CN114552366A - 一种soi基单片集成半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种SOI基单片集成半导体激光器及其制作方法。该方法包括图案化SOI衬底的Si材料层，形成Si材料区；形成覆盖所述Si材料区的介质层；在所述介质层中形成开口，以便露出所述Si材料区；通过所述开口，对Si材料区进行侧向刻蚀，从而形成沿第一方向延伸的Si结构；通过所述开口，在所述Si结构的朝向所述开口的侧面上沿与所述第一方向正交的第二方向形成半导体发光材料；通过图案化所述介质层在所述半导体发光材料上形成介质层结构；以所述介质层结构为掩膜，去除露出的半导体发光材料，从而保留的半导体发光材料形成激光器的谐振腔。

Description

一种SOI基单片集成半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体而言，涉及一种SOI基单片集成 半导体激光器及其制作方法。

背景技术

光子集成电路已经成为低功耗和高速通信系统的骨干部件并且是各种应 用(例如自动驾驶、量子通信、高性能计算等)的关键性技术。当前，光子 集成电路正从芯片内光互连朝着芯片间光互联演进，甚至与硅(Si)基电子 电路集成。采取何种方案将例如Ⅲ-Ⅴ族的半导体激光器与硅实现单片集成是 目前国际上亟需解决的难点和热点问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SOI基单片集成半导体激光器及其制作方法， 以实现半导体激光器在硅上的单片集成。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明一方面提供一种SOI基单片集成半导体激光器的制作方法，包括：

图案化SOI衬底的Si材料层，形成Si材料区；

形成覆盖所述Si材料区的介质层；

在所述介质层中形成开口，以便露出所述Si材料区；

通过所述开口，对Si材料区进行侧向刻蚀，从而形成沿第一方向延伸的 Si结构；

通过所述开口，在所述Si结构的朝向所述开口的侧面上沿与所述第一方 向正交的第二方向形成半导体发光材料；

通过图案化所述介质层在所述半导体发光材料上形成介质层结构；

以所述介质层结构为掩膜，去除露出的半导体发光材料，从而保留的半 导体发光材料形成激光器的谐振腔。

在一个可选实施例中，

所述通过图案化所述介质层在所述半导体发光材料上形成介质层结构， 包括：

通过图案化所述介质层，形成沿所述第一方向延伸的介质层结构，露出 介质层结构与所述Si结构之间的半导体发光材料以及介质层结构与所述开口 之间的半导体发光材料；

所述以所述介质层结构为掩膜，去除露出的半导体发光材料，从而保留 的半导体发光材料形成激光器的谐振腔，包括：

去除介质层结构与所述Si结构之间的半导体发光材料以及介质层结构与 所述开口之间的半导体发光材料，从而被所述介质层结构掩蔽的半导体发光 材料被保留以形成所述激光器的谐振腔。

