[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

说明书

本公开提供了一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法，其基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，自下而上顺次包括：SOI(Silicon on SiO₂)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、III‑V族多对上布拉格反射镜和III‑V族上欧姆接触层；所述光栅耦合层包括：Si倾斜光栅，SiO₂填充层和SiO₂间隔层；Si倾斜光栅嵌设于SOI芯片上；SiO₂填充层填充Si倾斜光栅所在空隙区域，且SiO₂填充层完全覆盖Si倾斜光栅。本公开具有更高的耦合效率和工艺容差。

技术领域

本公开涉及晶片键合领域，尤其涉及一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法。

背景技术

信息时代，对硅基光子学的需求是提高计算机和网络数据处理和传输速率，这导致对硅基光子回路集成密度不断增加。SOI衬底由于具有和微电子CMOS工艺相兼容的特征，所以在SOI上的硅波导被期待着能够实现更加紧凑的光子回路。对于一个有源的光子回路，通常都需要如光的产生、传播、调制、放大和探测等各种不同功能的器件，因此片上集成光源在有源光子回路中是一个不可缺少的器件。然而，由于硅的间接带隙材料的本性，导致在硅上直接产生光源一直都是一个极大的挑战。而且由于硅和III-V族材料具有较大的晶格失配度和热膨胀系数，所以在硅衬底上外延III-V族材料仍然很不成熟。硅基混合激光器结合了III-V族材料和硅两者分别在半导体激光器和微电子CMOS等方面的优势，成为了目前光子回路中最有希望解决硅上光源问题的最佳方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器及其制备方法，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，提供了一种基于倾斜光栅的硅基垂直耦合激光器，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。

在本公开的一些实施例中，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。

在本公开的一些实施例中，所述SOI芯片自下而上包括：Si衬底、SiO₂层和Si层。

在本公开的一些实施例中，多对所述下布拉格反射镜包括交替沉积的Si层和SiO₂层。

在本公开的一些实施例中，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。

在本公开的一些实施例中，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。