CN109560462A - 硅基混合集成激光器阵列及其制备方法 - Google Patents

硅基混合集成激光器阵列及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基混合集成激光器阵列及其制备方法。硅基混合集成激光器阵列包括：制作在SOI基底和III‑V半导体外延层上的多个平行排布的硅基混合集成激光器；其中，每个硅基混合集成激光器包括：硅脊波导；导热层，位于硅脊波导两侧的特定区域内，该特定区域为SOI基底去除顶层硅和埋氧层之后获得的区域；本征层，形状为马鞍形，包括两端的突出部和连接部，其中一两端的突出部覆盖于导热层上方；本征层连接部上依次有N型波导层、有源区、P型盖层；III‑V波导，由III‑V半导体外延层图案化形成，与硅脊波导相连接；P型欧姆接触层，P电极以及N电极。散热性好，制备工艺简单稳定、重复性好、制作成本低。

Description

硅基混合集成激光器阵列及其制备方法
技术领域
本公开属于激光器技术领域，涉及一种硅基混合集成激光器阵列及其制备方法。
背景技术
随着技术的发展，人们对数据传输速率、传输带宽和能耗要求越来越高，受电子自身物理特性的制约，传统的基于电集成芯片的电互连在传输高速信号时，存在能耗大、带宽窄及光电子集成***成本高的瓶颈的问题；而光子具有超高传输速度、超高并行性、超高带宽与超低传输与交互功耗的特点。由于硅光子集成结合了CMOS工艺的超大规模逻辑、超高精度制造、低成本优势，因此，硅基光互连有望突破上述速率、功耗、带宽和成本的瓶颈。
硅光子集成技术经过前期的研究得到了很大的发展，但是光源仍然是世界性的难题。从2006年Intel发明了第一个电注入硅基混合集成激光器开始，目前硅基混合集成激光器已得到了广泛的研究。但是现代通信技术通常采用多路复用技术提高通信容量，急需硅基混合集成III-V族激光器阵列的研究。
目前实现硅基混合集成激光器阵列的方法常见的由三种方法。第一种方法是通过晶片直接键合或介质键合的方法将SOI硅基材料和III-V外延材料键合在一起，在SOI或III-V外延材料上制作多个平行的脊波导，在脊波导上制作微结构或者弯曲波导用来选择波长实现硅基混合集成激光器阵列。但是该方案中所提到的硅基混合集成激光器阵列都没有考虑SOI 中埋氧层(BOX)的散热特性差对激光器阵列的影响问题。第二种方法是在SOI上通过MOCVD或MBE直接外延生长III-V半导体材料，在SOI 或III-V上制作脊波导，在脊波导上制作微结构用来选择波长。虽然该方案能在一个SOI材料上实现自对准硅基混合集成激光器，不需要SOI和 III-V之间的精确对准技术，但是对外延技术的要求很高，目前技术仍未成熟，还需要探索，也没有研究SOI基底中埋氧层的散热特性差对器件的影响。第三种方法是在SOI制作好多个平行的硅基波导后，将制备好的III-V 激光器阵列通过3D集成或封装的形式与SOI上的多个硅基波导端面耦合。 3D集成或封装的形式，需要将SOI材料上的硅波导与III-V半导体激光器阵列的各处光端精确对准，对封装技术的要求很高，成本也较高，同时还要考虑如何提高端面耦合效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种硅基混合集成激光器阵列及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种硅基混合集成激光器阵列，包括：制作在SOI基底和III-V半导体外延层上的多个平行排布的硅基混合集成激光器；其中，每个硅基混合集成激光器包括：硅脊波导；导热层，位于硅脊波导两侧的特定区域内，该特定区域为SOI基底去除顶层硅和埋氧层之后获得的区域；本征层，形状为马鞍形，包括两端的突出部和连接部，其中一两端的突出部覆盖于导热层上方；N型波导层，形成于本征层的连接部之上；有源区，形成于N型波导层之上；P型盖层，形成于有源区之上；III-V波导，由III-V半导体外延层图案化形成，两端与硅脊波导的前、后端相连接，两侧的结构为图案化后未被刻蚀的P型盖层以及下方的有源区；P型欧姆接触层，位于III-V波导之上；P电极，位于P型欧姆接触层之上；以及N电极，位于N型波导层之上。
在本公开的一些实施例中，SOI基底与III-V半导体外延层通过键合的方式结合在一起，该键合的方式包括：金属键合、介质键合或者晶片直接键合，硅脊波导和III-V波导是分别通过在SOI基底和III-V半导体外延层上制作而成，然后通过将马鞍形的本征层的一两端的突出部覆盖于导热层之上，将SOI基底与III-V半导体外延层二者结合在一起。
在本公开的一些实施例中，每个III-V波导与每个硅脊波导是一一对应的，且在垂直方向是对齐的。
在本公开的一些实施例中，SOI基底自下而上依次包括：衬底硅，埋氧层以及顶层硅，该硅脊波导是SOI基底经过图案化制作出来的，是由 SOI基底的顶层硅经图案化、刻蚀后形成的；III-V半导体外延层自下而上依次包括：本征层，N型波导层，有源区，P型盖层以及P型欧姆接触层，该III-V波导是III-V半导体外延层经过图案化，然后刻蚀P型欧姆接触层、 P型盖层、有源区和N型波导层制作出来的。
