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CN111564758A - 低损耗硅基激光器 - Google Patents

低损耗硅基激光器 Download PDF

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CN111564758A
CN111564758A CN202010465149.2A CN202010465149A CN111564758A CN 111564758 A CN111564758 A CN 111564758A CN 202010465149 A CN202010465149 A CN 202010465149A CN 111564758 A CN111564758 A CN 111564758A
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CN
China
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silicon
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based laser
laser
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CN202010465149.2A
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杨正霞
吕晨
李亚节
杨文宇
周旭亮
潘教青
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Institute of Semiconductors of CAS
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Institute of Semiconductors of CAS
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Abstract

一种硅基激光器，包括：含有V形底部沟槽的SOI图形衬底；外延结构，依次为N型位错限制层、N型缓冲层、N型下包层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P型上包层、隧道结、N型上包层和N型接触层。本发明使用隧道结的隧穿效应，N型掺杂区域‑隧道结‑P型掺杂区域代替P型掺杂区域，在满足激光器工作电流稳定，粒子数反转的前提下，缩小了P型掺杂区域的体积，可有效降低光场与P型掺杂区域的重叠，减小激光器内部损耗，优化激光器激射性能，进一步推动硅基激光器电泵激射的实现。

Description

低损耗硅基激光器
技术领域
本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种低损耗硅基激光器。
背景技术
随着科技的发展，集成电路已经称为我们生活中不可或缺的一部分，我们对于其要求也越来越高。随着集成电路特征尺寸的减小，其成本，信号质量，带宽、功耗等无法满足我们的进一步需求。硅基光互连由于具有延迟低，带宽大，能耗低等优点，逐渐得到了研究人员的青睐。一个完整的光互连包含光源，波导，调制器、探测器等。目前，波导、光放大器、光探测器、光调制器等光子器件都可实现成熟应用。然而，由于硅是间接带隙，通过硅直接发射激光非常困难。
近年来，硅基激光的制备方案主要分为两类：四族材料及其化合物制作光源、引入III-V族化合物制作光源器件。目前为止，四族材料及其化合物制备光源还需要大量的工作才能实现合理效率的室温激射。III-V族化合物为直接带隙，目前广泛用于半导体激光器制造，且半导体激光器体积小、性能优越，技术成熟。所以引入III-V族化合物材料制作光源器件是一种可行的方案。
目前，引入III-V族化合物材料制备硅基激光器主要有三种方法：键合、直接外延和高深宽比技术。键合技术是通过直接或者借助中间层将III-V族激光器和硅基通过加温加压的方式结合在一起，并将激光器的光引入硅波导。此技术工艺复杂，生产条件要求高，成品率低，可重复性低，不利于大规模生产。直接外延方式是在斜切的衬底上外延一层厚的缓冲层来过滤位错，然后外延III-V族化合物材料制备硅基激光器。由于三五族材料和硅衬底之间需要生长厚的缓冲层，且缓冲层中存在较大的缺陷密度，导致耦合到硅波导中的效率低，通过直接外延制备硅基大规模集成光源存在局限性。高深宽比(ART)技术能够在小尺寸的局部硅衬底位置实现在薄的缓冲层前提下外延高质量的三五族材料。此外，高深宽比技术制备硅基激光器可以消除硅与III-V族化合物界面的反相畴，限制位错，不需要衬底斜切，成品率高，缓冲层薄，便于耦合，器件位置选区灵活，与CMOS兼容，有望实现硅基大规模集成光源。
目前，高深宽比技术制备的硅基III-V族纳米激光器已经实现光致激光激射，但还需要进一步优化结构以减少损耗，降低激射阈值，提高激光性能，为实现激光器电泵激射创造良好的条件，进而能够实现产品应用。对于硅基III-V族纳米激光器，通过稀释波导可达到降低内部损耗的目的，但是会增加激光器垂直方向尺寸，不利于激光器与波导的耦合以及激光器的进一步应用发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低损耗硅基激光器，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种硅基激光器，包括：
含有V形底部沟槽的SOI图形衬底；
外延结构，依次为N型位错限制层、N型缓冲层、N型下包层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P型上包层、隧道结、N型上包层和N型接触层。
其中，所述SOI图形衬底包含的顶层硅厚度H≥500nm，为N型掺杂，掺杂浓度范围为1x1018cm-3～5x1018cm-3。
其中，所述硅基激光器结构还包括N型电极，所述N型电极位于含有V型沟槽的SOI图形衬底的顶层硅上表面。
其中，所述外延结构中的各部分结构均为III-V族化合物材料。
其中，所述外延结构中的隧道结为简并重掺的P型和N型III-V族半导体隧穿结结构或具有隧穿特性的非重掺的II型能带异质结构。
