CN115995759A - 多波长激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多波长激光器，应用于半导体技术领域，该多波长激光器包括至少一个激光器阵列单元，所述激光器阵列单元包括SOI结构和III‑V族半导体激光器结构，SOI结构包括硅衬底、BOX层和顶硅层，所述顶硅层中刻蚀有硅波导结构，所述硅波导结构的侧向刻蚀有REC氮化硅介质光栅，III‑V族半导体激光器结构包括N型InP层、多量子阱MQWs层、P型InP层、III‑V族脊波导、P面金属电极和N面金属电极，其中，所述硅波导结构与所述III‑V族脊波导沿同一方向对准。本发明还提供了一种多波长激光器的制作方法，制备工艺简单、各通道波长易精确控制。

Description

多波长激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多波长激光器及其制作方法。

背景技术

近年来，随着虚拟现实和云计算等新兴互联网应用的不断出现，使得人们对通信***的通信速率、通信容量和通信带宽等性能提出了越来越高的要求。同时，海量数据交互也对数据中心的互联网络提出了高速率、高带宽的要求。应用于光通信***的波分复用及密集波分复用技术能够满足人们不断增长的互联网业务需求。多波长窄线宽半导体激光器阵列芯片光源，作为波分复用及密集波分复用***中的核心光电子器件已得到越来越多的关注。半导体激光器阵列芯片以其结构紧凑、性能稳定且适合单片集成等优势成为多波长阵列光源较优的解决方案。然而，多波长激光器阵列方案仍然存在一些问题，如制备工艺复杂以及各通道波长不易精确控制等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多波长激光器及其制作方法，旨在解决现有技术中多波长激光器制备工艺复杂以及各通道波长不易精确控制的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种多波长激光器，包括至少一个激光器阵列单元，所述激光器阵列单元包括：

SOI结构，包括硅衬底、BOX层和顶硅层，所述顶硅层中刻蚀有硅波导结构，所述硅波导结构的侧向刻蚀有REC氮化硅介质光栅；

III-V族半导体激光器结构，包括N型InP层、多量子阱 MQWs层、P型InP层、III-V族脊波导、P面金属电极和N面金属电极；

其中，所述硅波导结构与所述III-V族脊波导沿同一方向对准。

在本发明一实施例中，所述硅波导结构为条形硅波导或脊形硅波导。

在本发明一实施例中，每个所述激光器阵列单元中的所述REC氮化硅介质光栅输出激光的波长均不同。

在本发明一实施例中，所述REC氮化硅介质光栅具有选模结构，所述选模结构用于通过改变采样周期，调控所述REC氮化硅介质光栅的±1级谐振峰的激射波长，得到不同波长的输出光。

在本发明一实施例中，所述III-V族半导体激光器结构与所述SOI结构通过键合的方式混合集成。

在本发明一实施例中，所述至少一个激光器阵列单元平行排列。

在本发明一实施例中，所述III-V族脊波导为多层外延结构，所述多层外延结构包括三个不同锥度的楔形波导结构，所述三个不同锥度的楔形波导结构分别刻蚀在所述N型InP层、所述多量子阱 MQWs层和所述P型InP层上。

本发明实施例第二方面提供一种多波长激光器的制作方法，包括：

制备SOI结构，所述SOI结构包括硅波导结构，所述硅波导结构的侧向刻蚀有REC氮化硅介质光栅；

制备半导体激光器结构；

将所述半导体激光器结构与所述SOI结构通过键合的方式混合集成，得到预备激光器；

在所述预备激光器的所述半导体激光器结构上制备III-V族脊波导，并使所述硅波导结构与所述III-V族脊波导在沿同一方向对准。

在本发明一实施例中，所述制备SOI结构包括：

依次生长硅衬底、BOX层和顶硅层；

刻蚀所述顶硅层形成硅波导结构；

在所述硅波导结构的侧向刻蚀出所述REC氮化硅介质光栅。

在本发明一实施例中，所述预备激光器结构包括N型InP层、多量子阱 MQWs层、P型InP层、III-V族脊波导、P面金属电极和N面金属电极，所述在所述预备激光器的所述半导体激光器结构上制备III-V族脊波导包括：

