DE102022100529A1 - Begrenzungsmerkmale zum Modenformen von Lasern und Kopplung mit photonischen Siliziumkomponenten - Google Patents

Begrenzungsmerkmale zum Modenformen von Lasern und Kopplung mit photonischen Siliziumkomponenten Download PDF

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Roderick A. Augur
Michal RAKOWSKI
Kenneth J. Giewont
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Abstract

Laserstruktur, umfassend: eine dielektrische Matrix, die aus einem ersten Material gebildet ist; eine Laserquelle, die innerhalb der dielektrischen Matrix und aus einem Halbleitermaterial gebildet ist; und eine Mehrzahl von Seitenbegrenzungsmerkmalen, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge der Laserquelle erstrecken. Die Mehrzahl der Seitenbegrenzungsmerkmale sind aus dem Halbleitermaterial gebildet.

Description

  • Hintergrund
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf integrierte photonische Schaltungen und insbesondere Begrenzungsmerkmale zur Modenformung von III-V-Lasern und eine verbesserte Kopplung mit photonischen Siliziumkomponenten (Si-Komponenten).
  • Die Silizium-Photonik entwickelt sich zu einer gängigen Datenübertragungslösung für Datenzentren der nächsten Generation, Hochleistungscomputer und viele neue Anwendungen. Integrierte photonische Schaltungen (PICs) auf Siliziumbasis versprechen kostengünstige und hochvolumige Lösungen für optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen der nächsten Generation, die energieeffizient sind. Während sowohl auf der Komponentenals auch auf der Systemebene bemerkenswerte Fortschritte erzielt wurden, stellt die On-Chip-Integration kostengünstiger und energieeffizienter Laserquellen (z. B. III-V-Halbleiterlaser) auf einem siliziumbasierten PIC nach wie vor eine große Herausforderung dar. So ist beispielsweise die effiziente Kopplung zwischen III-V-Halbleiterlasern und photonischen Siliziumwellenleitern aufgrund der Fehlanpassung des Modenprofils zwischen III-V-Halbleiterlasern und photonischen Siliziumwellenleitern nach wie vor ein großes Problem.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf integrierte photonische Schaltungen und insbesondere auf Begrenzungsmerkmale zur Modenformung von III-V-Lasern und eine verbesserte Kopplung mit photonischen Siliziumkomponenten (Si-Komponenten). Eine anschauliche Laserstruktur, die hierin beschrieben ist, umfasst: eine dielektrische Matrix, die aus einem ersten Material gebildet ist; eine Laserquelle, die innerhalb der dielektrischen Matrix und aus einem Halbleitermaterial gebildet ist; und eine Mehrzahl von Seitenbegrenzungsmerkmalen, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge der Laserquelle erstrecken, wobei die Mehrzahl der Seitenbegrenzungsmerkmale aus dem Halbleitermaterial gebildet ist.
  • Eine weitere anschauliche Laserstruktur, die hierin beschrieben ist, umfasst: eine dielektrische Matrix, die aus einem ersten Material gebildet ist; eine Laserquelle, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet ist und ein Halbleitermaterial umfasst; und eine Mehrzahl von vertikalen Begrenzungsmerkmalen, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge der Laserquelle erstrecken, wobei die Mehrzahl der vertikalen Begrenzungsmerkmale das Halbleitermaterial umfasst.
  • Ein anschauliches Lasersystem, das hierin beschrieben ist, umfasst: eine Laserquelle; und einen Wellenleiter, der mit der Laserquelle optisch gekoppelt ist, wobei die Laserquelle umfasst: eine dielektrische Matrix, die aus einem ersten Material gebildet ist; eine Laserquelle, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet ist und ein Halbleitermaterial umfasst; und eine Mehrzahl von Begrenzungsmerkmalen, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge der Laserquelle erstrecken, wobei die Mehrzahl von Begrenzungsmerkmalen das Halbleitermaterial umfasst, wobei die Mehrzahl von Begrenzungsmerkmalen auf einer Seite und/oder Oberseite und/oder Unterseite der Laserquelle gebildet ist, und wobei die Mehrzahl von Begrenzungsmerkmalen so konfiguriert ist, dass sie eine Größe und ein Profil einer Mode der Laserquelle an eine Mode des Wellenleiters anpasst.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung ist mit Bezug auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
    • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer III-V-Halbleiterlaserstruktur mit symmetrisch angeordneten Seitenbegrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 2 ist eine ebene Ansicht des Laserkerns und der Seitenbegrenzungsmerkmale aus 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit Seitenbegrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 4 ist eine ebene Ansicht des Laserkerns und der Seitenbegrenzungsmerkmale aus 3 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit Seitenbegrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 6 ist eine ebene Ansicht des Laserkerns und der Seitenbegrenzungsmerkmale aus 5 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit Seitenbegrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 8 ist eine ebene Ansicht des Laserkerns und der Seitenbegrenzungsmerkmale aus 7 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 9 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit Seitenbegrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 10 ist eine ebene Ansicht des Laserkerns und der Seitenbegrenzungsmerkmale aus 9 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 11 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit Seitenbegrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 