一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源，该激光光源包括叠层设置的锥形(Taper)增益结构和SOI脊型波导结构，其中该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上。本发明通过在周期性微槽混合激光器中引入III-V族Taper结构并生长光学下限制层，提高了有源区限制因子，从而增加了III-V族中的模式增益；同时Taper结构的引入保证了III-V族结构与硅波导的高效耦合，实现单纵模激光从硅波导输出。本发明制作成本较低，可用于硅基光互连，光通信中的激光光源，提高了III-V族光源与硅波导的耦合效率，实现了高效耦合的单模混合硅基半导体激光光源。
【专利说明】一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源
【技术领域】
[0001] 本发明涉及硅基平台光电子集成领域的激光光源，尤其涉及硅基混合集成中一种 娃波导输出的单模娃基混合激光光源。
【背景技术】
[0002] 随着光通信技术和微电子工艺技术的发展，人们对于计算机的运算速度要求越来 越快、器件的尺寸要求越来越小。然而，以电互连为基础的集成电路的互连延迟效应与能耗 问题限制了微电子技术的进一步发展，与传统的电互连技术相比，以光波子作为信息载体 的光互连技术，具有信号无干扰、响应速度快、低功耗、大带宽等优点。因此，人们目前的一 个研究热点是，希望借助于成熟的CMOS工艺，以光子作为信息载体，在硅基平台上实现光 电子器件的混合集成。
[0003] 近年来，随着硅基光子学的深入发展，人们已经在SOI平台上成功实现了诸如光 开关，光波导等无源器件的集成，然而，核心器件Si上激光器的研究却进展缓慢，主要因为 Si是间接带隙半导体，发光效率较低，目前，比较成熟的方法是制作硅基混合激光器，利用 消逝场耦合的方法实现了从Si波导输出的Si与III-V族混合集成光源。
[0004] 通过消逝场耦合的办法，人们已经实现了 III-V族光源从Si波导耦合输出。然 而，其耦合效率的提高需要牺牲III-V族结构中有源区的光学限制因子以及提高SOI上硅 波导的厚度来完成。但限制因子的减小会降低激光器的模式增益，从而会导致阈值电流密 度的提高；而SOI上娃波导如果太厚（高于400nm)，则会引发激光器多横模输出，不利于在 与CMOS兼容的硅基平台上实现激光器与其他单模器件（如放大器，调制器等）的集成。这 些因素限制了单模硅基混合半导体激光器的发展。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 本发明的主要目的在于提供一种娃波导输出的单模娃基混合激光光源，以提高 IIι-v族光源与硅波导的耦合效率，实现高效耦合的单模混合硅基半导体激光光源。
[0007] (二）技术方案
[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源，该激 光光源包括叠层设置的锥形（Taper)增益结构和S0I脊型波导结构，其中该锥形增益结构 通过回流焊技术倒装贴合于该S0I脊型波导结构之上。
[0009] 上述方案中，该锥形增益结构是通过对外延结构进行刻蚀而形成的，该外延结构 包括：P型衬底1 ;形成于该P型衬底之上的腐蚀停止层2 ;形成于该腐蚀停止层2之上的P 型接触层3 ;形成于该P型接触层3之上的上光学限制（SCH)层4 ;形成于该上SCH层之上 的有源层5;形成于该有源层5之上的下SCH层4';形成于该下SCH层4'之上的N型接 触层6;以及形成于该P型衬底1背面的P型电极层1'。
[0010] 上述方案中，所述有源层5采用的结构为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为 III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