在本公开的一些实施例中，沿着硅脊波导的方向，该硅脊波导两端的结构包括：楔形脊波导和/或直脊波导；沿着III-V波导的方向，该III-V 波导两端的结构包括：楔形波导和/或直波导。
在本公开的一些实施例中，III-V波导包括：前、后段的楔形波导和中间段的直波导，前、后段楔形波导经图案化刻蚀至N型波导层底部，与硅脊波导的前、后端相连接，中间段直波导经刻蚀至P型盖层下部；剩下的未被刻蚀的P型盖层位于该III-V波导的两侧，有源区位于P型盖层之下，同样也位于该III-V波导的两侧。
在本公开的一些实施例中，导热层的材料包括：金属或合金材料，包括：SnAu、Sn、Ag、Cu、Au、Al、Fe或CuAl；半导体材料，包括：多晶硅、单晶硅、非晶硅或锗；无机非金属材料，包括：石墨烯、石墨、碳纤维、C/C复合材料或炭黑；以及导热高分子材料；和/或III-V半导体外延层中P型欧姆接触区、P型盖层、有源区、N型波导层以及本征层的材料包括：磷化铟、砷化镓、锑化镓材料系的二元系、三元系、四元系材料中的任意两种或多种。
在本公开的一些实施例中，硅基混合集成激光器阵列，还包括：微结构，形成于硅脊波导或III-V波导的结构上。
在本公开的一些实施例中，微结构的形貌包括：一维、二微、三维的几何形状，结构包括：光栅、光子晶体或微槽；通过调节每个硅基混合集成激光器中的微结构的参数，能够实现该硅基混合集成激光器阵列的激射波长范围的控制和调节。
根据本公开的另一个方面，提供了一种硅基混合集成激光器阵列的制备方法，包括：在SOI基底上制作多个平行排布的硅脊波导；在含有硅脊波导的SOI基底上制作特定区域，并在特定区域上生长导热层；利用III-V 半导体材料依次外延生长本征层、N型波导层、有源区、P型盖层以及P 型欧姆接触层，形成III-V半导体外延层；在III-V半导体外延层上进行图案化处理，刻蚀出马鞍形的本征层、III-V波导以及III-V波导两侧的结构，生长P电极、N电极；将含有硅脊波导和导热层的SOI基底与含有III-V 波导、P电极、N电极的III-V半导体外延层键合起来；以及在硅脊波导或 III-V波导的结构上制作微结构，完成硅基混合集成激光器阵列的制备。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的硅基混合集成激光器阵列及其制备方法，具有以下有益效果：
在构成阵列的每路硅基混合集成激光器中，在硅脊波导两侧的特定区域去除掉顶层硅和埋氧层，露出衬底硅，然后在该区域中填入了金属或高导热材料，将有源区发光时产生的热量通过N型波导层、本征层和该区域内的金属和高导热材料进入衬底硅散掉，解决SOI材料中由于埋氧层导热特性差从而影响硅基混合集成激光器散热特性差的问题，提高了硅基混合集成激光器阵列的散热特性及光电特性；另外，III-V半导体外延材料由 MBE或MOCVD一次外延而成，不需要二次外延及选区生长技术，工艺简单稳定；SOI上的结构可以与成熟的CMOS工艺兼容，工艺稳定、重复性好、制作成本低；在III-V半导体材料上的结构可以与传统的光电子工艺技术兼容，制作上有较高的重复性。
附图说明
图1为根据本公开实施例硅基混合集成激光器阵列的结构示意图。
图2为根据本公开实施例硅基混合集成激光器阵列中的一个硅基混合集成激光器的结构示意图。
图3为根据本公开实施例硅基混合集成激光器阵列中的一个硅基混合集成激光器的结构剖面示意图。
图4为根据本公开实施例硅脊波导两侧不含有特定区域及导热层的硅基混合集成激光器的剖面热分布示意图。
图5为根据本公开实施例硅脊波导两侧含有特定区域及导热层的硅基混合集成激光器的剖面热分布示意图。
【符号说明】
100-硅基混合集成激光器阵列； 400-硅基混合集成激光器；
200-SOI基底；
201-衬底硅； 202-埋氧层；
203-顶层硅； 204-硅脊波导；
300-III-V半导体外延层；
301-P型欧姆接触层； 302-P型盖层；
303-有源区； 304-N型波导层；
305-本征层； 306-III-V波导；
307-P电极； 308-N电极；
500-微结构； 700-导热层。
具体实施方式
本公开提供了一种硅基混合集成激光器阵列及其制备方法，具有良好的散热特性和光电特性，且III-V半导体外延材料由MBE或MOCVD一次外延而成，不需要二次外延及选区生长技术，工艺简单稳定；SOI上的结构可以与成熟的CMOS工艺兼容，工艺稳定、重复性好、制作成本低；在III-V半导体材料上的结构可以与传统的光电子工艺技术兼容，制作上有较高的重复性。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种硅基混合集成激光器阵列。
图1为根据本公开实施例硅基混合集成激光器阵列的结构示意图。图 2为根据本公开实施例硅基混合集成激光器阵列中的一个硅基混合集成激光器的结构示意图。图3为根据本公开实施例硅基混合集成激光器阵列中的一个硅基混合集成激光器的结构剖面示意图。