12 zeigt eine Querschnittsansicht einer III-V-Halbleiterlaserstruktur mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 13 ist eine perspektivische Seitenansicht des Laserkerns und der vertikalen Begrenzungsmerkmale aus 12 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 14 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 15 ist eine perspektivische Seitenansicht des Laserkerns und der vertikalen Begrenzungsmerkmale aus 14 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 16 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 17 ist eine perspektivische Seitenansicht des Laserkerns und der vertikalen Begrenzungsmerkmale aus 16 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 18 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 19 ist eine perspektivische Seitenansicht des Laserkerns und der vertikalen Begrenzungsmerkmale aus 18 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 20 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen III-V-Halbleiterlaserstruktur mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 21 zeigt eine Querschnittsansicht des Laserkems und der vertikalen Begrenzungsmerkmale aus 20 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 22-28 zeigen Querschnittsansichten von Verfahren zur Herstellung einer III-V-Halbleiterlaserstruktur mit Seitenbegrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
    • 29-33 zeigen Querschnittsansichten von Verfahren zur Herstellung einer III-V-Halbleiterlaserstruktur mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
  • Obwohl der hier beschriebene Gegenstand verschiedentlich modifiziert und alternativ ausgestaltet werden kann, sind spezielle Ausführungsformen davon in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und hier im Detail beschrieben. Die Beschreibung von speziellen Ausführungsformen hierin soll die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränken, sondern im Gegenteil alle Modifizierungen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in das Wesen und den Umfang der Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und in denen zur Veranschaulichung bestimmte beispielhafte Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die vorliegende Lehre angewendet werden kann. Diese Ausführungsformen sind ausreichend detailliert beschrieben, um dem Fachmann die Ausführung der vorliegenden Lehre zu ermöglichen, und es sollen auch andere Ausführungsformen verwendet und Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende Beschreibung dient daher nur der Veranschaulichung.
  • Die hierin verwendeten Wörter und Ausdrücke sind so zu verstehen und zu interpretieren, dass sie eine Bedeutung haben, die dem Verständnis dieser Wörter und Ausdrücke durch den Fachmann auf dem entsprechenden Gebiet entspricht. Eine besondere Definition eines Begriffs oder einer Phrase, d. h. eine Definition, die sich von der gewöhnlichen und gebräuchlichen Bedeutung, wie sie vom Fachmann verstanden wird, unterscheidet, soll hier nicht durch die einheitliche Verwendung eines Begriffs oder einer Phrase impliziert werden. Soweit ein Begriff oder eine Formulierung eine besondere Bedeutung haben soll, d. h. eine Bedeutung, die sich vom Verständnis durch den Fachmann unterscheidet, wird eine solche besondere Definition in der Beschreibung ausdrücklich in einer festlegenden Weise dargelegt, die die besondere Definition für den Begriff oder die Formulierung direkt und unmissverständlich liefert.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Ill-V-Halbleiterlaser, die mit verschiedenen Ausgestaltung von Seitenbegrenzungsmerkmalen und/oder vertikalen Begrenzungsmerkmalen integriert sind. Der Laserkern (Lasermedium) und die Begrenzungsmerkmale können aus III-V-Halbleitermaterialien mit hohem Brechungsindex gebildet sein und in ein Metamaterial (z. B. eine dielektrische Matrix) eingebettet sein, dessen Brechungsindex niedriger ist als der des Laserkerns und der Begrenzungsmerkmale. Die Seitenbegrenzungsmerkmale und/oder vertikalen Begrenzungsmerkmale können in symmetrischen und/oder asymmetrischen Ausgestaltungen gebildet werden, die beispielsweise von der Geometrie und der Modenform des Wellenleiters abhängen, an den der Laserkern gekoppelt ist (z. B. ein Siliziumwellenleiter (Si-Wellenleiter) mit inversem Konus). Die Seitenbegrenzungsmerkmale und/oder vertikalen Begrenzungsmerkmale können so gewählt werden, dass die Größe und das Profil der Lasermoden angepasst werden, um die Modenfehlanpassung zwischen III-V-Halbleiterlasern und Wellenleitern zu verringern und so die Kopplungseffizienz zu erhöhen.
  • Mit Bezug auf 1 ist eine Querschnittsansicht einer III-V-Halbleiterlaserstruktur 10 (nachfolgend III-V-Laser 10) gemäß Ausführungsformen dargestellt. Der III-V-Laser 10 kann darstellungsgemäß einen Laserkern 12 umfassen, der aus einem Ill-V-Halbleitermaterial mit einem hohen Brechungsindex (z. B. einem Brechungsindex von > 2,0) gebildet und in eine dielektrische Matrix 14 eingebettet ist, die aus einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als der des Laserkerns 12 gebildet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der Laserkern 12 aus einem Ill-V-Halbleitermaterial wie Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP) gebildet sein. Andere geeignete Ill-V-Halbleitermaterialien können ebenfalls zur Bildung des Laserkerns 12 verwendet werden, z. B. InCaAs, InCaASN, GaAsSb, AlGaAs oder GaAs. Die dielektrische Matrix 14 kann aus dotiertem Indiumphosphid (InP) oder anderen geeigneten Materialien (z. B. InAs und InSb) gebildet werden.
