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CN118311723A - 一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法 - Google Patents

一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法 Download PDF

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CN118311723A
CN118311723A CN202410308270.2A CN202410308270A CN118311723A CN 118311723 A CN118311723 A CN 118311723A CN 202410308270 A CN202410308270 A CN 202410308270A CN 118311723 A CN118311723 A CN 118311723A
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waveguide
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韩羽
任兆杰
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Sun Yat Sen University
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Abstract

本发明公开了一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，包括以下步骤：使用电子束曝光系统在绝缘衬上硅上定义出用于异质外延的硅图案；在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层；在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口；对所述硅图案进行侧向湿法刻蚀刻蚀出外延空间并得到III‑V族半导体薄膜成核所需的硅晶面；利用金属有机物化学气相沉积系统在所述硅晶面侧向外延III‑V族半导体薄膜，并形成最终器件。本发明器件可以大幅缩小目前主流的倏逝波耦合方案在片上占据的空间，具有耦合效率更高，工艺更简单，占据的片上面积更小的特点。

Description

一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法
技术领域
本发明涉及集成光电子器件和半导体材料技术领域，具体地，涉及一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法。
背景技术
硅基光子技术目前主要应用于数据中心的光收发器，并且被视作是未来的光计算、自动驾驶、光测量、光传感等领域的关键科技。未来，广泛的硅基光子技术应用不仅离不开分立光子器件(例如：集成的III-V族激光器、光电调制器、分束器以及光电探测器)的小型化，还需要尽可能地将用于有源器件和无源波导的光耦合器进一步小型化。
目前，主流的在Si上集成III-V族激光器的方法是异质集成，包括晶圆键合(Die/Wafer bonding)和微转移印刷(Micro-transfer printing)。异质集成的有源器件和波导需要通过刻蚀taper耦合器来实现不同平面之间的倏逝波耦合。由于该技术的III-V族有源器件是通过垂直方向上一层一层外延实现的，通常III-V族外延层具有3-4μm的厚度，而硅基光子技术是一种水平方向的平面技术，并且标准SOI的厚度仅为220nm。所以，异质集成技术在方向上和厚度上所存在的失配使得其具有以下缺点：
1)异质集成需要制备尺寸较大的耦合器。由于较厚的III-V族外延层中的模式体积远大于较薄的SOI中的模式体积，为了在III-V/Si之间进行倏逝波耦合时保证模式匹配，taper耦合器的长度一般会超过100μm，导致集成度较低。
2)异质集成的耦合器会引入较大的光损耗。III-V/Si的taper耦合器在器件工作时通常无法得到足够的载流子注入，导致相当一部分的光会被吸收，造成光损耗。
3)晶圆键合集成光源不兼容标准220nm SOI硅光工艺。较厚的III-V族外延层在光耦合时需要400nm厚度以上的SOI来进行模式匹配，导致异质集成无法兼容标准220nm SOI硅光工艺。
除了异质集成的方案，在硅基衬底上集成III-V族器件还有异质外延方案，包括：大面积异质外延(Blanket heteroepitaxy)和选区异质外延(Selective heteroepitaxy)，这两种方案在III-V族有源器件和Si波导耦合上存在的技术缺点：