结合图1-图3所示，该本公开的硅基混合集成激光器阵列100，包括制作在SOI基底200和III-V半导体外延层300上的多路平行排布的硅基混合集成激光器400，每个硅基混合集成激光器400包括：衬底硅201；埋氧层202；硅脊波导204；导热层700，位于硅脊波导204两侧的特定区域内；本征层305，形状为马鞍形，包括两端的突出部和连接部，其中一两端的突出部位于硅脊波导204的两侧、覆盖于导热层700上方；N型波导层304，位于硅脊波导204的上方，形成于本征层305的连接部之上；有源区303，形成于N型波导层304之上；P型盖层302，形成于有源区 303之上；III-V波导306，由III-V半导体外延层300图案化形成，与硅脊波导204的后端相连接，两侧为图案化后未被刻蚀的P型盖层302以及下方的有源区303；P型欧姆接触层301，位于III-V波导306之上；P电极307，形成于P型欧姆接触层301之上；N电极308，形成于N型波导层304之上；以及微结构500，形成于硅脊波导204或III-V波导306的结构上；其中，特定区域位于硅脊波导两侧，导热层700是通过将区域内的顶层硅和埋氧层去除后生长导热材料得到的。
下面结合图2和图3，对本实施例的硅基混合集成激光器阵列的各个部分进行详细介绍。
本实施例中，SOI基底200自下而上依次包括：衬底硅201，埋氧层 202以及顶层硅203。
本实施例中，SOI基底200的埋氧层202的厚度为2μm；顶层硅的厚度为220nm；在顶层硅上面制作的多个平行的硅脊波导204的宽度为3 μm。
硅脊波导204是SOI基底200经过图案化制作出来的，是由SOI基底 200的顶层硅203经图案化、刻蚀后形成的。
本实施例中，沿着硅脊波导204的方向，该硅脊波导204两端的结构可以是楔形脊波导或直脊波导，其宽度和高度可以是任意的数值，由SOI 基底200的顶层硅203经图案化形成；在制作过程中，硅脊波导204两侧的结构也是由SOI基底200的顶层硅203经图案化形成，参见图1中呈Y 字形形状的在SOI基底200的顶层硅203上形成的图案；硅脊波导204两侧的结构与硅脊波导204的图案可以设计在一个光刻板上，然后采用一次光刻形成硅脊波导204和其两侧的图案。
导热层700，位于硅脊波导204的两侧，由SOI基底200中硅脊波导 204两侧的顶层硅203和埋氧层202被刻蚀掉后在衬底硅201上方生长导热材料形成。本实施例中，导热层所在的特定区域位于硅脊波导204两侧，距离硅脊波导15μm处，该特定区域的尺寸如下：长度为100μm、宽度为1mm。
本实施例中，导热层700的材料包括但不限于：SnAu、Ag、Cu、Au、 Al、Fe、CuAl等金属或合金材料，多晶硅、单晶硅、非晶硅、锗等半导体材料，石墨烯、石墨、碳纤维、C/C复合材料、炭黑等无机非金属材料以及导热高分子材料等；本实施例中优选导热性好的金属材料或高导热材料。
本实施例中，III-V半导体外延层300是由MBE或MOCVD一次外延生长而成，不需要二次外延及选区生长技术，工艺简单稳定。该III-V半导体外延层300结构从上到下至少包括：P型欧姆接触层301、P型盖层 302、有源区303、N型波导层304以及本征层305，在III-V半导体外延层300上制作的结构至少包括：多个平行排布的III-V波导306、P电极 307以及N电极308，其中，P电极307制作在P型欧姆接触层301之上， N电极308制作在N型波导层304之上。
本实施例中，III-V半导体外延层300中P型欧姆接触区301、P型盖层302、有源区303、N型波导层304以及本征层305的材料包括但不限于如下材料：磷化钢、砷化镓、锑化镓材料系的二元系、三元系、四元系材料中的任意两种或多种，任意一种三元系、四元系材料的组份可以是不同的数值，也可以是渐变的数值。
III-V波导306，由III-V半导体外延层300中的本征层305，N型波导层304，有源区303，P型盖层302以及P型欧姆接触区301图案化形成，包括前、后段楔形波导与中间段直波导，其中，前、后段楔形波导经刻蚀至N型波导层304底部，与硅脊波导204的前、后端相连接，中间段直波导经刻蚀至P型盖层302下部，剩下的未被刻蚀的P型盖层302位于该III-V 波导306的两侧；有源区位于P型盖层302之下，同样也位于该III-V波导306的两侧。
本实施例中，沿着III-V波导306的方向，该III-V波导306两端的结构可以是楔形波导或直波导，其宽度和高度可以是任意的数值，由III-V 半导体外延层300中的本征层305，N型波导层304，有源区303，P型盖层302，以及P型欧姆接触区301图案化形成，本实施例中该III-V波导 306包括前、后段楔形波导与中间段直波导，其中，前、后段楔形波导经刻蚀至N型波导层304底部，与硅脊波导204的前、后端相连接，中间段直波导经刻蚀至P型盖层302下部，还剩余部分P型盖层302未被刻蚀掉。在制作过程中，III-V波导306两侧的结构也是由III-V半导体外延层300 经图案化形成，参见图2中III-V波导306两侧的直波导形状，包括有源区303和未被刻蚀的P型盖层302；III-V波导306两侧的结构与III-V波导306的图案可以设计在一个光刻板上，然后采用一次光刻、刻蚀不同的程度从而形成硅脊波导204和其两侧的图案。
