦合器，所述多量子阱区的两端分别设有一所述锥形耦合器，其中，一所述锥形耦合器与所述波导连接，另一所述锥形耦合器与所述波导光栅连接。
进一步的，所述多量子阱区为InGaAsP/InGaAlAs量子阱结构。
进一步的，所述多量子阱区通过键合方式设在所述SOI衬底上，且所述多量子阱区的上方和下方分别覆盖有二氧化硅层。
进一步的，所述锥形耦合器包括锥形硅基波导和位于所述锥形硅基波导上方的锥形InP波导，且锥形硅基波导和锥形InP波导形成的锥形耦合区长度为20-50μm。
进一步的，所述DBR波导光栅上覆盖有热电极。
进一步的，所述波导为Slot波导，所述波导光栅为DBR波导光栅，其中，所述Slot波导和所述DBR波导光栅均为单模波导，所述Slot波导和所述DBR波导光栅的厚度均为220nm、宽度均为400nm；且所述波导和波导光栅的上方和下方均分别覆盖有二氧化硅层。
进一步的，所述slot波导具有两段刻蚀槽，所述刻蚀槽的刻蚀宽度为1μm、刻蚀深度为220nm；所述DBR波导光栅的光栅刻蚀深度为30-80nm、长度为100-500微米。
进一步的，所述P型InP和所述N型InP上分别覆盖有由InGaAs制成的电极接触层。
本发明第二方面提供的一种混合集成谐振腔激光器的制备方法，包括：
在SOI衬底上刻蚀出波导和波导光栅后，在SOI衬底上生长二氧化硅覆盖层；
在InP衬底上生长InGaAs腐蚀停止层后，在所述InP衬底表面垂直生长多量子阱区和光场限制层；
通过键合方式将InP衬底和多量子阱区键合在SOI衬底上后，再分别去除InP衬底和InGaAs腐蚀停止层；
在多量子阱区上制作二氧化硅Mesa掩膜后，腐蚀掉位于Mesa两侧的多量子阱区和光场限制层；
在多量子阱区的两端的SOI衬底上刻蚀形成锥形波导结构后，在SOI衬底上选择性生长非掺杂InP；
分别对多量子阱区两侧的非掺杂InP注入P型InP和N型InP；
通过SOI衬底上光刻制作电极区域，再通过离子蒸发或溅射的方式在电极区域上制作P型和N型电极。
进一步的，所述P型InP通过Zn离子热扩散注入到所述非掺杂InP中，N型InP通过离子注入的方式注入到所述非掺杂InP中。
本发明提供的混合集成谐振腔激光器及其制备方法，其中，混合集成谐振腔激光器通过将多量子阱区与分别位于其左右两侧的P型InP和N型InP构成侧向P-I-N结构，使电流注入方向与量子阱生长方向垂直，实现多量子阱区使载流子在电流注入方向上没有限制，进而提高载流子注入效率；同时，侧向P-I-N结构使得多量子阱区厚度相对于现有技术中的垂直P-I-N结构的有源区厚度大大降低，有利于多量子阱区与波导进行折射率适配，进而提升光场在两种材料（多量子阱区的有源材料和无源波导材料）波导之间的耦合效率，降低耦合损耗；此外，侧向P-I-N结构还能够减小了P型区域和N型区域的相对面积，增加电极之间的距离，进而降低寄生电容，提升激光器的调制带宽；同时，本发明提供的激光器采用多量子阱区/Si基混合集成方式，能够实现多量子阱区与其他硅基器件的紧凑集成，减少激光器的体积。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明示例性实施例中的混合集成谐振腔激光器的纵向结构示意图；
图2为本发明示例性实施例中的混合集成谐振腔激光器的侧向结构示意图；
图3为本发明示例性实施例中的混合集成谐振腔激光器的有源区部分横向截面结构示意图；
图4为本发明示例性实施例中的混合集成谐振腔激光器的制作工艺流程图。
