CN208923553U - 一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其不同之处在于：其包括基底，用于承载功能器件及电流注入，所述基底包括由下至上依次设置的下金属层、衬底材料层、绝缘层、上金属层；直波导互连腔，用于形成激光振荡，所述直波导互连腔设于衬底材料层上，其包括四个直角互连的长条形直波导腔体分段，相邻两个直波导腔体分段接合处外侧面设有全反射镜面，其中一对相互平行的直波导腔体分段上各分布有一段周期微槽；输出波导段；隔离微槽。本实用新型可实现单模激射和波长调谐，设计灵活、成本较低。

Description

一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置

技术领域

本实用新型涉及光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置。

背景技术

硅基半导体制造线宽已经达到1nm，其发展已接近物理极限，尤其在电互连方面。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。光电子集成将成为工业界极为重视的关键技术。光电子集成目前主要集中在四种体系下，分别为III-V族体系，铌酸锂体系，二氧化硅体系及硅基体系。各有优缺点。 前三者发展较早，应用较多，但不能与CMOS大规模集成标准工艺兼容，使之与微电子集成受限，硅基集成可与CMOS工艺兼容，但目前硅基激光器还没有更好的方法来解决。通常光源采取的手段是通过III-V族实现发光，再通过消逝场或者模斑匹配耦合到硅基波导中。

III-V材料由于绝大部分为直接带隙材料，具有高的辐射跃迁速率，非常适合做发光材料，尤其是量子阱和量子点结构，可实现人工剪裁半导体材料，大幅度提高器件性能。通常的激光器结构包括FP直腔结构，分布反馈(DFB)结构，分布反射（DBR）结构，环形腔结构及各种微腔结构。这些结构既可作独立器件使用，也可作面上集成光源使用。尤其是环形腔和微腔比较普遍。但这些结构自身特点，限制了其体积和功率。比如环形腔，由于弯曲半径的限制，使之在小半径下损耗很大，无法激射。微腔利用回音壁模式工作，功率很小，难于探测。对于波长可调谐的方法，一般通过多段亚波长光栅结构，利用温度或者电流注入，来实现驻波改变，从而改变波长，但加工难度大，工艺极其复杂。对于环状结构，一般通过温度改变环半径或者折射率实现波长调谐，而此类激光器往往不能单模和功率特性兼得。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，可实现单模激射和波长调谐，设计灵活、成本较低。

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其不同之处在于：其包括基底，用于承载功能器件及电流注入，所述基底包括由下至上依次设置的下金属层、衬底材料层、绝缘层、上金属层；直波导互连腔，用于形成激光振荡，所述直波导互连腔设于衬底材料层上，其包括四个直角互连的长条形直波导腔体分段，相邻两个直波导腔体分段接合处外侧面设有全反射镜面，其中一对相互平行的直波导腔体分段上各分布有一段周期微槽；输出波导段，所述输出波导段设于衬底材料层上且其一端连接于其中一个直波导腔体分段的端部；隔离微槽，所述隔离微槽位于光源装置表面，由直波导腔体分段表面沿水平方向延伸至基底边缘，将光源装置表层一分为二。

按以上方案，所述全反射镜面与直波导腔体分段的角度为135度。

按以上方案，所述直波导互连腔包括由下至上依次设置的下盖层、有源层、上盖层、上接触层，其中，所述下盖层设于衬底材料层上端面。

按以上方案，所述直波导互连腔的外表面除上端面外均由内至外覆盖有绝缘层和上金属层；直波导互连腔的上接触层覆盖有上金属层用于电流注入。

按以上方案，所述直波导腔体分段的长度可改变用于调整输出功率，所述下盖层及有源层的组分和厚度控制出光到输出波导段的比例。

按以上方案，所述隔离微槽中无上金属层及上接触层。

按以上方案，所述隔离微槽所处的直波导腔体分段与所述周期微槽所处的直波导腔体分段不同。

按以上方案，所述两段周期微槽的长度相等，且两段周期微槽的微槽个数相差一个。

按以上方案，所述输出波导段包括设于衬底材料层上的波导芯区和覆盖于波导芯区外表面的绝缘层。

按以上方案，所述波导芯区的折射率高于衬底材料层的折射率。

由上述方案，本实用新型中的基底用于承载功能器件及电流注入，直波导互连腔用于形成激光振荡且直波导互连腔中光束传输通过直波导分段腔体和使光束90度弯折的全反射镜面实现，理论损耗很小；直波导分段腔体长度可调节用于改变输出功率；相互平行的两段直波导分段腔体上分布有周期微槽，实现单纵模选择和波长调谐，波长调谐是通过双边周期微结构（周期微槽）的游标卡尺效应实现；输出波导段采用端面尺寸变化实现且易于与硅基器件集成；表面设有隔离微槽，槽中均没有上金属层及上接触层，从而使得被分开的两个部分可以单独实现电流注入。本实用新型既可实现低损耗环路振荡，又可实现可控光功率输出和可调谐波长输出，是一种可调谐波长面上光源装置，该光源可与硅基波导利用消逝场耦合集成；其中所有结构可通过微米级工艺就可实现单模激射和波长调谐，成本较低。