1)大面积异质外延的光耦合效率不高。由于III-V族半导体和Si之间存在严重的晶格失配(InP/Si之间存在8％，GaAs/Si之间存在4％)，所以要在硅基衬底上大面积外延III-V族半导体材料需要先在硅基衬底上外延出较厚的缓冲层来实现晶格匹配。而缓冲层的存在导致III-V族有源器件和Si波导的耦合非常困难。2023年，Wei W-Q等人开发了一种基于大面积异质外延III-V族激光器和波导的端面耦合方案，但该方案所需的光耦合空间体积较大，并且由于激光器和耦合器中间存在数微米的间隙，耦合效率较低。
2)选区异质外延尚无较好的光耦合方案。选区异质外延不需要引进较厚的缓冲层来消除晶格失配，所以这种方案有望突破在硅基衬底上引进III-V族有源器件集成度低的局限。选区异质外延可以分为垂直选区异质外延和侧向选区异质外延。2019年，Shi Y等人提出了基于垂直选区异质外延的纳米脊激光器(Nano-ridge laser)和Si波导进行高效倏逝波耦合的方案，但由于垂直选区异质外延的III-V族半导体和Si并不共面，所以需要进行倏逝波耦合，其耦合所需要的长度超过100微米。Han Y等人利用侧向纵横比捕获(Lateralaspect-ratio trapping)的方法，在SOI衬底上侧向选区异质外延出InP薄膜。这种侧向异质外延的方案，让III-V族半导体材料和Si处于同一平面，意味着III-V族有源器件和Si波导之间可以进行端面耦合，在器件工作时不存在载流子注入不足造成的光损耗。并且，由于侧向异质外延的III-V族材料和Si的厚度完全一致，可以兼容从标准220nm到更厚的SOI硅光工艺。但是，由于侧向选区外延需要周围的SiO2包裹，在III-V和Si之间存在不可避免的SiO2间隙，导致直接的端面对接耦合会产生大量的光损耗。
综上所述，异质集成由于III-V族外延层和SOI衬底存在厚度上和方向上的不匹配，导致光电集成芯片的集成度的提高受限。
发明内容
为解决现有技术异质集成由于III-V族外延层和SOI衬底存在厚度上和方向上的不匹配，导致光电集成芯片的集成度的提高受限的技术问题，本发明提供了一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，本发明采用的技术方案是：
一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，包括以下步骤：
S1：使用电子束曝光系统在绝缘衬上硅上定义出用于异质外延的硅图案；
S2：在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层；
S3：在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口；
S4：对所述硅图案进行侧向湿法刻蚀刻蚀出外延空间并得到III-V族半导体薄膜成核所需的硅晶面；
S5：利用金属有机物化学气相沉积系统在所述硅晶面侧向外延III-V族半导体薄膜，并形成最终器件。
作为一种优选方案，所述硅图案包括以下至少一种：
硅条、第一硅基结构、第二硅基结构以及第三硅基结构；
所述硅条用于异质外延III-V族半导体薄膜；
所述第一硅基结构用于外延生长分布式布拉格反射镜；
所述第二硅基结构用于外延生长折射率梯度渐变耦合器；
所述第三硅基结构用于外延硅波导。
作为一种优选方案，在步骤S2中，在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层的方法包括：
使用电感耦合等离子体化学气相沉积系统在所述绝缘衬上硅上沉积厚度为800nm的SiO2。
作为一种优选方案，在步骤S2中，所述SiO2包覆层与外延生长后的第一硅基结构共同构成分布式布拉格反射镜。
作为一种优选方案，在步骤S2中，所述SiO2包覆层与外延生长后的第二硅基结构共同构成折射率梯度渐变耦合器。
作为一种优选方案，所述分布式布拉格反射镜的结构周期为310nm，Si为110nm。
作为一种优选方案，所述折射率梯度渐变耦合器的结构周期为200nm，Si为100nm。
作为一种优选方案，所述折射率梯度渐变耦合器包括第一段结构、第二段结构以及第三段结构；所述第一段结构的宽度从900nm线性减小到750nm，所述第二段结构从750nm线性增加到900nm，所述第三段结构包括锥形结构，所述锥形结构的尖端宽为100nm，所述锥形结构与所述硅波导结构匹配。
作为一种优选方案，在步骤S3中，在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口的方法包括：
使用无掩膜光刻机在用于外延生长III-V族半导体薄膜的硅条上曝光窗口，并利用反应离子束刻蚀系统刻蚀表面的SiO2包覆层，将硅条暴露。
作为一种优选方案，在步骤S4中，所述外延空间上下均为SiO2，所述硅晶面的晶面指数为(1 1 1)。
相较于现有技术，本发明所具有的有益效果是：
1)本发明通过利用SiO2间隙和绝缘衬上硅表面硅层，制作折射率梯度渐变耦合器，大幅提高了III-V族有源器件和Si波导端面耦合的效率，避免了绝大部分光在端面处的反射。
