专利名称：基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及ー种混合硅基单纵模环形腔微结构激光器，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，与硅微电子エ艺不兼容，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。磷化铟和硅的混合激光是ー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，采用电注入在III-V材料层完成泵浦。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，主要是因为エ艺上还是比较复杂，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。本发明公开了ー种混合硅-III-V族环形腔激光器，适用于硅基光子集成芯片的光源部分。该半导体激光器包括硅基微结构部分和III-V族半导体结构部分，其中硅基部分采用娃/ ニ氧化娃/娃，即所谓SOI (silicon on insulator)结构,此部分做成环形及波导耦合输出形式，并沿着环形波导加上单周期或多周期微结构狭槽，实现横模和纵模控制。III-V族为InGaAlAs/InP系结构直接键合于SOI上，为增益材料，有源区以上同样为环形结构，且与SOI上的环形相匹配。本发明特点在于硅基半导体激光器单模的实现方式，不是采用常规的分布布拉格反馈或反射结构，也不是一般简单的环形结构，而是采用硅基环形结构上刻入周期微结构来实现，容易大規模加工的硅基上周期微结构和倏逝场波导结构来实现光波耦合和单纵模工作，可较普通的环形腔有较高的边模抑制比和较高的功率，并可大幅度降低某一方向的尺寸，满足集成需要。在硅基环形腔上通过新的增强选模机制来实现单纵模工作，而不用引入电子束或全息曝光等技术，有利于降低成本。目前通过微结构和环形腔双重作用实现硅基混合的单纵模激光器还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于，提出ー种混合硅-III-V族新型微结构环形腔单模激光器，该结构在高密度集成，单纵模工作，高效耦合输出，高边模抑制比高功率输出等方面很有优势。更重要的是在エ艺加工中省去通常的DFB分布反馈光栅制作及III-V族材料二次外延等エ艺步骤，降低复杂性，采用新型的选频机制，利于高质量光源的集成。为了达到以上目的，本发明提供了一种基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，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；一硅环状波导层，该硅环状波导层制作在ニ氧化硅层之上，该硅环状波导层的平面内开有两条平行的环形空气沟道，该两条环状空气沟道之间为带有周期微结构的环状脊形条；在两条环形空气沟道的ー侧切向开有两条直空气沟道，形成耦合输出；—键合缓冲层,其制作在娃波导层上； 一 N型接触层，其制作在键合缓冲层之上；一 N型电极，其制作在N型接触层之上的中间，该N型电极由环状部分和方形焊线部分连接而成，该环状部分内边缘与环形空气沟道的外环外边缘相切；ー环状量子阱有源区，该环状量子阱有源区制作在N型电极的环状部分之内，N型接触层之上，形状与环状脊形条相同；一 P型环状接触层，其制作在环状量子阱有源区之上；一 P型环状盖层其制作在P型环状接触层之上；ー环状P型电极，其制作在环状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微结构环形腔选频的混合硅单纵模激光器，利用倏逝场实现光波的耦合输出，減少反射能量损失，有利于提高激光器效率。2、本发明提供的这种混合硅微结构环形腔单纵模激光器，通过环形腔和周期微结构实现选频和单纵模输出，可实现更大的边模抑制比和高输出光功率，更具有在光子集成中大規模应用价值。优势在于环形腔和周期微结构在硅基上利用普通光刻腐蚀エ艺就可实现，而不必通过电子束、全息曝光等昂贵复杂エ艺技术实现。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进一歩详细说明，其中图I是本发明三维整体结构示意图；图2是图I的分解图示意图；图3是图2中硅环状波导层上的波导结构示意图；图4是是硅波导宽度对调整耦合量和增益调整的影响示意图；图5是环形波导上微结构周期和槽深度对1550nm波长反馈的影响图。