[0011] 上述方案中，所述对外延结构进行刻蚀而形成该锥形增益结构，其刻蚀过程包括： 在于该P型衬底1背面形成P型电极层r之后，将该外延结构倒置，使P型电极层r朝 上，N型接触层6朝下；以及在P型电极层1'上设置掩模，对P型电极层1'、P型衬底1、 腐蚀停止层2、P型接触层3、上SCH层4、有源层5和下SCH层4'进行刻蚀，得到该锥形增 益结构。
[0012] 上述方案中，该锥形增益结构是单锥形结构或多锥形结构，其中锥形结构采用正 锥形结构或反锥形结构。其中，该单锥形结构是对除去N型接触层6外的整个III-V族外 延层，即从P型电极层P至下光学限制层4'，进行刻蚀而得到一种锥形结构；或者该多锥 形结构是先从P型电极层P到III-V族外延层的上光学限制层4刻蚀出一种锥形结构，再 从有源区层5到下光学限制层4'刻蚀另一种锥形结构；或者该多锥形结构是先从P型电 极层1'到III-V族外延层的上光学限制层4刻蚀出一种锥形结构，另外在SOI的顶层硅脊 型波导层9刻蚀新的锥形结构；此处多锥形指双锥形或三锥形；正锥形结构是指波导宽度 逐渐增加；该反锥形结构是指波导宽度逐渐变细。
[0013] 上述方案中，该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之 上，包括：在该锥形增益结构的N型接触层6背面形成回流焊金属层7 ;对该回流焊金属层 7采用剥离工艺，剥离掉该回流焊金属层7中间部分的金属，于该N型接触层6背面形成两 个回流焊金属条，且这两个回流焊金属条的走向与该N型接触层6正面顶层刻蚀剩余的P 型电极层Γ的走向一致；将该背面具有两个回流焊金属条的锥形增益结构与该SOI脊型 波导结构对准贴合，并回流焊接，使该SOI脊型波导结构顶层的脊形波导9与该N型接触层 6背面直接接触，且该脊形波导9与这两个回流焊金属条之间采用空气层隔离，形成单模硅 基混合激光光源。
[0014] 上述方案中，这两个回流焊金属条与该脊形波导9所在的区域为消逝场耦合区 域，激光在该锥形增益结构中产生并获得增益，然后在此消逝场耦合区域通过消逝场耦合 进入到该脊形波导9中，利用消逝场耦合的方法实现III-V族光源与硅波导的混合集成。
[0015] 上述方案中，该回流焊金属层7采用的材料为Pdln、AuSn或In ;这两个回流焊金 属条作为该单模娃基混合激光光源的N型电极。
[0016] 上述方案中，该SOI脊型波导结构是通过对SOI进行干法刻蚀而形成的，该刻蚀过 程包括：对S0I的顶层硅进行刻蚀，刻蚀该顶层硅的一部分于该顶层硅上形成脊形波导9 ; 以及对该脊形波导9的上进行刻蚀，于该脊形波导9的上形成周期性的微槽结构8。
[0017] 上述方案中，该周期性的微槽结构8的周期为固定周期或渐变周期。该周期性的 微槽结构8中的刻蚀槽为任意形状，至少包括长方形、菱形或十字形。
[0018] (三）有益效果
[0019] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0020] 1、本发明提供的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，通过在硅波导上刻蚀周期 型微槽结构选择单纵模输出，其制作由CMOS工艺中的接触式光刻与干法刻蚀来完成，制作 简单，成本较低，利于大规模生产。
[0021] 2、本发明提供的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，Taper结构既保证了 III-V族光源获得高模式增益，降低了阈值电流密度；同时又实现了 III-V族光源与硅波导 的高效率耦合输出，其制作过程同样利用CMOS兼容工艺。
[0022] 总之，本发明提供的这种硅波导输出的单模硅基混合激光光源，在保证有源区高 的模式增益的同时，既获得高的耦合效率，又实现单纵模输出。且制作工艺简单，成本低，与 CMOS工艺兼容。在光通信、光互连、硅基光电子等领域应用前景广阔。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 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，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