2)本发明通过利用SiO2间隙和绝缘衬上硅表面硅层，制作分布式布拉格反射镜，作为III-V族激光器和Si波导的端面耦合方案，进一步减小耦合所需的空间。并且可以通过调控少分布式布拉格反射镜的端面处的DBRs周期数，来调控耦合到Si波导的光功率。
附图说明
图1为本实施例提供的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法流程图；
图2为本实施例提供的折射率梯度渐变耦合器进行III-V/Si端面耦合的工艺流程图；
图3为本实施例提供的折射率梯度渐变耦合器结构俯视图和耦合效率；
图4为本实施例提供的利用分布式布拉格反射镜实现激光器与硅波导端面耦合的工艺流程示意图；
图5为本实施例提供的分布式布拉格反射镜结构俯视图和反射/透射谱；
图6为本实施例提供的折射率梯度渐变耦合器的SEM成像图；
图7为本实施例提供的分布式布拉格反射镜的SEM成像图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
请参考图1，本实施例提供了一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，包括以下步骤：
S1：使用电子束曝光系统在绝缘衬上硅上定义出用于异质外延的硅图案；
S2：在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层；
S3：在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口；
S4：对所述硅图案进行侧向湿法刻蚀刻蚀出外延空间并得到III-V族半导体薄膜成核所需的硅晶面；
S5：利用金属有机物化学气相沉积系统在所述硅晶面侧向外延III-V族半导体薄膜，并形成最终器件。
实施例2
请参考图1、图2、图3以及图6，本实施例提供了一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，包括以下步骤：
S1：使用电子束曝光系统在绝缘衬上硅上定义出用于异质外延的硅图案；
在一个具体的实施例中，如图2(a)所示，所述硅图案包括：用于异质外延III-V族半导体薄膜的硅条以及用于外延生长折射率梯度渐变耦合器的第二硅基结构。
S2：在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层；
在一个具体的实施例中，如图2(b)所示，在步骤S2中，在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层的方法包括：
使用电感耦合等离子体化学气相沉积系统在所述绝缘衬上硅上沉积厚度为800nm的SiO2。
在一个具体的实施例中，如图3(a)所示，在步骤S2中，所述SiO2包覆层与外延生长后的第二硅基结构共同构成折射率梯度渐变耦合器。
具体地，工艺容差如图3(b)所示；所示所述折射率梯度渐变耦合器的结构周期为200nm，Si为100nm。
更具体地，如图3(a)以及图3(b)所示，所述折射率梯度渐变耦合器包括第一段结构、第二段结构以及第三段结构；所述第一段结构的宽度从900nm线性减小到750nm，所述第二段结构从750nm线性增加到900nm，所述第三段结构包括锥形结构，所述锥形结构的尖端宽为100nm，所述锥形结构与所述硅波导结构匹配。
S3：在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口；
在一个具体的实施例中，如图2(c)所示，在步骤S3中，在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口的方法包括：
使用无掩膜光刻机在用于外延生长III-V族半导体薄膜的硅条上曝光窗口，并利用反应离子束刻蚀系统刻蚀表面的SiO2包覆层，将硅条暴露。
S4：对所述硅图案进行侧向湿法刻蚀刻蚀出外延空间并得到III-V族半导体薄膜成核所需的硅晶面；
在一个具体的实施例中，如图2(d)所示，在步骤S4中，所述外延空间上下均为SiO2，所述硅晶面的晶面指数为(1 1 1)。
S5：利用金属有机物化学气相沉积系统在所述硅晶面侧向外延III-V族半导体薄膜，并形成最终器件；
具体地，如图2(e)所示，利用金属有机物化学气相沉积系统在所述硅晶面侧向外延III-V族半导体薄膜，并形成最终器件；所述III-V族半导体薄膜包含多量子阱的有源区结构。
实施例3
请参考图1、图4、图5以及图7，本实施例提供了一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，包括以下步骤：
S1：使用电子束曝光系统在绝缘衬上硅上定义出用于异质外延的硅图案；
在一个具体的实施例中，如图4(a)所示，所述硅图案包括：用于外延生长III-V族半导体薄膜的硅条以及用于外延生长分布式布拉格反射镜的第一硅基结构。
S2：在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层；
在一个具体的实施例中，如图4(b)所示，使用电感耦合等离子体化学气相沉积系统在所述绝缘衬上硅上沉积厚度为800nm的SiO2。
