CN115912054A - 一种硅基fp激光器件、集成可调谐激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种硅基FP激光器件、集成可调谐激光器及其制备方法。在一具体实施方式中，该器件包括硅衬底；形成在衬底上的第一导电类型的第一接触层；形成在第一接触层上的第一电极和耦合腔结构；所述耦合腔结构包括形成在第一接触层上的下波导光限制层和III‑V族量子点有源层，以及形成在量子点有源层上的第一脊型波导和第二脊型波导以及其间的隔离槽，每一脊型波导包括依次形成的上波导光限制层、第二导电类型的第二接触层和第二电极。该实施方式工艺简单，避免了使用传统分布式反馈激光器的布拉格光栅和二次外延技术，可实现较大的激光阵列波长覆盖范围，适用于低成本大规模硅光集成芯片生产。
Description
技术领域
本发明涉及光通信半导体激光器技术领域。更具体地，涉及硅基FP激光器件、集成可调谐激光器及其制备方法。
背景技术
随着大数据时代的来临和5G新基建的推进，全球流量正在以***性指数增长，人们对数据传输技术的要求也在不断提高。以光子为信息载体的光纤通信因其具有极低的传输损耗、极宽的频谱带宽和超高的传输速度，能够较为迅速和经济的提高信息传输的速率和容量而逐渐成为人们的新选择。
光子集成芯片是光纤通信中的核心组件，主要包括磷化铟基光子集成芯片和硅基光子集成芯片两种。其中，硅衬底价格低廉，衬底尺寸可达到12英寸，且与CMOS工艺兼容。目前硅材料已经可以实现绝大部分光电子器件，具备了成为优秀光电子器件平台的潜力。同时受益于成熟的CMOS工艺技术，硅基光电子具有可批量生产、集成度高、成品率高、成本低以及易于和微电子电路单片集成的优点。然而，硅基光源(激光器)的缺失一直是制约大规模硅光集成电路的主要因素。
研究表明，可以在硅上直接异质外延生长III-V族化合物材料，从而实现低成本且超大规模硅光单片集成。利用一系列优化后的分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)生长技术来抑制III-V族和硅衬底的材料系数不匹配带来的缺陷问题，再利用一种新型的量子点(Quantum Dot，QD)纳米结构作为激光器有源区，科研人员已经成功实现了在可实用的硅上直接外延III-V族激光器。
尽管如此，现有的硅基直接外延激光器主要为多纵模的法布里-珀罗(Fabry–Pérot，FP)激光器。其主要原因在于单纵模的激光器如分布式反馈(Distributed FeedbackLaser，DFB)激光器和布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)激光器等均需要纳米级别的光栅刻蚀和二次外延技术，而MBE在二次外延方面的研究还不成熟，难以实现高质量的二次外延材料。此外，光栅刻蚀和二次外延技术工艺复杂，并且价格昂贵，不利于降低硅光单片集成芯片的成本。
因此，需要一种可以避免光栅刻蚀和二次外延技术，可低成本实现硅基单片集成大范围覆盖波长和可调谐的激光器阵列，其中每个激光器可发送不同波长的激光从而适用于多光波道的光波分复用技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅基FP激光器件、集成可调谐激光器及其制备方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
为达到上述目的，本发明第一方面提供一种硅基FP激光器件，该器件包括
硅衬底；
形成在衬底上的第一导电类型的第一接触层；
形成在第一接触层上的第一电极和耦合腔结构；
所述耦合腔结构包括形成在第一接触层上的下波导光限制层和III-V族量子点有源层，以及形成在量子点有源层上的第一脊型波导和第二脊型波导以及其间的隔离槽，
每一脊型波导包括依次形成的上波导光限制层、第二导电类型的第二接触层和第二电极。
本发明第二方面提供一种硅基单片集成可调谐激光器，该激光器包括硅衬底；
形成在衬底上的第一导电类型的第一接触层；
形成在第一接触层上的多个FP激光器件的阵列，每个激光器件包括
形成在第一接触层上的第一电极和耦合腔结构；
所述耦合腔结构包括形成在第一接触层上的下波导光限制层和III-V族量子点有源层，以及形成在量子点有源层上的第一脊型波导和第二脊型波导以及其间的隔离槽，
