一種硅波導輸出的單模硅基混合激光光源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，該激光光源包括疊層設置的錐形(Taper)增益結構和SOI脊型波導結構，其中該錐形增益結構通過回流焊技術倒裝貼合于該SOI脊型波導結構之上。本發(fā)明通過在周期性微槽混合激光器中引入III-V族Taper結構并生長光學下限制層，提高了有源區(qū)限制因子，從而增加了III-V族中的模式增益；同時Taper結構的引入保證了III-V族結構與硅波導的高效耦合，實現(xiàn)單縱模激光從硅波導輸出。本發(fā)明制作成本較低，可用于硅基光互連，光通信中的激光光源，提高了III-V族光源與硅波導的耦合效率，實現(xiàn)了高效耦合的單?；旌瞎杌雽w激光光源。
【專利說明】一種硅波導輸出的單模硅基混合激光光源

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及硅基平臺光電子集成領域的激光光源，尤其涉及硅基混合集成中一種 娃波導輸出的單模娃基混合激光光源。

【背景技術】
[0002] 隨著光通信技術和微電子工藝技術的發(fā)展，人們對于計算機的運算速度要求越來 越快、器件的尺寸要求越來越小。然而，以電互連為基礎的集成電路的互連延遲效應與能耗 問題限制了微電子技術的進一步發(fā)展，與傳統(tǒng)的電互連技術相比，以光波子作為信息載體 的光互連技術，具有信號無干擾、響應速度快、低功耗、大帶寬等優(yōu)點。因此，人們目前的一 個研究熱點是，希望借助于成熟的CMOS工藝，以光子作為信息載體，在硅基平臺上實現(xiàn)光 電子器件的混合集成。
[0003] 近年來，隨著硅基光子學的深入發(fā)展，人們已經(jīng)在SOI平臺上成功實現(xiàn)了諸如光 開關，光波導等無源器件的集成，然而，核心器件Si上激光器的研究卻進展緩慢，主要因為 Si是間接帶隙半導體，發(fā)光效率較低，目前，比較成熟的方法是制作硅基混合激光器，利用 消逝場耦合的方法實現(xiàn)了從Si波導輸出的Si與III-V族混合集成光源。
[0004] 通過消逝場耦合的辦法，人們已經(jīng)實現(xiàn)了 III-V族光源從Si波導耦合輸出。然 而，其耦合效率的提高需要犧牲III-V族結構中有源區(qū)的光學限制因子以及提高SOI上硅 波導的厚度來完成。但限制因子的減小會降低激光器的模式增益，從而會導致閾值電流密 度的提高；而SOI上娃波導如果太厚（高于400nm)，則會引發(fā)激光器多橫模輸出，不利于在 與CMOS兼容的硅基平臺上實現(xiàn)激光器與其他單模器件（如放大器，調(diào)制器等）的集成。這 些因素限制了單模硅基混合半導體激光器的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (一）要解決的技術問題
[0006] 本發(fā)明的主要目的在于提供一種娃波導輸出的單模娃基混合激光光源，以提高 IIι-v族光源與硅波導的耦合效率，實現(xiàn)高效耦合的單?；旌瞎杌雽w激光光源。
[0007] (二）技術方案
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，該激 光光源包括疊層設置的錐形（Taper)增益結構和S0I脊型波導結構，其中該錐形增益結構 通過回流焊技術倒裝貼合于該S0I脊型波導結構之上。
[0009] 上述方案中，該錐形增益結構是通過對外延結構進行刻蝕而形成的，該外延結構 包括：P型襯底1 ;形成于該P型襯底之上的腐蝕停止層2 ;形成于該腐蝕停止層2之上的P 型接觸層3 ;形成于該P型接觸層3之上的上光學限制（SCH)層4 ;形成于該上SCH層之上 的有源層5;形成于該有源層5之上的下SCH層4';形成于該下SCH層4'之上的N型接 觸層6;以及形成于該P型襯底1背面的P型電極層1'。
[0010] 上述方案中，所述有源層5采用的結構為量子阱、量子線或量子點，采用的材料為 III-V族半導體材料或II-VI族半導體材料，增益譜峰值波長范圍覆蓋近紫外到紅外波段。