在一个可选实施例中，

所述激光器的谐振腔距所述Si结构的距离被形成为使得所述谐振腔与所 述Si结构不形成光耦合。

在一个可选实施例中，该方法还包括：

去除所述Si结构。

在一个可选实施例中，

所述在所述Si结构的朝向所述开口的侧面上沿与所述第一方面正交的第 二方向形成半导体发光材料，包括：

在所述Si结构的朝向所述开口的侧面上沿与所述第二方向依次形成第一 导电类型半导体材料、增益材料和第二导电类型半导体材料，其中所述谐振 腔包含所述增益材料。

在一个可选实施例中，

所述通过图案化所述介质层在所述半导体发光材料上形成介质层结构， 包括：

通过图案化所述介质层，形成沿所述第二方向延伸的介质层结构，露出 介质层结构两侧的半导体发光材料；

所述以所述介质层结构为掩膜，去除露出的半导体发光材料，从而保留 的半导体发光材料形成激光器的谐振腔，包括：

去除露出的半导体发光材料，从而被所述介质层结构掩蔽的半导体发光 材料被保留以形成所述激光器的谐振腔。

在一个可选实施例中，该方法还包括：

在所述激光器的谐振腔中形成光子晶体结构。

在一个可选实施例中，该方法还包括：

在所述激光器的谐振腔中形成沿谐振腔延伸方向的一维光子晶体结构。

在一个可选实施例中，

所述在所述激光器的谐振腔中形成沿谐振腔延伸方向的一维光子晶体结 构，包括：

在所述介质层结构中形成开孔，露出对应的半导体发光材料；

去除所述对应的半导体发光材料，在所述激光器谐振腔中形成空气孔。

在一个可选实施例中，

所述空气孔包括第一组空气孔和第二组空气孔，其中第一组空气孔和第 二组空气孔之间保留的半导体发光材料构成缺陷区。

在一个可选实施例中，

所述第一组空气孔包括第一子组空气孔和第二子组空气孔，其中所述第 一子组空气孔相比于第二子组空气孔更靠近所述缺陷区，并且所述第一子组 空气孔中越靠近所述缺陷区的空气孔的孔径越小，所述第二子组空气孔中的 空气孔的孔径一致；

所述第二组空气孔包括第三子组空气孔和第四子组空气孔，其中所述第 三子组空气孔相比于第四子组空气孔更靠近所述缺陷区，并且所述第三子组 空气孔中越靠近所述缺陷区的空气孔的孔径越小，所述第四子组空气孔中的 空气孔的孔径一致。

在一个可选实施例中，所述空气孔为椭圆形孔。

在一个可选实施例中，

所述谐振腔沿所述第二方向延伸；

所述半导体发光材料包括沿所述第二方向堆叠的第一导电类型半导体材 料、增益材料和第二导电类型半导体材料；

所述第一组空气孔形成在所述第一导电类型半导体材料中；

所述缺陷区由所述增益材料构成；

所述第二组空气孔形成在所述第二导电类型半导体材料中。

在一个可选实施例中，该方法还包括：

在所述空气孔中填充与所述半导体发光材料折射率不同的材料。

本发明第二方面提供一种SOI基单片集成半导体激光器，包括：

SOI衬底，包括绝缘层；

在所述绝缘层上形成的半导体激光器谐振腔。

在一个可选实施例中，该激光器还包括：在所述谐振腔中形成的光子晶 体结构。

在一个可选实施例中，所述光子晶体结构为一维光子晶体结构，包括贯 穿所述谐振腔的多个空气孔，露出所述绝缘层，其中，所述空气孔沿所述谐 振腔的延伸方向排列。

在一个可选实施例中，

所述空气孔包括第一组空气孔和第二组空气孔；

所述一维光子晶体结构还包括第一组空气孔和第二组空气孔之间的缺陷 区。

在一个可选实施例中，

所述谐振腔由第一导电类型半导体材料、增益材料和第二导电类型半导 体材料构成，其中

第一组空气孔和第二组空气孔分别形成在所述第一导电类型半导体材料 和第二导电类型半导体材料中，所述缺陷区由所述增益材料构成。

在一个可选实施例中，

所述第一组空气孔包括第一子组空气孔和第二子组空气孔，其中所述第 一子组空气孔相比于第二子组空气孔更靠近所述缺陷区，并且所述第一子组 空气孔中越靠近所述缺陷区的空气孔的孔径越小，所述第二子组空气孔中的 空气孔的孔径一致；

所述第二组空气孔包括第三子组空气孔和第四子组空气孔，其中所述第 三子组空气孔相比于第四子组空气孔更靠近所述缺陷区，并且所述第三子组 空气孔中越靠近所述缺陷区的空气孔的孔径越小，所述第四子组空气孔中的 空气孔的孔径一致。

在一个可选实施例中，所述空气孔为椭圆形孔。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的半导体激光器及其制作方法，通过在CMOS标准SOI硅层 内侧向外延半导体发光材料并在此基础上形成半导体激光器，能够实现半导 体激光器与硅的单片集成。Si单片集成便于后续实现SOI片内直接耦合输出 激光信号。本发明使的光电器件大规模单片集成成为可能，有望解决下一代 光通信芯片或量子通信芯片的关键问题，有着重要的研究价值和广泛的应用 前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出根据本发明一个实施例的SOI基单片集成半导体激光器的制作 方法的流程示意图。

图2-3、图4a-4b、图5a-5b、图6-9、图10-10b、图11、图12a-12b、图 13、图14a-14b、图15-18、图19a-19b分别示出根据本发明一个实施例的制 作方法中典型步骤对应的结构示意图，其中标号为a的示意图为立体图，标 号b的示意图为对应的立体图沿AA’线的截面图。