每一脊型波导包括依次形成的上波导光限制层、第二导电类型的第二接触层和第二电极。
优选地，各激光器件的耦合腔结构具有相同的宽度，
激光器件的隔离槽的长度、以及第一脊型波导和第二脊型波导的长度比由该激光器件的激光波长决定，隔离槽宽度为其激光波长四分之一的奇数倍。
优选地，所述量子点有源层的掺杂离子选自Mn离子、P离子或Ga离子。
优选地，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；所述第一电极为负极，第二电极为正极。
优选地，所述量子点有源层包括多个周期的InAs/GaAs DWELL量子点有源区。
本发明第三方面提供一种如上所述硅基单片集成可调谐激光器的制备方法，该方法包括
依次在硅衬底上形成N型接触层、第一光限制层、量子点有源层、第二光限制层、P型接触层和保护层；
对所述量子点有源层进行离子注入，各激光器件的量子点有源层具有不同的离子注入剂量；
对得到的结构进行光刻至所述量子点有源层上方，限定各激光器件的耦合腔、脊型波导及隔离槽；
在脊型波导表面形成第二电极；
在得到的结构上形成绝缘层；
对得到的结构进行刻蚀，暴露所述N型接触层表面和第二电极表面；
在各激光器件N型接触层表面形成第一电极。
优选地，所述对所述量子点有源层进行离子注入的为倾斜注入，以避免沟道效应。
优选地，形成量子点有源层的步骤包括形成5-8个周期的InAs/GaAs DWELL量子点有源层。
优选地，基于激光器件的发射波长，通过仿真确定激光器件耦合腔隔离槽的长度、以及第一脊型波导和第二脊型波导的长度比。
本发明的有益效果如下：
本发明公开的一种硅基FP激光器件、集成可调谐激光器及其制备方法，利用离子/质子注入从而区域性改变量子点激光器有源区能带隙，并利用多段式耦合腔工艺实现了单纵模激光输出。本发明的集成可调谐激光器及其制备方法工艺简单，避免了使用传统分布式反馈激光器的布拉格光栅和二次外延技术，可实现较大的激光阵列波长覆盖范围，适用于低成本大规模硅光集成芯片生产。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例提供的在硅衬底上生长III-V族量子点外延结构层的结构示意图。
图2示出本发明实施例提供的利用离子/质子注入技术和退火处理后的图1所述外延片样品的出光面截面结构示意图。
图3示出本发明实施例提供的对图2所述样品进行多段式耦合腔脊波导刻蚀后出光面截面结构示意图。
图4示出本发明实施例提供的对图3所述样品进行钝化层沉积和P极欧姆电极金属蒸镀/溅射后的出光面截面结构示意图。
图5示出本发明实施例提供的对图4所述样品进行的N型区刻蚀和N型欧姆电极金属蒸镀/溅射后的出光面的截面结构示意图。
图6示出本发明实施例提供的对图5所述样品进行的P型欧姆电极平坦化和厚金电镀后的出光面截面结构示意图。该图为该硅基单片集成激光器阵列的最终结构示意图。
图7示出本发明实施例提供的硅基单片集成激光器阵列的三维示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
现有的单纵模激光器如分布式反馈激光器和布拉格反射镜激光器等均需要纳米级别的光栅刻蚀和二次外延技术，而MBE在二次外延方面的研究还不成熟，难以实现高质量的二次外延材料。此外，光栅刻蚀和二次外延技术工艺复杂，并且价格昂贵，不利于降低硅光单片集成芯片的成本。因此急需提出一种可以避免光栅刻蚀和二次外延技术，可低成本实现硅基单片集成大范围覆盖波长和可调谐的激光器阵列，其中每个激光器可发送不同波长的激光从而适用于多光波道的光波分复用技术。
本发明提供一种硅基FP激光器件，该器件包括硅衬底；形成在衬底上的第一导电类型的第一接触层；形成在第一接触层上的第一电极和耦合腔结构；所述耦合腔结构包括形成在第一接触层上的下波导光限制层和III-V族化合物量子点有源层，以及形成在量子点有源层上的第一脊型波导和第二脊型波导以及其间的隔离槽，每一脊型波导包括依次形成的上波导光限制层、第二导电类型的第二接触层和第二电极。作为优选实施例，该激光器件进一步包括形成在第二电极上的厚金电镀层。