[0011] 上述方案中，所述對外延結構進行刻蝕而形成該錐形增益結構，其刻蝕過程包括： 在于該P型襯底1背面形成P型電極層r之后，將該外延結構倒置，使P型電極層r朝 上，N型接觸層6朝下；以及在P型電極層1'上設置掩模，對P型電極層1'、P型襯底1、 腐蝕停止層2、P型接觸層3、上SCH層4、有源層5和下SCH層4'進行刻蝕，得到該錐形增 益結構。
[0012] 上述方案中，該錐形增益結構是單錐形結構或多錐形結構，其中錐形結構采用正 錐形結構或反錐形結構。其中，該單錐形結構是對除去N型接觸層6外的整個III-V族外 延層，即從P型電極層P至下光學限制層4'，進行刻蝕而得到一種錐形結構；或者該多錐 形結構是先從P型電極層P到III-V族外延層的上光學限制層4刻蝕出一種錐形結構，再 從有源區(qū)層5到下光學限制層4'刻蝕另一種錐形結構；或者該多錐形結構是先從P型電 極層1'到III-V族外延層的上光學限制層4刻蝕出一種錐形結構，另外在SOI的頂層硅脊 型波導層9刻蝕新的錐形結構；此處多錐形指雙錐形或三錐形；正錐形結構是指波導寬度 逐漸增加；該反錐形結構是指波導寬度逐漸變細。
[0013] 上述方案中，該錐形增益結構通過回流焊技術倒裝貼合于該SOI脊型波導結構之 上，包括：在該錐形增益結構的N型接觸層6背面形成回流焊金屬層7 ;對該回流焊金屬層 7采用剝離工藝，剝離掉該回流焊金屬層7中間部分的金屬，于該N型接觸層6背面形成兩 個回流焊金屬條，且這兩個回流焊金屬條的走向與該N型接觸層6正面頂層刻蝕剩余的P 型電極層Γ的走向一致；將該背面具有兩個回流焊金屬條的錐形增益結構與該SOI脊型 波導結構對準貼合，并回流焊接，使該SOI脊型波導結構頂層的脊形波導9與該N型接觸層 6背面直接接觸，且該脊形波導9與這兩個回流焊金屬條之間采用空氣層隔離，形成單模硅 基混合激光光源。
[0014] 上述方案中，這兩個回流焊金屬條與該脊形波導9所在的區(qū)域為消逝場耦合區(qū) 域，激光在該錐形增益結構中產(chǎn)生并獲得增益，然后在此消逝場耦合區(qū)域通過消逝場耦合 進入到該脊形波導9中，利用消逝場耦合的方法實現(xiàn)III-V族光源與硅波導的混合集成。
[0015] 上述方案中，該回流焊金屬層7采用的材料為Pdln、AuSn或In ;這兩個回流焊金 屬條作為該單模娃基混合激光光源的N型電極。
[0016] 上述方案中，該SOI脊型波導結構是通過對SOI進行干法刻蝕而形成的，該刻蝕過 程包括：對S0I的頂層硅進行刻蝕，刻蝕該頂層硅的一部分于該頂層硅上形成脊形波導9 ; 以及對該脊形波導9的上進行刻蝕，于該脊形波導9的上形成周期性的微槽結構8。
[0017] 上述方案中，該周期性的微槽結構8的周期為固定周期或漸變周期。該周期性的 微槽結構8中的刻蝕槽為任意形狀，至少包括長方形、菱形或十字形。
[0018] (三）有益效果
[0019] 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0020] 1、本發(fā)明提供的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，通過在硅波導上刻蝕周期 型微槽結構選擇單縱模輸出，其制作由CMOS工藝中的接觸式光刻與干法刻蝕來完成，制作 簡單，成本較低，利于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0021] 2、本發(fā)明提供的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，Taper結構既保證了 III-V族光源獲得高模式增益，降低了閾值電流密度；同時又實現(xiàn)了 III-V族光源與硅波導 的高效率耦合輸出，其制作過程同樣利用CMOS兼容工藝。
[0022] 總之，本發(fā)明提供的這種硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，在保證有源區(qū)高 的模式增益的同時，既獲得高的耦合效率，又實現(xiàn)單縱模輸出。且制作工藝簡單，成本低，與 CMOS工藝兼容。在光通信、光互連、硅基光電子等領域應用前景廣闊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，其中：