[0024] 图1 (a)至图1 (c)为依照本发明实施例的硅波导输出的单模硅基混合激光光源的 三维结构演化示意图；
[0025] 图2 (a)为依照本发明实施例的硅波导输出单模锥形硅基混合激光光源混合波导 的折射率垂直分布示意图；
[0026] 图2 (b)为依照本发明实施例的硅波导输出单模锥形硅基混合激光光源混合波导 的混合模式图；
[0027] 图3为不同Taper顶端宽度（W_tip)与Taper长度（L)对应娃波导的限制因子 (r si)曲线图；
[0028] 图4为依照本发明实施例的模拟得到的周期性刻蚀微槽对腔内激光的振幅反射 谱图。
【具体实施方式】
[0029] 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，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0030] 请参阅图1所示，图1为依照本发明实施例的硅波导输出的单模硅基混合激光光 源的三维结构演化示意图，该单模硅基混合激光光源包括叠层设置的锥形（Taper)增益结 构（图la所示）以及SOI脊型波导结构（图lb所示），其中该锥形增益结构通过回流焊技 术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上，形成单模硅基混合激光光源（图lc所示）。
[0031] 其中，该锥形增益结构是通过对外延结构进行刻蚀而形成的，该外延结构包括：P 型衬底1 ;形成于该P型衬底之上的腐蚀停止层2 ;形成于该腐蚀停止层2之上的P型接触 层3 ;形成于该P型接触层3之上的上光学限制（SCH)层4 ;形成于该上SCH层之上的有源 层5;形成于该有源层5之上的下SCH层4';形成于该下SCH层4'之上的N型接触层6; 以及形成于该P型衬底1背面的P型电极层P。其中，P型电极层P是利用磁控技术溅 射在该P型衬底1的背面。该有源层5上下两侧分别被上SCH层4与下SCH层4'所包裹， 该有源层5采用的结构为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为III-V族半导体材料或 II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
[0032] 上述对外延结构进行刻蚀而形成该锥形增益结构，其刻蚀过程包括：在于该P型 衬底1背面形成P型电极层Γ之后，将该外延结构倒置，使P型电极层Γ朝上，N型接 触层6朝下；以及在P型电极层1'上设置掩模，对P型电极层1'、P型衬底1、腐蚀停止 层2、P型接触层3、上SCH层4、有源层5和下SCH层4'同时进行刻蚀，得到该锥形增益结 构。该锥形增益结构是单锥形结构或多锥形结构，其中锥形结构采用正锥形结构或反锥形 结构。其中，该单锥形结构是对除去N型接触层6外的整个III-V族外延层，即从P型电极 层1'至下光学限制层4'，进行刻蚀而得到一种锥形结构；或者该多锥形结构是先从P型 电极层Γ到III-V族外延层的上光学限制层4刻蚀出一种锥形结构，再从有源区层5到 下光学限制层4'刻蚀另一种锥形结构；或者该多锥形结构是先从P型电极层1'到III-V 族外延层的上光学限制层4刻蚀出一种锥形结构，另外在SOI的顶层硅脊型波导层9刻蚀 新的锥形结构；此处多锥形指双锥形或三锥形；正锥形结构是指波导宽度逐渐增加；该反 锥形结构是指波导宽度逐渐变细。
[0033] 之后，该锥形增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上，包 括：在该锥形增益结构的N型接触层6背面形成回流焊金属层7 ;对该回流焊金属层7采用 剥离工艺，剥离掉该回流焊金属层7中间部分的金属，于该N型接触层6背面形成两个回流 焊金属条，且这两个回流焊金属条的走向与该N型接触层6正面顶层刻蚀剩余的P型电极 层P的走向一致；将该背面具有两个回流焊金属条的锥形增益结构与该SOI脊型波导结 构对准贴合，并回流焊接，使该SOI脊型波导结构顶层的脊形波导9与该N型接触层6背面 直接接触，且该脊形波导9与这两个回流焊金属条之间采用空气层隔离，形成单模硅基混 合激光光源。
