[发明专利]改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子器件领域，具体涉及一种改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法。其制作工艺简单，成本低，可靠性高。

背景技术

近年来，随着硅光子学各分立器件的成熟，硅基光互连逐渐成为研究的热点。硅基激光在光互连器件中难度最大，因而备受人们关注。广义的硅基光源按发光材料的不同分为硅材料体系发光的光源和其他发光材料与硅的混合光源。硅材料体系光源包括纳米硅体系光源和硅基拉曼激光，但均未能实现电泵激光。其他发光材料与硅的混合光源包括：硅基有机电致发光、硅中掺入杂质或缺陷等形成发光中心、半导体纳米线-硅异质结电致发光、硅上外延化合物半导体发光、键合硅基激光。其中前三种虽然实现较高效率电致发光，但用于光互连还有较大距离。硅基外延生长激光器，由于晶格失配(InP/Si失配8％，GaAs/Si失配4％)的问题，会引入大量的缺陷和位错，有源层材料质量不高，这种方法制备的硅基激光器效率较低而且寿命较短，而且很厚的缓冲层也成本太高。硅基键合是一种很好的解决不同材料晶格失配问题的方法，除了键合界面处的极薄层之外，不会在材料中引入大量缺陷和位错，是目前实现硅基激光最可行、最经济的方法。采用多波长激光器阵列可增加传输容量，并且可以降低封装成本。2006年Intel与UCSB合作研究组报道了第一只电泵浦DFB硅基混合激光器。直接键合方案对工艺对准精度要求较高，电子束曝光方法制作光栅，增加了制作成本和工艺难度。本发明在硅波导上采用全息曝光方法制作光栅来选取单模，工艺简单易于实现，并且采用变硅波导宽度来改变有效折射率，从而实现多波长，具有低成本、高可靠性的优点。

发明内容

本发明采用了一种简单易行的技术，提供一种改变硅波导宽度制备多波长激光器阵列的方法。其原理是激光器结构的上波导层较薄，通过倒扣键合的方式与硅波导键合在一起，形成非对称的波导结构，硅波导的宽度不同，整个结构的有效折射率不同，在硅波导上制作相同的均匀Bragg光栅，即可以选出不同的激光器波长，形成多波长的硅基混合激光器阵列。由于激光器结构上波导层较薄，有源区激射产生的光可以通过隐失波耦合，逐渐耦合到硅波导中。其中光栅制作采用全息曝光的方法，工艺简单，易于实现。本发明具有工艺简单、成本低、可靠性高、易于实现等优点。

本发明提供一种改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法，包括如下步骤：

步骤1：在SOI片顶层硅层上制作均匀光栅；

步骤2：在硅层上垂直于光栅的方向刻蚀出多个宽度不同的硅波导和两侧的硅挡墙；

步骤3：采用金属剥离方法，在所制作的两个硅挡墙远离硅波导的外侧区域蒸发金属层，硅挡墙和金属层之间为过量金属容纳区，形成SOI波导结构；

步骤4：在一P衬底上采用MOCVD的方法生长III-V族半导体激光器阵列结构，该III-V族半导体激光器阵列结构中的每个激光器与每个硅波导相对应；

步骤5：在III-V族半导体激光器结构的N面制作金属电极，并在金属电极上光刻腐蚀出光耦合窗口；

步骤6：在P衬底的背面制作金属电极，形成键合激光器阵列结构；

步骤7：将SOI波导结构和键合激光器阵列结构，采用选区金属键合的方法键合到一起，完成多波长硅基混合激光器阵列的制备。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作详细的描述，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为SOI片结构示意图；

图3为SOI片顶层硅层上制作光栅的侧视图；

图4为在SOI片上刻蚀出硅波导和两侧的硅挡墙端面结构示意图；

图5为在两个硅挡墙外面区域蒸发金属层端面结构示意图；

图6为所制备的III-V族激光器的端面结构示意图；

图7为键合激光器端面结构示意图；

图8为SOI波导结构和键合激光器结构键合后的硅基混合激光器阵列端面结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1并结合参阅图2-图8所示，详细阐述了本发明一种改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法。

下面以4波长硅基混合激光器阵列为例，介绍具体实现方案：