高耦合效率电注入集成硅基激光器制造技术

本发明专利技术公开了高耦合效率电注入集成硅基激光器，为叠层结构，包括：硅衬底、绝缘层、大模斑半导体有源芯片、顶层硅和低折射率层，硅衬底的上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部，绝缘层设置在硅衬底的常规部上；大模斑半导体有源芯片设置在硅衬底的刻蚀部上；顶层硅设置在绝缘层的上表面；低折射率层设置在顶层硅上表面的靠近所述大模斑半导体有源芯片的一侧。本发明专利技术，具有直接高效输出单模激光的优点，且结构紧凑，工艺简单，效率高，稳定性高，可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电子器件
，具体涉及高耦合效率电注入集成硅基激光器。
技术介绍
随着全球数据通信业务量的急剧增加，人们对计算机系统的运算速度提出了更高的要求，这其中就包含对微处理芯片运算速度、信息传输速度和集成度要求的提高。但随着芯片尺寸的减小，芯片间的信息传输速度受限于电子器件的RC(resistance_capacitance,阻容)效应，系统的整体功耗也逐渐增加。因此，传统的电互连方式逐渐成为高速计算机系统整体性能提升的瓶颈。光互连的提出与发展为解决这一难题提供了有效途径。光互连技术主要包括InP(Indium Phosphide,磷化铟)基光互连和娃基光互连。相比于InP基光互连，娃基光互联具有材料价格低廉和与CMOS (Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容的优点，具有很大的市场应用前景，但硅基集成激光光源是硅基光互连技术进一步发展面临的最大的难题之一。目前集成娃基激光器的方案包括同质集成(如娃纳米结构、娃基稀土离子掺杂和娃受激拉曼效应等)、异质外延以及混合集成三种。其中，同质集成方案面临着需要光栗浦和发光效率低等问题，而异质外延方案工艺还不够成熟，器件综合性能不高，因此混合集成方案成为研究人员的理想选择。硅基混合集成激光器分为硅基键合激光器和硅基倒装焊激光器。相比于键合激光器，倒装焊激光器直接采用了成熟的半导体有源芯片，具有输出功率和转换效率高、波长可调以及性能稳定等优点。但是，倒装焊激光器最大的问题在于半导体有源芯片和硅基芯片之间光耦合损耗过大，这主要是因为有源芯片和硅基芯片的模场尺寸和模场分布不匹配造成的。另外，在光耦合时，两个芯片之间的对准容差很小，因此对芯片对准和焊接工艺的要求很高，不利于工业上大批量生产。降低硅基倒装焊激光器的光耦合损耗，提高有源芯片与硅基芯片之间的对准容差是目前硅基倒装焊激光器亟需克服的一个难题。光耦合损耗的降低一方面与有源芯片和硅基芯片的模斑匹配程度有关，另一方面也与光束在耦合过程中的发散程度有关。模场分布越匹配，模斑尺寸越大，耦合损耗就越低。对准容差则直接与模斑尺寸相关，模斑尺寸越大，对准容差越大。因此，为降低激光器的耦合损耗并提高对准容差，应该增大半导体有源芯片输出的模斑尺寸。传统的大模斑输出的半导体有源芯片，为降低光场在P型层的吸收损耗，输出模斑都是非高斯分布，这不利于与模斑为高斯分布的硅基波导耦合，设计出基横模高斯分布大模斑输出的半导体有源芯片是提高硅基倒装焊激光器输出功率和效率的关键。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是目前的硅基倒装焊激光器的光耦合损耗大、有源芯片与硅基芯片之间的对准容差小的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是提供了一种高耦合效率电注入集成硅基激光器，为叠层结构，包括:硅衬底，上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部；设置在所述硅衬底的常规部上的绝缘层；设置在所述硅衬底的刻蚀部上的大模斑半导体有源芯片；设置在所述绝缘层上表面的顶层硅；设置在所述顶层硅上表面靠近所述大模斑半导体有源芯片的一侧的低折射率层；在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述大模斑半导体有源芯片为叠层结构，倒置在所述硅衬底的上表面，包括:N型电极；N型衬底，设置在所述N型电极的上表面；N型限制层，设置在所述N型衬底的上表面；N型波导，设置在所述N型限制层的上表面；有源层，设置在所述N型波导的上表面；P型限制层，设置在所述有源层的上表面；P型盖层，设置在所述P型限制层的上表面，所述P型限制层和P型盖层整体刻蚀形成一凸起的波导结构和两凸起的台面部，其中，所述波导结构由凸起的脊型部和凸起的输出波导对接而成，所述波导结构的两侧各有I个所述台面部；电绝缘层，设置在所述波导结构与邻近的所述台面部之间以及所述台面部的上表面；P型电极，设置在所述电绝缘层以及所述波导结构的上表面。