[0034] 这两个回流焊金属条与该脊形波导9所在的区域为消逝场耦合区域，激光在该锥 形增益结构中产生并获得增益，然后在此消逝场耦合区域通过消逝场耦合进入到该脊形波 导9中，利用消逝场耦合的方法实现了半导体激光器与硅波导的混合集成。该回流焊金属 层7用于该锥形增益结构与该SOI脊型波导结构的回流焊接，其采用的材料为Pdln、AuSn 或In等；这两个回流焊金属条还作为该单模硅基混合激光光源的N型电极。
[0035] 该S0I脊型波导结构是通过对S0I进行刻蚀而形成的，该刻蚀过程包括：对S0I的 顶层硅进行刻蚀，刻蚀该顶层硅的一部分于该顶层硅上部中间位置形成脊形波导9 ;以及 对该脊形波导9的上表面进行刻蚀，于该脊形波导9的上表面形成周期性的微槽结构8。该 周期性的微槽结构8的周期为固定周期或渐变周期。该周期性的微槽结构8中的刻蚀槽为 任意形状，例如长方形、菱形或十字形等，但不限于此。在该S0I脊型波导结构中，脊形波导 9之下是二氧化硅缓冲层10与衬底硅11，如图1所示。
[0036] 该周期性的微槽结构8类似于高阶布拉格光栅，其周期a需满足布拉格光栅关系： 如=N · λ /neff，其中N为正整数，λ为激光器激射波长，neff为周期性微槽结构8中的有 效折射率。微槽的宽度大于1 μ m，可以通过普通光刻来完成。
[0037] 该锥形增益结构的顶端宽度的缩小可以提高III-V族光源与硅波导的耦合效率， 通过计算，一般顶端宽度百纳米附近便可获得60%的耦合效率。而小的Taper角度可以减 小光在Taper增益结构和硅波导之间耦合时的损耗。因此为了获得高的耦合效率和小的光 损耗，可以增加 Taper的长度。
[0038] 以下结合具体的实施例对本发明提供的硅波导输出的单模硅基混合激光光源作 进一步详细说明。
[0039] 实施例
[0040] 图1 (a)至图1 (c)为依照本发明实施例的硅波导输出的单模硅基混合激光光源的 三维结构演化示意图。图1(a)为III-V族Taper增益结构，其中Taper的长度为500 μ m， 顶端宽度为〇. 4 μ m ;图1 (b)为SOI脊型波导结构，其中SOI顶层硅的高度为0. 34 μ m，硅波 导与周期性微槽刻蚀深度均为0. 2 μ m ;图1 (C)为回流焊接后得到的单模硅基混合激光光 源，回流焊金属为AuSn合金，退火后形成欧姆接触，作为器件的负极使用；该单模硅基混合 激光光源激射波长为1490nm，器件总长度为ΙΟΟΟμπι。
[0041] 图2(a)为依照本发明实施例的硅波导输出单模锥形硅基混合激光光源混合波 导的折射率垂直分布示意图；图2(b)为依照本发明实施例的硅波导输出单模锥形硅基混 合激光光源混合波导的混合模式图。如图2(a)所示，有源区量子阱层模拟采用平均折射 率，有源区两侧被光学限制层所包围，保证有源区较高的光学限制因子r in，从而提高模 式增益G(G= ring，其中g为激光器的增益系数）。并且，根据阈值电流密度的经验公式
【权利要求】
1. 一种娃波导输出的单模娃基混合激光光源，其特征在于，该激光光源包括叠层设置 的锥形（Taper)增益结构和SOI脊型波导结构，其中该锥形增益结构通过回流焊技术倒装 贴合于该SOI脊型波导结构之上。
2. 根据权利要求1所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该锥形 增益结构是通过对外延结构进行刻蚀而形成的，该外延结构包括： P型衬底（1); 形成于该P型衬底（1)之上的腐蚀停止层（2); 形成于该腐蚀停止层（2)之上的P型接触层（3); 形成于该P型接触层（3)之上的上光学限制层（4); 形成于该上光学限制层（4)之上的有源层（5); 形成于该有源层（5)之上的下光学限制层（4'); 形成于该下光学限制层（4')之上的N型接触层（6);以及 形成于该P型衬底（1)背面的P型电极层)。
3. 根据权利要求2所述的娃波导输出的单模娃基混合激光光源，其特征在于，所述 有源层（5)采用的结构为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为III-V族半导体材料或 II-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
