CN113113838B - 集成激光器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成激光器件，包括由下至上依次堆叠布设的硅支撑片层、硅光芯片层以及半导体激光器层，硅光芯片层集成有用于将半导体激光器层产生的热量散出的散热器，散热器贴合硅支撑片层设置。本发明的一种集成激光器件的制备方法，包括S1，预先制作硅光芯片层，并在硅光芯片层中集成散热器；S2，制作好硅光芯片层后，将硅光芯片层翻转倒过来并结合至硅支撑片层上；S3，去掉硅光芯片层的硅衬底，留下氧化硅层在顶部，将半导体激光器层堆叠在硅光芯片层上；S4，对半导体激光器层进行后续加工以完成集成激光器件的制备。本发明通过集成散热器，可以加强激光器散热能力，避免了现有技术中的温度限制，提高激光性能，有望提升高温下的总输出功率。

Description

集成激光器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体为一种集成激光器件及其制备方法。
背景技术
随着硅光子学技术不断发展，新的层和材料被集成到绝缘体上硅(SOI)晶圆上。锗(Ge)是第一种通过外延生长在硅上的元素，用于制作高效光电探测器(PD)。最近，氮化硅(SiNx)层被单片集成在SOI层的顶部，用于提高表面光栅耦合器(SGCs)的效率和光谱带宽或用于制作波长解复用器。同时，研究人员在将III-V半导体键合到Si上集成激光器方面也做了大量的工作。然而，由于集成的形貌不均匀和温度的限制，标准的III-V-on-Si集成工艺(其中III-V键合在SOI的顶面上)很难容纳其他材料层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成激光器件及其制备方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种集成激光器件，包括由下至上依次堆叠布设的硅支撑片层、硅光芯片层以及半导体激光器层，所述硅光芯片层集成有用于将所述半导体激光器层产生的热量散出的散热器，所述散热器贴合所述硅支撑片层设置。
进一步，所述硅光芯片层还集成有氧化硅以及顶层硅，所述氧化硅、所述顶层硅以及所述散热器沿所述半导体激光器层至所述硅支撑片层的方向依次布设；所述半导体激光器层和所述顶层硅均贴合所述氧化硅设置，所述顶层硅和所述散热器之间具有间隔，且所述半导体激光器层发射的光经过所述氧化硅导至所述顶层硅。
进一步，所述硅光芯片层还包括正硅酸乙酯氧化硅，所述顶层硅和所述散热器均置于正硅酸乙酯氧化硅中，所述半导体激光器层产生的热量依次经过所述氧化硅、所述顶层硅、所述正硅酸乙酯氧化硅以及所述散热器，然后从所述硅支撑片层导出。
进一步，所述半导体激光器层包括激光器谐振腔，所述激光器谐振腔的出射面粘贴在所述氧化硅上。
进一步，所述硅光芯片层还集成有氮化硅。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种成激光器件的制备方法，包括如下步骤：
S1，预先制作硅光芯片层，并在所述硅光芯片层中集成散热器；
S2，制作好所述硅光芯片层后，将所述硅光芯片层翻转倒过来并结合至硅支撑片层上；
S3，去掉所述硅光芯片层的硅衬底，将半导体激光器层堆叠在所述硅光芯片层上；
S4，对所述半导体激光器层进行后续加工以完成所述集成激光器件的制备。
进一步，制作所述硅光芯片层时，在硅衬底上从下至上依次生长氧化硅、顶层硅以及所述散热器，所述顶层硅贴合所述氧化硅设置，所述硅光芯片层翻转倒过来并结合至硅支撑片层上，所述顶层硅和所述散热器之间具有间隔，去掉所述硅衬底，贴合半导体激光器层，且所述半导体激光器层发射的光经过所述氧化硅导至所述顶层硅。进一步，采用正硅酸乙酯氧化硅封装平面化工艺完成所述氧化硅、所述顶层硅以及所述散热器的封装，以完成所述硅光芯片层的制作。
