专利名称：基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合娃单模激光器，适于光子光电子集成应用。
背景技术：
硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限，尤其在互连方面。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，发展娃基光电子科学和技术
意义重大。InP (磷化铟)和硅的混合激光是一种目前被认为最有应用前景的适于高密度集成的技术。通常采取带有波导结构的SOI材料与III-V外延材料通过有机材料粘合，去掉InP衬底，然后再进行激光器的加工，光波是通过倏逝场耦合进入下层的SOI波导的，电注入采用共面电极在III-V材料层完成。这其中键合技术和激光器的单纵模实现非常重要。近几年有人提出基于此混合结构的布拉格分布反馈(DFB)，分布反射(DBR)，分段光栅等激光器，实现了单波长激射，使之适于密集波分复用系统的传输应用；根特大学的研究人员实现了 4波长微碟紧凑型激光器。这些激光器还没有商用，主要是因为工艺上还是比较复杂，成本也很高。要实现高速光互连，单纵模激光器是核心器件之一。布拉格分布反馈和分布反射常用的单纵模激光器，这些激光器往往需要全息或电子束等较难或昂贵加工手段，有时还需要二次外延，单片多波长集成很困难。本发明提出在硅基波导上刻蚀周期微结构，来实现多腔的反馈，利用带有周期微结构来选频，特点在于微结构尺度较大，特征尺寸大于lum，按照一定周期分布，最小特征尺寸适于I : I的光学直接曝光技术。在波导图形基础上，进行图形键合，然后在III-V材料基础上进行常规的半导体激光器工艺流程。通过改变不同反射器的注入电流，还可以实现宽带调谐，制作工艺简单，整个结构在同一有源区上，不需要二次外延技术和复杂的光栅制备技术。目前通过周期微结构实现单模激射的研究在硅基混合激光器上还未见报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，该结构在高密度集成，单纵模工作，高效耦合输出，大范围波长调谐等方面很有优势。更重要的是在工艺加工中省去通常的DFB分布反馈光栅制作及III-V族材料二次外延等工艺步骤，降低复杂性，采用新型的选频机制，非常适于多波长集成。为了达到以上目的，本发明提供了一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，包括一硅衬底，该硅衬底为单晶硅材料；一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在硅衬底之上；一硅波导层，该波导层制作在二氧化硅层之上，该波导层的纵向开有两条空气沟道，两条空气沟道之间为带有周期微结构的脊形条；一键合缓冲层，其制作在硅波导层上的中间，该键合缓冲层的宽度小于硅波导层的宽度，形成脊形条状，该键合缓冲层的两侧形成台面；两条状N型电极，制作在键合缓冲层两侧的台面上；一 N型接触层，其制作在键合缓冲层之上；一量子阱有源区，其制作在N型接触层之上；一 P型接触层，其制作在量子阱有源区之上；一 P型盖层，其制作在P型接触层之上；一条状P型电极制作在P型盖层之上。 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I)本发明提供的这种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，利用倏逝场实现光波的耦合输出，减少反射能量损失，有利于提高激光器效率。2)本发明提供的这种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，通过周期微结构实现选频和单模输出，更具有在光子集成中大规模应用价值。优势在于周期微结构在硅基上利用普通光刻腐蚀工艺就可实现，而不必通过电子束、全息曝光等昂贵复杂工艺技术实现。3)本发明提供的这种基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器，波长可以通过微结构占空比和周期来调节，有利于实现多波长光源，并使其工作于通信波段，应用于未来高密度光子或光电子集成芯片。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图I是本发明的结构立体示意图；图2是本发明的z_y平面侧向剖面示意图；图3是显示硅波导宽度对调整耦合量；图4是微结构调制产生单纵模增益的调整坐标图。
具体实施例方式本发明将提出一种硅基并具有单模工作特性的集成光源，采用的是硅基和III-V半导体材料的混合结构，在电注入的情况下，通过倏逝场耦合和硅基上的周期微结构选频而实现单模激射，并将输出光耦合到硅基波导中。增益介质采用半导体量子阱结构，利用共面电极实现电注入，适于高密度光子光电子集成的需要。请参阅图I及图2所示，本发明提供一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合娃单模激光器，包括—娃衬底10,该娃衬底10为单晶娃材料；可以是任意掺杂和导电类型，要求适于制作SOI材料。该衬底层将不参与导电，晶向可以是多种，厚度要求大于50微米，该厚度是根据工艺加工和实际应用的需要而定的。当手工解理时就需要薄一点，机械解理时厚一些也没有问题。目前最常用的衬底为标准8英寸。