4. 根据权利要求2所述的娃波导输出的单模娃基混合激光光源，其特征在于，所述对 外延结构进行刻蚀而形成该锥形增益结构，其刻蚀过程包括： 在于该P型衬底（1)背面形成P型电极层)之后，将该外延结构倒置，使P型电极 层（1')朝上，N型接触层（6)朝下；以及 在P型电极层)上设置掩模，对P型电极层)、P型衬底（1)、腐蚀停止层（2)、 P型接触层（3)、上光学限制层（4)、有源层（5)和下光学限制层（4')进行刻蚀，得到该锥 形增益结构。
5. 根据权利要求4所述的娃波导输出的单模娃基混合激光光源，其特征在于，该锥形 增益结构是单锥形结构或多锥形结构，其中锥形结构采用正锥形结构或反锥形结构。
6. 根据权利要求5所述的娃波导输出的单模娃基混合激光光源，其特征在于， 该单锥形结构是对除去N型接触层（6)外的整个III-V族外延层，即从P型电极层 α')至下光学限制层（4')，进行刻蚀而得到一种锥形结构；或者 该多锥形结构是先从Ρ型电极层)到III-V族外延层的上光学限制层（4)刻蚀出 一种锥形结构，再从有源区层（5)到下光学限制层（4')刻蚀另一种锥形结构；或者 该多锥形结构是先从P型电极层)到III-V族外延层的上光学限制层（4)刻蚀出 一种锥形结构，另外在SOI的顶层硅脊型波导层（9)刻蚀新的锥形结构； 此处多锥形指双锥形或三锥形；正锥形结构是指波导宽度逐渐增加；该反锥形结构是 指波导宽度逐渐变细。
7. 根据权利要求4所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该锥形 增益结构通过回流焊技术倒装贴合于该SOI脊型波导结构之上，包括： 在该锥形增益结构的N型接触层（6)背面形成回流焊金属层（7); 对该回流焊金属层（7)采用剥离工艺，剥离掉该回流焊金属层（7)中间部分的金属，于 该N型接触层（6)背面形成两个回流焊金属条，且这两个回流焊金属条的走向与该N型接 触层￠)正面顶层刻蚀剩余的P型电极层)的走向一致； 将该背面具有两个回流焊金属条的锥形增益结构与该SOI脊型波导结构对准贴合，并 回流焊接，使该SOI脊型波导结构顶层的脊形波导9与该N型接触层（6)背面直接接触， 且该脊形波导（9)与这两个回流焊金属条之间采用空气层隔离，形成单模硅基混合激光光 源。
8. 根据权利要求7所述的娃波导输出的单模娃基混合激光光源，其特征在于，这两个 回流焊金属条与该脊形波导（9)所在的区域为消逝场耦合区域，激光在该锥形增益结构中 产生并获得增益，然后在此消逝场耦合区域通过消逝场耦合进入到该脊形波导（9)中，利 用消逝场耦合的方法实现III-V族光源与硅波导的混合集成。
9. 根据权利要求7所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该回流 焊金属层（7)采用的材料为PdIn、AuSn或In ;这两个回流焊金属条作为该单模硅基混合激 光光源的N型电极。
10. 根据权利要求1所述的娃波导输出的单模娃基混合激光光源，其特征在于，该SOI 脊型波导结构是通过对SOI进行干法刻蚀而形成的，该刻蚀过程包括： 对SOI的顶层硅进行刻蚀，刻蚀该顶层硅的一部分于该顶层硅上形成脊形波导（9);以 及 对该脊形波导（9)的上进行刻蚀，于该脊形波导（9)的上形成周期性的微槽结构（8)。
11. 根据权利要求10所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该周 期性的微槽结构（8)的周期为固定周期或渐变周期。
12. 根据权利要求10所述的硅波导输出的单模硅基混合激光光源，其特征在于，该周 期性的微槽结构（8)中的刻蚀槽为任意形状，至少包括长方形、菱形或十字形。
【文档编号】H01S5/22GK104092096SQ201410301042
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】郑婉华, 冯朋, 张冶金, 彭红玲, 张斯日古楞, 王宇飞, 刘磊 申请人:中国科学院半导体研究所