[发明专利]基于异质结构的集成光子装置、方法和应用

说明书

提供一种集成光子结构和一种制造方法，其包含：衬底，其具有至少一个安置在其中的开口；半导体堆叠，其安置在所述衬底上方，所述半导体堆叠至少部分通过所述至少一个开口与所述底层衬底隔离，以界定悬置半导体膜；以及第一掺杂区和第二掺杂区，其位于所述悬置半导体膜内，其中所述第一掺杂区通过安置在其中的光学活性区与所述第二掺杂区横向分隔开，所述光学活性区界定所述集成光子结构的波导区。

相关申请的交叉引用

本申请案涉及且优先于2016年6月3日递交的美国临时专利申请序列号62/345,393，标题为“基于异质结构的集成光子装置、方法和应用”，其内容以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

本发明的方面和实施例通常涉及光子领域，并且更具体地说，涉及集成光子结构和其制造方法。

电信行业依赖于可靠、高性能且可承受的集成光子装置，例如激光器、检测器和调节器，来扩展数字网络。当前，这些功能的大多数通常在分离的装置上执行，且随后通过昂贵且敏感的封装操作连接在一起。虽然已实现单片、集成解决方案中的一些进展，但(部分)由于关于高材料成本、制造复杂度的问题，以及关于不佳性能以及可靠性的问题，继续出现相当大的挑战。

在所属领域中已知侧面结合型量子异质结构，其中电流朝着平行于多量子阱的方向注入，然而，在其中公开的制造工艺并不允许紧凑、集成光子装置的制造。在所属领域中已知另一种集成光子装置制造技术，其例如详述了由几种常规实体利用的通用方法，包含粘合到绝缘体上硅(silicon-on-insulator；SOI)衬底上的硅波导结构的半导体(通常为III-V族)量子异质结构，且涉及III-V层与硅波导模式之间的交互以形成混合光学模式。在III-V异质结构的电子激发后，所发射的光子被运送到硅波导中。然而，使用这一制造技术获取的光子装置经受几种问题，例如热绝缘、增强的产热等，其继而可能导致所得集成光子结构和/或装置的性能下降。

在此项技术中的这些和其它缺点强调了增强集成光子结构的制造来实现增强的性能以及商业优势的解决方案的益处和优势。

发明内容

在一个方面中，集成光子结构包含：衬底，其具有至少一个安置在其中的开口；半导体堆叠，其安置在所述衬底上方，所述半导体堆叠至少部分通过所述至少一个开口与底层衬底隔离，以界定悬置半导体膜；以及第一掺杂区和第二掺杂区，其位于所述悬置半导体膜内，其中所述第一掺杂区通过安置在其中的光学活性区与所述第二掺杂区横向分隔开，所述光学活性区界定所述集成光子结构的波导区。

根据实施例，所述波导区被横向限定成到所述悬置半导体膜内的所述第一掺杂区和所述第二掺杂区中的每一个的距离相等。

根据实施例，所述第一掺杂区包含第一掺杂剂材料，且所述第二掺杂区包含第二不同掺杂剂材料，其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区中的每一个将所述光学活性区界定成多量子阱。

根据实施例，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区中的每一个包含相同掺杂剂材料，以及安置在所述半导体堆叠上的栅极结构，其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区中的每一个将所述光学活性区界定成二维电子气沟道。

根据实施例，所述集成光子结构进一步包括倒T形光波导，所述光波导包括从第二部分延伸的第一部分，所述第二部分是所述悬置半导体膜的图案化半导体堆叠，其中所述波导区水平地限定在所述悬置半导体膜的所述第一部分与所述第二部分的交叉点处。

根据实施例，所述集成光子结构进一步包含T形光波导，所述T形光波导包含延伸到所述衬底中的第一部分，以及安置在所述第一部分上的第二部分，其中电场强度在所述悬置半导体膜的所述第一部分与所述第二部分的交叉点处最大，且所述第一部分包括所述衬底柱。

根据实施例，所述第一部分的宽度“W”基本上等于所述第二部分的厚度“T”。