  • Die dielektrische Matrix 14 kann zwischen n- und p-dotierten Schichten 16, 18 aus InP oder anderen geeigneten Materialien (z. B. InAs und InSb) gebildet werden. Der Abschnitt der dielektrischen Matrix 14 neben der n-dotierten Schicht 16 aus InP kann einen n-dotierten Abschnitt 20 aus InP aufweisen, der zwischen p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP gebildet wird. Der Teil der dielektrischen Matrix 14 neben der p-dotierten Schicht 18 aus InP kann einen p-dotierten Abschnitt 26 aus InP aufweisen, der zwischen n-dotierten Abschnitten 28, 30 aus InP gebildet wird. n-dotierte Dotierstoffe können unter anderem Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb) sein und p-dotierte Dotierstoffe können unter anderem Bor (B), Indium (In) und Gallium (Ga) sein.
  • Gemäß Ausführungsformen kann eine Menge aus einem oder mehreren Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 neben dem Laserkern 12 gebildet werden. Gemäß der Darstellung in 1 kann beispielsweise eine Mehrzahl von symmetrisch angeordneten Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 seitlich neben dem Laserkern 12 in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP gebildet werden. Gemäß Ausführungsformen können die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 aus demselben Ill-V-Halbleitermaterial mit hohem Brechungsindex wie der Laserkern (z. B. InGaAsP) gebildet werden. Andere III-V-Halbleitermaterialien mit hohem Brechungsindex wie InCaAs, InCaASN, GaAsSb, AlGaAs oder GaAs können ebenfalls zur Bildung der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können der Laserkern 12 und die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 aus verschiedenen Ill-V-Halbleitermaterialien gebildet sein. Die mehreren symmetrisch angeordneten Seitenbegrenzungsmerkmale 40, die in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP auf jeder Seite des Laserkerns 12 gebildet werden, können den gleichen Abstand und den gleichen Arbeitszyklus aufweisen. Die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 können zur gleichen Zeit wie der Laserkern 12 gebildet werden und können, je nach Ausführungsform, die gleiche Höhe 40H aufweisen.
  • Gemäß Ausführungsformen können die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 (und andere nachfolgend beschriebene Seitenbegrenzungsmerkmale 40) so ausgebildet sein, dass sie die Modengröße und das Modenprofil des III-V-Lasers 10 anpassen, um die Modenfehlanpassung zwischen dem III-V-Laser 10 und einem Wellenleiter einer integrierten photonischen Schaltung zu verringern. Wie in 1 gezeigt, können die Seitenbegrenzungsmerkmale beispielsweise für die Verwendung mit einem invers verjüngten Si-Wellenleiter 52 einer Si-basierten integrierten photonischen Schaltung 50 ausgebildet werden.
  • Eine ebene Ansicht der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 und des Laserkerns 12 aus 1 ist in 2 dargestellt. Gemäß Ausführungsformen, die sich auf die 1 und 2 beziehen, können die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 an gegenüberliegenden Seiten des Laserkerns 12 in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP symmetrisch ausgebildet sein. Der Laserkern 12 kann eine Breite 12W von etwa 1 µm bis etwa 5 µm und eine Höhe 12H von etwa 50 nm bis etwa 300 nm aufweisen. Die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 können eine Höhe 40H von etwa 50 nm bis etwa 300 nm und eine Breite 40W von etwa 50 nm bis etwa 1 µm aufweisen. Im Allgemeinen ist die Breite 40W der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 geringer als die Breite 12W des Laserkerns 12. Die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP können durch einen Abstand 40S voneinander getrennt sein. Der Trennungsabstand 40S zwischen benachbarten Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 kann etwa 50 nm bis etwa 1 µm betragen. Der Trennungsabstand 12S zwischen dem Laserkern 12 und den benachbarten Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 kann etwa 50 nm bis 1 µm betragen.
  • Gemäß der Darstellung in 2 können sich die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP parallel zu und entlang einer Länge des Laserkerns 12 erstrecken und eine Länge 40L aufweisen, die kleiner oder gleich der Länge 12L des Laserkerns 12 ist. In dieser Ausführungsform und allen anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen mit Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 kann das entfernte Ende 12E des Laserkerns 12 zu dem entfernten Ende 40E von jedem der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 ausgerichtet sein. Durch diese Ausrichtung wird sichergestellt, dass die Seitenbegrenzungsmerkmale die Mode des III-V-Lasers 10 in Richtung des Endes 12E der Verstärkungsschicht (Laserkern 12) umgestalten. In der Praxis können jedoch geringfügige Abweichungen zugelassen werden (z. B. können die Enden 40E der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 geringfügig vor oder nach dem Ende 12E des Laserkerns angeordnet sein).