本发明进一步提供一种硅基单片集成可调谐激光器，该激光器包括硅衬底；形成在衬底上的第一导电类型的第一接触层；形成在第一接触层上的多个FP激光器件的阵列，每个激光器件包括形成在第一接触层上的第一电极和耦合腔结构；所述耦合腔结构包括形成在第一接触层上的下波导光限制层和III-V族量子点有源层，以及形成在量子点有源层上的第一脊型波导和第二脊型波导以及其间的隔离槽，每一脊型波导包括依次形成的上波导光限制层、第二导电类型的第二接触层和第二电极。作为优选实施例，各激光器件的耦合腔结构具有相同的宽度，激光器件的隔离槽的长度、以及第一脊型波导和第二脊型波导的长度比由该激光器件的激光波长决定，隔离槽宽度为其激光波长四分之一的奇数倍。脊型波导的宽度约在2-5μm之间以确保器件单横模激光。所述量子点有源层的掺杂离子选自Mn离子、P离子或Ga离子。所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型；所述第一电极为负极，第二电极为正极。所述量子点有源层包括多个周期的例如InAs/GaAs DWELL量子点有源区。
本发明进一步提供一种如上所述硅基单片集成可调谐激光器的制备方法，该方法包括依次在硅衬底上形成N型接触层、第一光限制层、量子点有源层、第二光限制层、P型接触层和保护层；对所述量子点有源层进行离子注入，各激光器件的量子点有源层具有不同的离子注入剂量；对得到的结构进行光刻至所述量子点有源层上方，限定各激光器件的耦合腔、脊型波导及隔离槽；在脊型波导表面形成第二电极；在得到的结构上形成绝缘层；对得到的结构进行刻蚀，暴露所述N型接触层表面和第二电极表面；在各激光器件N型接触层表面形成第一电极。作为优选实施例，所述对所述量子点有源层进行离子注入的为倾斜注入，倾斜角例如为偏离样品表面法线方向7°，以避免沟道效应。形成量子点有源层的步骤包括形成5-8个周期的InAs/GaAs DWELL量子点有源层。本发明中，基于激光器件的发射波长，通过仿真确定激光器件耦合腔隔离槽的长度、以及第一脊型波导和第二脊型波导的长度比。
下面参照附图对本发明的激光器及其制备方法进行具体说明。
本发明制备硅基单片集成激光器阵列的方法，包括在硅衬底上生长III-V族化合物量子点异质结，所述异质结包括P型接触层、有源区和N型接触层，对每个激光器的有源区进行不同能量的离子注入以及退火处理，利用刻蚀技术形成多段式耦合腔脊波导，对多段式耦合腔脊波导钝化层沉积后，利用图形化处理与顶层开窗技术露出P型接触层后形成正电极；在所述N型接触层上形成负电极；对所述正电极平坦化处理后进行厚金电镀；以及对所述硅衬底后期处理。
在一种可能的实现方式中，所述异质结进一步包括形成在衬底上的III-V族化合物缓冲层，形成在N性接触层上的N型光限制层和P型光限制层。
在一种可能的实现方式中，所述有源区包括多个周期的InAs/GaAs DWELL量子点有源区。
如图1所示，使用MBE在硅衬底1上外延生长III-V族量子点外延结构层，外延结构层包括但不限于III-V缓冲层2，N型掺杂的GaAs接触层3，N型掺杂的AlGaAs光限制层4，5-8个周期的InAs/GaAs DWELL量子点有源区5，P型掺杂AlGaAs光限制层6，P型高掺杂GaAs接触层7。
在一种可能的实现方式中，对所述有源区上进行离子注入包括在外延异质结表面形成50nm-100nm的SiO2或SiN介质层，利用图形化光刻和刻蚀保留待离子注入的每个脊波导的介质层。
在一种可能的实现方式中，注入的离子选自Mn离子、P离子、质子和使用聚焦离子束注射的Ga离子；其中所述离子束均以偏离异质结表面法线7°的方向注入。
如图2所示，在外延结构层表面蒸镀一层50nm-100nm的SiO2/SiN作为外延结构层的表面保护盖层，即介质层100，以防止离子/质子注入过程中对外延结构层表面的损伤；同样介质层100在后面的退火过程中会因为与外延材料不同的热膨胀系数而产生应力，从而促进量子点的混杂效果，加大能量带隙的改变，可实现超过80MeV的峰值漂移。另外，本实施例中也可以使用无损伤的介质层盖层混杂技术，利用不同的热膨胀系数介质层对外延结构层产生不同的应力从而改变有源区能带隙。
