一種多邊形-環(huán)硅基激光器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電領(lǐng)域，尤其涉及一種多邊形-環(huán)硅基激光器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于硅在通信波長的透明性以及與CMOS工藝相兼容的特點(diǎn)，混合硅平臺已經(jīng)成為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光子集成的重要途徑。然而，由于硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，發(fā)光效率極低，所以實(shí)現(xiàn)直接以硅作為發(fā)光材料的光源是很困難的。而在硅上生長直接帶隙半導(dǎo)體材料，由于晶格不匹配的限制，制作出的激光器很難用于實(shí)際應(yīng)用中。近些年來，基于鍵合技術(shù)的混合集成平臺為實(shí)現(xiàn)硅基光源提供了一種可靠、簡單的途徑。其主要原理是通過鍵合技術(shù)將直接帶隙的半導(dǎo)體材料與帶有硅波導(dǎo)的SOI片鍵合在一起，并在鍵合片上制作出高性能的激光器，解決了硅的間接帶隙和晶格不匹配的難題。其中，直接帶隙的半導(dǎo)體材料用于提供光增益產(chǎn)生激光，硅波導(dǎo)用于實(shí)現(xiàn)光輸出?；诖?，混合FP、DBR、BFB等硅基激光器已經(jīng)相繼問世，具有良好的應(yīng)用前景。
[0003]微腔激光器由于體積小、能耗低和閾值低的優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。對于硅基微盤或微環(huán)激光器，其基本原理是光在有源層中產(chǎn)生，通過全反射以回音壁模式傳播，通過垂直耦合方式經(jīng)過鍵合層耦合到硅波導(dǎo)中輸出?；诨匾舯谀Ｊ胶芨叩钠焚|(zhì)因子，硅基微腔激光器可以實(shí)現(xiàn)很低的工作閾值，然而，硅基微腔激光器的光場模式主要分布在微腔諧振腔的圓周上，因此與硅波導(dǎo)之間的耦合長度很短，限制了硅基微腔激光器的輸出功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種多邊形-環(huán)硅基激光器及其制作方法。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種多邊形-環(huán)硅基激光器，包括:
[0006]一帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI片；
[0007]一鍵合層，位于所述SOI片之上；
[0008]—半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔，位于所述鍵合層之上；
[0009]其中，所述鍵合層用于將所述半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔和所述SOI片連接在一起，使得所述半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔中產(chǎn)生的激光耦合到所述SOI片中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中輸出。
[0010]作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提出了一種多邊形-環(huán)硅基激光器的制造方法，包括以下步驟:
[0011]在SOI晶片上刻蝕出硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0012]利用鍵合技術(shù)將生長好的III/V族外延片鍵合到所述帶有硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI晶片上，形成鍵合片；
[0013]通過半導(dǎo)體加工技術(shù)在所述鍵合片上制作出具有多邊形-環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的硅基激光器，并使得所述多邊形-環(huán)諧振腔的一邊與下方的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，由此得到所述多邊形-環(huán)硅基激光器。
[0014]基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的多邊形-環(huán)硅基激光器具有如下有益效果:本發(fā)明的半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔包括條形增益區(qū)和反射端面，光在條形增益區(qū)中產(chǎn)生，并且在多邊形-環(huán)諧振腔拐角處通過全反射端面以全反射的方式傳播，因此具有較高的品質(zhì)因子，相比于硅基法布里-波羅腔激光器而言，其具有更低的工作閾值；此外，由于半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔中的一條條形增益區(qū)完全對準(zhǔn)于硅波導(dǎo)的正上方，因此相比于硅基微腔激光器，其具有更長的耦合區(qū)域，可以使得半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔中產(chǎn)生的光盡可能多的耦合到硅波導(dǎo)中，提高輸出功率。因此，本發(fā)明的半導(dǎo)體多邊形-環(huán)硅基激光器綜合了硅基法布里-波羅腔激光器和硅基微腔激光器的優(yōu)點(diǎn)，可以同時實(shí)現(xiàn)高的輸出功率和低閾值工作。
【附圖說明】
[0015]圖1(a)為本發(fā)明的三角形-環(huán)諧振腔的平面結(jié)構(gòu)示意圖，其全反射端面反射角度為 30°;
[0016]圖1(b)為本發(fā)明的正方形-環(huán)諧振腔的平面結(jié)構(gòu)示意圖，其全反射端面反射角度為 45°;
[0017]圖2(a)為本發(fā)明的正方形-環(huán)硅基激光器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2(b)為本發(fā)明的正方形-環(huán)硅基激光器的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3(a)_(f)為本發(fā)明的正方形-環(huán)硅基激光器的制作流程圖。
[0020]附圖標(biāo)記說明如下:
[0021]1、硅襯底2、掩埋氧化硅層3、硅波導(dǎo)4、鍵合層
[0022]5、正方形-環(huán)諧振腔6、條形增益區(qū)7、全反射端面
[0023]8、底部接觸層9、隔離層10、N電極金屬11、P電極金屬
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明公開了一種多邊形-環(huán)硅基激光器，其基于多邊形-環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，主要工作原理是:光在半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔中產(chǎn)生，并且在多邊形-環(huán)諧振腔拐角處以全反射的方式傳播，通過多邊形-環(huán)諧振腔的一邊與下方硅波導(dǎo)的長耦合區(qū)域，使得光從半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔垂直耦合進(jìn)硅波導(dǎo)中輸出。
[0026]本發(fā)明公開的多邊形-環(huán)硅基激光器，其具有多邊形-環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，增加了半導(dǎo)體激光器與硅波導(dǎo)之間的耦合長度，并且光場在多邊形-環(huán)諧振腔端面之間以全反射方式傳播，提高了激光器的品質(zhì)因子，可以同時實(shí)現(xiàn)高的輸出功率和低閾值工作。