  • Gemäß Ausführungsform können die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 eine Länge 40L von etwa 10 µm bis etwa 10 mm aufweisen. Im Allgemeinen kann gemäß jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen mit Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 die Anzahl und/oder Ausgestaltung (z. B. Höhe, Breite, Länge) der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 und/oder die Anordnung der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 relativ zum Laserkern 12 und relativ zueinander (z. B. Trennungsabstände 40S, 12S) je nach Anwendung variieren und nach Bedarf modifiziert werden, um die Modenfehlanpassung zwischen dem III-V-Laser 10 und einem Wellenleiter oder einer anderen Komponente einer integrierten photonischen Schaltung zu berücksichtigen.
  • Weitere Ausführungsformen des III-V-Lasers 10 können einen Satz von einem oder mehreren asymmetrisch angeordneten Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 umfassen. Die Anzahl der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 kann, wie in den 3 und 4 dargestellt, beispielsweise auf jeder Seite des Laserkerns 12 variieren. In diesem Beispiel können drei Seitenbegrenzungsmerkmale 40 in dem p-dotierten Abschnitt 22 aus InP gebildet werden, während zwei Seitenbegrenzungsmerkmale 40 in dem p-dotierten Abschnitt 24 aus InP gebildet werden können, wobei alle Seitenbegrenzungsmerkmale 40 die gleiche Höhe 40H, Länge 40L, Breite 40W und den gleichen Abstand 40S aufweisen können.
  • In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl, Ausgestaltung und/oder Anordnung der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 auf jeder Seite des Laserkerns 12 variieren. In den 5 und 6 können beispielsweise zwei Seitenbegrenzungsmerkmale 40 in dem p-dotierten Abschnitt 22 aus InP gebildet werden, die jeweils eine Höhe 40H, eine erste Breite 40W1 und einen ersten Trennungsabstand 40S1 aufweisen, während drei Seitenbegrenzungsmerkmale 40 in dem p-dotierten Abschnitt 24 aus InP gebildet werden können, die jeweils eine Höhe 40H, eine zweite Breite 40W2, wobei 40W2 > 40W1, und einen zweiten Trennungsabstand 40S2 aufweisen. In diesem Beispiel kann der Abstand 40S2 zwischen den Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 in dem p-dotierten Abschnitt 24 von InP anders (z. B. kleiner) sein als der Abstand 40S1 zwischen den Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 in dem p-dotierten Abschnitt 22 von InP. Insofern können die asymmetrisch angeordneten Seitenbegrenzungsmerkmale 40 so beschrieben werden, dass sie auf jeder Seite des Laserkerns 12 einen anderen Abstand und ein anderes Tastverhältnis aufweisen.
  • Eine weitere Ausführungsform des III-V-Lasers 10 mit einer asymmetrischen Anordnung der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 ist in 7 und 8 dargestellt. Die Breite und die Abstände der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 können darstellungsgemäß in einem oder beiden der p-dotierten Abschnitte 22, 24 aus InP neben dem Laserkern 12 variieren.
  • In den oben beschriebenen Ausführungsformen können alle Seitenbegrenzungsmerkmale 40 die gleiche Höhe 40H und Länge 40L aufweisen. In anderen Ausführungsformen können jedoch, wie in den 9 und 10 dargestellt, die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 unterschiedliche Höhen und/oder Längen aufweisen. Beispielsweise können eine oder mehrere der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP eine Höhe 40H1 und eine Länge 40L1 aufweisen, während eine oder mehrere der anderen Seitenbegrenzungsmerkmale 40 in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP eine andere Höhe 40H2 und eine andere Länge 40L2 aufweisen können.
  • 11 zeigt einen III-V-Laser 10 mit mehrschichtigen Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 gemäß den Ausführungsformen. Beispielsweise zeigt 11 den III-V-Laser 10 aus 1 mit zusätzlichen Seitenbegrenzungsmerkmale 40, die in den n-dotierten Abschnitten 28, 30 aus InP unterhalb und seitlich des Laserkerns 12 ausgebildet sind. Die in den n-dotierten Abschnitten 28, 30 können darstellungsgemäß aus InP ausgebildeten Seitenbegrenzungsmerkmale 40 die gleiche Ausgestaltung/Anordnung aufweisen, wie die in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 aus InP gebildeten Seitenbegrenzungsmerkmale 40. Im Allgemeinen können die in den p-dotierten Abschnitten 22, 24 von InP und/oder in den n-dotierten Abschnitten 28, 30 von InP gebildeten Seitenbegrenzungsmerkmale 40 jedoch in Übereinstimmung mit jeder der hierin beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet/angeordnet werden.
