基于圆环形光子晶体纳米梁谐振腔的电驱动激光器的制作方法

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种进一步提高光互连激光器高速性能和低能耗性能的电驱动激光器。

背景技术

激光器是光互连的核心元件。如何获得更小体积、更高调制速度以及更低能耗的激光器是该领域发展的关键技术。目前高速低能耗的激光器主要是垂直腔面发射激光器(vcsel)，应用于大数据中心、服务器集群和千万亿次规模的超级计算机的短距离光互连中。目前850nm–vcsel数据传输率在单通道以太网和光纤通道上已达到25gb/s和28gb/s；2015年实现的71gbit/s无误码传是目前激光器的最高传输速度，但是因高驱动电流导致传输能耗过高。

根据国际半导体技术发展路线图(itrs)的评估和预测，通讯光源的能耗要减小~100fj/bit才能维持互联网和云计算服务的经济生态可行性。目前最低能耗的高速vcsel是在室温下850nm–vcsel进行50gb/s无误码传输时所需的能耗~95fj/bit。在85°c的高温工作环境下，最低能耗的高速980nm–vcsel为35gb/s无误码传输所需的139fj/bit。

而激光器在硅基芯片上(on-chip)光互连的应用就直接要求激光器的特征尺度接近电子器件，并且能耗要小于成熟的电互连，要求能耗大约在10fj/bit量级。激光器的能耗与其尺度呈正相关的关系，10fj/bit量级的能耗直接要求激光器的模式体积要小于，vcsel显然已经不能满足这个要求。

因此，如何进一步减小有源区体积以提高激光器性能的研究对短距离数据传输具有重要意义。光子晶体是由不同介电常数的电介质周期性排列而成，可在微纳米尺度上有效的调控光子，构成的谐振腔具有品质因子高、模式体积小、易于集成等优点，已被应用于超低阈值激光器、非线性光学、量子光学等领域中。光子晶体微腔激光器具有高的purcell因子，自发辐射耦合系数获得提高，高的自发辐射耦合系数可以显著降低激光器阈值，并且可以增大弛豫振荡频率，从而增大调制带宽提高调制性能和动态能耗性能。因此光子晶体微纳腔激光器是实现低阈值低能耗的一种有效方式。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能进一步提高光互连激光器高速和低能耗性能的光子晶体纳米梁激光器结构，以弥补现有技术的不足。

本发明对于激光器的高速调制性能，调制带宽受到了热限制、阻尼限制和驰豫振荡频率的限制，本发明中的激光器从光子晶体纳米梁结构、inp基异质外延结构的量子阱结构和电注入结构三个方面突破带宽限制。

本发明的工作原理：

目前用于微腔激光器的纳米梁腔采用的都是圆孔形光子晶体纳米梁腔，基于微纳工艺的进步，结构略为复杂的圆环形光子晶体纳米梁腔能够提供更高的q值和更小的模式体积v。圆环形光子晶体纳米梁腔有圆孔在对称轴上和圆孔在对称轴两侧两种，结构均可分为渐变区和镜像区，渐变区的圆环半径呈规律性变化，镜像区圆环的半径保持不变。这两种结构的纳米梁腔都具有高的品质因子和较小的模体积，结合速率方程和高速调制理论优化参数设计出适用于高速低能耗光子晶体纳米梁激光器的谐振腔。采用高品质的一维光子晶体纳米梁结构作为谐振腔，相比目前光互连光源vcsel采用的半导体谐振腔，能够提供更高品质因子和更小模式体积，可实现比vcsel更低阈值、更高调制速率、更低动态能耗的微纳腔激光器。

同时，本发明提出了平面双侧的电流注入结构，有利于激光器高速工作和高效电流注入，利用电子迁移率和空穴迁移率不同的特点，在梁两端注入电子，梁两侧注入空穴的适用于高速激光器的p–i–n电注入结构，所提出的结构可以使得更多的载流子通过纳米梁腔区域，参与辐射复合发光。