参照图1和图2所示，本征层305，形状为马鞍形，包括两端的突出部和连接部，其中一两端的突出部位于硅脊波导204的两侧，覆盖于导热材料700的上方；该本征层305的形状也是通过图案化III-V半导体外延层300形成的。
在本公开中，每个III-V波导306与每个硅脊波导204是一一对应的，且在垂直方向是对齐的。
本实施例中，III-V半导体外延层300的材料包括但不限于铟磷系、镓砷系和镓锑系这三种材料系的一种或几种；有源区采用的是由铟磷系、镓砷系构成的量子阱或量子点结构，且不局限于这两种材料系及量子阱、量子点这两种结构。
优选地，III-V半导体外延层300中的P型盖层302选用InP材料，厚度为1.5μm；P型欧姆接触层301的材料为InGaAs，在P型InP盖层和P 型InGaAs欧姆接触层上制作有多个平行排布的P型III-V脊波导，该脊波导的宽度为5μm，刻蚀深度约在1.3μm附近，两端的楔形III-V脊波导的末端宽度为400nm；有源区303采用AlGaInAs材料，其增益峰在1.55μm 附近。
本实施例中，SOI基底200与III-V半导体外延层300通过金属键合、介质键合或者晶片直接键合等键合的方式结合在一起，硅脊波导204和 III-V波导306是分别通过在SOI基底200和III-V半导体外延层300上制作而成，然后通过将马鞍形的本征层305以物理的方式搭在导热层700之上将SOI基底200与III-V半导体外延层300二者结合在一起。
导热层700与本征层305相接触，使得有源区303产生的热量通过热传递的方式经由N型波导层304、本征层305传入导热层700中，然后由导热层传入衬底硅201中，有效提高了硅基混合集成激光器的散热特性。
本实施例中，P电极307，形成于P型欧姆接触层301之上；N电极 308，形成于N型波导层304之上，与III-V波导306两侧的结构之间存在间距，参照图3所示。
本实施例中，微结构500的设置是为了实现调节该硅基混合集成激光器400的激射波长的作用。该微结构500形成于硅脊波导204或III-V波导306的结构上，其形貌可以是一维、二微、三维的几何形状，包括但不限于光栅、光子晶体这两种结构。通过调节硅基混合集成激光器阵列100 中的每个硅基混合集成激光器400中的微结构500的参数，可以实现该硅基混合集成激光器阵列100的激射波长范围的控制和调节。
本实施例中，在硅脊波导204上制作有一维微结构500，其周期在230 nm左右。
本实施例中，III-V半导体外延层300中的本征层305与特定区域内的金属导热层700相接触，N型波导层304与硅脊波导204相接触，有源区 303发出的光通过倏逝波耦合的方式经过N型波导层304耦合进入硅脊波导204中，有源区303发出的热量通过N型波导层304、本征层305和特定区域的金属导热层700导入衬底硅201散失掉。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种硅基混合集成激光器阵列的制备方法。
本公开的硅基混合集成激光器阵列的制备方法，包括：
步骤S402：在SOI基底上制作多个平行排布的硅脊波导；
本实施例中，多个平行排布的硅脊波导204由CMOS工艺的光刻、刻蚀技术或光电子工艺如普通光刻、电子束曝光、全息曝光、刻蚀、聚焦离子束FIB等技术在顶层硅203上制作。
本实施例中，SOI基底200的埋氧层202的厚度为2μm；顶层硅的厚度为220nm；在顶层硅上面制作的多个平行的硅脊波导204的宽度为3 μm。
步骤S404：在含有硅脊波导的SOI基底上制作特定区域，并在特定区域上生长导热层700；
本实施例中，特定区域采用CMOS工艺的光刻、刻蚀技术或光电子工艺如普通光刻、电子束曝光、全息曝光、刻蚀、FIB等技术将SOI基底200 的部分顶层硅203和埋氧层202去除后形成。
导热层700是通过物理或化学沉积的方式诸如热蒸发、磁控溅射等制备技术依次分步生长不同的导热材料制备而成，不同导热材料的生长顺序可以变化；设置多种导热材料有助于提高该该硅基混合集成激光器阵列的散热性质。
本实施例中，导热层700所在的特定区域位于硅脊波导204两侧，距离硅脊波导15μm处，该特定区域的尺寸如下：长度为100μm、宽度为1 mm。
步骤S406：利用III-V半导体材料依次外延生长本征层、N型波导层、有源区、P型盖层以及P型欧姆接触层，形成III-V半导体外延层；
本实施例中，III-V半导体外延层300是由MBE或MOCVD一次外延而制备。
III-V半导体外延层300中P型欧姆接触区301、P型盖层302、有源区303、N型波导层304以及本征层305的材料包括但不限于如下材料：磷化铟、砷化镓、锑化镓材料系的二元系、三元系、四元系材料中的任意两种或多种，任意一种三元系、四元系材料的组份可以是不同的数值，也可以是渐变的数值。
优选地，P型盖层302选用InP材料，厚度为1.5μm；P型欧姆接触层301的材料为InGaAs，有源区303采用AlGalnAs材料，其增益峰在1.55 μm附近。
步骤S408：在III-V半导体外延层上进行图案化处理，刻蚀出马鞍形的本征层、III-V波导以及III-V波导两侧的结构，生长P电极、N电极；