蒸镀好介质层100后，进行图形光刻与刻蚀，只保留需要离子/质子注入的激光器脊波导部分的介质层。随后对外延结构层进行离子/质子注入，针对不同的离子/质子的种类调节所需的注入能量，注入能量的大小可以进行模拟仿真，以确保注入深度可以到达量子点有源区部分，但需要避免过深从而影响发光质量。可选用的粒子种类包括Mn离子、P离子和质子，还可以使用聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)注射Ga离子等。例如，在选用Mn离子进行注射时，可使用的Mn离子剂量范围在1×1013cm-3-1×1015cm-3。为避免沟道效应，离子束均以偏离样品表面法线方向7°角方向进行注入。在本实施例中，通过在不同区域510、520、530和540(即每根激光器脊波导区域)注入不同的离子/质子剂量，可以实现有源区不同程度的调谐。
离子/质子注射之后要对外延结构层进行快速退火处理(Rapid ThermalAnnealing，RTA)，以激活注入的离子/质子实现有源区混杂。同时，短时间的高温退火也有助于受损伤的晶格复原。退火时间与温度需要根据注入粒子种类进行调整。例如，在选用Mn离子注入进行注射时，可选用的退火温度范围在600-800℃，退火时长在30-60s。需要注意的是，太高的温度可能会导致InAs/GaAs QD失效，因此需要谨慎使用高温。退火结束后，使用氢氟酸和干法刻蚀工艺去除样品保护盖层。
在一种可能的实现方式中，所述利用刻蚀技术形成多段式耦合腔脊波导包括所述多段式耦合腔脊波导的宽度为2um-5um，刻蚀停止深度高于所述有源区100nm-200nm，限定各激光器件的耦合腔、脊型波导及隔离槽。
在一种可能的实现方式中，所述利用刻蚀技术形成多段式耦合腔脊波导还包括采用多段式耦合腔由多个垂直形成的空气槽完成隔离，其中所述空气槽的长度为激光波长的四分之一的奇数倍。
如图3所示，利用光刻和ICP(Inductively Coupled Plasma)刻蚀技术，进行激光器耦合腔脊波导刻蚀。脊波导的宽度约在2-5μm之间以确保器件单横模激光，刻蚀停止深度设定在高于有源区100-200nm处，确保刻蚀不接触量子点有源区。
本实施例中多段式耦合腔技术采用两段式耦合腔。耦合腔的设计思路是引入游标效应，通过改变腔体间的折射率差从而控制激光器的输出波长。因此两个耦合腔的比例和空气槽的长度都需要进行仿真计算，确定再进行制备。例如可选用传输矩阵算法来进行设计。本实施例中根据不同的目标激光波长设计耦合腔的比例，另外空气槽的宽度需要满足激射波长的四分之一的奇数倍。
在一种可能的实现方式中，每个所述耦合腔的多个正电极不相连，且所述多个正电极的电阻率优选大于2000Ω。
本实施例中耦合腔的两个脊型波导上的两个正电极不相连，两个电极的电阻率大于2000Ω，从而独立控制电流，以实现对波长的调谐功能。
如图4所示，对刻蚀好的脊型波导介质层，介质层的材料为SiO2/SiN。随后进行图形处理与顶层开窗，从而实现器件的绝缘层结构901、902、903和904。绝缘层的顶层开窗意在暴露出脊型波导的P型接触层710、720、730和740。再利用光刻、电子束溅射或磁控溅射在P型接触层710、720、730和740上蒸镀P型电极810、820、830和840，随后进行RTA处理以形成低电阻的欧姆接触。需要注意的是，此处两个耦合腔的电极是不相连的。
如图5所示，利用光刻和ICP刻蚀到外延层N型接触层3，使用电子束溅射或磁控溅射在N型接触层3上蒸镀负电极101、102、103和104，最后进行RTP处理以形成低电阻的欧姆接触。
如图6所示，进行平坦化材料旋涂、固化烘烤以及平坦化刻蚀。利用光刻和电镀技术，对激光器正极进行厚金电镀层910、920、930和940。
在一种可能的实现方式中，所述对所述硅衬底后期处理包括减薄和解理，其中所述减薄包括利用研磨机将所述硅衬底减薄至200um-120um。
通过研磨机将硅衬底进行减薄至200μm-120μm，从而降低热效应对器件的影响。
如图7所示为四根硅衬底上直接生长激光器(S1、S2、S3和S4)组成的激光器阵列的三维立体图。每根激光器均采用两段式耦合腔结构，两个FP腔由刻蚀的空气槽(601、602、603和604)间隔开。每根激光器均包含两个独立的P型电极：911和912为激光器S1的电极；921和922为激光器S2的电极；931和932为激光器S3的电极；941和942为激光器S4的电极。根据耦合腔理论，空气槽的宽度必须等于激光波长的四分之一的奇数倍。通过调整刻蚀的空气槽位置从而改变两个腔长比例，并通过改变两个独立电极(如911和912)注入的电流大小，从而改变材料的折射率，控制两个腔的谐振峰，实现一定范围内的激光器选模。此外，由于对每根激光器的有源区进行了不同能量的离子/质子注入和退火处理，即每根激光器的量子点增益光谱曲线发生了变化。由此可以得到一组不同激射波长的可调谐单纵模激光器阵列。
