[发明专利]高耦合效率电注入集成硅基激光器

说明书

本发明公开了高耦合效率电注入集成硅基激光器，为叠层结构，包括：硅衬底、绝缘层、大模斑半导体有源芯片、顶层硅和低折射率层，硅衬底的上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部，绝缘层设置在硅衬底的常规部上；大模斑半导体有源芯片设置在硅衬底的刻蚀部上；顶层硅设置在绝缘层的上表面；低折射率层设置在顶层硅上表面的靠近所述大模斑半导体有源芯片的一侧。本发明，具有直接高效输出单模激光的优点，且结构紧凑，工艺简单，效率高，稳定性高，可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及高耦合效率电注入集成硅基激光器。

背景技术

随着全球数据通信业务量的急剧增加，人们对计算机系统的运算速度提出了更高的要求，这其中就包含对微处理芯片运算速度、信息传输速度和集成度要求的提高。但随着芯片尺寸的减小，芯片间的信息传输速度受限于电子器件的RC(resistance-capacitance,阻容)效应，系统的整体功耗也逐渐增加。因此，传统的电互连方式逐渐成为高速计算机系统整体性能提升的瓶颈。光互连的提出与发展为解决这一难题提供了有效途径。

光互连技术主要包括InP(Indium Phosphide,磷化铟)基光互连和硅基光互连。相比于InP基光互连，硅基光互联具有材料价格低廉和与CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容的优点，具有很大的市场应用前景，但硅基集成激光光源是硅基光互连技术进一步发展面临的最大的难题之一。目前集成硅基激光器的方案包括同质集成(如硅纳米结构、硅基稀土离子掺杂和硅受激拉曼效应等)、异质外延以及混合集成三种。其中，同质集成方案面临着需要光泵浦和发光效率低等问题，而异质外延方案工艺还不够成熟，器件综合性能不高，因此混合集成方案成为研究人员的理想选择。

硅基混合集成激光器分为硅基键合激光器和硅基倒装焊激光器。相比于键合激光器，倒装焊激光器直接采用了成熟的半导体有源芯片，具有输出功率和转换效率高、波长可调以及性能稳定等优点。但是，倒装焊激光器最大的问题在于半导体有源芯片和硅基芯片之间光耦合损耗过大，这主要是因为有源芯片和硅基芯片的模场尺寸和模场分布不匹配造成的。另外，在光耦合时，两个芯片之间的对准容差很小，因此对芯片对准和焊接工艺的要求很高，不利于工业上大批量生产。降低硅基倒装焊激光器的光耦合损耗，提高有源芯片与硅基芯片之间的对准容差是目前硅基倒装焊激光器亟需克服的一个难题。

光耦合损耗的降低一方面与有源芯片和硅基芯片的模斑匹配程度有关，另一方面也与光束在耦合过程中的发散程度有关。模场分布越匹配，模斑尺寸越大，耦合损耗就越低。对准容差则直接与模斑尺寸相关，模斑尺寸越大，对准容差越大。因此，为降低激光器的耦合损耗并提高对准容差，应该增大半导体有源芯片输出的模斑尺寸。传统的大模斑输出的半导体有源芯片，为降低光场在P型层的吸收损耗，输出模斑都是非高斯分布，这不利于与模斑为高斯分布的硅基波导耦合，设计出基横模高斯分布大模斑输出的半导体有源芯片是提高硅基倒装焊激光器输出功率和效率的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前的硅基倒装焊激光器的光耦合损耗大、有源芯片与硅基芯片之间的对准容差小的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种高耦合效率电注入集成硅基激光器，为叠层结构，包括：

硅衬底，上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部；

设置在所述硅衬底的常规部上的绝缘层；

设置在所述硅衬底的刻蚀部上的大模斑半导体有源芯片；

设置在所述绝缘层上表面的顶层硅；

设置在所述顶层硅上表面靠近所述大模斑半导体有源芯片的一侧的低折射率层；