具体实施例方式硅基激光器是光子芯片中的核心器件，在片上光互连、光交換中都有极其重要的作用。请參阅图I和图2所示，本发明提出ー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环形腔和周期微结构而实现单模激射，并将输出光耦合到硅基波导中。増益介质采用半导体多量子阱结构，利用共面电极实现电注入，III-V族盖层和有源多量子阱也是采取环形腔模式，上面可以有微结构。该激光器适于高密度光子光电子集成的需要。请參阅图I和图2所示，本发明提供基于倏逝场耦合及周期微结构选频混合硅单模激光器，包括硅基微结构环状波导部分和III-V族半导体增益部分(上面也有环状波导结构)，整体立体结构如图I所示。分层结构示意图和硅环状波导层上的波导结构分别如图2和图3所示。整体结构包括两大部分娃基-SOI (siliconon insulator)部分和III-V材料部分，具体如下请參阅图2，一硅衬底10为单晶硅材料； 一二氧化硅层11，该ニ氧化硅层11位于硅衬底10之上；一硅环状波导层12，该环状波导层12其上面有周期微结构121，环状波导层12位于ニ氧化硅层11之上；其中硅衬底10，ニ氧化硅11及硅环状波导层12为硅基材料，也称为SOI材料；娃环状波导层12典型厚度为O. 2到I微米,娃衬底10,厚度大于50微米，中间层为ニ氧化硅11，厚度为I到3微米。带有周期微结构的脊形条122就做在该SOI材料上(參阅图3)，是通过常规半导体光刻、湿法或干法刻蚀エ艺在SOI的上层硅材料中刻蚀两个相套环形沟道121，形成宽度W2为I到3微米的脊形条，环形腔整体结构为跑道型，圆区半径R为100-200微米，直线部分L长为100-500微米，周长为几百到几千微米的闭环形波导。导光区为硅材料，下面限制材料为SOI材料的中间层ニ氧化硅，两侧通过刻蚀2-3微米宽大于300纳米深的沟道形成横向限制，上面与III-V族材料连在一起。该硅基倏逝场波导上精确分布着周期的微结构，是通过干法刻蚀エ艺形成的。周期数目从几十到几百不等，根据反馈需要而定。周期P为2-10微米，对于周期微结构而言槽宽Wl为I至I. 2微米。该微结构选出激光器激射波长在I. 5微米波段，而可以设计成I. 3微米波段。通过调整周期和微结构狭槽宽度能够实现波长的选择。在两条环形空气沟道121的一侧切向开有两条直空气沟道123，形成耦合输出。一键合缓冲层和N型接触层13，位于环状硅波导层12之上，形状相同，宽度可以不同；其中键合缓冲层在N型接触层之下，N型接触层通过横向注入方式形成电极；—环状多量子阱有源区14位于键合缓冲层和N型接触层13之上，形成环状脊形条状；ー环状P型接触层及P型盖层15，其位于环状多量子阱有源区14之上，仍然是环状脊形条状，其中环状P型接触层在上，环状P型盖层在下。环状P型接触层上面覆盖电扱。所述的基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，其中键合缓冲层和N型接触层13，环状多量子阱有源区14，环状P型接触层及环状P型盖层15，均为III-V族材料。所述的基于微结构娃波导选频的混合娃单模环形腔激光器，环状娃波导层12上通过制作两个同心环状空气沟道平面内嵌套形成ー个环状硅条，该环状硅条上方为键合缓冲层和N型接触层13，下方为ニ氧化硅层11，其他部分被空气包围，该环状硅条厚度即为环状硅波导层12厚度，宽度为1-5微米，与上方III-V族材料形成消逝场耦合波导。沿着该硅条分布周期微结构121，周期在2-10微米。所述的基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，键合缓冲层和N型接触层13上面有横向注入电极、环状P型接触层及环状P型盖层15上覆盖电极均为Ti/Au材料或其他金属薄膜。所述的基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，环状多量子阱有源区14，量子阱数为3-9个，发光波长大于I. I微米，为铟镓砷磷或铟镓铝砷多量子阱系，与铟磷形成晶格匹配或引入一定应变。所述的基于微结构娃波导选频的混合娃单模环形腔激光器。环状娃波导12上分布的周期微结构121，可以有多种周期形式级联，微结构单元可以是“一”字型、“十”字形或圆孔型等等。如图2顶视图所示，周期结构可做于硅波导上，也可作于III-V族限制层上。 III-V族半导体材料是利用沉积エ艺生长的多层薄膜，由上到下依次为P型上电极接触层/半导体材料盖层/铟镓铝砷多量子阱层/N型下电极接触层/超晶格层/键合层，多量子阱区以下所采用的下限制层结构包括接触层厚度为110纳米左右，两个周期的InGaAlAs/InP超晶格分别为7. 5纳米，键合层为InP，厚度为10纳米.该材料通过键合层与SOI的带图形顶层硅通过直接键合贴在一起。去除III-V衬底后，可用普通光刻与刻蚀技术，在III-V材料上形成与硅上环形相匹配的圆环。一般而言III-V族环形波导宽度在10微米左右。整个III-V族下限制层结构与键合的SOI波导形成消逝场耦合。该材料体系可实现更高的増益。混合硅基微结构环形腔单纵模激光器在エ艺上的具体实施方式