图20示出根据本发明一个实施例的一维光子晶体结构示意图。

图21示出根据本发明一个实施例的一维光子晶体结构的仿真光模式示意 图。以及

图22示出根据本发明一个实施例的一维光子晶体激光器的光谱图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的 说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当 理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发 明的保护范围。

本发明中所述的“在……上”、“在……上形成”和“设置在……上”可 以表示一层直接形成或设置在另一层上，也可以表示一层间接形成或设置在 另一层上，即两层之间还存在其它的层。

需要说明的是，虽然术语“第一”、“第二”等可以在此用于描述各种部 件、构件、元件、区域、层和/或部分，但是这些部件、构件、元件、区域、 层和/或部分不应受到这些术语限制。而是，这些术语用于将一个部件、构件、 元件、区域、层和/或部分与另一个相区分。因而，例如，下面讨论的第一部 件、第一构件、第一元件、第一区域、第一层和/或第一部分可以被称为第二 部件、第二构件、第二元件、第二区域、第二层和/或第二部分，而不背离本发明的教导。

在本发明中，除非另有说明，所采用的术语“同层设置”指的是两个层、 部件、构件、元件或部分可以通过相同制备工艺(例如构图工艺等)形成， 并且，这两个层、部件、构件、元件或部分一般由相同的材料形成。例如两 个或更多个功能层同层设置指的是这些同层设置的功能层可以采用相同的材 料层并利用相同制备工艺形成，从而可以简化显示基板的制备工艺。

在本发明中，除非另有说明，表述“构图工艺”一般包括电子胶的涂布、 曝光、显影、刻蚀、光刻胶的剥离等步骤。表述“一次构图工艺”意指使用 一块掩膜板形成图案化的层、部件、构件等的工艺。

本发明提供一种SOI基单片集成半导体激光器的制作方法，如图1所示， 包括：

S11、图案化SOI衬底的Si材料层，形成Si材料区。

在一个具体示例中，提供SOI衬底。例如，所用的SOI晶圆为满足工业 标准下6寸的未掺杂或p型轻掺杂(掺杂浓度C≤10¹⁴cm^-3)的晶圆。本领域 技术人员能够理解，晶圆尺寸可根据光刻机需求和使用需求进行调整。

就目前市面上可售的SOI衬底而言，存在两种SOI衬底结构，一种是包 括绝缘层100和绝缘层上的Si材料层101，如图2所示；另一种包括Si材料 层-绝缘层-Si材料层这样的三明治结构。

在一个具体示例中，在SOI晶圆的Si材料层101表面利用PECVD生长 200纳米厚的二氧化硅。

接着，利用构图工艺对二氧化硅进行图案化，并借助图案化的二氧化硅 作为硬掩膜，图案化Si材料层101，得到Si材料区104，如图3所示。

仍如图3所示，可以一次性的形成多个Si材料区104，这样可以在同一 个SOI衬底上制作多个半导体激光器。

另外，尽管图中示出的Si材料区为块状，然而，本领域技术人员能够理 解，本发明并不限于此，可根据后续所需要的半导体发光材料侧向外延面积 进行调整。在一个具体示例中，Si材料区104在x方向上的长度为10～20微 米。

S12、形成覆盖所述Si材料区的介质层。

在一个具体示例中，通过沉积工艺在Si材料区上覆盖SiO₂材料，如图 4a和图4b所示。

需要说明的是，图4a仅示出1个Si材料区104，后续的工艺步骤针对该 Si材料区104进行说明。然而，本领域技术人员能够理解，后续的工艺步骤 也同样适用于图3中的其它Si材料区。

另外，如图所示，介质层106示出为仅仅覆盖了Si材料区104，并没有 覆盖露出的绝缘层100。然而，在实际工艺中，类似于S100步骤，可以利用 PECVD生长200nm二氧化硅，既覆盖Si材料区，也覆盖露出的绝缘层100。 当然，在生长工艺后，可以对介质层进行构图工艺，就可以形成如图4a和图4b所示的结构。

