[发明专利]基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，自下而上顺次包括：SOI芯片、光栅耦合层、多对下布拉格反射镜、III-V族垂直腔激光器谐振腔、多对III-V族上布拉格反射镜和III-V族欧姆接触层；

所述光栅耦合层包括：

Si倾斜光栅，嵌设于所述SOI芯片上；

SiO₂填充层，填充多个所述Si倾斜光栅所在空隙区域，且所述SiO₂填充层完全覆盖所述Si倾斜光栅；所述SiO₂填充层中还包括：

SiO₂间隔层，为所述SiO₂填充层超过Si倾斜光栅高度的区域，位于光栅耦合层和下布拉格反射镜之间。

2.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，所述Si倾斜光栅周期为Λ，Λ＝λ/(2n_eff)，其中，n_eff为Si倾斜光栅材料的有效折射率。

3.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，所述SOI芯片自下而上包括：Si衬底、SiO₂层和Si层。

4.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，多对所述下布拉格反射镜包括交替沉积的Si层和SiO₂层。

5.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，多对所述III-V族上布拉格反射镜包括：交替外延生长的不同组分不同折射率的III-V族半导体材料。

6.根据权利要求1所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，其中，所述III-V族垂直腔激光器谐振腔自下而上顺次包括：下P型InGaAs欧姆接触层、P型InP渐变掺杂的限制层、P型InGaAsP分别限制异质层、有源区、N型InGaAsP分别限制异质层和N型InP渐变掺杂的限制层；

所述有源区包括：交替外延生长的量子阱和势垒层，所述量子阱和所述势垒层的组分和厚度各不相同。

7.一种如权利要求1-6所述的基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器的制备方法，包括步骤：

101、SOI芯片顶层Si材料通过干法刻蚀或FIB中任一种制作Si倾斜光栅；

102、在SOI芯片表面沉积SiO₂获得SiO₂填充层，用于填充Si倾斜光栅所在空隙区域，并形成SiO₂间隔层；

103、在步骤102制备的SiO₂层上交替沉积Si层和SiO₂层获得多对下布拉格反射镜；

104、外延生长III-V垂直腔激光器芯片，自下而上包括：垂直腔外延片衬底、N型InGaAs接触层、III-V上布拉格反射镜和III-V族垂直腔激光器谐振腔；

105、经过严格的清洗后，采用等离子辅助技术，在低温下，步骤104中外延生长垂直腔激光器芯片P面朝下、衬底在上与步骤103获得的SOI波导结构芯片进行晶片键合；

106、III-V族垂直腔激光器外延片的衬底通过化学腐蚀液移除；

107、对步骤105获得的芯片，进行标准的VCSEL工艺制作。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述步骤107包括子步骤：

1071、第一次光刻，然后使用光刻胶做掩膜或SiO₂/Si₃N₄做硬掩膜，通过湿法腐蚀或感应耦合等离子体刻蚀至下P型InGaAs欧姆接触层，获得圆柱形台面；

1072、在完成子步骤1071形成台面后，清洗外延片，沉积SiO₂或Si₃N₄绝缘层；

1073、第二次光刻，通过ICP刻蚀或者HF腐蚀液去掉没有光刻胶保护地方的SiO₂或Si₃N₄，形成N面电极和P面电极注入窗口；

1074、溅射Ti/Au,制作电极接触；

1075、第三次光刻，通过Ti/Au腐蚀液，腐蚀出P电极和N电极的隔离槽。