專利名稱：基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻的混合硅單模激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子光電子器件設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻的混合娃單模激光器，適于光子光電子集成應(yīng)用。
背景技術(shù)：
硅基半導(dǎo)體是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石，但其發(fā)展已接近極限，尤其在互連方面。而光電子技術(shù)則正處在高速發(fā)展階段，現(xiàn)在的半導(dǎo)體發(fā)光器件多利用化合物材料制備，與硅微電子工藝不兼容，因此，將光子技術(shù)和微電子技 術(shù)集合起來，發(fā)展娃基光電子科學(xué)和技術(shù)
意義重大。InP (磷化銦)和硅的混合激光是一種目前被認(rèn)為最有應(yīng)用前景的適于高密度集成的技術(shù)。通常采取帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI材料與III-V外延材料通過有機(jī)材料粘合，去掉InP襯底，然后再進(jìn)行激光器的加工，光波是通過倏逝場耦合進(jìn)入下層的SOI波導(dǎo)的，電注入采用共面電極在III-V材料層完成。這其中鍵合技術(shù)和激光器的單縱模實(shí)現(xiàn)非常重要。近幾年有人提出基于此混合結(jié)構(gòu)的布拉格分布反饋(DFB)，分布反射(DBR)，分段光柵等激光器，實(shí)現(xiàn)了單波長激射，使之適于密集波分復(fù)用系統(tǒng)的傳輸應(yīng)用；根特大學(xué)的研究人員實(shí)現(xiàn)了 4波長微碟緊湊型激光器。這些激光器還沒有商用，主要是因?yàn)楣に嚿线€是比較復(fù)雜，成本也很高。要實(shí)現(xiàn)高速光互連，單縱模激光器是核心器件之一。布拉格分布反饋和分布反射常用的單縱模激光器，這些激光器往往需要全息或電子束等較難或昂貴加工手段，有時(shí)還需要二次外延，單片多波長集成很困難。本發(fā)明提出在硅基波導(dǎo)上刻蝕周期微結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)多腔的反饋，利用帶有周期微結(jié)構(gòu)來選頻，特點(diǎn)在于微結(jié)構(gòu)尺度較大，特征尺寸大于lum，按照一定周期分布，最小特征尺寸適于I : I的光學(xué)直接曝光技術(shù)。在波導(dǎo)圖形基礎(chǔ)上，進(jìn)行圖形鍵合，然后在III-V材料基礎(chǔ)上進(jìn)行常規(guī)的半導(dǎo)體激光器工藝流程。通過改變不同反射器的注入電流，還可以實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)諧，制作工藝簡單，整個(gè)結(jié)構(gòu)在同一有源區(qū)上，不需要二次外延技術(shù)和復(fù)雜的光柵制備技術(shù)。目前通過周期微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單模激射的研究在硅基混合激光器上還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻的混合硅單模激光器，該結(jié)構(gòu)在高密度集成，單縱模工作，高效耦合輸出，大范圍波長調(diào)諧等方面很有優(yōu)勢。更重要的是在工藝加工中省去通常的DFB分布反饋光柵制作及III-V族材料二次外延等工藝步驟，降低復(fù)雜性，采用新型的選頻機(jī)制，非常適于多波長集成。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明提供了一種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，包括一硅襯底，該硅襯底為單晶硅材料；一二氧化硅層，該二氧化硅層制作在硅襯底之上；一硅波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層制作在二氧化硅層之上，該波導(dǎo)層的縱向開有兩條空氣溝道，兩條空氣溝道之間為帶有周期微結(jié)構(gòu)的脊形條；一鍵合緩沖層，其制作在硅波導(dǎo)層上的中間，該鍵合緩沖層的寬度小于硅波導(dǎo)層的寬度，形成脊形條狀，該鍵合緩沖層的兩側(cè)形成臺面；兩條狀N型電極，制作在鍵合緩沖層兩側(cè)的臺面上；一 N型接觸層，其制作在鍵合緩沖層之上；一量子阱有源區(qū)，其制作在N型接觸層之上；一 P型接觸層，其制作在量子阱有源區(qū)之上；一 P型蓋層，其制作在P型接觸層之上；一條狀P型電極制作在P型蓋層之上。 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I)本發(fā)明提供的這種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻的混合硅單模激光器，利用倏逝場實(shí)現(xiàn)光波的耦合輸出，減少反射能量損失，有利于提高激光器效率。