需要说明的是，为了便于理解，图4a为立体透视图。例如尽管实际工艺 中覆盖了介质层106，但从图中仍能看到被覆盖的Si材料区104。

在一个示例中，由于商用的SOI晶圆上Si材料层101较厚，为此，在沉 积二氧化硅之前，可以将Si材料层减薄至700nm或以下。例如通过LPCVD 热氧化使得Si材料层101的表面形成氧化层进而通过RIE干法刻蚀工艺或湿 法刻蚀工艺(例如BOE溶液)将形成的氧化层去除从而使得剩余的Si材料层 厚度减薄到700纳米或以下。减薄的目的是保证后续制作激光器在垂直方向 上能进行光场限制。

例如，可以使用椭偏仪检测氧化层厚度，进而反推剩余的Si材料层厚度。

S13、在所述介质层中形成开口，以便露出所述Si材料区。

在一个具体示例中，例如通过图案化工艺在介质层106的边缘形成开口 (窗口)108，露出下方的Si材料区104，如图5a和图5b所示。

在一个具体示例中，开口108沿y方向的宽度为1微米。

S14、通过所述开口，对Si材料区进行侧向刻蚀，从而形成沿第一方向 延伸的Si结构。

在一个具体示例中，利用湿法刻蚀工艺沿Si(111)晶向对Si材料区104 进行刻蚀，留下远离开口108的沿x方向延伸的Si材料109，Si材料109在 朝向开口108的y方向上露出(111)晶面，如图6和图7所示。

通过控制湿法刻蚀工艺的刻蚀时间，保证(111)晶向的籽晶硅剩余，用 于后续半导体发光材料外延的籽晶。在图6所示的y方向上，剩余籽晶硅宽 度为10微米至15微米。

S15、通过所述开口，在所述Si结构的朝向所述开口的侧面上沿与所述 第一方面正交的第二方向外延半导体发光材料。

在一个示例中，沿(111)晶向利用MOCVD通过开口108在y方向上侧 向外延生长半导体发光材料。

充分利用MOCVD设备的有机金属前驱体的扩散特性，能够通过开口108 侧向生长宽度(y方向)和长度(x方向)可调的III-V材料结构。外延方法 具体可参见学术文章:Yan,Z.,Han,Y.,Lin,L.,Xue,Y.,Ma,C.,Ng,W.K.,...& Lau,K.M.(2021).A monolithic InP/SOI platform for integrated photonics.Light: Science&Applications,10(1),1-10.InGaAs/InP多层量子阱(MQW)的III-V材 料结构。

如图8和图9所示的示例中，半导体发光材料可以包括在(111)晶面上 依次生长的第一导电类型半导体材料110、增益材料111以及第二导电类型半 导体材料112。

例如，在制作光通信波段的半导体激光器的示例中，第一导电类型半导 体材料为P型InP材料，第二导电类型材料为N型InP材料，增益材料111 为InGaAs量子阱材料或量子点材料。

然而，本发明不限于此，上述半导体发光材料也可以为体材料，例如体 InP材料。

在一个具体示例中，整个半导体发光材料在y方向的宽度约为7微米， 而增益材料在y方向的宽度约为1微米。

S16、通过图案化所述介质层在所述半导体发光材料上形成介质层结构。

在一个具体示例中，如图10a和图10b所示，对介质层106进行图案化， 得到介质层结构113。在该示例中，介质层结构113沿x方向延伸，即平行于 Si结构109的延长方向。

具体地，在一个具体示例中，对于介质层106图案化的方法进一步包括：

S160、在介质层106上形成光刻胶层。

例如通过旋涂工艺在介质层上形成光刻胶层。

由于覆盖Si材料区104的介质层106和覆盖绝缘层的介质层(在绝缘层 上的介质层被去除的情况下是和绝缘层)之间存在高度差，使得旋涂难度过 大。

因此，在本申请的一个优选示例中，可以在旋涂光刻胶前使用六甲基二 硅胺(HMDS)作为增粘剂旋涂在表面。在一个具体示例中，匀胶机转数设 定可为1500转/30秒，旋涂完成后在100℃的条件下前烘30秒，确保HMDS 溶剂挥发，所有操作均在通风橱内进行。