进一步，在所述S1步骤中，制作所述硅光芯片层时，在所述硅光芯片层中集成氮化硅。
进一步，在所述S4步骤中，后续加工包括刻蚀所述半导体激光器层堆叠和电触点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过集成的散热器，可以加强激光器散热能力，避免了现有技术中的温度限制，提高激光性能，有望提升高温下的总输出功率。
2、通过倒装硅光芯片层的形式，可以方便与其他材料兼容，减少激光器性能的差异，使本激光器件具有更优秀的性能，例如集成氮化硅所带来的有益效果。
3、在160mA/20℃条件下，DFB激光器的总输出功率为60mW，是正面贴装激光器的6～10倍。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种集成激光器件的示意图；
附图标记中：1-顶层硅；2-氧化硅；3-散热器；4-氮化硅；5-正硅酸乙酯氧化硅；6-硅支撑片层；7-半导体激光器层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1，本发明实施例提供一种集成激光器件，包括由下至上依次堆叠布设的硅支撑片层6、硅光芯片层以及半导体激光器层7，所述硅光芯片层集成有用于将所述半导体激光器层7产生的热量散出的散热器3，所述散热器3贴合所述硅支撑片层6设置。在本实施例中，通过集成的散热器3，可以加强激光器散热能力，避免了现有技术中的温度限制，提高激光性能，有望提升高温下的总输出功率。具体地，该集成激光器件大体由三部分组成，一部分是最下方的硅支撑片层6、一部分是中间的硅光芯片层以及最上方的半导体激光器层7，其中半导体激光器层7中的半导体激光器为现有的III-V半导体激光器，它在工作时会产生热量，现有技术的集成结构中不方便设置散热的形式，导致了温度难以散出，而该温度的限制，也使得标准的III-V-on-Si(其中III-V键合在SOI的顶面上)集成工艺很难容纳其他材料层。而本实施例在硅光芯片层中集成了散热器3后，由于散热器3贴合硅支撑片层6设置，其可以将半导体激光器产生的热量导至硅支撑片层6，然后散出器件外，以实现降温的效果，这对于将III-V半导体键合到Si上集成激光器器件具有重大的意义。优选的，采用CMOS工艺生长金属层以制作所述散热器3。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述硅光芯片层还集成有氧化硅2以及顶层硅1，所述氧化硅2、所述顶层硅1以及所述散热器3沿所述半导体激光器层7至所述硅支撑片层6的方向依次布设；所述半导体激光器层7和所述顶层硅1均贴合所述氧化硅2设置，所述顶层硅1和所述散热器3之间具有间隔，且所述半导体激光器层7发射的光经过所述氧化硅2导至所述顶层硅1。优选的，所述硅光芯片层还包括正硅酸乙酯氧化硅5，所述顶层硅1和所述散热器3均置于正硅酸乙酯氧化硅5中，所述半导体激光器层7产生的热量依次经过所述氧化硅2、所述顶层硅1、所述正硅酸乙酯氧化硅5以及所述散热器3，然后从所述硅支撑片层6导出。在本实施例中，细化上述的硅光芯片层，它也是由几层结构组成，按层来说，从半导体激光器层7至硅支撑片层6的方向，依次设氧化硅2、顶层硅1以及上述的散热器3，氧化硅2、顶层硅1以及上述的散热器3都置于正硅酸乙酯氧化硅5中，其中氧化硅2贴合半导体激光器层7，这样激光器才能将光导进硅光芯片层，接着光再射至顶层硅1中进行传输和信号处理。而对于热量的导热方向，首先激光器产生热量传至氧化硅2，然后氧化硅2再将热量传递至顶层硅1，接着顶层硅1通过正硅酸乙酯氧化硅5将热量传递至散热器3，最后散热器3贴合硅支撑片层6设置并将热量传递至硅支撑片层6，最后由硅支撑片层6将热量导出器件外。而在半导体激光器层7中，其激光器谐振腔经光震荡后通过其与氧化硅2贴合的面将激光发射出，因此需要半导体激光器层7贴合氧化硅2设置。