在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述顶层硅包含模斑变换器、定向耦合器、微环谐振器和反射镜，所述模斑变换器的输入端与所述输出波导的输出端对准，所述定向耦合器设置在所述模斑变换器的输出端，所述反射镜与所述定向耦合器之间设有所述微环谐振器。在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述低折射率层覆盖在所述模斑变换器的上表面，其折射率在空气折射率和硅材料折射率之间。在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述输出波导可以是直波导、倾斜波导或弯折波导等，其输出端与所述模斑变换器的输入端对准。在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述有源层为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为II1- V族半导体材料或I1-VI族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述N型波导的厚度至少为λ，其中λ为硅基激光器在真空中的激射波长。在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述电绝缘层的材料为Si02、Si3N4或 Al2O3O在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述模斑变换器是反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列。在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述微环谐振器和所述反射镜挑选的腔谐振波长位于所述有源层的增益谱范围内。本专利技术，具有直接高效输出单模激光的优点，且结构紧凑，工艺简单，效率高，稳定性高，可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。【附图说明】图1为本专利技术的侧视图；图2为本专利技术的顶视图；图3为本专利技术的大模斑半导体有源芯片的输出截面图；图4为现有技术中典型商用半导体有源芯片输出的近场图；图5为本专利技术中大模斑半导体有源芯片输出的近场图；图6为现有技术中典型商用半导体有源芯片与模斑变换器的耦合效率与对准偏差的关系；图7为本专利技术中大模斑半导体有源芯片与模斑变换器的耦合效率与对准偏差的关系O【具体实施方式】本专利技术提供了高耦合效率电注入集成硅基激光器，结构紧凑，工艺简单，效率高，稳定性高。下面结合具体实施例和说明书附图对本专利技术予以详细说明。如图1、图2及图3所示，本专利技术提供了一种高耦合效率电注入集成硅基激光器，为叠层结构，包括:硅衬底1、绝缘层2、大模斑半导体有源芯片3、顶层硅4和低折射率层5。硅衬底I的上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部；绝缘层2设置在硅衬底I的常规部上，大模斑半导体有源芯片3设置在硅衬底I的刻蚀部上；顶层硅4设置在绝缘层2的上表面；低折射率层5设置在顶层硅4的上表面的靠近大模斑半导体有源芯片3的一侧。大模斑半导体有源芯片3为叠层结构，倒置在硅衬底I的上表面，包括:N型电极301、N型衬底302,N型限制层303,N型波导304、有源层305,P型限制层306,P型盖层310和电绝缘层311。N型衬底302设置在N型电极301的上表面，N型限制层303设置在N型衬底302的上表面，N型波导304设置在N型限制层303的上表面，有源层305设置在N型波导304的上表面。P型限制层306设置在有源层305的上表面；P型盖层310设置在P型限制层306的上表面；P型限制层306和P型盖层310整体刻蚀形成一凸起的波导结构和两凸起的台面部309，其中，波导结构由凸起的脊型部307和凸起的输出波导308对接而本文档来自技高网...

【技术保护点】
高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，为叠层结构，包括：硅衬底，上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部；设置在所述硅衬底的常规部上的绝缘层；设置在所述硅衬底的刻蚀部上的大模斑半导体有源芯片；设置在所述绝缘层上表面的顶层硅；设置在所述顶层硅上表面靠近所述大模斑半导体有源芯片的一侧的低折射率层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，肖希，王磊，邱英，李淼峰，陈代高，杨奇，余少华，
申请(专利权)人：武汉邮电科学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北;42