S162、对光刻胶层进行图案化。

例如，使用负性光刻胶，留下的光刻胶作为后续形成介质层结构的掩膜。

S164、利用图案化的光刻胶层作掩膜，对介质层106进行刻蚀，形成如 图10a所示的介质层结构113。

在一个具体示例中，使用RIE刻蚀介质层106。在另一个示例中也可使 用ICP-RIE来进行刻蚀。

S166、去除剩余的光刻胶层。

例如使用Asher氧离子清洗机去除光刻胶。

在存在例如InGaAs量子阱的增益材料111的示例中，留下的介质层结构 113在衬底的投影可以与增益材料111在衬底的投影对准，露出两侧的P型InP 材料110和N型InP材料112，如图10a所示。

另一方面，在半导体发光材料为例如体InP材料的情况下，留下的介质 结构距Si结构109的距离可以以后续形成的谐振腔与Si结构109不产生光学 耦合为标准。当然，若后续形成谐振腔后，去掉Si结构109的话，则不必考 虑此因素。

在另一个具体示例中，如图11所示，对介质层106进行图案化，得到介 质层结构113。在该示例中，介质层结构113沿y方向延伸，即与半导体发光 材料外延生长的方向相同。

S17、以所述介质层结构为掩膜，去除露出的半导体发光材料，从而保留 的半导体发光材料形成激光器的谐振腔。

继续图10a所示的示例，去除两侧的P型InP材料110和N型InP材料 112后，得到如图12a和12b所示的结构。剩余的增益材料111构成谐振腔。 谐振腔的腔长方向(延伸方向)即x方向，与Si结构的延伸方向一致。

需要说明的是，在x方向上去除多少半导体发光材料，取决于需要制作 多长的谐振腔，从而在S16步骤中在x方向上留下对应长度的介质层结构。

在另一个具体示例中，继续图11所示的示例，去除介质层结构113两侧 的半导体发光材料，得到的结构如图13所示。谐振腔的腔长方向(延伸方向) 即y方向，与半导体发光器件外延生长的方向一致，即与Si结构的延伸方向 正交。

以上两个实施例示出了分别沿x方向和y方向的法布里-珀罗腔的情况， 但本发明不限于此，谐振腔的腔长方向可以是衬底面面内的任意方向，例如 与x方向呈非90度的角度。

另外，根据本发明上述方法制作的谐振腔不限于法布里-珀罗腔，其可以 是微盘结构、微环结构等，只需要在步骤S16中形成的介质层结构是对应的 形状即可。

本发明通过在SOI衬底的Si材料上侧向外延生长半导体发光材料，例如 增益材料，并在此基础上形成半导体激光器(该半导体激光器形成在SOI衬 底的平面内而非垂直于衬底的方向上)，能够实现半导体激光器与硅的单片集 成。Si单片集成便于后续实现SOI片内直接耦合输出激光信号。

在上述结构基础上，为了得到更高的Q值和单模，本发明还进一步实现 了光子晶体结构。

因此，本发明的方法进一步包括：

S18、在介质层结构中形成开孔，露出对应的半导体发光材料。

继续图12a的示例，在介质层结构113中形成开孔114，如图14a所示。 在图14a中所示，开孔为一排，沿谐振腔的腔体方向(x方向)，露出下方的 半导体发光材料(在该示例中为增益材料111)，如图14b所示。后续借助这 样的开孔，可以形成一维光子晶体结构。

然而，本发明不限于此，可以在介质层113中形成阵列排布的开孔(多 排)，后续借助这样的开孔，可以形成二维光子晶体结构。

步骤S18可以在形成介质层结构后进行，也可以与步骤S16同时完成， 也就是说，在图案化介质层形成介质层结构113同时形成开孔114。

在另一个具体示例中，继续图13的示例，在介质层结构113中形成开孔 114，如图15所示。在图15中所示，开孔为一排，沿谐振腔的腔体方向(y 方向)，露出下方的半导体发光材料。后续借助这样的开孔，可以形成一维光 子晶体结构。

S19、去除开孔对应的半导体发光材料，在激光器谐振腔中形成空气孔。

继续图14b所示的示例，去除开孔114下方的半导体发光材料111，形成 空气孔115，露出下方的绝缘层100，从而形成一维光子晶体微腔激光器，如 图16所示。

由于一维光子晶体微腔相对传统半导体激光腔体尺寸更小，其加工难度 较后者更高。因此，在一个具体示例中，通过电子束曝光图形化、通过RIE 和ICP-RIE的刻蚀工艺将微腔版图设计转移到半导体发光材料中。