另外，本发明采用晶圆键合和低折射率电介质材料包覆的方案，通过将纳米梁腔置于soi波导上部，在soi波导和纳米梁腔之间用bcb层和sio2层隔开，这个结构可以实现倏逝波耦合，同时，整个结构用sio2包覆可以降低热阻改善热性能，解决散热问题的同时，还可以保护结构不受外界环境的影响。

基于所述原理，以及为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

一种基于圆环形光子晶体纳米梁谐振腔的电驱动激光器，该激光器由下至上依次包括si基衬底、热氧化sio2层、si波导、bcb层、sio2层、p掺杂层、有源区、n掺杂层、sio2包覆层；其中，所述si基衬底、所述热氧化sio2、所述si波导共同构成soi波导结构；所述p掺杂层、所述有源区、所述n掺杂层共刻出纳米梁谐振腔；所述p掺杂层上部在纳米梁谐振腔两侧镀有与si波导平行的条状上电极，所述纳米梁谐振腔上部沿si波导方向两端镀有下电极；所述纳米梁谐振腔置于soi波导结构上部且通过bcb层和sio2层隔开；所述纳米梁谐振腔和soi结构组成的双台面填充sio2包覆层，利用icp刻蚀开电极窗口，通过e-beam蒸镀gsg-pad电极，以实现共面电极结构。

进一步的，所述soi波导结构采用cmos工艺制备：先将解理后的soi片清洗烘干，热氧化sio2层，利用电子束曝光制备图形，再利用icp干法刻蚀将掩膜图形转移到硅层。

进一步的，所述纳米梁谐振腔就是利用湿法刻蚀剥离inp衬底的nip结构，这是一种ⅲ-ⅴ族半导体材料，采用干法刻蚀等工艺刻出的一系列纳米梁谐振腔。

进一步的，所述纳米梁谐振腔结构位于对称轴上，可分为纳米梁腔的渐变区和纳米梁腔的镜像区，渐变区圆环半径呈规律性变化，镜像区圆环半径保持不变，这一结构的纳米梁谐振腔具有较高的品质因子和较小的模式体积；圆环设有圆环内径和圆环外径。

进一步的，所述soi波导结构与纳米梁谐振腔通过bcb层和sio2中间层键合，纳米梁谐振腔与下方的soi波导结构垂直耦合，实现光的定向输出，可通过优化波导宽度和sio2厚度优化结构的性能。

进一步的，所述soi波导结构与bcb层、sio2层尺寸相同，纳米梁谐振腔尺寸小于soi波导结构。

进一步的，所述纳米梁谐振腔各层尺寸略有不同，p掺杂层在宽度上略小于soi波导结构，大于有源区和n掺杂层，在长度上各层尺寸均相同。

进一步的，所述sio2包覆层是低折射率材料，用以解决散热问题，改善器件的热性能。

进一步的，所述上、下电极通过优化电极溅射条件、合金组分以及快速热退火条件实现好的欧姆接触，以降低接触电阻增大截止带宽，提高激光器的调制带宽。

本发明的优点和有益效果：

本发明利用圆环形光子晶体纳米梁作为激光器的谐振腔，通过进一步减小光互连vcsel有源区体积以提高激光器高速和低能耗性能。

本发明在纳米梁谐振腔两端注入电子，梁两侧注入空穴的新型纳米梁腔激光器点注入结构，利用电子和空穴迁移速率不同，并作为共面电极，有助于实现高速调制速率，同时采用晶圆键合和低折射率电介质材料sio2包覆的方案解决了目前大多数光子晶体纳米激光器采用的空气桥电注入结构存在热绝缘难题，通过解决热限制提高调制带宽。bcb层键合相比于直接键合和sio2中间层键合工艺难度低，能保持较好的键合界面平整度和较少的界面空位，并且与si材料的cmos工艺完全兼容，纳米梁腔作为激光器谐振腔，是实现高q值和低模体积，优化寄生参数，提高q值，实现高调制带宽。