  • Mit Bezug auf die 12 und 13 kann der III-V-Laser 10 gemäß weiteren Ausführungsformen einen Satz von einem oder mehreren vertikalen Begrenzungsmerkmalen 60 aufweisen, die neben dem Laserkern 12 (z. B. vertikal oberhalb und/oder unterhalb) ausgebildet sind. Beispielsweise zeigen die 12 und 13 eine Ausführungsform mit einer Mehrzahl von vertikalen Begrenzungsmerkmalen 60, die direkt über dem Laserkern 12 im n-dotierten Abschnitt 20 aus InP ausgebildet sind. Wie die Seitenbegrenzungsmerkmale 40 können die vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 aus demselben Halbleitermaterial mit hohem Brechungsindex wie der Laserkern 12 (z. B. InGaAsP) oder aus anderen geeigneten III-V-Halbleitermaterialien mit hohem Brechungsindex, z. B. InCaAs, InCaASN, GaAsSb, AlGaAs oder GaAs, gebildet werden. In einigen Ausführungsformen können der Laserkern 12 und die vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 aus verschiedenen Ill-V-Halbleitermaterialien gebildet sein. Die vertikalen Begrenzungsstrukturen 60 können zur gleichen Zeit wie der Laserkern 12 gebildet werden und können je nach Ausführungsform die gleiche Höhe 60H haben. Darüber hinaus können die vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 in Verbindung mit einer der hier beschriebenen Ausführungsformen der Seitenbegrenzungsmerkmale 40 (z. B. wie in 12 phantasievoll dargestellt) oder ohne Seitenbegrenzungsmerkmale 40 verwendet werden.
  • Eine Seitenansicht der vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 und des Laserkerns 12 aus 12 ist in 13 dargestellt. Gemäß Ausführungsformen kann der Laserkern 12 eine Breite 12W von etwa 1 µm bis etwa 5 µm und eine Höhe 12H von etwa 50 nm bis etwa 300 nm aufweisen. Die vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 können eine Höhe 60H von etwa 5 nm bis etwa 200 nm und eine Breite 60W aufweisen, die der Breite 12W des Laserkerns 12 entspricht (z. B. von etwa 50 nm bis etwa 1 µm). Im Allgemeinen kann die Höhe 60H der vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 geringer sein als die Höhe 12H des Laserkerns 12. Die vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 können darstellungsgemäß durch einen Abstand 60S von etwa 5 nm bis etwa 50 nm getrennt sein, der gleich oder anders als der Trennungsabstand 12S zwischen dem untersten vertikalen Begrenzungsmerkmal 60 und dem Laserkern 12 sein kann. Der Trennungsabstand 12S zwischen dem Laserkern 12 und dem benachbarten vertikalen Begrenzungsmerkmal 60 kann etwa 5 nm bis etwa 50 nm betragen. In einigen Ausführungsformen können die vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 unterschiedliche Breiten 60W oder andere Breiten als die Breite 12W des Laserkerns 12 aufweisen.
  • Gemäß der Darstellung in 13 können sich die vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 parallel zu und entlang einer Länge des Laserkerns 12 erstrecken und eine Länge 60L aufweisen, die kleiner oder gleich der Länge 12L des Laserkerns 12 ist. So können die vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 beispielsweise eine Länge 60L von etwa 10 µm bis etwa 10 mm aufweisen. Bei dieser Ausführungsform und allen anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen 60 kann das distale Ende 12E des Laserkerns 12 mit dem distalen Ende 60E von jedem der vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 ausgerichtet sein. Im Allgemeinen kann gemäß jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen 60 die Anzahl und/oder Ausgestaltung (z. B. Höhe, Breite, Länge) der vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 und/oder die Anordnung der vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 relativ zum Laserkern 12 und relativ zueinander (z. B. Trennungsabstände 60S, 12S) je nach Anwendung variieren und nach Bedarf modifiziert werden, um die Modenfehlanpassung zwischen dem III-V-Laser 10 und dem Wellenleiter oder einer anderen Komponente einer integrierten photonischen Schaltung zu berücksichtigen.
  • Weitere Ausführungsformen des III-V-Lasers 10 mit vertikalen Begrenzungsmerkmalen 60 sind in den 14-21 dargestellt. Beispielsweise können in den 14 und 15 vertikale Begrenzungsstrukturen 60 mit derselben Höhe 60H und Breite 60W im p-dotierten Abschnitt 26 des InP direkt unterhalb des Laserkerns 12 und nicht im n-dotierten Abschnitt 20 direkt oberhalb des Laserkerns 12 wie in den 12 und 13 ausgebildet sein. Wie in den 16 und 17 dargestellt, kann eine symmetrische Anordnung von vertikalen Begrenzungsmerkmalen 60 mit der gleichen Höhe 60H und Breite 60W sowohl oberhalb als auch unterhalb des Laserkerns 12 im n-dotierten Abschnitt 20 bzw. im p-dotierten Abschnitt 26 gebildet werden. In diesem symmetrischen Beispiel können die oberhalb und unterhalb des Laserkerns 12 ausgebildeten vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 die gleichen Abstände 60S und 12S aufweisen.