在所述P型InP层刻蚀出InP脊波导，并刻蚀出第一个楔形波导耦合器区域；

在所述多量子阱 MQWs层刻蚀出第二个楔形波导耦合器区域；

在所述P型InP层刻蚀出第三个楔形波导耦合器区域；

其中，所述第一个楔形波导耦合器区域、所述第二个楔形波导耦合器区域和所述第三个楔形波导耦合器区域的锥度不同。

本发明提出的多波长激光器，其通过刻蚀氮化硅介质构造侧向REC氮化硅介质光栅，改变微米级取样周期可以精确调控纳米级REC的±1级谐振峰，使激射波长更加稳定可靠，从而使激光器阵列中各通道激光器激射波长满足特定需求，有利于满足通信***高速率、高带宽的需求，同时氮化硅介质材料的光学损耗很低，并且能够更好地抑制侧向载流子的扩散，有利于提高器件的整体性能，制备工艺简单、各通道波长易精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的激光器阵列单元的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的SOI结构侧向REC氮化硅介质光栅的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的III-V族脊波导的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的多波长激光器的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的模拟8通道多波长激光器光谱示意图；

图6为本发明一实施例提供的多波长激光器制作方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明一实施例提供的激光器阵列单元的结构示意图。

如图1所示，该激光器阵列单元包括SOI结构1和III-V族半导体激光器结构2。SOI结构1包括硅衬底105、BOX层104和顶硅层103，顶硅层103中刻蚀有硅波导结构101以实现光的传输，硅波导结构101的侧向刻蚀有REC氮化硅介质光栅102。III-V族半导体激光器结构2包括N型InP层201、多量子阱 MQWs层202、P型InP层203、III-V族脊波导206、P面金属电极204和N面金属电极205，其中，硅波导结构101与III-V族脊波导206沿同一方向对准。

在一实施例中，III-V族半导体激光器结构2与SOI结构1通过键合的方式混合集成。键合方式包括直接键合、金属键合和介质键合等。

在一实施例中，硅衬底105起到支撑整个多波长激光器的作用。

在一实施例中，BOX层104厚度一般大于1um，BOX 层的作用在于将硅波导结构101和硅衬底105隔离开，防止硅波导结构101中传输的光学模式泄露到硅衬底105。

请参阅图2，图2为本发明一实施例提供的SOI结构侧向REC氮化硅介质光栅的结构示意图。

如图2所示，硅波导结构101刻蚀好之后，在顶硅层103上沉积一定厚度的氮化硅介质薄膜，再使用电子束光刻技术和反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）技术在硅波导结构101的侧向制作重构等效啁啾（Reconstruction Equivalent Chirp，REC）氮化硅介质光栅102，实现单模输出。

其中，硅波导结构101为条形硅波导或脊形硅波导。硅波导结构101的宽度为几um，深度为百nm量级。

在一实施例中，REC氮化硅介质光栅102具有选模结构，该选模结构用于通过改变采样周期，调控REC氮化硅介质光栅102的±1级谐振峰的激射波长，得到不同波长的输出光。

在一实施例中，N型InP层201包括N型InP欧姆接触层、N型InGaAsP/InP键合层。

在一实施例中，多量子阱MQWs层202为AlGaInAs材料，AlGaInAs材料未掺杂，用于复合载流子和产生光子。本发明中，采用AlGaInAs材料可以使得激光器的温度耐受性强，且有大的导带差（ΔEc=0.72ΔEg），较高的导带差可以保证在较高的温度下过剩载流子如电子不容易越过阱区溢散到势垒区和分离限制层。

在一实施例中，P型InP层203包括P型InP缓冲层、InGaAs腐蚀停止层、P型InGaAs欧姆接触层、P型AlGaInAs上分离限制层（SCH，Separate Confinement Heterostructure）。P型InP缓冲层用于匹配晶格，减少晶格失配。InGaAs腐蚀停止层作为去除InP衬底和P型InP缓冲层时的化学反应停止层。P型InGaAs欧姆接触层作用是减小接触面电阻，使电压主要集中在有源层，而不是因热效应而消耗在电极连接处。P型AlGaInAs上分离限制层用于限制基模场的扩展。