其中，所述外延结构中的P型上包层的掺杂浓度小于1x1018cm-3，其可采用均匀掺杂或渐变掺杂。
其中，所述外延结构中的各部分结构均与所述V型底部等宽。
其中，所述硅基激光器还包括绝缘层和P型电极。
本发明的硅基激光器相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：
本发明使用隧道结的隧穿效应，N型掺杂区域-隧道结-P型掺杂区域代替P型掺杂区域，在满足激光器工作电流稳定，粒子数反转的前提下，缩小了P型掺杂区域的体积，可有效降低光场与P型掺杂区域的重叠，减小激光器内部损耗，优化激光器激射性能，进一步推动硅基激光器电泵激射的实现。
附图说明
图1是本发明实施例提出的低损耗硅基激光器器件结构剖面示意图；
图2是本发明实施例提出的低损耗硅基激光器隧道结结构组成剖面示意图。
上图中，附图标记含义如下：
1、V形底部的SOI图形衬底； 2、N型位错限制层； 3、N型缓冲层；
4、N型下包层； 5、下波导层； 6、量子阱有源区； 7、上波导层；
8、P型上包层； 9、隧道结； 10、N型上包层； 11、N型接触层；
12、绝缘层； 13、金属层； 14、P型电极； 15、N型电极；
9.1、N型半导体； 9.2、P型半导体。
具体实施方式
现阶段通过硅衬底V型槽和SiO2侧壁结构选区外延可有效减少位错、反相畴等缺陷及缓冲层厚度，并通过腐蚀去除SiO2侧壁以及V型沟槽附近Si材料减小泄漏损耗。目前采用高深宽比技术制备的硅基激光器已经实现光泵激射，但是距离电泵实现还需一定的时间，需要进一步优化器件结构，提高激射性能来降低电泵状态下激光激射的难度。
本发明公开的结构采用N型掺杂区域-隧道结-P型掺杂区域代替P型掺杂区域，量子阱有源区辐射复合到价带中的电子运动到P型掺杂区域价带中，进而通过隧道结隧穿到N型掺杂区域导带中，维持了器件稳定的工作电流，实现了空穴向有源区有效的注入，在满足粒子数反转的前提下，缩小了P型掺杂区域的体积，可有效降低光场与P型掺杂区域的重叠，减小激光器内部损耗，优化激光器激射性能，推动硅基激光器电泵激射。同时，本发明采用的结构对于激光器尺寸存在较小影响，便于硅基耦合，适用于硅基光电子与硅基光互连。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种低损耗硅基激光器结构，结构剖面图如图1所示，包括：
含有V型底部沟槽的SOI图型衬底；
外延结构，依次为N型位错限制层、N型缓冲层、N型下包层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P型上包层，隧道结、N型上包层、N型接触层；
其他器件层，为绝缘层、P型电极。
在本发明的一些实施例中，上述SOI衬底包含的顶层硅厚度H≥500nm，为N型掺杂，掺杂浓度在1x1018cm-3～5x1018cm-3。
在本发明的一些实施例中，上述低损耗硅基激光器结构还包括N型电极，所述N型电极位于含有V型沟槽的SOI图形衬底的顶层硅上表面。
在本发明的一些实施例中，上述外延层N型位错限制层、N型缓冲层、N型下包层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P型上包层，隧道结、N型上包层、N型接触层均为III-V族化合物材料，具体可为：N型GaAs位错限制层、N型GaAs缓冲层、N型InP下包层、本征InP下波导层、量子阱有源区(可以为AlGaInAs/InP、InGaAsP/InP、InGaAs/InP，只要量子阱和垒材料与InP晶格匹配即可)、本征InP上波导层、P型InP上包层、隧道结、N型InP上包层、N型InGaAs接触层。
在本发明的一些实施例中，上述外延层的隧道结为简并重掺的P型和N型III-V族半导体隧穿结结构或具有隧穿特性的非重掺的II型能带异质结构，如图2隧道结结构组成剖面示意图所示，具体可为重掺杂P型InP层和重掺杂N型InP层。利用隧道结的隧穿特性，重掺P型半导体材料价带中的电子可隧穿到重掺N型半导体材料导带中。因此本发明提出的低损耗硅基激光器可实现在器件工作在稳定电流，满足粒子数反转的条件下，有效缩小P型掺杂区域体积，降低激光器内部损耗，优化硅基激光器激射性能，进一步推动硅基激光器的电泵激射。
在本发明的一些实施例中，上述P型上包层的掺杂浓度小于1x1018cm-3，其可采用均匀掺杂或渐变掺杂。渐变掺杂使得P型上包层形成内建电场，P型区域的电子存在漂移速度和扩散速度，隧穿几率增加，可提高有源区空穴的注入效率。
在本发明的一些实施例中，上述N型位错限制层、N型缓冲层、N型下包层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P型上包层，隧道结、N型上包层、N型接触层与所述V型底部等宽。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅基激光器，其特征在于，包括：
含有V形底部沟槽的SOI图形衬底；
外延结构，依次为N型位错限制层、N型缓冲层、N型下包层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P型上包层、隧道结、N型上包层和N型接触层。
2.根据权利要求1所述的硅基激光器，其特征在于，所述SOI图形衬底包含的顶层硅厚度H≥500nm，为N型掺杂，掺杂浓度范围为1×1018cm-3～5×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的硅基激光器，其特征在于，所述硅基激光器结构还包括N型电极，所述N型电极位于含有V型沟槽的SOI图形衬底的顶层硅上表面。
4.根据权利要求1所述的硅基激光器，其特征在于，所述外延结构中的各部分结构均为III-V族化合物材料。
5.根据权利要求1所述的硅基激光器，其特征在于，所述外延结构中的隧道结为简并重掺的P型和N型III-V族半导体隧穿结结构或具有隧穿特性的非重掺的II型能带异质结构。
6.根据权利要求1所述的硅基激光器，其特征在于，所述外延结构中的P型上包层的掺杂浓度小于1×1018cm-3，其可采用均匀掺杂或渐变掺杂。
7.根据权利要求1所述的硅基激光器，其特征在于，所述外延结构中的各部分结构均与所述V型底部等宽。
8.根据权利要求1所述的硅基激光器，其特征在于，所述硅基激光器还包括绝缘层和P型电极。
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