  • Wie in den 18 und 19 dargestellt, können im n-dotierten Abschnitt 20 oberhalb des Laserkerns 12 vertikale Begrenzungsmerkmale 60 mit derselben Breite, aber unterschiedlichen Höhen 60H1, 60H2 gebildet werden. Wie in den 20 und 21 dargestellt, kann die Anzahl, der Abstand und/oder die Höhe der vertikalen Begrenzungsmerkmale 60, die oberhalb und unterhalb des Laserkerns 12 ausgebildet sind, variieren. Im Allgemeinen können die Anzahl, der Abstand, die Platzierung und/oder die Konfiguration der vertikalen Begrenzungsmerkmale 60 in Bezug auf den Laserkern 12 je nach Anwendung variieren und bei Bedarf modifiziert werden, um eine Fehlanpassung der Lasermoden zu vermeiden.
  • Ein anschauliches Verfahren zur Herstellung eines III-V-Lasers 10 mit Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 ist in den 22-28 dargestellt.
  • 22 zeigt ein Halbleitersubstrat 100, das eine undotierte Schicht 102 aus Indiumphosphid (InP) umfasst, die eine p-dotierte Schicht 104 aus InP überlagert. Gemäß der Darstellung in 23 können ein oder mehrere Dotierungsverfahren 106 (z. B. Ionenimplantation) durchgeführt werden, um einen n-dotierten Abschnitt 108 aus InP, einen n-dotierten Abschnitt 110 aus InP und einen p-dotierten Abschnitt 112 aus InP zwischen den n-dotierten Abschnitten 108, 110 aus InP zu bilden. Nach der Dotierung, wie in 24 dargestellt, kann eine Schicht 114 aus InGaAsP (z. B. durch Epitaxie) auf den dotierten Abschnitten 108, 110, 112 aus InP gebildet werden.
  • 25 zeigt die Struktur aus 24, nachdem ein oder mehrere Maskierungs- und Ätzschritte durchgeführt wurden, um Teile der Schicht 114 aus InGaAsP selektiv zu entfernen. Vergleicht man 25 mit 1, so ist zu erkennen, dass der verbleibende Teil 116 der Schicht 114 aus InGaAsP dem Laserkern 12 und die verbleibenden Teile 118 der Schicht 114 aus InGaAsP den Seitenbegrenzungsmerkmalen 40 des in 1 dargestellten III-V-Lasers 10 entsprechen.
  • 26 zeigt die Struktur aus 25, nachdem eine undotierte Schicht 120 aus Indiumphosphid (InP) (z. B. durch Epitaxie) über den verbleibenden Teilen 116, 118 der Schicht 114 aus InGaAsP und über den dotierten Abschnitten 108, 110, 112 aus InP gebildet wurde. Wie in 27 gezeigt, können ein oder mehrere Dotierungsprozesse 122 (z. B. Ionenimplantation) durchgeführt werden, um einen p-dotierten Abschnitt 124 aus InP, einen p-dotierten Abschnitt 126 aus InP und einen n-dotierten Abschnitt 128 aus InP zwischen den p-dotierten Abschnitten 124, 126 aus InP zu bilden. 28 zeigt die Struktur aus 27, nachdem eine n-dotierte Schicht 130 aus InP über den dotierten Abschnitten 124, 126, 128 aus InP gebildet wurde.
  • Ein anschauliches Verfahren zur Herstellung eines III-V-Lasers 10 mit vertikalen Begrenzungsstrukturen 60 ist in den 29-33 dargestellt.
  • 29 zeigt die Struktur aus 24, nachdem ein oder mehrere Maskierungs- bzw. Ätzschritte durchgeführt wurden, um Teile der Schicht 114 aus InGaAsP selektiv zu entfernen. Vergleicht man 29 mit 1, so ist zu erkennen, dass der verbleibende Teil 116 der Schicht 114 aus InGaAsP dem Laserkern 12 des III-V-Lasers 10 entspricht.
  • 30 zeigt die Struktur aus 29, nachdem eine undotierte Schicht (nicht gezeigt) aus InP (z. B. durch Epitaxie) über dem verbleibenden Teil 116 der Schicht 114 aus InGaAsP und über den dotierten Abschnitten 108, 110, 112 aus InP gebildet und anschließend durch einen oder mehrere Dotierprozesse 132 (z. B. Ionenimplantation) dotiert wurde. Dieser Schritt bildet einen p-dotierten Abschnitt 134 aus InP, einen p-dotierten Abschnitt 136 aus InP und einen n-dotierten Abschnitt 138 aus InP zwischen den p-dotierten Abschnitten 134, 136 aus InP.