图中：1-SOI衬底，101-硅层，102-二氧化硅层，2-波导，3-锥形耦合器，4-多量子阱区，5-P型InP，6-N型InP，7-N电极，8-P电极，9-波导光栅，10-热电极。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以及，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种混合集成谐振腔激光器，参见图1至3，包括SOI衬底1、以及位于SOI衬底1上的有源区和无源区，有源区包括多量子阱区4，多量子阱区4与分别位于其左右两侧的P型InP 5和N型InP 6构成侧向P-I-N结构；无源区包括波导2、波导光栅9和锥形耦合器3，多量子阱区4的两端分别设有一锥形耦合器3，其中，一锥形耦合器3与波导2连接，另一锥形耦合器3与波导光栅9连接。作为优选的，SOI衬底1包括硅层101和二氧化硅层102，有源区和无源区均设在二氧化硅层102上。
电流注入后，激光器上的多量子阱区4产生光子，产生的光子分别向多量子阱区4的两端传播后，通过位于多量子阱区4两端的锥形耦合器3耦合到波导2中，并分别经过波导2和波导光栅9反射后返回至锥形耦合器3，再通过锥形耦合器3耦合到多量子阱区4中再次进行光放大。
参见图2，侧向P-I-N结构的多量子阱区4的厚度较薄，接近波导2厚度，因此，本发明提供的侧向P-I-N结构能够更容易实现两种结构波导2的折射率匹配，提高光子的垂直耦合效率。
由于，多量子阱区4的作用是对载流子进行限制，现有技术中的量子阱垂直生长，电流注入方向在垂直方向，因此，载流子在传输方向上受限。针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供的混合集成谐振腔激光器，通过多量子阱区4与分别位于其左右两侧的P型InP 5和N型InP 6构成侧向P-I-N结构，使本发明中的电流注入方向与量子阱生长方向垂直，实现对电子的限制在侧向，而不是在注入方向上，因此，本发明中的多量子阱区4使载流子在电流注入方向上没有限制，进而提高载流子注入效率；同时，侧向P-I-N结构使得多量子阱区4厚度相对于现有技术中的垂直P-I-N结构的有源区厚度大大降低，有利于多量子阱区4与波导2进行折射率适配，进而提升光场在两种材料（多量子阱区的有源材料和波导材料）波导2之间的耦合效率，降低耦合损耗，作为优选的，多量子阱区4优选为III-V族有源结构，因此，本发明有利于III-V族有源结构波导与SOI硅基波导进行折射率适配，进而提升光场在两种材料波导之间的耦合效率；此外，侧向P-I-N结构还能够减小了P型区域和N型区域的相对面积，增加电极之间的距离，进而降低寄生电容，提升激光器的调制带宽。
在一些实施方式中，多量子阱区4为InGaAsP/InGaAlAs量子阱结构。InGaAsP/InGaAlAs为III-V族有源结构，使本发明提供的激光器采用III-V/Si基混合集成方式，实现III-V族有源结构与其他硅基器件的紧凑集成，减少激光器的体积。
在另一些实施方式中，多量子阱区4通过键合方式设在SOI衬底1上，且多量子阱区4的上方和下方分别覆盖有二氧化硅层102。
由于二氧化硅折射率较低，通过在多量子阱区4的上方和下方分别覆盖有二氧化硅层102，使多量子阱区4能够实现较大的折射率差，使光场主要限制在多量子阱区4中，提高光场限制因子，可以提高激光器谐振频率，由于谐振频率与光场限制因子有如下关系：
Figure 72318DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 987053DEST_PATH_IMAGE002
为光场限制因子，
Figure 147907DEST_PATH_IMAGE003
为微分增益，
Figure 416077DEST_PATH_IMAGE004
为电流注入效率，
Figure 205042DEST_PATH_IMAGE005
为阈值电流，
Figure 556258DEST_PATH_IMAGE006
为有源区体积。提高光场限制因子可以有效提高谐振频率
Figure 204408DEST_PATH_IMAGE007
，此外，由于载流子在电流注入方向上没有限制，提高了电流注入效率，可以进一步提升谐振频率
