[发明专利]硅基混合集成激光器阵列及其制备方法

权利要求书

1.一种硅基混合集成激光器阵列，包括：制作在SOI基底和III-V半导体外延层上的多个平行排布的硅基混合集成激光器；

其中，每个硅基混合集成激光器包括：硅脊波导；导热层，位于硅脊波导两侧的特定区域内，该特定区域为SOI基底去除顶层硅和埋氧层之后获得的区域；本征层，形状为马鞍形，包括两端的突出部和连接部，其中一两端的突出部覆盖于导热层上方；N型波导层，形成于本征层的连接部之上；有源区，形成于N型波导层之上；P型盖层，形成于有源区之上；III-V波导，由III-V半导体外延层图案化形成，两端与硅脊波导的前、后端相连接，两侧的结构为图案化后未被刻蚀的P型盖层以及下方的有源区；P型欧姆接触层，位于III-V波导之上；P电极，位于P型欧姆接触层之上；以及N电极，位于N型波导层之上。

2.根据权利要求1所述的硅基混合集成激光器阵列，其中，所述SOI基底与III-V半导体外延层通过键合的方式结合在一起，该键合的方式包括：金属键合、介质键合或者晶片直接键合，硅脊波导和III-V波导是分别通过在SOI基底和III-V半导体外延层上制作而成，然后通过将马鞍形的本征层的一两端的突出部覆盖于导热层之上，将SOI基底与III-V半导体外延层二者结合在一起。

3.根据权利要求1所述的硅基混合集成激光器阵列，其中，每个所述III-V波导与每个所述硅脊波导是一一对应的，且在垂直方向是对齐的。

4.根据权利要求1所述的硅基混合集成激光器阵列，其中：

所述SOI基底自下而上依次包括：衬底硅，埋氧层以及顶层硅，所述硅脊波导是SOI基底经过图案化制作出来的，是由SOI基底的顶层硅经图案化、刻蚀后形成的；

所述III-V半导体外延层自下而上依次包括：本征层，N型波导层，有源区，P型盖层以及P型欧姆接触层，所述III-V波导是III-V半导体外延层经过图案化，然后刻蚀P型欧姆接触层、P型盖层、有源区和N型波导层制作出来的。

5.根据权利要求4所述的硅基混合集成激光器阵列，其中：

沿着所述硅脊波导的方向，该硅脊波导两端的结构包括：楔形脊波导和/或直脊波导；

沿着所述III-V波导的方向，该III-V波导两端的结构包括：楔形脊波导和/或直脊波导。

6.根据权利要求5所述的硅基混合集成激光器阵列，其中，所述III-V波导包括：前、后段的楔形波导和中间段的直波导，前、后段楔形波导经图案化刻蚀至N型波导层底部，与硅脊波导的前、后端相连接，中间段直波导经刻蚀至P型盖层下部；剩下的未被刻蚀的P型盖层位于该III-V波导的两侧，有源区位于P型盖层之下，同样也位于该III-V波导的两侧。

7.根据权利要求1所述的硅基混合集成激光器阵列，其中：

所述导热层的材料包括：

金属或合金材料，包括：SnAu、Sn、Ag、Cu、Au、Al、Fe或CuAl；

半导体材料，包括：多晶硅、单晶硅、非晶硅或锗；

无机非金属材料，包括：石墨烯、石墨、碳纤维、C/C复合材料或炭黑；以及

导热高分子材料；和/或

所述III-V半导体外延层中P型欧姆接触区、P型盖层、有源区、N型波导层以及本征层的材料包括：磷化铟、砷化镓、锑化镓材料系的二元系、三元系、四元系材料中的任意两种或多种。

8.根据权利要求1至7任一项所述的硅基混合集成激光器阵列，还包括：

微结构，形成于硅脊波导或III-V波导的结构上。

9.根据权利要求8所述的硅基混合集成激光器阵列，其中，所述微结构的形貌包括：一维、二微、三维的几何形状，结构包括：光栅、光子晶体或微槽；通过调节每个硅基混合集成激光器中的微结构的参数，能够实现该硅基混合集成激光器阵列的激射波长范围的控制和调节。

10.一种硅基混合集成激光器阵列的制备方法，包括：

在SOI基底上制作多个平行排布的硅脊波导；

在含有硅脊波导的SOI基底上制作特定区域，该特定区域为SOI基底去除顶层硅和埋氧层之后获得的区域，并在特定区域上生长导热层；

利用III-V半导体材料依次外延生长本征层、N型波导层、有源区、P型盖层以及P型欧姆接触层，形成III-V半导体外延层；

在III-V半导体外延层上进行图案化处理，刻蚀出马鞍形的本征层、III-V波导以及III-V波导两侧的结构，生长P电极、N电极；所述本征层包括两端的突出部和连接部，其中一两端的突出部覆盖于导热层上方；所述III-V波导的两端与硅脊波导的前、后端相连接，两侧的结构为图案化后未被刻蚀的P型盖层以及下方的有源区；所述P电极位于P型欧姆接触层之上；所述N电极位于N型波导层之上；

将含有硅脊波导和导热层的SOI基底与含有III-V波导、P电极、N电极的III-V半导体外延层键合起来；该键合的方式包括：金属键合、介质键合或者晶片直接键合，硅脊波导和III-V波导是分别通过在SOI基底和III-V半导体外延层上制作而成，然后通过将马鞍形的本征层的一两端的突出部覆盖于导热层之上，将SOI基底与III-V半导体外延层二者结合在一起；以及

在硅脊波导或III-V波导的结构上制作微结构，完成硅基混合集成激光器阵列的制备。