[0027]更具體地，本發(fā)明公開的多邊形-環(huán)硅基激光器，包括:
[0028]一帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI片；
[0029]—鍵合層，位于所述SOI片之上；
[0030]一半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔，位于所述鍵合層之上；
[0031]其中，鍵合層用于將半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔和SOI片連接在一起，使得半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔中產(chǎn)生的激光耦合到SOI片中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中輸出。
[0032]其中，半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔采用P型襯底半導(dǎo)體材料制造其有源區(qū)為量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
[0033]其中，半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔通過一次刻蝕工藝形成；或者先通過一次刻蝕技術(shù)形成多邊形諧振腔結(jié)構(gòu)，再次通過第二次刻蝕技術(shù)在多邊形諧振腔結(jié)構(gòu)中心刻蝕形成所述多邊形-環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔為三角形-環(huán)結(jié)構(gòu)、正方形-環(huán)結(jié)構(gòu)或矩形-環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0034]半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔還包括條形增益區(qū)和全反射端面。條形增益區(qū)用于激光的產(chǎn)生，長度與寬度和所述半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔的邊長與寬度相同。作為一個優(yōu)選實(shí)施例，條形增益區(qū)中的一個位于所述SOI片的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的正上方，以保證所述半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔與所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間盡量長的耦合長度，從而保證了半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔與硅波導(dǎo)之間較長的耦合長度，使產(chǎn)生的激光可以盡量多的耦合到硅波導(dǎo)中，提高了輸出功率。
[0035]全反射端面位于所述條形增益區(qū)的兩端，用于將從一個條形增益區(qū)中產(chǎn)生的光以全反射的方式傳播到另一個條形增益區(qū)中，從而實(shí)現(xiàn)對光場的反饋，增加了激光器的品質(zhì)因子，降低了工作閾值。全反射端面根據(jù)不同的半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔，其反射角度也不同。
[0036]該多邊形-環(huán)硅基激光器還可以包括N電極金屬和P電極金屬，N電極金屬和P電極金屬用于提供電注入，使得激光器工作，可以選用多種金屬作為電極材料，只要能實(shí)現(xiàn)電注入即可。
[0037]該多邊形-環(huán)硅基激光器還可以包括隔離層，隔離層可以由BCB、二氧化硅或氮化硅制成，只要可以覆蓋在半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔側(cè)面，實(shí)現(xiàn)電極金屬和半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔的隔離即可。
[0038]作為一個優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明公開了一種多邊形-環(huán)硅基激光器，包括:
[0039]一帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI片；
[0040]一鍵合層，該層在SOI片之上，用于將半導(dǎo)體激光器和SOI片連接一起，使得在上方的半導(dǎo)體激光器中產(chǎn)生的激光耦合到下方的硅波導(dǎo)中輸出，根據(jù)具體的鍵合方式的不同可以為BCB聚合物、二氧化硅等鍵合材料；
[0041]一半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔，該層在鍵合層之上，為P型襯底半導(dǎo)體材料，利用半導(dǎo)體刻蝕工藝刻蝕而成。
[0042]—底部接觸層，位于鍵合層之上，通過對P型襯底半導(dǎo)體材料刻蝕形成的一層很薄的InP層；
[0043]一 N電極金屬，位于底部接觸層之上；
[0044]—隔離層，位于半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔側(cè)壁，可以由BCB、二氧化硅或氮化硅制成，只要可以覆蓋在半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔側(cè)面，實(shí)現(xiàn)電極金屬和半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔的隔離即可；
[0045]— P電極金屬，位于半導(dǎo)體多邊形-環(huán)諧振腔的上方。
[0046]作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還公開了一種多邊形-環(huán)硅基激光器的制造方法，包括以下步驟:
[0047]在SOI晶片上刻蝕出硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0048]利用鍵合技術(shù)將生長好的III/V族外延片鍵合到帶有硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的該SOI晶片上，形成鍵合片；
[0049]通過半導(dǎo)體加工技術(shù)在鍵合片上制作出具有多邊形-環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的硅基激光器，并使得多邊形-環(huán)諧振腔的一邊與下方的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，由此得到所述多邊形-環(huán)硅基激光器。
[0050]其中，生長好的III/V族外延片是在P型InP襯底上生長形成的。
[0051 ] 其中，多邊形-環(huán)諧振腔具有多個條形增益區(qū)，條形增益區(qū)中的一個位于該SOI片的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的正上方，以保證多邊形-環(huán)諧振腔與硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間盡量長的耦合長度。
[0052]下面結(jié)合圖2和圖3，對本發(fā)明提出的多邊形-環(huán)硅基激光器作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0053]本發(fā)明公開的多邊形-環(huán)硅基激光器，包括:
[0054]帶有硅波導(dǎo)的SOI晶片，包括:硅襯底I ;掩埋氧化硅層2，位于硅襯底I上方，該層的作用主