Figure 10690DEST_PATH_IMAGE007
。
在又一些实施方式中，锥形耦合器3包括锥形硅基波导和位于锥形硅基波导上方的锥形InP波导，且锥形硅基波导和锥形InP波导形成的锥形耦合区长度为20-50μm。。
作为一优选实施方式，DBR波导光栅上覆盖有热电极10，通过热电极10改变温度可以改变DBR光栅的反射谱，实现对激光器的激射波长的调谐。
作为另一优选实施方式，波导2为Slot波导，波导光栅9为DBR波导光栅，其中，Slot波导和DBR波导光栅均为单模波导，Slot波导和DBR波导光栅的厚度均为220nm、宽度均为400nm；且波导2和波导光栅9的上方和下方均分别覆盖有二氧化硅层102。通过在波导2和波导光栅9的上方和下方均分别覆盖有二氧化硅层102，由于二氧化硅折射率较低，这样的波导2和波导光栅9能够实现较大的折射率差，使光场主要限制在多量子阱区4中，提高光场限制因子。
作为优选的，Slot波导具有两段刻蚀槽，刻蚀槽的刻蚀宽度为1μm、刻蚀深度为220nm；DBR波导光栅的光栅刻蚀深度为30-80nm、长度为100-500微米。通过在Slot波导上设置两段刻蚀槽，使激光器内部形成耦合腔，通过调整Slot波导长度，可以实现腔内光子—光子谐振，进一步提升激光器的调制带宽。
作为又一优选实施方式，P型InP 5和N型InP 6上分别覆盖有由InGaAs制成的电极接触层。
作为具体的，参见图3，本发明提供的多量子阱区4采用BH结构，包括阱和垒、上下的SCH波导2层及InP缓冲层，多量子阱区4采用9个阱10个垒的结构，阱宽为5.5nm，垒宽为9nm，SCH层厚度为40nm，InP缓冲层厚度为100nm，多量子阱区4总厚度为319.5nm，多量子阱区4的厚度与SOI波导2厚度接近，更利于实现折射率匹配，能有效提升光场垂直耦合效率；P型InP 5和N型InP 6分别处于量子阱结构两侧，其上分别制作有InGaAs电极接触层、P电极8和N电极7；电流从多量子阱区4的侧向注入，由于载流子在电流注入方向上没有势垒的限制，载流子限制在垂直于电流注入方向，能够提高电流注入效率，同时，由于SCH波导2层相对量子阱势垒更高，电流大部分从阱中注入，波导2层漏电流较小。
本发明提供的一种混合集成谐振腔激光器的制备方法，参见图4，包括如下步骤：
S100、在SOI衬底1上刻蚀出波导2和波导光栅9后，在SOI衬底1上生长二氧化硅覆盖层；然后生长二氧化硅覆盖层，通过化学抛光方法使二氧化硅表面平坦，降低其表面粗糙度；
S200、在InP衬底上生长InGaAs腐蚀停止层后，在InP衬底表面垂直生长InGaAsP或InGaAlAs多量子阱区4和光场限制层；
S300、通过氧等离子辅助的键合方式将InP衬底和多量子阱区4键合在SOI衬底1上后，再通过湿法腐蚀分别去除InP衬底和InGaAs腐蚀停止层；
S400、在多量子阱区4上制作二氧化硅Mesa掩膜后，腐蚀掉位于Mesa两侧的多量子阱区4和光场限制层；
S500、在多量子阱区4的两端的SOI衬底1上刻蚀形成锥形波导2结构后，在SOI衬底1上选择性生长非掺杂InP，形成掩埋异质结构；
S600、分别对多量子阱区4两侧的非掺杂InP注入P型InP 5和N型InP 6，其上再生长InGaAs电极接触层；
S700、通过SOI衬底1上光刻制作电极区域，再通过离子蒸发或溅射的方式在电极区域上制作P型和N型电极，并在SOI衬底1上制作热电极10。
在一些实施方式中，P型InP 5通过Zn离子热扩散注入到非掺杂InP中，N型InP 6通过离子注入的方式注入到非掺杂InP中。
