利用机械特征和贯穿硅通孔集成在硅基座上的量子点激光器制造技术

提供了一种激光器，包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的硅衬底；与硅衬底的第一表面接合的III‑V族半导体材料层；以及量子点层，该量子点层被包括在从III‑V族半导体材料层生长出的一个或多个层中并相对于硅衬底的第一表面处于预定高度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用机械特征和贯穿硅通孔集成在硅基座上的量子点激光器相关申请的交叉引用本申请是专利合作条约递交文件，要求如下共同在审的美国专利申请的优先权：于2018年03月02日递交的美国专利申请：15/910,852；于2018年03月02日递交的美国专利申请：15/910,684；以及于2018年03月02日递交的美国专利申请：15/910,345。上述相关专利申请通过引用以其整体合并于此。
本公开中呈现的实施例总体上涉及量子点激光器及其制造。
技术介绍
激光器的生产成本和物理特性直接受到在生产这些激光器时所使用的材料和方法的影响。生产方法和构建材料的选择不仅会影响给定批次的激光器的产量，还会影响批次可能成为的大小。结果，通常在专用设备上以比其他电子或光学组件小的批量生产激光器。此外，由于激光器与其他组件的材料不同，经常使用特殊的技术和材料将激光器与其他电子或光学组件集成在一起，以创建最终装配，而其他组件不需要彼此集成，这进一步增加了生产成本。附图说明为了可以详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施例来对上面简要概述的本公开进行更具体的描述，在附图中示出了这些实施例中的一些。然而，应当注意，附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因此不应被认为是对其范围的限制，因为本公开可以允许其他等效的实施例。图1A-1G示出了使用与硅衬底接合的III-V族半导体材料的薄膜制造量子点激光器装配的各种视图。图2示出了概述用于生产量子点激光器装配的示例方法中的一般操作的流程图。>图3A-3C示出了根据本公开生产的量子点激光器的个体管芯的各种视图。图4A-4D示出了各种正面剖视图，以突出显示在各个制造阶段中的量子点激光器的不同层(layer)和层级(stratum)。图5A-5D示出了与根据本公开构造的量子点激光器装配集成的各种示例光子元件。图6A-6C示出了根据本公开构造的具有更大的光子集成电路的量子点激光器的各种安装方案。图7A和7B示出了根据本公开制造的量子点激光器的晶片级视图。为了促进理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示图中共有的相同元件。可以预期，在一个实施例中公开的元件可以有益地用于其他实施例，而不需要具体的记述。具体实施方式概览在本公开中提出的一个实施例提供了一种方法，该方法包括：将III-V族半导体材料的片材与硅晶片的第一侧接合；去除与硅晶片接合的多余的III-V族半导体材料，以留下预定厚度的与硅晶片接合的III-V族半导体材料的基础层；在该基础层上外延生长至少一个层，该至少一个层包括相对于硅晶片的第一侧以预定高度布置的量子点层；以及切割硅晶片以产生多个量子点激光器。在本公开提出的另一实施例中，提供了一种晶片，该晶片包括硅衬底，与硅衬底接合的预定厚度的III-V族半导体材料的基础层，以及在该基础层上生长的至少一个层，该至少一个层用于形成多个量子点激光器。本公开中提出的另一实施例提供了一种激光器，该激光器包括：具有上侧和与上侧相对的下侧的硅衬底；与硅衬底的上侧接合的III-V族半导体材料层；量子点层，被包括在从III-V族半导体材料层生长出的一个或多个层中并且相对于硅衬底的上侧处于预定高度，并且其中硅衬底的下侧包括多个装配特征，这些装配特征在硅衬底上被限定为晶片级特征。本公开中提出的一个实施例提供了一种装置，包括：硅衬底；量子点激光器，其包括：与硅衬底接合的III-V族半导体材料的基础层；以及从该基础层外延生长的至少一个层，其中该至少一个层包括量子点层；以及光子元件，该光子元件被制造在硅衬底上并且包括与量子点层光学对准的波导。本公开中提出的另一实施例提供了一种形成光子设备的方法，该方法包括：将III-V族半导体材料的片材与衬底接合；通过去除与衬底接合的多余的III-V族半导体材料来形成具有预定厚度的III-V族半导体材料的基础层；并且在去除多余的III-V族半导体材料之后，在基础层上方外延生长量子点层，其中量子点层被布置为相对于衬底处于预定高度；以及在衬底上制造光子元件，其中光子元件的波导根据预定高度与量子点层光学对准。本公开中提出的另一实施例提供了一种形成光子设备的方法，该方法包括：从接合到硅衬底的基础层生长至少一个层，该至少一个层包括量子点层；以与量子点层光学对准的方式在该硅衬底上制造第一光子元件以形成激光器基座；并且使用硅衬底作为参考表面，将激光器基座安装到包括第二光子元件的集成电路的电介质层。在本公开中提出的一个实施例提供了一种创建激光器的方法，该方法包括：将III-V族半导体材料与硅衬底接合；去除与该衬底接合的多余的III-V族半导体材料，以留下与衬底接合的具有预定厚度的III-V族半导体材料基础层；并在去除多余的III-V族半导体材料之后，在III-V族半导体材料基础层上外延生长至少一个层，该至少一个层包括量子点层。本公开的另一实施例是一种激光器，包括：具有上表面的硅衬底，其中基础层与该硅衬底的上表面接合并且一个或多个层在该基础层上被生长出，该基础层包括III-V族半导体材料，该一个或多个层包括：从基础层生长出的基质层，其包括与所述III-V族半导体材料晶格匹配的III-V族半导体材料；在基质层内生长的量子点层；以及从基质层生长出的接触层，其包括III-V族半导体材料，其中基质层将接触层与基础层分开。本公开的另一实施例是一种激光器，该激光器包括：量子点层，其被放置为高于硅衬底的上表面预定义高度；III-V族半导体材料的基础层，该基础层与硅衬底的上表面接合；以及从基础层生长出的晶格匹配的III-V族半导体材料的覆盖层(claddinglayer)，其中量子点层被包括在覆盖层的波导中。示例实施例硅(Si)光子应用通常使用基于量子阱(QuantumWell，QW)的激光器，该激光器基于小尺寸(例如，5厘米直径，以及更小)的磷化铟(InP)衬底。与量子点(QD)激光器相比，这些基于InP的QW激光器通常具有有限的工作温度范围、更高的背向反射灵敏度、和有限的增益带宽。另外，InP衬底往往比Si衬底更易碎、导热性更差，从而导致针对基于InP的组件使用更小尺寸的衬底并且散热性能更差。此外，InP和Si之间热膨胀系数的差异使生产过程中的应变管理以及以后的使用变得更具挑战。迄今为止，将QW或QD激光器集成到Si光子平台上的大多数努力都是将在InP或砷化镓(GaAs)衬底上生长的激光器接合到Si衬底上。在Si光子平台上直接生长QD激光器的努力并没有达到成本效益，部分原因是使用了较大的晶片(例如200-300mm)，且晶片中III-V族半导体材料相比于晶片面积的比例很小，并且激光器的成品率损耗也导致Si光子管芯的损耗。取而代之的是，如在此参照附图更详细地论述的，在与Si衬底接合的III-V族半导体材料的薄膜上生长QD激光器提供的激光器，这与基于InP的QW激光器或从Si衬底生长出的QW/QD激光器相比，具有更优异的物理性能、更易本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光器，包括：/n硅衬底，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；/nIII-V族半导体材料层，与所述硅衬底的所述第一表面接合；以及/n量子点层(180)，所述量子点层被包括在从所述III-V族半导体材料层生长出的一个或多个层中并相对于所述硅衬底的所述第一表面处于预定高度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180302 US 15/910,852;20180302 US 15/910,684;20181.一种激光器，包括：
硅衬底，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
III-V族半导体材料层，与所述硅衬底的所述第一表面接合；以及
量子点层(180)，所述量子点层被包括在从所述III-V族半导体材料层生长出的一个或多个层中并相对于所述硅衬底的所述第一表面处于预定高度。