该步骤S408包括：利用设计好的图形对III-V半导体外延层上进行图案化处理，然后一部分依次刻蚀P型欧姆接触层301、P型盖层302、有源区303、N型波导层304直至N型波导层304底部，形成III-V波导的前、后段楔形波导；另一部分依次刻蚀P型欧姆接触层301、P型盖层302 直至P型盖层302下部，形成III-V波导的中间段直波导；P型盖层302 和有源区303刻蚀掉边缘两侧的部分，形成N电极生长区；剩下的未被刻蚀的P型盖层302位于该III-V波导306的两侧，有源区303位于P型盖层302之下，同样也位于该III-V波导306的两侧，形成III-V波导两侧的结构；在在P型欧姆接触层301之上制作P电极307，在N型波导层304 之上的N电极生长区制作N电极308。
P型III-V脊波导306采用但不限于如下制备技术，诸如光刻、电子束曝光、全息曝光、湿法腐蚀或干法刻蚀等制备而成。N电极与P电极的制备方式采用本领域常规制备方式，包括热蒸发、磁控溅射等，这里不作赘述。
本实施例中，N电极308与III-V波导两侧的结构之间存在间距。
上述设计好的图形包括：具有两端的突出部和连接部的马鞍形，以及处于马鞍形连接部的III-V波导形状，本实施例中以III-V波导包括前、后段楔形波导和中间段直波导举例说明。
步骤S410：将含有硅脊波导和导热层的SOI基底与含有III-V波导、 P电极、N电极的III-V半导体外延层键合起来；
本实施例中，将SOI基底200中硅脊波导204的表面和III-V半导体外延层300中N型波导层304的表面相互接触，通过晶片键合、金属键合或介质键合的方式结合在一起。
步骤S412：在硅脊波导或III-V波导的结构上制作微结构，完成硅基混合集成激光器阵列的制备。
本实施例中，微结构500可以是由CMOS工艺在硅脊波导204或光电子工艺如普通光刻、电子束曝光、全息曝光、刻蚀、FIB等技术在III-V 波导306上制备而成。
该微结构500可以是一维、二微、三维的几何形状，包括但不限于光栅、光子晶体结构，且周期数目和几何参数可以是任意数值。
为了验证该硅基混合集成激光器阵列的有益效果，做了两个对比结构的仿真实验，一种结构是硅脊波导两侧不含有特定区域及导热层的硅基混合集成激光器，另一种结构是硅脊波导两侧含有特定区域及导热层的硅基混合集成激光器，对这两种结构的硅基混合集成激光器进行了热分布的实验。
图4为根据本公开实施例硅脊波导两侧不含有特定区域及导热层的硅基混合集成激光器的剖面热分布示意图。图5为根据本公开实施例硅脊波导两侧含有特定区域及导热层的硅基混合集成激光器的剖面热分布示意图。
如图4所示，硅脊波导两侧不含有特定区域及导热层的硅基混合集成激光器的有源区的最高温度306℃，而硅脊波导两侧含有特定区域及导热层的硅基混合集成激光器的有源区的最高温度为40.3℃，如图5所示，可见，含有特定区域及导热层的结构改善了SOI材料中埋氧层导热特性差引起的激光器阵列散热特性差的问题，将有源区中的热量通过特定区域的金属导入衬底硅散掉，可以改善整个硅基混合集成激光器阵列的热特性和光电特性。
综上所述，本公开提供了一种硅基混合集成激光器阵列及其制备方法，具有良好的散热特性和光电特性，且III-V半导体外延材料由MBE或 MOCVD一次外延而成，不需要二次外延及选区生长技术，工艺简单稳定； SOI上的结构可以与成熟的CMOS工艺兼容，工艺稳定、重复性好、制作成本低；在III-V半导体材料上的结构可以与传统的光电子工艺技术兼容，制作上有较高的重复性。
当然，根据实际需要，本公开的硅基混合集成激光器阵列及其制备方法还包含其他的元件、工艺和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基混合集成激光器阵列，包括：制作在SOI基底和III-V半导体外延层上的多个平行排布的硅基混合集成激光器；
其中，每个硅基混合集成激光器包括：硅脊波导；导热层，位于硅脊波导两侧的特定区域内，该特定区域为SOI基底去除顶层硅和埋氧层之后获得的区域；本征层，形状为马鞍形，包括两端的突出部和连接部，其中一两端的突出部覆盖于导热层上方；N型波导层，形成于本征层的连接部之上；有源区，形成于N型波导层之上；P型盖层，形成于有源区之上；III-V波导，由III-V半导体外延层图案化形成，两端与硅脊波导的前、后端相连接，两侧的结构为图案化后未被刻蚀的P型盖层以及下方的有源区；P型欧姆接触层，位于III-V波导之上；P电极，位于P型欧姆接触层之上；以及N电极，位于N型波导层之上。
2.根据权利要求1所述的硅基混合集成激光器阵列，其中，所述SOI基底与III-V半导体外延层通过键合的方式结合在一起，该键合的方式包括：金属键合、介质键合或者晶片直接键合，硅脊波导和III-V波导是分别通过在SOI基底和III-V半导体外延层上制作而成，然后通过将马鞍形的本征层的一两端的突出部覆盖于导热层之上，将SOI基底与III-V半导体外延层二者结合在一起。
3.根据权利要求1所述的硅基混合集成激光器阵列，其中，每个所述III-V波导与每个所述硅脊波导是一一对应的，且在垂直方向是对齐的。
4.根据权利要求1所述的硅基混合集成激光器阵列，其中：
所述SOI基底自下而上依次包括：衬底硅，埋氧层以及顶层硅，所述硅脊波导是SOI基底经过图案化制作出来的，是由SOI基底的顶层硅经图案化、刻蚀后形成的；