本实施例公开的一种硅基单片集成激光器阵列的方法，利用离子/质子注入区域性改变量子点激光器有源区能带隙，并利用多段式耦合腔工艺实现了单纵模激光输出，此方法制作工艺简单，避免了使用传统分布式反馈激光器的布拉格光栅和二次外延技术，可实现较大的激光阵列波长覆盖范围，适用于低成本大规模硅光芯片生产。
本发明的另一个实施例提供了一种硅基单片集成激光器阵列器件，该器件包括在硅衬底上生长III-V族量子点异质结，所述异质结包括有源区、P型接触层和N型接触层；在所述有源区上形成多段式耦合腔脊波导；在所述多段式耦合腔脊波导的P型接触层上形成正电极；在所述N型接触层上形成负电极；在所述正电极平坦化处理后形成厚金电镀层；在所述硅衬底后期处理形成后集成激光器阵列。
本实施例公开了一种硅基单片集成激光器阵列器件，使用不同剂量的离子/质子注入实现激光器有源区的能带隙调节，结合耦合腔技术实现单纵模激光激射，从而实现多通道的光源发射，无需高成本和技术复杂的光栅刻蚀与二次外延技术。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种硅基FP激光器件，其特征在于，该器件包括
硅衬底；
形成在衬底上的第一导电类型的第一接触层；
形成在第一接触层上的第一电极和耦合腔结构；
所述耦合腔结构包括形成在第一接触层上的下波导光限制层和III-V族量子点有源层，以及形成在量子点有源层上的第一脊型波导和第二脊型波导以及其间的隔离槽，
每一脊型波导包括依次形成的上波导光限制层、第二导电类型的第二接触层和第二电极。
2.一种硅基单片集成可调谐激光器，其特征在于，该激光器包括
硅衬底；
形成在衬底上的第一导电类型的第一接触层；
形成在第一接触层上的多个FP激光器件的阵列，每个激光器件包括
形成在第一接触层上的第一电极和耦合腔结构；
所述耦合腔结构包括形成在第一接触层上的下波导光限制层和III-V族量子点有源层，以及形成在量子点有源层上的第一脊型波导和第二脊型波导以及其间的隔离槽，
每一脊型波导包括依次形成的上波导光限制层、第二导电类型的第二接触层和第二电极。
3.根据权利要求2所述的硅基单片集成可调谐激光器，其特征在于，
各激光器件的耦合腔结构具有相同的宽度，
激光器件的隔离槽的长度、以及第一脊型波导和第二脊型波导的长度比由该激光器件的激光波长决定，隔离槽宽度为其激光波长四分之一的奇数倍。
4.根据权利要求2所述的硅基单片集成可调谐激光器，其特征在于，所述量子点有源层的掺杂离子选自Mn离子、P离子或Ga离子。
5.根据权利要求2所述的硅基单片集成可调谐激光器，其特征在于，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；所述第一电极为负极，第二电极为正极。
6.根据权利要求2所述的硅基单片集成可调谐激光器，其特征在于，所述量子点有源层包括多个周期的InAs/GaAsDWELL量子点有源区。
7.一种根据权利要求2-6任何之一所述的硅基单片集成可调谐激光器的制备方法，其特征在于，该方法包括
依次在硅衬底上形成N型接触层、第一光限制层、量子点有源层、第二光限制层、P型接触层和保护层；
对所述量子点有源层进行离子注入，各激光器件的量子点有源层具有不同的离子注入剂量；
对得到的结构进行光刻至所述量子点有源层上方，限定各激光器件的耦合腔、脊型波导及隔离槽；
在脊型波导表面形成第二电极；
在得到的结构上形成绝缘层；
对得到的结构进行刻蚀，暴露所述N型接触层表面和第二电极表面；
在各激光器件N型接触层表面形成第一电极。
8.根据权利要求7所述的硅基单片集成可调谐激光器的制备方法，其特征在于，所述对所述量子点有源层进行离子注入的为倾斜注入，以避免沟道效应。
9.根据权利要求7所述的硅基单片集成可调谐激光器的制备方法，其特征在于，形成量子点有源层的步骤包括形成5-8个周期的InAs/GaAs DWELL量子点有源层。
10.根据权利要求7所述的硅基单片集成可调谐激光器的制备方法，其特征在于，基于激光器件的发射波长，通过仿真确定激光器件耦合腔隔离槽的长度、以及第一脊型波导和第二脊型波导的长度比。
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