附图说明

图1为本实用新型实施例整体结构示意图；

图2为图1中X剖面结构示意图；

图3为图1中Y剖面结构示意图；

其中：1-基底（101-下金属层、102-衬底材料层、103-绝缘层、104-上金属层）、2-直波导互连腔（201-直波导腔体分段、202-全反射镜面、203-周期微槽、204-下盖层、205-有源层、206-上盖层、207-上接触层）、3-输出波导段（301-波导芯区）、4-隔离微槽。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在下文中，将参考附图来更好地理解本实用新型的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本实用新型的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本实用新型。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的实用新型有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、实用新型内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的实用新型构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1至图3，本实用新型为一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其包括：用于承载功能器件及电流注入的基底1、用于形成激光振荡的直波导互连腔2、用于输出波导的输出波导段3；用于将装置表面分开成两个部分，使其可以单独实现电流注入的隔离微槽4。

请参阅图1，所述基底1包括由下至上依次设置的下金属层101、衬底材料层102、绝缘层103、上金属层104；

本实用新型实施例中，下金属层101由金锗镍/金(N型接触)或者钛金(P型接触)构成；对于金锗镍结构，一般锗镍重量比为5%左右，厚度为50nm，金厚度为300nm以上，一般用热蒸发或者电子束蒸发而成；对于钛金结构，钛层厚度一般为50～100nm，金层厚度一般为300～1000nm，通过采用蒸发或者磁控溅射而成；

衬底材料层102由N型或P型GaAs或者InP材料构成，其晶向为（100）方向，有利于直波导斜面接口镜面的形成；衬底层厚度一般为100～200微米厚；

绝缘层103为二氧化硅或者氮化硅材料，厚度为200～300nm；

上金属层104由金锗镍/金(N型接触)或者钛金(P型接触)构成；与下金属层101类似，根据N，P接触而定。

图2示出了图1中X剖面结构，结合图1和图2，所述直波导互连腔2设于衬底材料层102上，其包括四个直角互连的长条形直波导腔体分段201，相邻两个直波导腔体分段201接合处外侧面设有全反射镜面202，其中相互平行的一对直波导腔体分段201上排布有周期微槽203；全反射镜面202与直波导腔体分段201的角度为135度，光波在此处可实现全反射；请参阅图2，直波导互连腔2包括由下至上依次设置的下盖层204、有源层205、上盖层206、上接触层207，其中，所述下盖层204设于衬底材料层102上端面；直波导互连腔2外表面除上端面外由内至外覆盖有绝缘层103和上金属层104，直波导互连腔2的上接触层207与上金属层104直接接触形成欧姆接触，用于电流注入；直波导腔体分段201宽度在微米到毫米量级，长度在微米到厘米量级，直波导腔体分段201的长度可改变用于调整输出功率；该直波导互连腔2其中一对相互平行的直波导腔体分段201上分布着周期微槽203，周期微槽深入波导1～2个微米，周期微槽宽度在1微米左右，周期大约3～10微米，在直波导腔体分段201上的排布可改变用于调控纵模波长，可由其选择纵模，实现单纵模激射；两段周期微槽的个数相差为1个，但总长度相等，二者结合可利用游标卡尺效应实现波长调谐。

本实用新型实施例中，下盖层204不是常规的InP或者GaAs材料，而是InAlGaAs、InGaAsP或者InGaP材料，具有比常规的InP或者GaAs较高的折射率，折射率比衬底材料层102高0.2以上，以实现对光更好的限制，典型厚度在1.5微米，掺杂浓度典型值为10¹⁸/cm³；

有源层205为InGaAs/AlGaAs，InAlGaAs/InGaAsP量子阱或者量子点材料；量子阱的个数为1～10个，每个量子阱结构包括阱和磊，厚度大约5～10nm，其中一般不故意掺杂；量子点层个数为一个以上，采用MOCVD技术生长，发光波长大于0.8微米；

上盖层206为常规的InP或者GaAs材料，掺杂采用渐变方式，对于N型区掺杂浓度在10¹⁷～10¹⁸/cm³，对于P型区掺杂浓度在10¹⁷～10¹⁸/cm³左右；

上接触层207重掺杂InGaAs或者GaAs材料，掺杂浓度10¹⁹/cm³以上。

图3示出了图1中Y剖面结构，结合图1和图3，输出波导段3采用端面尺寸变化实现，所述输出波导段3设于衬底材料层102上且其一端连接于其中一个直波导腔体分段201的端部，通过对直波导互连腔2中下盖层204、有源层205的组分和厚度设计，实现对出光到输出波导段3中比例的控制，输出波导段3可直接与硅基波导通过键合及模斑匹配耦合，输出波导段3包括设于衬底材料层102上的波导芯区301和覆盖于波导芯区301外表面的绝缘层103，输出波导段3外表面不覆盖上金属层104；波导芯区301的折射率高于衬底材料层102的折射率，可保证光在此波导芯区301传输；本实用新型实施例中，波导芯区301由InAl GaAs、InGaAsP或者InGaP材料构成，折射率比衬底材料层102高0.2以上。隔离微槽4将整个光源装置从基底到直波导互连腔的表层一分为二，槽中均没有上金属层和上接触层，从而使得被分开的两个部分可以单独实现电流注入。

