在缺陷内并且通过在图5a和5b的场景中的波导21以及通过在图5c的场景中的包括核心硅层6”和较低反射率的覆层6’的传统硅波导6分别耦合至希望的位置或无源光子结构6。
[0076]在横向腔特征的替代实施方式中，示出了本发明的实施例的第四耦合方案。就这点而言，无源光子结构6被实施为线波导6”并且具有由至少两种材料的交替层/腔镜30’、30”形成的环形光栅30，两种材料之一的反射率比另一种低，这样的材料例如是二氧化硅和氮化硅。就这点而言，并且如图6a和图6b所示，交替层/腔镜30’、30”可被制造在对应于形成II1-V基光源3的基础的II1-V材料中，同时硅波导6实质上单独实施波导功能从而将II1-V基光源3生成的光耦合至希望的位置。根据图6b所示的第四耦合方案的横向腔特征的例子包括对图6a所示的进一步修改，该修改在于硅波导6包括有助于匹配各自的腔谐振模(cavity mode)以及波导模(waveguide mode)的锥形区域12。
[0077]现在参见图7A和7B，其示出在本发明的实施例中的基于垂直腔特征40的耦合方案。在本发明的实施例中，垂直腔特征40通过垂直腔发光结构(诸如垂直腔表面发射激光器VCSEL)实施。垂直腔表面发射激光器40包括II1-V材料的交替层40’、40”，其形成电介质的布拉格反射器/反射镜41。堆叠的多层40’、40”具有交替的折射率，因此有助于布拉格反射器41具有接近于统一反射(unity reflect1n)。这有助于本发明实施例要制造的相对低的低阈值、高功率的垂直发射激光器和/或发光二极管。通常，垂直腔表面发射激光器40相对于图1a和Ib中所示的结晶籽晶层4的上表面4’形成。
[0078]图7A示出了本发明的实施例，其中垂直腔表面发射激光器40的发射区域42为使它产生的光实质上耦合在相对于光学无源组件2的垂直平面中，特别是光子结构6的表面。图7B示出了本发明的实施例，其中垂直腔表面发射激光器的至少一个发射区域42为使其产生的光实质上横向地耦合在光学无源组件2的面内方向上，特别是光子结构6。与图7B所示的本发明实施例相关的优点在于有助于顶和底反射镜41’。相反，在如图7A所示的本发明实施例中仅有助于顶部面镜41’。
[0079]图7A和7B所示的各垂直腔的设计可单独实施或者结合此前参考图3至6描述的横向腔特征中的任何一个实施。此外，图7A和7B中的反射镜/反射器可通过高对比度光栅而不是电介质的布拉格反射镜实施，这可有助于要促进的更紧凑的结构。II1-V材料/光学有源材料3的生长位置由预限定结构5的位置决定，这分别在金属有机化学气相沉积和分子束外延生长期间限定气体和分子前驱体的接入点(access point)。
[0080]关于光学耦合基于II1-V的光源3到光子结构6/硅波导核心6”/波导覆层6’ /希望的位置，具有II1-V/硅混合共振器和/或三维腔的混合结构可预期在本发明实施例的范围内。
[0081]本发明已经仅通过示例进行了描述，并且在本发明的范围内可进行细节的变型。
[0082]说明书以及权利要求和附图中公开的每个特征在适当的情况下可独立提供或者以任何适当的组合提供。
【主权项】
1.一种至少在光学应用中使用的半导体装置(I)，包括:实质上以光学无源模式可操作的至少一个光学无源组件(2)，以及至少一种光学有源材料(3)，该光学有源材料(3)包括至少一种实质上以光学有源模式可操作的材料，其中:该光学无源组件(2)进一步包括至少一个结晶籽晶层(4)，所述光学有源材料(3)在至少一个所述光学无源组件(2)中提供的预限定结构(5)中外延生长以延伸至所述结晶籽晶层(4)的至少一个上表面(4’)中，并且所述光学无源组件(2)被构成为包括至少一个无源光子结构(6)，其中所述结晶籽晶层(4)包括结晶晶片并且其中所述光学有源材料(3)包括下列项目中的至少一种:II1-V材料和I1-VI材料。
2.如权利要求1所述的半导体装置(I)，其中该光学无源组件(2)继在所述预限定结构(5)中生长所述光学有源材料(3)之后被构成为包括所述无源光子结构。
3.如权利要求1或2所述的半导体装置(I)，其中所述预限定结构(5)包括相对于光学无源组件(2)形成的电介质孔出’，6”)，所述光学无源组件(2)是在所述预限定结构(5)中生长所述光学有源材料之后构成。
4.如权利要求3所述的半导体装置(I)，其中该电介质孔(6’，6”)包括以下所列项目中的至少一种:硅、锗、砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物、氧化铝、五氧化钽、二氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅和氧氮化硅。
5.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述预限定结构延伸至所述结晶晶片⑷中。
6.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述预限定结构(5)的宽高比大于1，更优选地，大于3，所述预限定结构(5)的宽高比是所述预限定结构(5)的高度对其宽度/直径的比。
7.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述光学有源材料(3)被实施为包括以下所列项目中的一项的发光结构:激光器、发光二极管、超级发光二极管以及半导体光学放大器。
8.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述预限定结构(5)是沟槽、孔或其组合。
9.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述预限定结构(5)的至少一个结构特征被选择从而培育所述光学有源材料(3)的希望的外延生长。
10.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中该预限定结构(5)在所述光学无源组件的给定位置提供。