综上所述，本发明提供的混合集成谐振腔激光器，采用侧向P-I-N结构的多量子阱区4，有效较小了多量子阱区4的厚度，使其更容易与波导2之间实现折射率匹配，提高光场的垂直耦合效率，能在提升器件性能的同时降低功耗；由于，较薄的多量子阱区4上下覆盖有二氧化硅，波导2具有较大的折射率差，因此，光场能更好的限制在多量子阱区4中，提升了光场限制因子，从而提升谐振频率；同时，侧向电流注入使得载流子在电流注入方向上没有势垒的限制，载流子限制在垂直于电流注入方向，能够提升电流注入效率，且侧向P-I-N结构的多量子阱区4具有较小的寄生电容，能够提升激光器的直接调制带宽；此外，本发明提供的激光器中引入两段刻蚀槽的Slot波导，可以在激光器腔内形成耦合腔，实现光子-光子谐振，可以进一步提升激光器的直接调制带宽。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种混合集成谐振腔激光器，其特征在于，包括SOI衬底（1）、以及位于所述SOI衬底（1）上的有源区和无源区，
所述有源区包括多量子阱区（4），所述多量子阱区（4）与分别位于其左右两侧的P型InP（5）和N型InP（6）构成侧向P-I-N结构；
所述无源区包括波导（2）、波导光栅（9）和锥形耦合器（3），所述多量子阱区（4）的两端分别设有一所述锥形耦合器（3），其中，一所述锥形耦合器（3）与所述波导（2）连接，另一所述锥形耦合器（3）与所述波导光栅（9）连接；
其中，所述波导光栅（9）为DBR波导光栅，所述DBR波导光栅上覆盖有热电极（10）。
2.根据权利要求1所述的混合集成谐振腔激光器，其特征在于，所述多量子阱区（4）为InGaAsP/InGaAlAs量子阱结构。
3.根据权利要求1所述的混合集成谐振腔激光器，其特征在于，所述多量子阱区（4）通过键合方式设在所述SOI衬底（1）上，且所述多量子阱区（4）的上方和下方分别覆盖有二氧化硅层（102）。
4.根据权利要求1所述的混合集成谐振腔激光器，其特征在于，所述锥形耦合器（3）包括锥形硅基波导和位于所述锥形硅基波导上方的锥形InP波导，且所述锥形硅基波导和锥形InP波导形成的锥形耦合区长度为20-50μm。
5.根据权利要求1所述的混合集成谐振腔激光器，其特征在于，所述波导（2）为Slot波导，其中，所述Slot波导和所述DBR波导光栅均为单模波导，所述Slot波导和所述DBR波导光栅的厚度均为220nm、宽度均为400nm；且所述波导（2）和波导光栅（9）的上方和下方均分别覆盖有二氧化硅层（102）。
6.根据权利要求5所述的混合集成谐振腔激光器，其特征在于，所述Slot波导具有两段刻蚀槽，所述刻蚀槽的刻蚀宽度为1μm、刻蚀深度为220nm；所述DBR波导光栅的光栅刻蚀深度为30-80nm、长度为100-500微米。
7.根据权利要求1所述的混合集成谐振腔激光器，其特征在于，所述P型InP（5）和所述N型InP（6）上分别覆盖有由InGaAs制成的电极接触层。
8.一种混合集成谐振腔激光器的制备方法，其特征在于，包括：
在SOI衬底（1）上刻蚀出波导（2）和波导光栅（9）后，在SOI衬底（1）上生长二氧化硅覆盖层；
在InP衬底上生长InGaAs腐蚀停止层后，在所述InP衬底表面垂直生长多量子阱区（4）和光场限制层；
通过键合方式将InP衬底和多量子阱区（4）键合在SOI衬底（1）上后，再分别去除InP衬底和InGaAs腐蚀停止层；
在多量子阱区（4）上制作二氧化硅Mesa掩膜后，腐蚀掉位于Mesa两侧的多量子阱区（4）和光场限制层；
在多量子阱区（4）的两端的SOI衬底（1）上刻蚀形成锥形波导（2）结构后，在SOI衬底（1）上选择性生长非掺杂InP；
分别对多量子阱区（4）两侧的非掺杂InP注入P型InP（5）和N型InP（6）；
通过SOI衬底（1）上光刻制作电极区域，再通过离子蒸发或溅射的方式在电极区域上制作P型和N型电极。
9.根据权利要求1所述的混合集成谐振腔激光器的制备方法，其特征在于，所述P型InP（5）通过Zn离子热扩散注入到所述非掺杂InP中，N型InP（6）通过离子注入的方式注入到所述非掺杂InP中。
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