  • 31 zeigt die Struktur von 30, nachdem mehrere zusätzliche Prozesse durchgeführt wurden. Ein oder mehrere Maskierungs-/Ätzschritte wurden durchgeführt, um einen Teil des n-dotierten Abschnitts 138 aus InP selektiv zu entfernen. Anschließend wurde eine Schicht 140 aus InGaAsP (z. B. durch Epitaxie) über dem verbleibenden n-dotierten Abschnitt 138 aus InP gebildet.
  • 32 zeigt die Struktur aus 31, nachdem mehrere zusätzliche Prozesse durchgeführt wurden. Nach der Bildung einer Schicht 142 aus n-dotiertem InP über der Schicht 140 aus InGaAsP wurde eine weitere Schicht 144 aus InGaAsP über der Schicht 142 aus n-dotiertem InP gebildet.
  • 33 zeigt die Struktur von 32, nachdem mehrere zusätzliche Prozesse durchgeführt wurden. Nach der Bildung einer Schicht 146 aus n-dotiertem InP über der Schicht 144 aus InGaAsP wurde eine Schicht 148 aus n-dotiertem InP über den dotierten Abschnitten 134, 136, 146 gebildet. Vergleicht man 33 mit 12, so ist zu erkennen, dass der verbleibende Teil 116 der Schicht 114 aus InGaAsP dem Laserkern 12 entspricht und die Schichten 142, 144 aus InGaAsP den in 12 dargestellten vertikalen Begrenzungsmerkmalen 60 des III-V-Lasers 10 entsprechen.
  • Die Verwendung von Seitenbegrenzungsmerkmalen und/oder vertikalen Begrenzungsmerkmalen in einem III-V-Laser erhöht die Kopplungseffizienz zwischen dem III-V-Laser und einem Wellenleiter einer integrierten photonischen Schaltung (z. B. einem invers verjüngten Si-Wellenleiter einer Si-basierten integrierten photonischen Schaltung). Die Seitenbegrenzungsmerkmale und/oder die vertikalen Begrenzungsmerkmale können selektiv konfiguriert werden, um die Modengröße des III-V-Lasers (z. B. entlang einer lateralen Richtung) so anzupassen, dass sie besser mit der Modengröße des Wellenleiters übereinstimmt, was zu einer verbesserten Kopplungseffizienz führt.
  • Das oben beschriebene Verfahren wird bei der Herstellung von PIC (Photonic Integrated Circuit) -Chips eingesetzt. Die daraus resultierenden PIC-Chips können vom Hersteller als Rohwafer (d. h. als einzelner Wafer mit mehreren ungehausten Chips), als nackter Chip oder in gehauster Form vertrieben werden. Im letzteren Fall wird der Chip in ein Einzelchip-Gehäuse (z. B. einen Kunststoffträger mit Anschlüssen, die an einer Hauptplatine oder einem anderen übergeordneten Träger befestigt sind) oder in ein Multichip-Gehäuse (z. B. einen Keramikträger, der entweder Oberflächenverbindungen oder vergrabene Verbindungen aufweist) eingebaut. In jedem Fall wird der Chip dann mit anderen Chips, diskreten Schaltungselementen und/oder anderen Signalverarbeitungsgeräten als Teil entweder (a) eines Zwischenprodukts, wie einer Hauptplatine, oder (b) eines Endprodukts integriert. Bei dem Endprodukt kann es sich um jedes beliebige Produkt handeln, das integrierte Schaltkreis-Chips umfasst, angefangen bei Spielzeug und anderen einfachen Anwendungen bis hin zu fortgeschrittenen Computerprodukten mit einem Bildschirm, einer Tastatur oder einem anderen Eingabegerät und einem zentralen Prozessor.
  • Die oben dargestellten besonderen Ausführungsformen dienen nur der Veranschaulichung, da die Erfindung auf unterschiedliche, aber gleichwertige Weise modifiziert und praktiziert werden kann, wie es dem Fachmann, der die Vorteile der hierin enthaltenen Lehren kennt, einleuchtet. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Verfahrensschritte in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. Darüber hinaus sind keine Einschränkungen der hier gezeigten Konstruktions- oder Ausführungsdetails beabsichtigt, die nicht in den nachstehenden Ansprüchen beschrieben sind. Es versteht sich daher von selbst, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen geändert oder modifiziert werden können, und alle derartigen Variationen werden als im Rahmen und Wesen der Erfindung betrachtet. Es ist zu beachten, dass die Verwendung von Begriffen wie „erster“, „zweiter“, „dritter“ oder „vierter“ zur Beschreibung verschiedener Prozesse oder Strukturen in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen nur als kurzer Verweis auf solche Schritte/Strukturen dient und nicht notwendigerweise bedeutet, dass diese Schritte/Strukturen in dieser geordneten Reihenfolge durchgeführt/gebildet werden. Je nach dem genauen Wortlaut des Anspruchs kann natürlich eine geordnete Abfolge solcher Verfahren erforderlich sein oder auch nicht. Dementsprechend ist der hier angestrebte Schutz in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt.