所述III-V半导体外延层自下而上依次包括：本征层，N型波导层，有源区，P型盖层以及P型欧姆接触层，所述III-V波导是III-V半导体外延层经过图案化，然后刻蚀P型欧姆接触层、P型盖层、有源区和N型波导层制作出来的。
5.根据权利要求4所述的硅基混合集成激光器阵列，其中：
沿着所述硅脊波导的方向，该硅脊波导两端的结构包括：楔形脊波导和/或直脊波导；
沿着所述III-V波导的方向，该III-V波导两端的结构包括：楔形脊波导和/或直脊波导。
6.根据权利要求5所述的硅基混合集成激光器阵列，其中，所述III-V波导包括：前、后段的楔形波导和中间段的直波导，前、后段楔形波导经图案化刻蚀至N型波导层底部，与硅脊波导的前、后端相连接，中间段直波导经刻蚀至P型盖层下部；剩下的未被刻蚀的P型盖层位于该III-V波导的两侧，有源区位于P型盖层之下，同样也位于该III-V波导的两侧。
7.根据权利要求1所述的硅基混合集成激光器阵列，其中：
所述导热层的材料包括：
金属或合金材料，包括：SnAu、Sn、Ag、Cu、Au、Al、Fe或CuAl；
半导体材料，包括：多晶硅、单晶硅、非晶硅或锗；
无机非金属材料，包括：石墨烯、石墨、碳纤维、C/C复合材料或炭黑；以及
导热高分子材料；和/或
所述III-V半导体外延层中P型欧姆接触区、P型盖层、有源区、N型波导层以及本征层的材料包括：磷化铟、砷化镓、锑化镓材料系的二元系、三元系、四元系材料中的任意两种或多种。
8.根据权利要求1至7任一项所述的硅基混合集成激光器阵列，还包括：
微结构，形成于硅脊波导或III-V波导的结构上。
9.根据权利要求8所述的硅基混合集成激光器阵列，其中，所述微结构的形貌包括：一维、二微、三维的几何形状，结构包括：光栅、光子晶体或微槽；通过调节每个硅基混合集成激光器中的微结构的参数，能够实现该硅基混合集成激光器阵列的激射波长范围的控制和调节。
10.一种硅基混合集成激光器阵列的制备方法，包括：
在SOI基底上制作多个平行排布的硅脊波导；
在含有硅脊波导的SOI基底上制作特定区域，并在特定区域上生长导热层；
利用III-V半导体材料依次外延生长本征层、N型波导层、有源区、P型盖层以及P型欧姆接触层，形成III-V半导体外延层；
在III-V半导体外延层上进行图案化处理，刻蚀出马鞍形的本征层、III-V波导以及III-V波导两侧的结构，生长P电极、N电极；
将含有硅脊波导和导热层的SOI基底与含有III-V波导、P电极、N电极的III-V半导体外延层键合起来；以及
在硅脊波导或III-V波导的结构上制作微结构，完成硅基混合集成激光器阵列的制备。
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110082862A (zh) * 2019-04-11 2019-08-02 联合微电子中心有限责任公司 一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法
CN110289553A (zh) * 2019-06-25 2019-09-27 中国科学院半导体研究所 多波长硅基iii-v族混合集成激光器、其阵列单元和制备方法
CN110429474A (zh) * 2019-07-31 2019-11-08 天津工业大学 一种全四族硅基c波段半导体激光器
CN111585171A (zh) * 2020-05-26 2020-08-25 浙江光珀智能科技有限公司 一种光信号放大器阵列、光学芯片及其制作方法
CN111711071A (zh) * 2020-06-29 2020-09-25 中国科学院半导体研究所 可调谐激光器及其制作方法
CN112290385A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 中国科学院半导体研究所 多波长硅基iii-v族混合集成激光器阵列单元及制作方法
CN112769031A (zh) * 2020-12-31 2021-05-07 联合微电子中心有限责任公司 一种背向集成有源器件及其制备方法
GB2596060A (en) * 2020-06-09 2021-12-22 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic device and method of manufacture thereof
GB2596917A (en) * 2020-06-09 2022-01-12 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic device and method of manufacture thereof
CN114039273A (zh) * 2021-10-31 2022-02-11 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 一种InP基激光器与薄膜铌酸锂光波导异质集成结构