一二氧化硅层11，该ニ氧化硅层11制作在硅衬底10之上；该ニ氧化硅层11厚度在O. 5至3微米，太薄影响波导限制效果，大了则影响散热。ー硅波导层12，该波导层12制作在ニ氧化硅层11之上，该波导层12的纵向开有两条空气沟道123，两条空气沟道123之间为带有周期微结构的脊形条121 ;硅波导层12厚度在250纳米以上。倏逝场耦合依靠硅波导层12的厚度。其中硅衬底10，ニ氧化硅11及硅波导层12为硅基材料，也称为SOI材料(siliconon insulator);满足该发明的SOI是可以是导电、本征类型。在键合激光器的制作过程中， 要首先通过光刻、腐蚀或刻蚀在硅波导层12上制出各种需要的图形。图形的尺度、分布和特征线条对后面和III-V外延材料的键合影响很大。ー键合缓冲层13，其制作在硅波导层12上的中间，该键合缓冲层13的宽度小于硅波导层12的宽度，形成脊形条状，该键合缓冲层13的两侧形成台面；两条状N型电极122，制作在键合缓冲层13两侧的台面上；N型接触层通过横向注入方式形成电极；一 N型接触层131，其制作在键合缓冲层13之上；一量子阱有源区14，其制作在N型接触层131之上；一 P型接触层15，其制作在量子阱有源区14之上；一 P型盖层151，其制作在P型接触层15之上；一条状P型电极152制作在P型盖层151之上。所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中键合缓冲层13和N型接触层131、量子阱有源区14、P型接触层15及P型盖层151，均为III-V族材料。所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中该脊形条121的厚度与硅波导层12的厚度相同，宽度为1-5微米，该脊形条121的周期在2-10微米，该周期微结构121特征尺寸大于I微米。所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中N型电极122和P型电极152的材料为Ti/Au或其他金属薄膜。P型电极和N型电极可通过一次电极生长エ艺完成，大幅度降低成本。P，N电极图案上采取I : I的面积比例，使之接触面大，阻抗均衡，利于焊线和导热。所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中量子阱有源区14的周期数为1-9，发光波长大于I. I微米。量子阱有多种结构，通过势垒高度和厚度变化改善漏电流，通过阱区变化改变发光中心波长。所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中量子阱有源区14的每一周期的材料为铟镓砷磷或铟镓铝神，与铟磷形成晶格匹配或引入一定应变。在材料上要求增益尽量高，温度特性好，折射率满足键合激光器倏逝场耦合的需要。如本发明的表一结构能够满足高増益和倏逝场耦合的需要。所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中该脊形条121的周期微结构，具有多种周期形式，每ー单元为一字型、十字形或圆孔型。该周期微结构不是普通的布拉格反馈(DFB)和布拉格反射(DBR)。每一周期単元根据反馈量和键合强度的需要有多种备选形式。可以是单周期、多周期，交叉形式等。可引入光子晶体各种晶格形式。用标准的I : I光刻就可以加工，节约成本，可以避免全息曝光，电子束曝光的应用。激光器的单模工作依赖于此微结构。其中III-V外延层结构如图表一所示。表一 III-V外延片详细结构
权利要求
1.一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，包括 ー硅衬底，该硅衬底为单晶硅材料； 一二氧化硅层，该ニ氧化硅层制作在硅衬底之上； ー硅波导层，该波导层制作在ニ氧化硅层之上，该波导层的纵向开有两条空气沟道，两条空气沟道之间为带有周期微结构的脊形条； ー键合缓冲层，其制作在硅波导层上的中间，该键合缓冲层的宽度小于硅波导层的宽度，形成脊形条状，该键合缓冲层的两侧形成台面； 两条状N型电极，制作在键合缓冲层两侧的台面上； 一 N型接触层，其制作在键合缓冲层之上； 一量子阱有源区，其制作在N型接触层之上； 一 P型接触层，其制作在量子阱有源区之上； 一 P型盖层，其制作在P型接触层之上； 一条状P型电极制作在P型盖层之上。
2.根据权利要求I所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中键合缓冲层和N型接触层、量子阱有源区、P型接触层及P型盖层，均为III-V族材料。
3.根据权利要求I所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中该脊形条的厚度与硅波导层的厚度相同，宽度为1-5微米，该脊形条的周期在2-10微米。
4.根据权利要求I所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中N型电极和P型电极的材料为Ti/Au。
5.根据权利要求I所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中量子阱有源区的周期数为1-9，发光波长大于I. I微米。
6.根据权利要求I所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中量子阱有源区的每一周期的材料为铟镓砷磷或铟镓铝神。
7.根据权利要求I所述的基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，其中该脊形条的周期微结构，具有多种周期形式，每ー单元为一字型、十字形或圆孔型。
全文摘要
一种基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，包括一硅衬底，该硅衬底为单晶硅材料；一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在硅衬底之上；一硅波导层，该波导层制作在二氧化硅层之上，该波导层的纵向开有两条空气沟道，两条空气沟道之间为带有周期微结构的脊形条；一键合缓冲层，其制作在硅波导层上的中间，该键合缓冲层的宽度小于硅波导层的宽度，形成脊形条状，该键合缓冲层的两侧形成台面；两条状N型电极，制作在键合缓冲层两侧的台面上；一N型接触层，其制作在键合缓冲层之上；一量子阱有源区，其制作在N型接触层之上；一P型接触层，其制作在量子阱有源区之上；一P型盖层，其制作在P型接触层之上；一条状P型电极制作在P型盖层之上。
文档编号H01S5/065GK102684069SQ201210174309
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者张冶金, 渠红伟, 王海玲, 郑婉华, 马绍栋 申请人:中国科学院半导体研究所