[0024] 圖1 (a)至圖1 (c)為依照本發(fā)明實施例的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源的 三維結構演化示意圖；
[0025] 圖2 (a)為依照本發(fā)明實施例的硅波導輸出單模錐形硅基混合激光光源混合波導 的折射率垂直分布示意圖；
[0026] 圖2 (b)為依照本發(fā)明實施例的硅波導輸出單模錐形硅基混合激光光源混合波導 的混合模式圖；
[0027] 圖3為不同Taper頂端寬度（W_tip)與Taper長度（L)對應娃波導的限制因子 (r si)曲線圖；
[0028] 圖4為依照本發(fā)明實施例的模擬得到的周期性刻蝕微槽對腔內(nèi)激光的振幅反射 譜圖。

【具體實施方式】
[0029] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0030] 請參閱圖1所示，圖1為依照本發(fā)明實施例的硅波導輸出的單模硅基混合激光光 源的三維結構演化示意圖，該單模硅基混合激光光源包括疊層設置的錐形（Taper)增益結 構（圖la所示）以及SOI脊型波導結構（圖lb所示），其中該錐形增益結構通過回流焊技 術倒裝貼合于該SOI脊型波導結構之上，形成單模硅基混合激光光源（圖lc所示）。
[0031] 其中，該錐形增益結構是通過對外延結構進行刻蝕而形成的，該外延結構包括：P 型襯底1 ;形成于該P型襯底之上的腐蝕停止層2 ;形成于該腐蝕停止層2之上的P型接觸 層3 ;形成于該P型接觸層3之上的上光學限制（SCH)層4 ;形成于該上SCH層之上的有源 層5;形成于該有源層5之上的下SCH層4';形成于該下SCH層4'之上的N型接觸層6; 以及形成于該P型襯底1背面的P型電極層P。其中，P型電極層P是利用磁控技術濺 射在該P型襯底1的背面。該有源層5上下兩側分別被上SCH層4與下SCH層4'所包裹， 該有源層5采用的結構為量子阱、量子線或量子點，采用的材料為III-V族半導體材料或 II-VI族半導體材料，增益譜峰值波長范圍覆蓋近紫外到紅外波段。
[0032] 上述對外延結構進行刻蝕而形成該錐形增益結構，其刻蝕過程包括：在于該P型 襯底1背面形成P型電極層Γ之后，將該外延結構倒置，使P型電極層Γ朝上，N型接 觸層6朝下；以及在P型電極層1'上設置掩模，對P型電極層1'、P型襯底1、腐蝕停止 層2、P型接觸層3、上SCH層4、有源層5和下SCH層4'同時進行刻蝕，得到該錐形增益結 構。該錐形增益結構是單錐形結構或多錐形結構，其中錐形結構采用正錐形結構或反錐形 結構。其中，該單錐形結構是對除去N型接觸層6外的整個III-V族外延層，即從P型電極 層1'至下光學限制層4'，進行刻蝕而得到一種錐形結構；或者該多錐形結構是先從P型 電極層Γ到III-V族外延層的上光學限制層4刻蝕出一種錐形結構，再從有源區(qū)層5到 下光學限制層4'刻蝕另一種錐形結構；或者該多錐形結構是先從P型電極層1'到III-V 族外延層的上光學限制層4刻蝕出一種錐形結構，另外在SOI的頂層硅脊型波導層9刻蝕 新的錐形結構；此處多錐形指雙錐形或三錐形；正錐形結構是指波導寬度逐漸增加；該反 錐形結構是指波導寬度逐漸變細。
[0033] 之后，該錐形增益結構通過回流焊技術倒裝貼合于該SOI脊型波導結構之上，包 括：在該錐形增益結構的N型接觸層6背面形成回流焊金屬層7 ;對該回流焊金屬層7采用 剝離工藝，剝離掉該回流焊金屬層7中間部分的金屬，于該N型接觸層6背面形成兩個回流 焊金屬條，且這兩個回流焊金屬條的走向與該N型接觸層6正面頂層刻蝕剩余的P型電極 層P的走向一致；將該背面具有兩個回流焊金屬條的錐形增益結構與該SOI脊型波導結 構對準貼合，并回流焊接，使該SOI脊型波導結構頂層的脊形波導9與該N型接觸層6背面 直接接觸，且該脊形波導9與這兩個回流焊金屬條之間采用空氣層隔離，形成單模硅基混 合激光光源。
[0034] 這兩個回流焊金屬條與該脊形波導9所在的區(qū)域為消逝場耦合區(qū)域，激光在該錐 形增益結構中產(chǎn)生并獲得增益，然后在此消逝場耦合區(qū)域通過消逝場耦合進入到該脊形波 導9中，利用消逝場耦合的方法實現(xiàn)了半導體激光器與硅波導的混合集成。該回流焊金屬 層7用于該錐形增益結構與該SOI脊型波導結構的回流焊接，其采用的材料為Pdln、AuSn 或In等；這兩個回流焊金屬條還作為該單模硅基混合激光光源的N型電極。
