[发明专利]硅基混合集成激光器阵列及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅基混合集成激光器阵列及其制备方法。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；本征层连接部上依次有N型波导层、有源区、P型盖层；III‑V波导，由III‑V半导体外延层图案化形成，与硅脊波导相连接；P型欧姆接触层，P电极以及N电极。散热性好，制备工艺简单稳定、重复性好、制作成本低。

技术领域

本公开属于激光器技术领域，涉及一种硅基混合集成激光器阵列及其制备方法。

背景技术

随着技术的发展，人们对数据传输速率、传输带宽和能耗要求越来越高，受电子自身物理特性的制约，传统的基于电集成芯片的电互连在传输高速信号时，存在能耗大、带宽窄及光电子集成系统成本高的瓶颈的问题；而光子具有超高传输速度、超高并行性、超高带宽与超低传输与交互功耗的特点。由于硅光子集成结合了CMOS工艺的超大规模逻辑、超高精度制造、低成本优势，因此，硅基光互连有望突破上述速率、功耗、带宽和成本的瓶颈。

硅光子集成技术经过前期的研究得到了很大的发展，但是光源仍然是世界性的难题。从2006年Intel发明了第一个电注入硅基混合集成激光器开始，目前硅基混合集成激光器已得到了广泛的研究。但是现代通信技术通常采用多路复用技术提高通信容量，急需硅基混合集成III-V族激光器阵列的研究。

目前实现硅基混合集成激光器阵列的方法常见的由三种方法。第一种方法是通过晶片直接键合或介质键合的方法将SOI硅基材料和III-V外延材料键合在一起，在SOI或III-V外延材料上制作多个平行的脊波导，在脊波导上制作微结构或者弯曲波导用来选择波长实现硅基混合集成激光器阵列。但是该方案中所提到的硅基混合集成激光器阵列都没有考虑SOI 中埋氧层(BOX)的散热特性差对激光器阵列的影响问题。第二种方法是在SOI上通过MOCVD或MBE直接外延生长III-V半导体材料，在SOI 或III-V上制作脊波导，在脊波导上制作微结构用来选择波长。虽然该方案能在一个SOI材料上实现自对准硅基混合集成激光器，不需要SOI和 III-V之间的精确对准技术，但是对外延技术的要求很高，目前技术仍未成熟，还需要探索，也没有研究SOI基底中埋氧层的散热特性差对器件的影响。第三种方法是在SOI制作好多个平行的硅基波导后，将制备好的III-V 激光器阵列通过3D集成或封装的形式与SOI上的多个硅基波导端面耦合。 3D集成或封装的形式，需要将SOI材料上的硅波导与III-V半导体激光器阵列的各处光端精确对准，对封装技术的要求很高，成本也较高，同时还要考虑如何提高端面耦合效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种硅基混合集成激光器阵列及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了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。