请参阅图3，图3为本发明一实施例提供的III-V族脊波导的结构示意图。

如图3所示，III-V族脊波导206为多层外延结构，该多层外延结构包括三个不同锥度的楔形波导结构，该三个不同锥度的楔形波导结构分别刻蚀在N型InP层201、多量子阱MQWs层202和P型InP层203上。也即如图3所示的，第一个楔形波导耦合器区域209、第二个楔形波导耦合器区域208和第三个楔形波导耦合器区域207。

请参阅图4，图4为本发明一实施例提供的多波长激光器的结构示意图。

如图4所示，该多波长激光器包括至少一个激光器阵列单元，该至少一个激光器阵列单元平行排列。每个该激光器阵列单元中的REC氮化硅介质光栅102输出激光的波长均不同，也即，该至少一个激光器阵列单元中REC氮化硅介质光栅102互不相同，具有不同的采样周期，用于输出不同波长的激光。

在一实施例中，每个激光器阵列单元的输出波长为C波段或L波段。

在一实施例中，相邻两个激光器的输出波长间隔为0.8nm或0.４nm。

请参阅图5，图5为本发明一实施例提供的模拟8通道多波长激光器光谱示意图。

如图5所示，输出波长为1550nm附近波长间隔为0.8nm的8个波长，输出波长分别为1547.6nm，1548.4nm，1549.2nm，1550nm，1550.8nm，1551.6nm，1552.4nm，1553.2nm，对应的采样周期是7179nm、7295nm、7414nm、7537nm、7664nm、7795nm、7931nm和8072nm，通过只改变采样周期来调控REC氮化硅介质光栅102的±1级谐振峰的激射波长，采样周期在数微米量级，种子光栅周期在百纳米量级，由此可见通过改变取样周期来调控REC氮化硅介质光栅102的±1级谐振峰比于通过种子光栅周期来调控 0 级谐振峰更加稳健，同时激射波长也更加稳定可靠。

请参阅图6，图6为本发明一实施例提供的多波长激光器制作方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤：

S401、制备SOI结构1，SOI结构1包括硅波导结构101，硅波导结构101的侧向刻蚀有REC氮化硅介质光栅102。

S402、制备半导体激光器结构。

S403、将该半导体激光器结构与SOI结构1通过键合的方式混合集成，得到预备激光器。

S404、在该预备激光器的该半导体激光器结构上制备III-V族脊波导206，并使硅波导结构101与III-V族脊波导206在沿同一方向对准。

其中，硅波导结构101与III-V族脊波导206在沿图1的垂直方向对准，通过倏逝波耦合原理互相耦合。

在一实施例中，S401中制备SOI结构101包括：依次生长硅衬底105、BOX层104和顶硅层103；刻蚀顶硅层103形成硅波导结构101；在硅波导结构101的侧向刻蚀出REC氮化硅介质光栅102。

可以理解的，硅波导结构101及REC氮化硅介质光栅102是在键合前的SOI结构1上制作而成，III-V族脊波导206是在键合后的激光器阵列单元上制作完成。

在一实施例中，该预备激光器结构包括N型InP层201、多量子阱 MQWs层202、P型InP层203、III-V族脊波导206、P面金属电极204和N面金属电极205，该在该预备激光器的该半导体激光器结构上制备III-V族脊波导206包括：在P型InP层203刻蚀出InP脊波导，并刻蚀出第一个楔形波导耦合器区域209；在多量子阱 MQWs层202刻蚀出第二个楔形波导耦合器区域208；在P型InP层203刻蚀出第三个楔形波导耦合器区域207；其中，第一个楔形波导耦合器区域209、第二个楔形波导耦合器区域208和第三个楔形波导耦合器207区域的锥度不同。