如图2所示。包括在SOI材料上利用普通光刻方式制备跑道型微结构波导；定制III-V族多量子阱有源区外延片；S0I与III-V族外延材料低温图形键合；去除III-V族InP衬底；在III-V族外延层的N接触层以上形成环形腔，与SOI上的环形腔相匹配；蒸发绝缘层及Ti/Au金属层和形成共面电极，还包括解理和封装等。整个过程，不需要电子束，全息曝光及二次外延等技木。而且电极制作简单，不需要特殊的N型电极制作。分析表明，如图4所示，上层为III-V族材料区，中间为Si，下层为SiO2，可见当中间Si波导宽度变化时，可以调整光场在上层增益区和中间层传导区的分布，而且Si波导宽度在I微米以上，不用电子束等昂贵エ艺。这样就可以通过调整硅基消逝场波导宽度，调整耦合量和増益，实现硅波导光输出。针对微结构环形腔选频，分析表明图5，环形腔上微结构周期，深度等对模式选择均有影响，当周期在9. 5微米使可选出1550nm波长，环形腔尺寸为半径200微米，直线部分长度为700微米。边模抑制比达到40dB左右。初步验证可以形成单模，好处是微结构尺度在微米量级，普通光刻就可以实现。在本发明中，通过调整环周长，微结构周期能够实现波长的调节。可以对模式进行控制。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进ー步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于微结构娃波导选频的混合娃单模环形腔激光器，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； 一硅环状波导层，该硅环状波导层制作在二氧化硅层之上，该硅环状波导层的平面内开有两条平行的环形空气沟道，该两条环状空气沟道之间为带有周期微结构的环状脊形条；在两条环形空气沟道的一侧切向开有两条直空气沟道，形成耦合输出； 一键合缓冲层，其制作在硅波导层上； 一 N型接触层，其制作在键合缓冲层之上； 一 N型电极，其制作在N型接触层之上的中间，该N型电极由环状部分和方形焊线部分连接而成，该环状部分内边缘与环形空气沟道的外环外边缘相切； 一环状量子阱有源区，该环状量子阱有源区制作在N型电极的环状部分之内，N型接触层之上，形状与环状脊形条相同； 一 P型环状接触层，其制作在环状量子阱有源区之上； 一 P型环状盖层其制作在P型环状接触层之上； 一环状P型电极，其制作在环状P型盖层之上。
2.根据权利要求I所述的基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，其中键合缓冲层、N型接触层、环状量子阱有源区、P型环状接触层和P型环状盖层均为III-V族材料。
3.根据权利要求I所述的基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，其中环状脊形条的高度与环状硅波导层的厚度相同，宽度为1-5微米，与其上方的III-V族材料形成消逝场耦合波导，该环状脊形条分布的微结构周期为2-10微米。
4.根据权利要求I所述的基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，其中N型电极、环状P型电极均为Ti/Au材料。
5.根据权利要求I所述的基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，其中环状量子阱有源区，量子阱数为1-9个，发光波长大于I. I微米，为铟镓砷磷或铟镓铝砷多量子阱系，与铟磷形成晶格匹配或引入一应变。
6.根据权利要求I所述的基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，其中环状硅波导层上分布的带有周期微结构的环状脊形条，有多种周期形式级联，微结构单元是“一”字型、“十”字形或圆孔型。
全文摘要
一种基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，包括一硅衬底；一二氧化硅层制作在硅衬底之上；一硅环状波导层制作在二氧化硅层之上；一键合缓冲层制作在硅波导层上；一N型接触层制作在键合缓冲层之上；一N型电极制作在N型接触层之上的中间；一环状量子阱有源区制作在N型电极的环状部分之内，N型接触层之上；一P型环状接触层制作在环状量子阱有源区之上；一P型环状盖层制作在P型环状接触层之上；一环状P型电极制作在环状P型盖层之上。本发明该结构在高密度集成，单纵模工作，高效耦合输出。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。
文档编号H01S5/30GK102856789SQ20121035001
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者张冶金, 王海玲, 渠红伟, 马绍栋, 郑婉华 申请人:中国科学院半导体研究所