本实用新型实施例的制作方法，其具体步骤为：

步骤1）、定制激光器外延片，外延片是指在所述衬底材料层之上，通过MOCVD或者MBE生长手段，依次向上生长形成的所述下盖层、有源层、上盖层和上接触层，器件就是基于此外延片加工制作的；

步骤2）、在激光器外延片的上表面通过干法刻蚀直波导互连腔2、周期微槽203及输出波导段3；

步骤3）、对干法刻蚀过的外延片进行光刻胶保护，只露出四个135度的接合处，通过湿法选择性腐蚀形成光滑的全反射镜面202；

步骤4）、全结构覆盖二氧化硅或者氮化硅；

步骤5）、去掉覆盖在直波导互连腔2顶端的二氧化硅或者氮化硅，露出上接触层207，制作电极窗口；

步骤6）、在直波导互连腔2顶端覆盖金属形成上金属层104；

步骤7）在上金属层104上光刻、刻蚀形成隔离微槽4，使得被隔离的两部分可实现单独的电流注入；

步骤8）、减薄衬底材料层102，并在衬底材料层102底部生长金属制作下金属层101；

步骤9）、上述步骤形成晶片，在氮气保护下施加高温并进行合金；然后将获得的晶片分割成小块器件管芯，即进行解理；

步骤10）、然后再测试每颗激光芯片性能。测试时对隔离的两部分分别接两个电流源正极，共用电流源负极，不同的电流组合，形成不同的激射波长，从而实现波长可调谐。

本实用新型实施例的优点为：

1）本实用新型适用于光子集成芯片的面上光源部分；基底1用于承载功能器件及电流注入；直波导互连腔2用于形成激光振荡，光束90度弯折采用镜面全反射方式实现，直波导互连腔2传输部分主要是直波导和全反射弯折，理论损耗很小，相互平行的一对直波导腔体分段201上分布双边周期微槽203可实现纵模的控制，该光源装置设计灵活，可通过改变直波导腔体分段201长度来改变输出功率，通过双边周期微结构（周期微槽）的游标卡尺效应实现波长调谐；输出波导段3采用端面尺寸变化实现；该光源装置表面设有隔离微槽，其沿着水平方向，将整个器件从基底到波导，一分为二，槽中均没有上金属层及上接触层，从而使得被分开的两个部分可以单独实现电流注入。

2）本实用新型实施例整个制作过程中，不需要电子束、全息曝光及二次外延等技术；而且电极制作简单，不需要特殊的电极制作，在特殊需要下，也可通过增加曝光次数和剥离工艺，制作不同材料的N型和P型电极；利用廉价的标准半导体工艺加工，适于大批量生产。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：其包括

基底，用于承载功能器件及电流注入，所述基底包括由下至上依次设置的下金属层、衬底材料层、绝缘层、上金属层；

直波导互连腔，用于形成激光振荡，所述直波导互连腔设于衬底材料层上，其包括四个直角互连的长条形直波导腔体分段，相邻两个直波导腔体分段接合处外侧面设有全反射镜面，其中一对相互平行的直波导腔体分段上各分布有一段周期微槽；

输出波导段，所述输出波导段设于衬底材料层上且其一端连接于其中一个直波导腔体分段的端部；

隔离微槽，所述隔离微槽位于光源装置表面，由直波导腔体分段表面沿水平方向延伸至基底边缘，将光源装置表层一分为二。

2.根据权利要求1所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述全反射镜面与直波导腔体分段的角度为135度。

3.根据权利要求1所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述直波导互连腔包括由下至上依次设置的下盖层、有源层、上盖层、上接触层，其中，所述下盖层设于衬底材料层上端面。

4.根据权利要求3所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述直波导互连腔的外表面除上端面外均由内至外覆盖有绝缘层和上金属层；直波导互连腔的上接触层覆盖有上金属层用于电流注入。

5.根据权利要求4所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述直波导腔体分段的长度可改变用于调整输出功率，所述下盖层及有源层的组分和厚度控制出光到输出波导段的比例。

6.根据权利要求3所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述隔离微槽中无上金属层及上接触层。

7.根据权利要求6所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述隔离微槽所处的直波导腔体分段与所述周期微槽所处的直波导腔体分段不同。

8.根据权利要求1所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述两段周期微槽的长度相等，且两段周期微槽的微槽个数相差一个。

9.根据权利要求1所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述输出波导段包括设于衬底材料层上的波导芯区和覆盖于波导芯区外表面的绝缘层。

10.根据权利要求9所述的基于直波导全反射耦合连接的微结构面上光源装置，其特征在于：所述波导芯区的折射率高于衬底材料层的折射率。