在一个具体示例中，本发明采用旋涂200纳米左右的Zep520电子胶。然 而，本领域技术人员能够理解，电子胶可以根据后续电子束曝光(EBL)需 求和后续刻蚀需求选择。

使用电子束曝光(EBL)将掩模上的图案通过曝光、显影转移到电子胶 上。

电子束曝光机的剂量选择根据机型和电子胶的种类进行调整，曝光完毕 后显影液的配比和显影时间根据具体情况进行调整，所有操作优选均在黄光 间内进行。

在一个示例中，在使用RIE刻蚀时需保证刻穿，并且不能过刻。可用聚 焦离子束(FIB)侧面切割，旋转52°进行截面观测。具体刻蚀时间和刻蚀配 方不唯一，与电子胶的选择比有关。在另一个示例中也可使用ICP-RIE来进 行刻蚀。

这里最主要的是保证干法刻蚀后的腔体侧壁足够光滑且垂直，因此，优 选地，空气孔115的垂直度满足≥85°，这样光子晶体空气孔孔径符合仿真标 准。

去除剩余的电子胶层。例如使用Asher氧离子清洗机去除电子胶。

步骤S19可以与上述步骤S17同时完成，即利用电子束曝光图案化电子 胶层，并利用图案化的电子胶层做掩模，去除介质层结构以外的半导体发光 材料的同时也去除开孔114下方的半导体发光材料111。

S20、去除谐振腔上的介质层结构，得到光子晶体激光器。

在一个具体示例中，使用RIE去除介质层结构113。

在另一个具体示例中，使用BOE溶液去除介质层结构113。

如图17所示，在沿谐振腔的腔长方向(x方向)形成一维光子晶体结构， 包括多个空气孔115。

如图18所示，在沿谐振腔的腔长方向(y方向)形成一维光子晶体结构， 包括多个空气孔115。

虽然上述分别以沿x方向和沿y方向的谐振腔中形成光子晶体为例，然 而本发明不限于此。在前述形成微盘结构、微环结构或其他形状的激光器腔 体的示例中，也可以形成光子晶体结构，无论是一维还是二维。

在一个优选示例中，例如在需要单模的光通信激光器中，形成的光子晶 体结构除了空气孔外，还可以包括缺陷区116，如图17和图18中的两组空气 孔之间的未被刻蚀的半导体发光材料构成。

在图18中所示的实施例中，优选地，空气孔仅形成在增益材料111两侧 的P型半导体材料110和N型半导体材料112中。而缺陷区116则是由增益 材料(例如多量子阱结构)构成，因此，一维光子晶体的空气孔洞不穿过量 子阱，减少对增益介质破坏。相比而言，图17所示的结构中空气孔洞穿过增 益介质，非辐射表面复合率上升，致使增益下降。

在一个可选示例中，还可以在空气孔中形成不同于上述半导体发光材料 折射率的填充物。

在沿谐振腔的腔长方向(x方向)形成一维光子晶体结构的示例中(图 17)，介质层结构113可以不去除。由于其折射率与生长的半导体材料例如 III-V族材料差距较大且与空气折射系数相近，因此不会影响激射光的漏光输 出。进一步，可以将剩余的全部介质层去除，并且将Si结构109也去除，得 到如图19a图19b所示的激光器，即在SOI衬底的绝缘层100上形成了单片 集成的半导体激光器，特别是光子晶体半导体激光器。这样的半导体激光器 可以使用光进行泵浦。

在沿谐振腔的腔长方向(y方向)形成一维光子晶体结构的示例中，如图 18所示的结构中，类似地，介质层结构113可以不去除。进一步，可以将剩 余的全部介质层去除，并且将Si结构109也去除，这样的结构也可以使用光 进行泵浦。

接下来，在一个优选示例中，对光子晶体结构进行优化，以实现更高的 Q值和单模行。

具体地，空气孔115被形成为包括第一组空气孔1150和第二组空气孔 1155，缺陷区116介于第一组空气孔1150和第二组空气孔1155之间，如图 20所示。

在一个优选实施例中，第一组空气孔1150被形成为包括第一子组空气孔 11500和第二子组空气孔11502，其中第一子组空气孔11500相比于第二子组 空气孔11502更靠近缺陷区116，并且第一子组空气孔中越靠近缺陷区116的 空气孔的孔径越小，第二子组空气孔中的空气孔的孔径一致。