2)本發(fā)明提供的這種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻的混合硅單模激光器，通過周期微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)選頻和單模輸出，更具有在光子集成中大規(guī)模應(yīng)用價(jià)值。優(yōu)勢在于周期微結(jié)構(gòu)在硅基上利用普通光刻腐蝕工藝就可實(shí)現(xiàn)，而不必通過電子束、全息曝光等昂貴復(fù)雜工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)。3)本發(fā)明提供的這種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻的混合硅單模激光器，波長可以通過微結(jié)構(gòu)占空比和周期來調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)多波長光源，并使其工作于通信波段，應(yīng)用于未來高密度光子或光電子集成芯片。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)立體示意圖；圖2是本發(fā)明的z_y平面?zhèn)认蚱拭媸疽鈭D；圖3是顯示硅波導(dǎo)寬度對調(diào)整耦合量；圖4是微結(jié)構(gòu)調(diào)制產(chǎn)生單縱模增益的調(diào)整坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將提出一種硅基并具有單模工作特性的集成光源，采用的是硅基和III-V半導(dǎo)體材料的混合結(jié)構(gòu)，在電注入的情況下，通過倏逝場耦合和硅基上的周期微結(jié)構(gòu)選頻而實(shí)現(xiàn)單模激射，并將輸出光耦合到硅基波導(dǎo)中。增益介質(zhì)采用半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)，利用共面電極實(shí)現(xiàn)電注入，適于高密度光子光電子集成的需要。請參閱圖I及圖2所示，本發(fā)明提供一種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合娃單模激光器，包括—娃襯底10,該娃襯底10為單晶娃材料；可以是任意摻雜和導(dǎo)電類型，要求適于制作SOI材料。該襯底層將不參與導(dǎo)電，晶向可以是多種，厚度要求大于50微米，該厚度是根據(jù)工藝加工和實(shí)際應(yīng)用的需要而定的。當(dāng)手工解理時(shí)就需要薄一點(diǎn)，機(jī)械解理時(shí)厚一些也沒有問題。目前最常用的襯底為標(biāo)準(zhǔn)8英寸。
一二氧化硅層11，該ニ氧化硅層11制作在硅襯底10之上；該ニ氧化硅層11厚度在O. 5至3微米，太薄影響波導(dǎo)限制效果，大了則影響散熱。ー硅波導(dǎo)層12，該波導(dǎo)層12制作在ニ氧化硅層11之上，該波導(dǎo)層12的縱向開有兩條空氣溝道123，兩條空氣溝道123之間為帶有周期微結(jié)構(gòu)的脊形條121 ;硅波導(dǎo)層12厚度在250納米以上。倏逝場耦合依靠硅波導(dǎo)層12的厚度。其中硅襯底10，ニ氧化硅11及硅波導(dǎo)層12為硅基材料，也稱為SOI材料(siliconon insulator);滿足該發(fā)明的SOI是可以是導(dǎo)電、本征類型。在鍵合激光器的制作過程中， 要首先通過光刻、腐蝕或刻蝕在硅波導(dǎo)層12上制出各種需要的圖形。圖形的尺度、分布和特征線條對后面和III-V外延材料的鍵合影響很大。ー鍵合緩沖層13，其制作在硅波導(dǎo)層12上的中間，該鍵合緩沖層13的寬度小于硅波導(dǎo)層12的寬度，形成脊形條狀，該鍵合緩沖層13的兩側(cè)形成臺面；兩條狀N型電極122，制作在鍵合緩沖層13兩側(cè)的臺面上；N型接觸層通過橫向注入方式形成電極；一 N型接觸層131，其制作在鍵合緩沖層13之上；一量子阱有源區(qū)14，其制作在N型接觸層131之上；一 P型接觸層15，其制作在量子阱有源區(qū)14之上；一 P型蓋層151，其制作在P型接觸層15之上；一條狀P型電極152制作在P型蓋層151之上。所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中鍵合緩沖層13和N型接觸層131、量子阱有源區(qū)14、P型接觸層15及P型蓋層151，均為III-V族材料。所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中該脊形條121的厚度與硅波導(dǎo)層12的厚度相同，寬度為1-5微米，該脊形條121的周期在2-10微米，該周期微結(jié)構(gòu)121特征尺寸大于I微米。所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中N型電極122和P型電極152的材料為Ti/Au或其他金屬薄膜。P型電極和N型電極可通過一次電極生長エ藝完成，大幅度降低成本。