在本发明中，首先，采用光刻和刻蚀工艺刻蚀出III-V族脊波导206，形成P型注电区以及载流子通道，同时刻蚀出第一个楔形波导耦合器区域207。然后，光刻、刻蚀多量子阱MQWs202和P型InP层203中的SCH层，露出N型InP层201，同时刻蚀出第二个楔形波导耦合器区域208。最后，光刻、刻蚀去掉楔形波导耦合器区域外的硅波导结构上的N型InP层201区域，将硅基混合集成激光器互相隔离开，避免相互之间的电串扰，同时刻蚀出第三个楔形波导耦合器区域209，刻蚀出的III-V族脊波导206。

以上，三步干法刻蚀工艺刻蚀出如图3所示的三个不同锥度的楔形波导结构，可以将多波长激光器的模式逐渐转化为硅波导中传输的模式，提高耦合效率，减少损耗。

进一步的，光刻开电极窗口，引出PN电极，采用磁控溅射技术生长共面金属TiAu，光刻腐蚀金属，形成PN电极区域。其中，N面金属电极205为TiAu，位于N型欧姆接触层上，P面金属电极204204为TiAu，位于在P型欧姆接触层上，N面金属电极205和P面金属电极204用于电流的注入，属于共面电极。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，在阐述了具体细节以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波长激光器，其特征在于，包括至少一个激光器阵列单元，所述激光器阵列单元包括：

SOI结构，包括硅衬底、BOX层和顶硅层，所述顶硅层中刻蚀有硅波导结构，所述硅波导结构的侧向刻蚀有REC氮化硅介质光栅；

III-V族半导体激光器结构，包括N型InP层、多量子阱 MQWs层、P型InP层、III-V族脊波导、P面金属电极和N面金属电极；

其中，所述硅波导结构与所述III-V族脊波导沿同一方向对准。

2.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述硅波导结构为条形硅波导或脊形硅波导。

3.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，每个所述激光器阵列单元中的所述REC氮化硅介质光栅输出激光的波长均不同。

4.根据权利要求1或3所述的多波长激光器，其特征在于，所述REC氮化硅介质光栅具有选模结构，所述选模结构用于通过改变采样周期，调控所述REC氮化硅介质光栅的±1级谐振峰的激射波长，得到不同波长的输出光。

5.根据权利要求4所述的多波长激光器，其特征在于，所述III-V族半导体激光器结构与所述SOI结构通过键合的方式混合集成。

6.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述至少一个激光器阵列单元平行排列。

7.根据权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述III-V族脊波导为多层外延结构，所述多层外延结构包括三个不同锥度的楔形波导结构，所述三个不同锥度的楔形波导结构分别刻蚀在所述N型InP层、所述多量子阱 MQWs层和所述P型InP层上。

8.一种多波长激光器的制作方法，其特征在于，包括：

制备SOI结构，所述SOI结构包括硅波导结构，所述硅波导结构的侧向刻蚀有REC氮化硅介质光栅；

制备半导体激光器结构；

将所述半导体激光器结构与所述SOI结构通过键合的方式混合集成，得到预备激光器；

在所述预备激光器的所述半导体激光器结构上制备III-V族脊波导，并使所述硅波导结构与所述III-V族脊波导在沿同一方向对准。

9.根据权利要求8所述的多波长激光器的制作方法，其特征在于，所述制备SOI结构包括：

依次生长硅衬底、BOX层和顶硅层；

刻蚀所述顶硅层形成硅波导结构；

在所述硅波导结构的侧向刻蚀出所述REC氮化硅介质光栅。

10.根据权利要求8所述的多波长激光器的制作方法，其特征在于，所述预备激光器结构包括N型InP层、多量子阱 MQWs层、P型InP层、III-V族脊波导、P面金属电极和N面金属电极，所述在所述预备激光器的所述半导体激光器结构上制备III-V族脊波导包括：

在所述P型InP层刻蚀出InP脊波导，并刻蚀出第一个楔形波导耦合器区域；

在所述多量子阱 MQWs层刻蚀出第二个楔形波导耦合器区域；

在所述P型InP层刻蚀出第三个楔形波导耦合器区域；

其中，所述第一个楔形波导耦合器区域、所述第二个楔形波导耦合器区域和所述第三个楔形波导耦合器区域的锥度不同。

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