类似地，第二组空气孔1155被形成为包括第三子组空气孔11550和第四 子组空气孔11552，其中第三子组空气孔11550相比于第四子组空气孔11552 更靠近缺陷区116，并且第三子组空气孔中越靠近缺陷区116的空气孔的孔径 越小，第四子组空气孔中的空气孔的孔径一致。

上述结构中第二子组空气孔和第四子组空气孔的等孔径的空气孔充到反 射镜的功能，而第一子组空气孔和第四子组空气孔中渐变孔径的空气孔使得 腔体内中产生的激光在谐振腔腔长方向上被很好的限制在缺陷区位置谐振， 如图21所示的仿真结果所示。

进一步，如前所述，由于在垂直于衬底的方向(也即与x/y方向垂直的z 方向)上，下方是绝缘层，上方无论是否存在上方的介质层(在不存在介质 层时上方为空气)，其在z方向上大部分激光都是由光密介质到光疏介质，从 而形成全反射，在z方向上激光被限制而谐振，从而能得到更高的Q值。

另外，在另一个优选实施例中，空气孔被设计为椭圆形，相比于其它形 状，在实现了宽带宽、色散平坦、单模单偏振的运用的同时,消除了因高度对 称性，带来的能级简并,得到真正意义上的光子带隙。

在一个实际的应用场景中，以实现增益波长在约1550纳米的激光器为例， 在这个示例中，使用InGaAs多层量子阱(MQW)材料作为增益材料，光子 晶体的第一禁带应包含在InGaAs MQW的增益区间内。

激光器设计的出射激光为1550nm，第一组空气孔和第二组空气孔中相邻 空气孔中的节距小于1微米，孔径小于1微米，Q值可达上百万。

上述实施例的光子晶体结构采用一维光子晶体结构，更优选地，采用一 维缺陷型光子晶体结构，在单根纳米梁上实现高Q值微腔，并能实现室温下 光泵浦激射。本发明使的光电器件大规模单片集成成为可能，有望解决下一 代光通信芯片或量子通信芯片的关键问题，有着重要的研究价值和广泛的应 用前景。

上述示例采用InGaAs量子阱材料，可以覆盖大部分通讯波段。然而，但 本发明并不限于此，本发明所提供的方法和结构同样适用于其它增益材料。

在制作完成后，对所获得的微腔激光器进行表征。

图22示出了根据本发明的激光器的光谱图，从图中可以看出，激光出射 主波长为1550nm，单模性很好。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而 并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上 述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的 实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化 或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (21)

1.一种SOI基单片集成半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括：

图案化SOI衬底的Si材料层，形成Si材料区；

形成覆盖所述Si材料区的介质层；

在所述介质层中形成开口，以便露出所述Si材料区；

通过所述开口，对Si材料区进行侧向刻蚀，从而形成沿第一方向延伸的Si结构；

通过所述开口，在所述Si结构的朝向所述开口的侧面上沿与所述第一方向正交的第二方向形成半导体发光材料；

通过图案化所述介质层在所述半导体发光材料上形成介质层结构；

以所述介质层结构为掩膜，去除露出的半导体发光材料，从而保留的半导体发光材料形成激光器的谐振腔。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述通过图案化所述介质层在所述半导体发光材料上形成介质层结构，包括：

通过图案化所述介质层，形成沿所述第一方向延伸的介质层结构，露出介质层结构与所述Si结构之间的半导体发光材料以及介质层结构与所述开口之间的半导体发光材料；

所述以所述介质层结构为掩膜，去除露出的半导体发光材料，从而保留的半导体发光材料形成激光器的谐振腔，包括：

去除介质层结构与所述Si结构之间的半导体发光材料以及介质层结构与所述开口之间的半导体发光材料，从而被所述介质层结构掩蔽的半导体发光材料被保留以形成所述激光器的谐振腔。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述激光器的谐振腔距所述Si结构的距离被形成为使得所述谐振腔与所述Si结构不形成光耦合。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

去除所述Si结构。

5.根据权利要求2所述的方法，所述在所述Si结构的朝向所述开口的侧面上沿与所述第一方面正交的第二方向形成半导体发光材料，包括：

在所述Si结构的朝向所述开口的侧面上沿与所述第二方向依次形成第一导电类型半导体材料、增益材料和第二导电类型半导体材料，其中所述谐振腔包含所述增益材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述通过图案化所述介质层在所述半导体发光材料上形成介质层结构，包括：