CN115995759A (zh) * 2023-03-22 2023-04-21 中国科学院半导体研究所 多波长激光器及其制作方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004311678A (ja) * 2003-04-07 2004-11-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd 金属膜を積層した半導体素子
US20090168821A1 (en) * 2007-12-31 2009-07-02 Alexander Fang Thermal shunt for active devices on silicon-on-insulator wafers
CN102684069A (zh) * 2012-05-30 2012-09-19 中国科学院半导体研究所 基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器
US20140204967A1 (en) * 2011-08-31 2014-07-24 Di Liang Thermal Shunt
JP2014192472A (ja) * 2013-03-28 2014-10-06 Fujitsu Ltd Ｓｉ光集積回路装置及びその製造方法
US9257814B1 (en) * 2014-12-11 2016-02-09 Oracle International Corporation Temperature-insensitive optical component
US20160211645A1 (en) * 2015-01-20 2016-07-21 Sae Magnetics (H.K.) Ltd. Semiconductor laser apparatus and manufactruing method thereof
US20170077325A1 (en) * 2012-08-29 2017-03-16 Erik Johan Norberg Optical cladding layer design
CN106785907A (zh) * 2016-11-29 2017-05-31 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 光模块
WO2017096183A1 (en) * 2015-12-02 2017-06-08 The Trustees Of The University Of Pennsylvania High refractive index waveguides and method of fabrication
CN106953234A (zh) * 2017-02-14 2017-07-14 上海新微科技服务有限公司 硅基单片集成激光器及其制作方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004311678A (ja) * 2003-04-07 2004-11-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd 金属膜を積層した半導体素子
US20090168821A1 (en) * 2007-12-31 2009-07-02 Alexander Fang Thermal shunt for active devices on silicon-on-insulator wafers
US20140204967A1 (en) * 2011-08-31 2014-07-24 Di Liang Thermal Shunt
CN102684069A (zh) * 2012-05-30 2012-09-19 中国科学院半导体研究所 基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器
US20170077325A1 (en) * 2012-08-29 2017-03-16 Erik Johan Norberg Optical cladding layer design
JP2014192472A (ja) * 2013-03-28 2014-10-06 Fujitsu Ltd Ｓｉ光集積回路装置及びその製造方法
US9257814B1 (en) * 2014-12-11 2016-02-09 Oracle International Corporation Temperature-insensitive optical component
US20160211645A1 (en) * 2015-01-20 2016-07-21 Sae Magnetics (H.K.) Ltd. Semiconductor laser apparatus and manufactruing method thereof
WO2017096183A1 (en) * 2015-12-02 2017-06-08 The Trustees Of The University Of Pennsylvania High refractive index waveguides and method of fabrication