优选的，激光器谐振腔的出射面粘贴在所述氧化硅2上，可以通过粘贴的形式将二者结合在一起。激光器还包括金属电极。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述硅光芯片层还集成有氮化硅4。在本实施例中，采用硅光芯片倒装的结构后，就可以方便再其内集成氮化硅4，以用于提高表面光栅耦合器(SGCs)的效率和光谱带宽或用于制作波长解复用器。如果不倒装的话，正面贴就不方便做氮化硅4，因为贴覆需要靠近，半导体激光器要靠近硅层才可以把光导进去，如果是正面来贴此间距就不再便于贴氮化硅4，而倒装就有足够的间隔来贴氮化硅4。
实施例二：
本发明实施例提供一种集成激光器件的制备方法，包括如下步骤：S1，预先制作硅光芯片层，并在所述硅光芯片层中集成散热器3；S2，制作好所述硅光芯片层后，将所述硅光芯片层翻转倒过来并结合至硅支撑片层6上；S3，去掉所述硅光芯片层的硅衬底，将半导体激光器层7堆叠在所述硅光芯片层上；S4，对所述半导体激光器层7进行后续加工以完成所述集成激光器件的制备。在本实施例中，通过集成的散热器3，可以加强激光器散热能力，避免了现有技术中的温度限制，提高激光性能，有望提升高温下的总输出功率。具体地，该集成激光器件大体由三部分组成，一部分是最下方的硅支撑片层6、一部分是中间的硅光芯片层以及最上方的半导体激光器层7，其中半导体激光器层7中的半导体激光器为现有的III-V半导体激光器，它在工作时会产生热量，现有技术的集成结构中不方便设置散热的形式，导致了温度难以散出，而该温度的限制，也使得标准的III-V-on-Si(其中III-V键合在SOI的顶面上)集成工艺很难容纳其他材料层。而本实施例在硅光芯片层中集成了散热器3后，由于散热器3贴合硅支撑片层6设置，其可以将半导体激光器产生的热量导至硅支撑片层6，然后散出器件外，以实现降温的效果，这对于将III-V半导体键合到Si上集成激光器器件具有重大的意义。具体地，在制备时，硅光芯片层需要预先制备，其制备可以按照常规的生长形式，由衬底开始往上依次生长。在得到集成了散热器3的硅光芯片层后，将其翻转倒过来，使其未翻转前的顶面结合至硅支撑片层6上，然后使其未翻转前的底面与半导体激光器层7的结合，这样倒装后，就可以方便散热器3、氮化硅4等结构的集成，进而实现更多的功能。优选的，采用CMOS工艺生长金属层以制作所述散热器3。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，制作所述硅光芯片层时，在硅衬底上从下至上依次生长氧化硅2、顶层硅1以及所述散热器3，所述顶层硅1贴合所述氧化硅2设置，所述硅光芯片层翻转倒过来并结合至硅支撑片层上，所述顶层硅1和所述散热器3之间具有间隔，去掉所述硅衬底，贴合半导体激光器层7，且所述半导体激光器层7发射的光经过所述氧化硅2导至所述顶层硅1。优选的，采用正硅酸乙酯氧化硅5封装平面化工艺完成所述氧化硅2、所述顶层硅1以及所述散热器3的封装，以完成所述硅光芯片层的制作。在本实施例中，细化上述的硅光芯片层，它也是由几层结构组成，按层来说，从半导体激光器层7至硅支撑片层6的方向，依次设氧化硅2、顶层硅1以及上述的散热器3，氧化硅2、顶层硅1以及上述的散热器3都置于正硅酸乙酯氧化硅5中，其中氧化硅2贴合半导体激光器层7，这样激光器才能将光导进硅光芯片层，接着光再射至顶层硅1中进行传输和信号处理。而对于热量的导热方向，首先激光器产生热量传至氧化硅2，然后氧化硅2再将热量传递至顶层硅1，接着顶层硅1通过正硅酸乙酯氧化硅5将热量传递至散热器3，最后散热器3贴合硅支撑片层6设置并将热量传递至硅支撑片层6，最后由硅支撑片层6将热量导出器件外。而在半导体激光器层7中，其激光器谐振腔经光震荡后通过其与氧化硅2贴合的面将激光发射出，因此需要半导体激光器层7贴合氧化硅2设置。优选的，激光器谐振腔的出射面粘贴在所述氧化硅2上，可以通过粘贴的形式将二者结合在一起。