在一个具体的实施例中，如图5(a)所示，所述SiO2包覆层与外延生长后的第一硅基结构共同构成分布式布拉格反射镜。
具体地，所述分布式布拉格反射镜的结构周期为310nm，Si为110nm；
更具体地，如图5(b)所示，工艺容差(n＝2)；周期数对反射谱的影响如图5(c)所示。
S3：在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口；
在一个具体的实施例中，如图4(c)所示，在步骤S3中，在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口的方法包括：
使用无掩膜光刻机在用于外延生长III-V族半导体薄膜的硅条上曝光窗口，并利用反应离子束刻蚀系统刻蚀表面的SiO2包覆层，将硅条暴露。
S4：对所述硅图案进行侧向湿法刻蚀刻蚀出外延空间并得到III-V族半导体薄膜成核所需的硅晶面；
在一个具体的实施例中，如图4(d)所示，在步骤S4中，所述外延空间上下均为SiO2，所述硅晶面的晶面指数为(1 1 1)。
S5：利用金属有机物化学气相沉积系统在所述硅晶面侧向外延III-V族半导体薄膜，并形成最终器件；
具体地，如图4(e)所示，利用金属有机物化学气相沉积系统在所述硅晶面侧向外延III-V族半导体薄膜，并形成最终器件；所述III-V族半导体薄膜包含多量子阱的有源区结构。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：使用电子束曝光系统在绝缘衬上硅上定义出用于异质外延的硅图案；
S2：在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层；
S3：在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口；
S4：对所述硅图案进行侧向湿法刻蚀刻蚀出外延空间并得到III-V族半导体薄膜成核所需的硅晶面；
S5：利用金属有机物化学气相沉积系统在所述硅晶面侧向外延III-V族半导体薄膜，并形成最终器件。
2.根据权利要求1所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，所述硅图案包括以下至少一种：
硅条、第一硅基结构、第二硅基结构以及第三硅基结构；
所述硅条用于异质外延III-V族半导体薄膜；
所述第一硅基结构用于外延生长分布式布拉格反射镜；
所述第二硅基结构用于外延生长折射率梯度渐变耦合器；
所述第三硅基结构用于外延硅波导。
3.根据权利要求1所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述绝缘衬上硅表面沉积SiO2包覆层的方法包括：
使用电感耦合等离子体化学气相沉积系统在所述绝缘衬上硅上沉积厚度为800nm的SiO2。
4.根据权利要求3所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述SiO2包覆层与外延生长后的第一硅基结构共同构成分布式布拉格反射镜。
5.根据权利要求3所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述SiO2包覆层与外延生长后的第二硅基结构共同构成折射率梯度渐变耦合器。
6.根据权利要求4所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，所述分布式布拉格反射镜的结构周期为310nm，Si为110nm。
7.根据权利要求5所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，所述折射率梯度渐变耦合器的结构周期为200nm，Si为100nm。
8.根据权利要求7所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，所述折射率梯度渐变耦合器包括第一段结构、第二段结构以及第三段结构；所述第一段结构的宽度从900nm线性减小到750nm，所述第二段结构从750nm线性增加到900nm，所述第三段结构包括锥形结构，所述锥形结构的尖端宽为100nm，所述锥形结构与所述硅波导结构匹配。
9.根据权利要求1所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，在步骤S3中，在所述硅图案上定义侧向湿法刻蚀所需的窗口的方法包括：
使用无掩膜光刻机在用于外延生长III-V族半导体薄膜的硅条上曝光窗口，并利用反应离子束刻蚀系统刻蚀表面的SiO2包覆层，将硅条暴露。
10.根据权利要求1所述的一种在硅上实现激光器和波导高效光耦合的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述外延空间上下均为SiO2，所述硅晶面的晶面指数为(1 1 1)。
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