11.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述光学有源材料(3)包括晶体、多晶或非晶材料。
12.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述光子结构(6)包括至少一个光波导(6”)。
13.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述光学有源材料(3)具有实质上与光子结构(6)的透射范围(transmiss1n range)匹配的发射波长。
14.如项权利要求13所述的半导体装置(I)，其中所述结晶籽晶层⑷包括以下所列项目中的至少一项:硅、锗、硅锗、II1-V化合物半导体、结晶氧化物以及钛酸锶钡。
15.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，包括至少一个垂直腔表面发射激光器(40)，该垂直腔表面发射激光器(40)通过该光学有源材料(3)的交替层(40’、40”)实施。
16.如权利要求15所述的半导体装置(I)，其中该垂直腔表面发射激光器(40)的发射区域(42)相对于该光学无源组件(2)设置，使得该垂直腔表面发射激光器(40)产生的光实质上耦合在以下所列项目中的至少之一中:相对于该光学无源组件(2)的表面的垂直平面以及横向在该光学无源组件(2)的面内方向上。
17.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中通过对接耦合将所述光学有源材料(3)产生的光親合到所述光子结构(6)中。
18.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(I)，其中所述光子结构(6)包括实施为电介质的布拉格反射器的线腔。
19.如权利要求1至16中任何一项所述的半导体装置(I)，包括至少一个一维光子晶体腔(10)，其中孔(11)形成在所述光子结构(6)的面内方向上并且在所述光子结构的一区域中，在该区域中所述光学有源材料(3)产生的光实质上光学耦合到所述光子结构(6)。
20.如权利要求19所述的半导体装置(I)，其中所述孔(11)的孔尺寸在至少一个朝着光子结构出)的方向锥形的渐渐增加。
21.如权利要求1至16中任何一项所述的半导体装置(I)，包括至少一个二维光子晶体腔(20)，其中周期性的孔(4’ )形成在该光子结构(6)的两个面内方向上。
22.如权利要求21所述的半导体装置(I)，其中所述二维光子晶体腔(20)包括实施在至少所述光子结构(6)和所述光学有源材料(3)之中的混合材料腔。
23.如权利要求21或22所述的半导体装置(I)，包括至少一个光子晶体波导(21)，该至少一个光子晶体波导(21)配置为将该光学有源材料(3)产生的光耦合到至少一个希望的位置。
24.如权利要求21至23中任何一项所述的半导体装置(I)，其中该周期性的孔(11)实质上具有相同的尺寸。
25.如权利要求1至16中任何一项所述的半导体装置(I)，包括至少两种材料的交替层(30’、30”)的环形光栅(30)，该两种材料之一的折射率低于该两种材料中的另一者。
26.如权利要求25所述的半导体装置(I)，其中所述光子结构(6)包括线波导(6”)。
27.如权利要求25所述的半导体装置(I)，其中所述光子结构(6)包括至少一个位于所述环形光栅(30)和由该光学有源材料(3)生成的光实质上耦合进入的区域之间的锥形区域(12) ο
28.—种用于制造至少在光学应用中使用的半导体装置(I)的方法，包括: -在结晶籽晶层(4)形成预限定结构(5)，其中所述结晶籽晶层(4)可提供为所述光学无源组件(2)的一部分，所述光学无源组件可实质上以光学无源模式可操作，所述结晶籽晶层(4)包括结晶晶片， -在预限定结构(5)中外延生长光学有源材料，所述光学有源材料包括以下所列项目中的至少一种:II1-V材料以及I1-VI材料、可实质上在光学有源模式可操作的光学有源材料， -构成包括至少一个无源光子结构(6)的光学无源组件(2)。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述光学无源组件(2)继在所述预限定结构(5)中生长所述光学有源材料(3)之后被构成为包括所述无源光子结构。
30.如权利要求28或29所述的方法，其中所述预限定结构被形成以延伸至所述结晶晶片⑷中。
31.如权利要求28、29或30所述的方法，其中所述预限定结构(5)被形成为宽高比大于1，更优选地，大于3，所述预限定结构(5)的宽高比是所述预限定结构(5)的高度对其宽度/直径的比。
32.如权利要求28至31中任一项所述的方法，进一步包括去除多余光学有源材料的清除步骤，其中优选的在构成包括所述无源光子结构的无源组件之前实施所述清除步骤。
【专利摘要】本发明涉及一种至少在光学应用中使用的半导体装置(1)，包括：以光学无源模式实质上可操作的至少一个光学无源组件(2)，以及至少一种光学有源材料(3)，该光学有源材料(3)包括至少一种以光学有源模式实质上可操作的材料，其中：该光学无源组件(2)进一步包括至少一个结晶籽晶层(4)，所述光学有源材料在至少一个所述光学无源组件(2)中提供的预限定结构(5)中外延生长以延伸至所述结晶籽晶层(4)的至少一个上表面(4‘)中，并且所述光学无源组件(2)被构成为包括至少一个无源光子结构(6)，其中所述结晶籽晶层(4)包括结晶晶片并且其中所述光学有源材料(3)包括下列项目中的至少一种：III-V材料和II-VI材料。
【IPC分类】G02B6-12
【公开号】CN104769467
【申请号】CN201380057473
【发明人】L.科佐尔诺马兹, J.霍夫里克特, M.里克特, H.E.里尔
【申请人】国际商业机器公司
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2013年10月31日
【公告号】DE112013004345T5, WO2014068511A2, WO2014068511A3