CN106785907A (zh) * 2016-11-29 2017-05-31 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 光模块
CN106953234A (zh) * 2017-02-14 2017-07-14 上海新微科技服务有限公司 硅基单片集成激光器及其制作方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G.-H.DUAN等: "Integrated hybrid III–V Si laser and transmitter", 《IEEE》 *
HAI-LING WANG等: "A single mode hybrid III-V/silicon on chip laser based on flip-chip bonding technology for optical interconnection", 《CHINESE PHYSICS LETTERS》 *
王海玲等: "应用于光子集成的硅基混合集成人工微结构硅波导输出激光器研究", 《激光与光电子学紧张》 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111856654A (zh) * 2019-04-11 2020-10-30 联合微电子中心有限责任公司 一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准方法及装置
CN110082862B (zh) * 2019-04-11 2020-11-03 联合微电子中心有限责任公司 一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法
CN110082862A (zh) * 2019-04-11 2019-08-02 联合微电子中心有限责任公司 一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法
CN110289553A (zh) * 2019-06-25 2019-09-27 中国科学院半导体研究所 多波长硅基iii-v族混合集成激光器、其阵列单元和制备方法
CN110429474A (zh) * 2019-07-31 2019-11-08 天津工业大学 一种全四族硅基c波段半导体激光器
CN111585171A (zh) * 2020-05-26 2020-08-25 浙江光珀智能科技有限公司 一种光信号放大器阵列、光学芯片及其制作方法
GB2596060A (en) * 2020-06-09 2021-12-22 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic device and method of manufacture thereof
GB2596917B (en) * 2020-06-09 2023-02-08 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic device
GB2596917A (en) * 2020-06-09 2022-01-12 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic device and method of manufacture thereof
CN111711071B (zh) * 2020-06-29 2022-09-16 中国科学院半导体研究所 可调谐激光器及其制作方法
CN111711071A (zh) * 2020-06-29 2020-09-25 中国科学院半导体研究所 可调谐激光器及其制作方法
CN112290385A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 中国科学院半导体研究所 多波长硅基iii-v族混合集成激光器阵列单元及制作方法
CN112769031A (zh) * 2020-12-31 2021-05-07 联合微电子中心有限责任公司 一种背向集成有源器件及其制备方法
CN114039273A (zh) * 2021-10-31 2022-02-11 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 一种InP基激光器与薄膜铌酸锂光波导异质集成结构
CN114039273B (zh) * 2021-10-31 2024-03-22 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 一种InP基激光器与薄膜铌酸锂光波导异质集成结构
CN115995759A (zh) * 2023-03-22 2023-04-21 中国科学院半导体研究所 多波长激光器及其制作方法

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