通过图案化所述介质层，形成沿所述第二方向延伸的介质层结构，露出介质层结构两侧的半导体发光材料；

所述以所述介质层结构为掩膜，去除露出的半导体发光材料，从而保留的半导体发光材料形成激光器的谐振腔，包括：

去除露出的半导体发光材料，从而被所述介质层结构掩蔽的半导体发光材料被保留以形成所述激光器的谐振腔。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述激光器的谐振腔中形成光子晶体结构。

8.根据权利要求2或6所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述激光器的谐振腔中形成沿谐振腔延伸方向的一维光子晶体结构。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述激光器的谐振腔中形成沿谐振腔延伸方向的一维光子晶体结构，包括：

在所述介质层结构中形成开孔，露出对应的半导体发光材料；

去除所述对应的半导体发光材料，在所述激光器谐振腔中形成空气孔。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述空气孔包括第一组空气孔和第二组空气孔，其中第一组空气孔和第二组空气孔之间保留的半导体发光材料构成光子晶体缺陷区。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述第一组空气孔包括第一子组空气孔和第二子组空气孔，其中所述第一子组空气孔相比于第二子组空气孔更靠近所述缺陷区，并且所述第一子组空气孔中越靠近所述缺陷区的空气孔的孔径越小，所述第二子组空气孔中的空气孔的孔径一致；

所述第二组空气孔包括第三子组空气孔和第四子组空气孔，其中所述第三子组空气孔相比于第四子组空气孔更靠近所述缺陷区，并且所述第三子组空气孔中越靠近所述缺陷区的空气孔的孔径越小，所述第四子组空气孔中的空气孔的孔径一致。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，

所述空气孔为椭圆形孔。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，

所述谐振腔沿所述第二方向延伸；

所述半导体发光材料包括沿所述第二方向堆叠的第一导电类型半导体材料、增益材料和第二导电类型半导体材料；

所述第一组空气孔形成在所述第一导电类型半导体材料中；

所述缺陷区由所述增益材料构成；

所述第二组空气孔形成在所述第二导电类型半导体材料中。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述空气孔中填充与所述半导体发光材料折射率不同的材料。

15.一种SOI基单片集成半导体激光器，其特征在于，包括：

SOI衬底，包括绝缘层；

在所述绝缘层上形成的半导体激光器谐振腔。

16.根据权利要求15所述的半导体激光器，其特征在于，还包括：

在所述谐振腔中形成的光子晶体结构。

17.根据权利要求16所述的半导体激光器，其特征在于，

所述光子晶体结构为一维光子晶体结构，包括贯穿所述谐振腔的多个空气孔，露出所述绝缘层，其中，所述空气孔沿所述谐振腔的延伸方向排列。

18.根据权利要求17所述的半导体激光器，其特征在于，

所述空气孔包括第一组空气孔和第二组空气孔；

所述一维光子晶体结构还包括第一组空气孔和第二组空气孔之间的缺陷区。

19.根据权利要求18所述的半导体激光器，其特征在于，

所述谐振腔由第一导电类型半导体材料、增益材料和第二导电类型半导体材料构成，其中

第一组空气孔和第二组空气孔分别形成在所述第一导电类型半导体材料和第二导电类型半导体材料中，所述缺陷区由所述增益材料构成。

20.根据权利要求18所述的半导体激光器，其特征在于，

所述第一组空气孔包括第一子组空气孔和第二子组空气孔，其中所述第一子组空气孔相比于第二子组空气孔更靠近所述缺陷区，并且所述第一子组空气孔中越靠近所述缺陷区的空气孔的孔径越小，所述第二子组空气孔中的空气孔的孔径一致；

所述第二组空气孔包括第三子组空气孔和第四子组空气孔，其中所述第三子组空气孔相比于第四子组空气孔更靠近所述缺陷区，并且所述第三子组空气孔中越靠近所述缺陷区的空气孔的孔径越小，所述第四子组空气孔中的空气孔的孔径一致。

21.根据权利要求20所述的半导体激光器，其特征在于，

所述空气孔为椭圆形孔。

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