Claims (20)

  1. Laserstruktur, umfassend: eine aus einem ersten Material gebildete dielektrische Matrix; eine Laserquelle, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet ist und ein Halbleitermaterial umfasst; und eine Mehrzahl von Seitenbegrenzungsmerkmalen, die in der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge der Laserquelle erstrecken, wobei die Mehrzahl der Seitenbegrenzungsmerkmale das Halbleitermaterial umfasst.
  2. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei das erste Material einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials.
  3. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei das Halbleitermaterial ein Ill-V-Halbleitermaterial ist.
  4. Laserstruktur nach Anspruch 3, wobei das Halbleitermaterial Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP) umfasst.
  5. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei das erste Material Indiumphosphid (InP) umfasst.
  6. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Seitenbegrenzungsmerkmalen umfasst: eine erste Menge von Seitenbegrenzungsmerkmalen, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge einer ersten Seite der Laserquelle erstrecken; und eine zweite Menge von Seitenbegrenzungsmerkmalen, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der Laserquelle erstrecken.
  7. Laserstruktur nach Anspruch 6, wobei die erste Menge von Seitenbegrenzungsmerkmalen und die zweite Menge von Seitenbegrenzungsmerkmalen symmetrisch zur Laserquelle angeordnet sind.
  8. Laserstruktur nach Anspruch 6, wobei die erste Menge von Seitenbegrenzungsmerkmalen und die zweite Menge von Seitenbegrenzungsmerkmalen asymmetrisch in Bezug auf die Laserquelle angeordnet sind.
  9. Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei die Laserquelle in einem Bereich der dielektrischen Matrix von einem ersten Dotierungstyp gebildet ist und wobei die Mehrzahl von Seitenbegrenzungsmerkmalen in Bereichen der dielektrischen Matrix eines zweiten Dotierungstyps gebildet sind.
  10. Laserstruktur, umfassend: eine dielektrische Matrix, die aus einem ersten Material gebildet ist; eine Laserquelle, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet ist und ein Halbleitermaterial umfasst; und eine Mehrzahl von vertikalen Begrenzungsmerkmalen, die in der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge der Laserquelle erstrecken, wobei die Mehrzahl der vertikalen Begrenzungsmerkmale das Halbleitermaterial umfasst.
  11. Laserstruktur nach Anspruch 10, wobei das erste Material einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des Halbleitermaterials.
  12. Laserstruktur nach Anspruch 10, wobei das Halbleitermaterial ein III-V-Halbleitermaterial ist.
  13. Laserstruktur nach Anspruch 12, wobei das Halbleitermaterial Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP) umfasst.
  14. Laserstruktur nach Anspruch 10, wobei das erste Material Indiumphosphid (InP) umfasst.
  15. Laserstruktur nach Anspruch 10, wobei die mehreren vertikalen Begrenzungsstrukturen in der dielektrischen Matrix gebildet sind als einer von: vertikal oberhalb der Laserquelle; vertikal unterhalb der Laserquelle; und vertikal oberhalb und unterhalb der Laserquelle.
  16. Laserstruktur nach Anspruch 15, wobei die Mehrzahl der vertikalen Begrenzungsmerkmale symmetrisch zur Laserquelle angeordnet ist.
  17. Laserstruktur nach Anspruch 15, wobei die mehreren vertikalen Begrenzungsmerkmale asymmetrisch zur Laserquelle angeordnet sind.
  18. Laserstruktur nach Anspruch 10, wobei die Laserquelle in einem Bereich der dielektrischen Matrix von einem ersten Dotierungstyp gebildet ist und wobei mindestens ein Teil der Mehrzahl von vertikalen Begrenzungsmerkmalen in einem oder mehreren Bereichen der dielektrischen Matrix von einem zweiten Dotierungstyp gebildet ist.
  19. Lasersystem, umfassend: eine Laserquelle; und einen Wellenleiter, der mit der Laserquelle optisch gekoppelt ist, wobei die Laserquelle umfasst: eine dielektrische Matrix, die aus einem ersten Material gebildet ist; eine Laserquelle, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet ist und ein Halbleitermaterial umfasst; und eine Mehrzahl von Begrenzungsmerkmalen, die innerhalb der dielektrischen Matrix gebildet sind und sich parallel zu und entlang einer Länge der Laserquelle erstrecken, wobei die Mehrzahl von Begrenzungsmerkmalen das Halbleitermaterial umfasst, wobei die Mehrzahl von Begrenzungsmerkmalen auf mindestens einer von einer Mehrzahl von Seiten, einer Oberseite und einer Unterseite der Laserquelle ausgebildet ist, und wobei die Mehrzahl von Begrenzungsmerkmalen so ausgebildet ist, dass sie eine Größe und ein Profil einer Mode der Laserquelle so einstellen, dass sie mit einer Mode des Wellenleiters übereinstimmt.
  20. Lasersystem nach Anspruch 19, wobei die Mehrzahl der Begrenzungsmerkmale symmetrisch zur Laserquelle angeordnet ist.
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