P，N電極圖案上采取I : I的面積比例，使之接觸面大，阻抗均衡，利于焊線和導(dǎo)熱。所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中量子阱有源區(qū)14的周期數(shù)為1-9，發(fā)光波長大于I. I微米。量子阱有多種結(jié)構(gòu)，通過勢壘高度和厚度變化改善漏電流，通過阱區(qū)變化改變發(fā)光中心波長。所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中量子阱有源區(qū)14的每一周期的材料為銦鎵砷磷或銦鎵鋁神，與銦磷形成晶格匹配或引入一定應(yīng)變。在材料上要求增益盡量高，溫度特性好，折射率滿足鍵合激光器倏逝場耦合的需要。如本發(fā)明的表一結(jié)構(gòu)能夠滿足高増益和倏逝場耦合的需要。所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中該脊形條121的周期微結(jié)構(gòu)，具有多種周期形式，每ー單元為一字型、十字形或圓孔型。該周期微結(jié)構(gòu)不是普通的布拉格反饋(DFB)和布拉格反射(DBR)。每一周期単元根據(jù)反饋量和鍵合強(qiáng)度的需要有多種備選形式?？梢允菃沃芷?、多周期，交叉形式等?？梢牍庾泳w各種晶格形式。用標(biāo)準(zhǔn)的I : I光刻就可以加工，節(jié)約成本，可以避免全息曝光，電子束曝光的應(yīng)用。激光器的單模工作依賴于此微結(jié)構(gòu)。其中III-V外延層結(jié)構(gòu)如圖表一所示。表一 III-V外延片詳細(xì)結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1.一種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，包括 ー硅襯底，該硅襯底為單晶硅材料； 一二氧化硅層，該ニ氧化硅層制作在硅襯底之上； ー硅波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層制作在ニ氧化硅層之上，該波導(dǎo)層的縱向開有兩條空氣溝道，兩條空氣溝道之間為帶有周期微結(jié)構(gòu)的脊形條； ー鍵合緩沖層，其制作在硅波導(dǎo)層上的中間，該鍵合緩沖層的寬度小于硅波導(dǎo)層的寬度，形成脊形條狀，該鍵合緩沖層的兩側(cè)形成臺面； 兩條狀N型電極，制作在鍵合緩沖層兩側(cè)的臺面上； 一 N型接觸層，其制作在鍵合緩沖層之上； 一量子阱有源區(qū)，其制作在N型接觸層之上； 一 P型接觸層，其制作在量子阱有源區(qū)之上； 一 P型蓋層，其制作在P型接觸層之上； 一條狀P型電極制作在P型蓋層之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中鍵合緩沖層和N型接觸層、量子阱有源區(qū)、P型接觸層及P型蓋層，均為III-V族材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中該脊形條的厚度與硅波導(dǎo)層的厚度相同，寬度為1-5微米，該脊形條的周期在2-10微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中N型電極和P型電極的材料為Ti/Au。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中量子阱有源區(qū)的周期數(shù)為1-9，發(fā)光波長大于I. I微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中量子阱有源區(qū)的每一周期的材料為銦鎵砷磷或銦鎵鋁神。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，其中該脊形條的周期微結(jié)構(gòu)，具有多種周期形式，每ー單元為一字型、十字形或圓孔型。
全文摘要
一種基于倏逝場耦合及周期微結(jié)構(gòu)選頻混合硅單模激光器，包括一硅襯底，該硅襯底為單晶硅材料；一二氧化硅層，該二氧化硅層制作在硅襯底之上；一硅波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層制作在二氧化硅層之上，該波導(dǎo)層的縱向開有兩條空氣溝道，兩條空氣溝道之間為帶有周期微結(jié)構(gòu)的脊形條；一鍵合緩沖層，其制作在硅波導(dǎo)層上的中間，該鍵合緩沖層的寬度小于硅波導(dǎo)層的寬度，形成脊形條狀，該鍵合緩沖層的兩側(cè)形成臺面；兩條狀N型電極，制作在鍵合緩沖層兩側(cè)的臺面上；一N型接觸層，其制作在鍵合緩沖層之上；一量子阱有源區(qū)，其制作在N型接觸層之上；一P型接觸層，其制作在量子阱有源區(qū)之上；一P型蓋層，其制作在P型接觸層之上；一條狀P型電極制作在P型蓋層之上。
文檔編號H01S5/065GK102684069SQ201210174309
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者張冶金, 渠紅偉, 王海玲, 鄭婉華, 馬紹棟 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所