本发明相比vcsel能够提供更高品质因子和更小模式体积，可以实现比vcsel更低阈值、更高调制速度、更低动态能耗。高速低能耗vcsel的调制带宽的提高受寄生带宽和本身结构的限制，而本发明克服了vcsel存在的问题。

本发明相比于二维光子晶体微腔，更容易实现p-i-n结以作电注入发光器件，更多的载流子经过纳米梁腔参与辐射复合发光，而且该激光器尺寸更小，集成度更高，易于同硅纳米波导及其他功能性光子器件集成。

另外，本发明有望获得高速电驱动光子晶体纳米梁激光器技术，实现高速、低阈值、低耗能的一维光子晶体激光器，有助于解决硅基片上光互联领域缺少高速低能耗光源的问题，对实现高效、低成本的互连具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的整体剖面结构示意图。

图2为本发明的圆环形光子晶体纳米梁谐振腔的平面示意图。

其中，1-si基衬底，2-热氧化sio2层，3-si波导，4-bcb层，5-sio2层，6-p掺杂层，7-有源区，8-n掺杂区，9-sio2包覆层，10-下电极，11-上电极，12-纳米梁腔的渐变区，13-纳米梁腔的镜像区，14-圆环内径，15-圆环外径。

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图对本发明进一步解释和说明。

实施例：

如图1所示，一种基于圆环形光子晶体纳米梁谐振腔的电驱动激光器，该激光器由下至上依次包括si基衬底1、热氧化sio2层2、si波导3、bcb层4、sio2层5、p掺杂层6、有源区7、n掺杂层8、sio2包覆层9；其中，所述si基衬底1、所述热氧化sio22、所述si波导3共同构成soi波导结构；所述p掺杂层6、所述有源区7、所述n掺杂层8共刻出纳米梁谐振腔；所述p掺杂层6上部在纳米梁谐振腔两侧镀有与si波导3平行的条状上电极11，所述纳米梁谐振腔上部沿si波导3方向两端镀有下电极10；所述纳米梁谐振腔置于soi波导3结构上部且通过bcb层4和sio2层5隔开；所述纳米梁谐振腔和soi波导结构组成的双台面填充sio2包覆层9，利用icp刻蚀开电极窗口，通过e-beam蒸镀gsg-pad电极，以实现共面电极结构。所述sio2包覆层是低折射率材料，用以解决散热问题，改善器件的热性能。所述上电极11、下电极10通过优化电极溅射条件、合金组分以及快速热退火条件实现好的欧姆接触，以降低接触电阻增大截止带宽，提高激光器的调制带宽。

所述soi波导结构采用cmos工艺制备：先将解理后的soi片清洗烘干，热氧化sio2层5，利用电子束曝光制备图形，再利用icp干法刻蚀将掩膜图形转移到硅层。

所述纳米梁谐振腔就是利用湿法刻蚀剥离inp衬底的nip结构，这是一种ⅲ-ⅴ族半导体材料，采用干法刻蚀等工艺刻出的一系列纳米梁谐振腔；所述纳米梁谐振腔各层尺寸略有不同，p掺杂层在宽度上略小于soi波导结构，大于有源区7和n掺杂层8，在长度上各层尺寸均相同。

如图2所示，所述纳米梁谐振腔结构位于对称轴上，可分为纳米梁腔的渐变区12和纳米梁腔的镜像区13，纳米梁腔的渐变区12圆环半径呈规律性变化，纳米梁腔的镜像区13圆环半径保持不变，该结构的纳米梁谐振腔具有较高的品质因子和较小的模式体积；圆环设有圆环内径14和圆环外径15。

所述soi波导结构与纳米梁谐振腔通过bcb层和sio2中间层键合，纳米梁谐振腔腔与下方的soi波导结构垂直耦合，实现光的定向输出，可通过优化soi波导结构宽度和sio2厚度优化结构的性能；所述soi波导结构与bcb层4、sio2层5尺寸相同，纳米梁谐振腔尺寸小于soi波导结构。