[0035] 該S0I脊型波導結構是通過對S0I進行刻蝕而形成的，該刻蝕過程包括：對S0I的 頂層硅進行刻蝕，刻蝕該頂層硅的一部分于該頂層硅上部中間位置形成脊形波導9 ;以及 對該脊形波導9的上表面進行刻蝕，于該脊形波導9的上表面形成周期性的微槽結構8。該 周期性的微槽結構8的周期為固定周期或漸變周期。該周期性的微槽結構8中的刻蝕槽為 任意形狀，例如長方形、菱形或十字形等，但不限于此。在該S0I脊型波導結構中，脊形波導 9之下是二氧化硅緩沖層10與襯底硅11，如圖1所示。
[0036] 該周期性的微槽結構8類似于高階布拉格光柵，其周期a需滿足布拉格光柵關系： 如=N · λ /neff，其中N為正整數(shù)，λ為激光器激射波長，neff為周期性微槽結構8中的有 效折射率。微槽的寬度大于1 μ m，可以通過普通光刻來完成。
[0037] 該錐形增益結構的頂端寬度的縮小可以提高III-V族光源與硅波導的耦合效率， 通過計算，一般頂端寬度百納米附近便可獲得60%的耦合效率。而小的Taper角度可以減 小光在Taper增益結構和硅波導之間耦合時的損耗。因此為了獲得高的耦合效率和小的光 損耗，可以增加 Taper的長度。
[0038] 以下結合具體的實施例對本發(fā)明提供的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源作 進一步詳細說明。
[0039] 實施例
[0040] 圖1 (a)至圖1 (c)為依照本發(fā)明實施例的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源的 三維結構演化示意圖。圖1(a)為III-V族Taper增益結構，其中Taper的長度為500 μ m， 頂端寬度為〇. 4 μ m ;圖1 (b)為SOI脊型波導結構，其中SOI頂層硅的高度為0. 34 μ m，硅波 導與周期性微槽刻蝕深度均為0. 2 μ m ;圖1 (C)為回流焊接后得到的單模硅基混合激光光 源，回流焊金屬為AuSn合金，退火后形成歐姆接觸，作為器件的負極使用；該單模硅基混合 激光光源激射波長為1490nm，器件總長度為ΙΟΟΟμπι。
[0041] 圖2(a)為依照本發(fā)明實施例的硅波導輸出單模錐形硅基混合激光光源混合波 導的折射率垂直分布示意圖；圖2(b)為依照本發(fā)明實施例的硅波導輸出單模錐形硅基混 合激光光源混合波導的混合模式圖。如圖2(a)所示，有源區(qū)量子阱層模擬采用平均折射 率，有源區(qū)兩側被光學限制層所包圍，保證有源區(qū)較高的光學限制因子r in，從而提高模 式增益G(G= ring，其中g為激光器的增益系數(shù)）。并且，根據(jù)閾值電流密度的經(jīng)驗公式

【權利要求】
1. 一種娃波導輸出的單模娃基混合激光光源，其特征在于，該激光光源包括疊層設置 的錐形（Taper)增益結構和SOI脊型波導結構，其中該錐形增益結構通過回流焊技術倒裝 貼合于該SOI脊型波導結構之上。
2. 根據(jù)權利要求1所述的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，其特征在于，該錐形 增益結構是通過對外延結構進行刻蝕而形成的，該外延結構包括： P型襯底（1); 形成于該P型襯底（1)之上的腐蝕停止層（2); 形成于該腐蝕停止層（2)之上的P型接觸層（3); 形成于該P型接觸層（3)之上的上光學限制層（4); 形成于該上光學限制層（4)之上的有源層（5); 形成于該有源層（5)之上的下光學限制層（4'); 形成于該下光學限制層（4')之上的N型接觸層（6);以及 形成于該P型襯底（1)背面的P型電極層)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的娃波導輸出的單模娃基混合激光光源，其特征在于，所述 有源層（5)采用的結構為量子阱、量子線或量子點，采用的材料為III-V族半導體材料或 II-VI族半導體材料，增益譜峰值波長范圍覆蓋近紫外到紅外波段。