激光器还包括金属电极。优选的，对顶层硅1进行刻蚀可以定义硅波导，在工艺流程中，该刻蚀步骤也可以用来定义DFB光栅。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，在所述S1步骤中，制作所述硅光芯片层时，在所述硅光芯片层中集成氮化硅4。在本实施例中，采用硅光芯片倒装的结构后，就可以方便再其内集成氮化硅4，以用于提高表面光栅耦合器(SGCs)的效率和光谱带宽或用于制作波长解复用器。如果不倒装的话，正面贴就不方便做氮化硅4，因为贴覆需要靠近，半导体激光器要靠近硅层才可以把光导进去，如果是正面来贴此间距就不再便于贴氮化硅4，而倒装就有足够的间隔来贴氮化硅4。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，在所述S4步骤中，后续加工包括刻蚀所述半导体激光器层7堆叠和电触点。在本实施例中，最后进行的加工包括刻蚀和电触点，完成后即制备完成了该集成激光器件。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种集成激光器件，其特征在于：包括由下至上依次堆叠布设的硅支撑片层、硅光芯片层以及半导体激光器层，所述硅光芯片层集成有用于将所述半导体激光器层产生的热量散出的散热器，所述散热器贴合所述硅支撑片层设置；制作所述硅光芯片层时，在所述硅光芯片层中集成氮化硅，通过倒装的形式翻转过来并结合至所述硅支撑片层上，使得具有足够的间隔供所述氮化硅贴覆。
2.如权利要求1所述的集成激光器件，其特征在于：所述硅光芯片层还集成有氧化硅以及顶层硅，所述氧化硅、所述顶层硅以及所述散热器沿所述半导体激光器层至所述硅支撑片层的方向依次布设；所述半导体激光器层和所述顶层硅均贴合所述氧化硅设置，所述顶层硅和所述散热器之间具有间隔，且所述半导体激光器层发射的光经过所述氧化硅导至所述顶层硅。
3.如权利要求2所述的集成激光器件，其特征在于：所述硅光芯片层还包括正硅酸乙酯氧化硅，所述顶层硅和所述散热器均置于正硅酸乙酯氧化硅中，所述半导体激光器层产生的热量依次经过所述氧化硅、所述顶层硅、所述正硅酸乙酯氧化硅以及所述散热器，然后从所述硅支撑片层导出。
4.如权利要求2所述的集成激光器件，其特征在于：所述半导体激光器层包括激光器谐振腔，所述激光器谐振腔的出射面粘贴在所述氧化硅上。
5.一种集成激光器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，预先制作硅光芯片层，并在所述硅光芯片层中集成散热器；
S2，制作好所述硅光芯片层后，将所述硅光芯片层翻转倒过来并结合至硅支撑片层上；
S3，去掉所述硅光芯片层的硅衬底，将半导体激光器层堆叠在所述硅光芯片层上；
S4，对所述半导体激光器层进行后续加工以完成所述集成激光器件的制备；
制作所述硅光芯片层时，在所述硅光芯片层中集成氮化硅，通过倒装的形式翻转过来并结合至所述硅支撑片层上，使得具有足够的间隔供所述氮化硅贴覆。
6.如权利要求5所述的集成激光器件的制备方法，其特征在于，制作所述硅光芯片层时，在硅衬底上从下至上依次生长氧化硅、顶层硅以及所述散热器，所述顶层硅贴合所述氧化硅设置，所述硅光芯片层翻转倒过来并结合至硅支撑片层上，所述顶层硅和所述散热器之间具有间隔，去掉所述硅衬底，贴合半导体激光器层，且所述半导体激光器层发射的光经过所述氧化硅导至所述顶层硅。
7.如权利要求6所述的集成激光器件的制备方法，其特征在于：采用正硅酸乙酯氧化硅封装平面化工艺完成所述氧化硅、所述顶层硅以及所述散热器的封装，以完成所述硅光芯片层的制作。
8.如权利要求5所述的集成激光器件的制备方法，其特征在于：在所述S4步骤中，后续加工包括刻蚀所述半导体激光器层堆叠和电触点。
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