2.如权利要求1所述的激光器，还包括：
光子元件(370)，在所述硅衬底的所述第一表面上被制造并包括与所述量子点层光学对准的波导。


3.如任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述硅衬底的所述第二表面包括多个装配特征，所述多个装配特征在所述硅衬底上被限定为晶片级特征。


4.如任一前述权利要求所述的激光器，其中，所述III-V族半导体材料层还包括：
与所述硅衬底的所述第一表面接合的基础层(120)，所述基础层包括III-V族半导体材料；
从所述基础层生长出的基质层(160)，所述基质层包括与所述III-V族半导体材料晶格匹配的III-V族半导体材料，其中所述量子点层是在所述基质层内生长的；以及
从所述基质层生长出的接触层(190)，所述接触层包括所述III-V族半导体材料，其中所述接触层通过所述基质层与所述基础层分开。


5.如权利要求4所述的激光器，还包括波导层(170)，所述波导层从所述基质层外延生长以包围所述量子点层。


6.一种晶片(700)，包括多个管芯，所述多个管芯包括如任一前述权利要求所定义的激光器。


7.一种方法，包括：
将III-V族半导体材料与硅衬底接合(210)；
去除(220)与所述硅衬底接合的多余的III-V族半导体材料，以留下预定厚度的与所述硅衬底接合的III-V族半导体材料基础层(140)；以及
在去除所述多余的III-V族半导体材料之后，在所述III-V族半导体材料基础层上外延生长(230)至少一个层，所述至少一个层包括量子点层(180)。


8.如权利要求7所述的方法，其中，所述量子点层被布置为相对于所述衬底处于预定高度；以及

【专利技术属性】
技术研发人员：多米尼克·F·斯里亚尼，西恩·P·安德森，威普库马·帕特尔，
申请(专利权)人：思科技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US