4. 根據(jù)權利要求2所述的娃波導輸出的單模娃基混合激光光源，其特征在于，所述對 外延結構進行刻蝕而形成該錐形增益結構，其刻蝕過程包括： 在于該P型襯底（1)背面形成P型電極層)之后，將該外延結構倒置，使P型電極 層（1')朝上，N型接觸層（6)朝下；以及 在P型電極層)上設置掩模，對P型電極層)、P型襯底（1)、腐蝕停止層（2)、 P型接觸層（3)、上光學限制層（4)、有源層（5)和下光學限制層（4')進行刻蝕，得到該錐 形增益結構。
5. 根據(jù)權利要求4所述的娃波導輸出的單模娃基混合激光光源，其特征在于，該錐形 增益結構是單錐形結構或多錐形結構，其中錐形結構采用正錐形結構或反錐形結構。
6. 根據(jù)權利要求5所述的娃波導輸出的單模娃基混合激光光源，其特征在于， 該單錐形結構是對除去N型接觸層（6)外的整個III-V族外延層，即從P型電極層 α')至下光學限制層（4')，進行刻蝕而得到一種錐形結構；或者 該多錐形結構是先從Ρ型電極層)到III-V族外延層的上光學限制層（4)刻蝕出 一種錐形結構，再從有源區(qū)層（5)到下光學限制層（4')刻蝕另一種錐形結構；或者 該多錐形結構是先從P型電極層)到III-V族外延層的上光學限制層（4)刻蝕出 一種錐形結構，另外在SOI的頂層硅脊型波導層（9)刻蝕新的錐形結構； 此處多錐形指雙錐形或三錐形；正錐形結構是指波導寬度逐漸增加；該反錐形結構是 指波導寬度逐漸變細。
7. 根據(jù)權利要求4所述的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，其特征在于，該錐形 增益結構通過回流焊技術倒裝貼合于該SOI脊型波導結構之上，包括： 在該錐形增益結構的N型接觸層（6)背面形成回流焊金屬層（7); 對該回流焊金屬層（7)采用剝離工藝，剝離掉該回流焊金屬層（7)中間部分的金屬，于 該N型接觸層（6)背面形成兩個回流焊金屬條，且這兩個回流焊金屬條的走向與該N型接 觸層￠)正面頂層刻蝕剩余的P型電極層)的走向一致； 將該背面具有兩個回流焊金屬條的錐形增益結構與該SOI脊型波導結構對準貼合，并 回流焊接，使該SOI脊型波導結構頂層的脊形波導9與該N型接觸層（6)背面直接接觸， 且該脊形波導（9)與這兩個回流焊金屬條之間采用空氣層隔離，形成單模硅基混合激光光 源。
8. 根據(jù)權利要求7所述的娃波導輸出的單模娃基混合激光光源，其特征在于，這兩個 回流焊金屬條與該脊形波導（9)所在的區(qū)域為消逝場耦合區(qū)域，激光在該錐形增益結構中 產(chǎn)生并獲得增益，然后在此消逝場耦合區(qū)域通過消逝場耦合進入到該脊形波導（9)中，利 用消逝場耦合的方法實現(xiàn)III-V族光源與硅波導的混合集成。
9. 根據(jù)權利要求7所述的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，其特征在于，該回流 焊金屬層（7)采用的材料為PdIn、AuSn或In ;這兩個回流焊金屬條作為該單模硅基混合激 光光源的N型電極。
10. 根據(jù)權利要求1所述的娃波導輸出的單模娃基混合激光光源，其特征在于，該SOI 脊型波導結構是通過對SOI進行干法刻蝕而形成的，該刻蝕過程包括： 對SOI的頂層硅進行刻蝕，刻蝕該頂層硅的一部分于該頂層硅上形成脊形波導（9);以 及 對該脊形波導（9)的上進行刻蝕，于該脊形波導（9)的上形成周期性的微槽結構（8)。
11. 根據(jù)權利要求10所述的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，其特征在于，該周 期性的微槽結構（8)的周期為固定周期或漸變周期。
12. 根據(jù)權利要求10所述的硅波導輸出的單模硅基混合激光光源，其特征在于，該周 期性的微槽結構（8)中的刻蝕槽為任意形狀，至少包括長方形、菱形或十字形。
【文檔編號】H01S5/22GK104092096SQ201410301042
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】鄭婉華, 馮朋, 張冶金, 彭紅玲, 張斯日古楞, 王宇飛, 劉磊 申請人:中國科學院半導體研究所