[發明專利]一種選區聚合物鍵合硅基混合激光器及其制備方法

無效

• 申請號: 201110140205.6
• 申請日: 2011-05-27
• 公開（公告）號: CN102244367A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 秦國剛;洪濤;李艷平;冉廣照;陳娓兮
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01S5/22
• 分類號: H01S5/22;H01S5/323
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明涉及硅基光電子器件領域中混合硅基激光器件及其制備方法，特別是涉及一種選區聚合物鍵合硅基混合激光器及其制備方法。

背景技術

當今的信息社會，人們為進一步提高電子計算機的運算速度和信息存儲量，設想用光子代替電子作為信息載體。光子的傳播速度快，帶寬比電子大好幾個量級，且具有響應速度快，傳輸容量大，處理速度快，集成化以及高度抗電磁干擾性等優點，因此人們希望把光子技術與硅微電子技術相結合，實現硅基光電集成。其中關鍵問題就是實現電泵硅基激光。

雖然近幾年硅光子學取得了長足的發展，例如硅上外延III-V族半導體材料、硅與半導體納米線形成發光異質結、受激拉曼激光等等。但是，這些方法尚無法實現實用化的硅基電泵激光。最近，人們提出了一種操作簡單，對環境要求低的聚合物鍵合方法，能將目前已經發展成熟的化合物半導體激光器鍵合在硅波導上，并將化合物半導體激光器中的激光耦合到硅波導中，從而實現了硅基電泵激光，如圖1所示的器件，其制作方法為在刻蝕出Si波導的SOI面上甩一層BCB，然后將去除襯底的III-V族微盤激光器鍵合在SOI上。InP基微盤激光器與Si波導之間通過隱失波的方式進行光耦合。InP基微盤激光器與Si波導之間具有一定厚度的BCB使得此二者間的光耦合效率較低。因此，該方案存在輸出功率小，實用性不強的缺點。

因此，目前的聚合物鍵合硅基混合激光器存在耦合效率較低，輸出功率小，實用性不強的缺點。

發明內容

針對現有技術中的不足，本發明的目的在于提供一種可實現集成化生產的選區聚合物鍵合硅基混合激光器及其制備方法，該方法可以較大地提高激光器和硅波導之間的耦合效率，而且可以方便地在激光器和硅波導之間添加各種不同于鍵合所用的聚合物的材料，實現多種光學功能。

本發明的特色在于：在刻好圖形的硅襯底SOI(Silicon?On?Insulator)上旋涂上聚合物層作為鍵合材料，將化合物半導體激光器、增益結構或者材料鍵合在硅材料(或結構)上。化合物半導體增益結構的光通過隱逝波的方式，或端面對端面的方式，或耦合器等方式耦合到硅波導中，形成電泵硅基混合激光器。

本發明的結構示意圖如圖2所示，自下而上依次為SOI，鍵合聚合物和InP激光器。我們所選擇的化合物半導體激光器為特殊設計的InP激光器。它與目前市場上的普通InP激光器結構不同在于：我們所外延的InP基激光器是在InP襯底上先外延一層100nm～1μm厚的腐蝕阻擋層p-InGaAs(它同時可以提高電注入能力，然后再生長一層1μm～10μm厚的p-InP，之后再依次外延p-SCH(100nm)、MQW(100nm)和n-SCH(100nm)層。最后外延一層100nm～1μm厚的n-InP。所選擇的鍵合聚合物的主要成分為BCB，厚度在220nm～10μm之間，BCB的優點在于鍵合溫度低(鍵合溫度只需250℃)，粘附性很好(折射率n＝1.55)，具有光敏特性(直接用作光刻刻出需要的圖案)。鍵合時，在SOI上刻好波導結構，旋涂一層BCB，并對BCB做光刻，在Si波導附近留出空的區域。同時，外延好的激光器倒扣鍵合在旋涂了BCB的SOI上。本結構中在聚合物旁邊設計了一個與聚合物等厚度的Si擋墻，目的是防止在鍵合過程中，聚合物流向Si波導，影響光從激光器耦合到Si波導中。

本發明的結構如圖2所示，其中，最下一層是SOI的底硅層，其上是SOI的二氧化硅層。在二氧化硅層之上的這一層中，從左至右分別包含以下幾個結構：鍵合所用的聚合物、硅阻擋墻、空氣隙、硅波導、空氣隙、硅阻擋墻和鍵合所用的聚合物。在這一層之上是n型III-V族材料層。在這一層之上的結構中，左右分別有一層是n型III-V族材料的歐姆接觸層，正中間是一個多層結構，從下至上分別是SCH層(分別限制層)、MQW層(多量子阱層)、SCH層、p型III-V族材料層、p型腐蝕阻擋層(在InP基激光器中，為InGaAs層，它同時可以提高電注入能力)和p型歐盟接觸層。為了防止短路，在n型III-V族材料的歐姆接觸層與中間的多層結構之間留有空隙，空隙大約5-10μm。

n型和p型歐姆接觸層是通過熱蒸發的方式沉積上去的。n型III-V族材料層以上的SCH層、MQW層、SCH層、p型III-V族材料層和p型腐蝕阻擋層是通過MOCVD的方法外延生長的。n型III-V族材料層以上所有結構是通過鍵合的方式與該層以下的結構結合在一起。

本發明的技術方案是：

一種選區聚合物鍵合硅基激光器的制備方法，其步驟包括：