專利名稱：具有面內(nèi)耦合的混合硅垂直腔激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例針對垂直腔(cavity)激光器，更具體來說，針對在面內(nèi) (in-plane)基于波導光子集成電路中使用的混合硅/III-V垂直腔激光器結構。
背景技術：
雖然硅是引導光線的優(yōu)良材料并且能以高數(shù)據(jù)速率檢測和調(diào)制光線，但它仍然不 能有效地生成大量的光線。硅由于稱作間接帶隙(bandgap)的基本限制而可能是低效發(fā)光 體。間接帶隙阻止硅中原子在施加電荷時發(fā)射大量光子。硅反而趨向于發(fā)射熱量。在硅材料上生成光線的一種方式是所謂的混合硅短暫(evanescent)平臺。磷化 銦是包括砷化鎵的幾種特殊材料中之一，它在施加電壓時發(fā)射作為光線光子的能量。兩種 材料可用于制作激光二極管，并且在元素周期表上稱作‘III-V材料’，因為它們享有相似特 性?；旌瞎瓒虝浩脚_方式涉及使用晶圓(wafer)接合(bonding)來將能夠在用于引導 光線的絕緣體上硅(SOI :silicon-on-insulator)晶圓上發(fā)射光線的III-V半導體材料固 定到位。采用適當?shù)墓璨▽гO計，通過電流注入在III-V材料中生成的光線被自動耦合到 硅波導中，并且激光被有效地耦合到硅波導。這些激光器的若干示例已經(jīng)被證明，并且其優(yōu) 點現(xiàn)在被廣泛接受。但是，這些激光器由于其面內(nèi)結構而存在一些固有缺點。至今，面內(nèi)激光器尚未證 明垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的高壁板(wall-plug)效率(即總能量效率)。垂直腔 激光器還固有地具有帶較低調(diào)制功率的較高直接調(diào)制帶寬。VCSEL的優(yōu)點產(chǎn)生于對垂直腔 激光器是可能的極低閾值電流，并且這可歸因于包括短的腔長度以及與量子阱(well)(增 益)材料的高電場重疊的影響的組合。如果使用VCSEL，則存在例如對齊(alignment)問題 的其它問題。當前方法涉及在硅之上接合單獨VCSEL或者從硅芯片邊緣耦合激光器的管芯 (die)。兩種方法均費時，并且要求靈敏的對齊技術。圖1是示出對于前鏡和后鏡具有不同反射率乘積(product)的VCSEL的模擬和實 驗性閾值電流的圖表。雖然結果也可根據(jù)用于形成激光器有源(active)部分的準確材料 而改變，但是顯然，可得到極低閾值，并且這通過實驗得到證明。當今按常規(guī)得到低于ImA 的閾值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面涉及一種設備，包括絕緣體上硅(SOI)襯底；所述SOI襯底上的硅 波導；在所述硅波導上制造的光柵(grating)耦合器；以及垂直III-V半導體裝置，在所述 光柵耦合器上方接合到所述SOI襯底，其中通過所述光柵耦合器將激光從所述垂直III-V 半導體裝置橫向耦合到所述硅波導中。本發(fā)明另一方面涉及一種方法，包括在絕緣體上硅(SOI)晶圓上形成波導；隨 所述波導在橫向平面在所述SOI晶圓上形成光柵耦合器；將III-V半導體材料接合到所述SOI晶圓；以及采用所述III-V半導體材料制造激光器。


通過結合整體組成本發(fā)明公開的一部分的附圖來閱讀布置和示例實施例的以下 詳細描述以及權利要求書，本發(fā)明的上述內(nèi)容以及對本發(fā)明的更好理解將變得顯而易見。 雖然上述及以下書面所述公開集中于公開本發(fā)明的布置和示例實施例，但是應當清楚地理 解，它們只是作為說明和示例，而本發(fā)明并不局限于此。圖1是針對具有不同反射鏡性質(zhì)的VCSEL的閾值電流示出模擬和實驗性數(shù)據(jù)的圖 表；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的耦合到面內(nèi)硅波導的混合垂直腔激光器的側視 圖；圖3是針對不同啁啾(chirp)參數(shù)光柵示出歸一化背反射(在右軸線上)的圖表； 以及圖4是供根據(jù)一個實施例的激光器使用的III-V材料的示例外延層結構 (epistructure)的截面圖。
具體實施例方式所述的是硅上類VCSEL激光器。通過將垂直腔激光器的高效率和調(diào)制帶寬與面內(nèi) 硅光子的光線引導、復用、檢測和調(diào)制能力相組合，可獲得優(yōu)點。整個說明書中提到“一個實施例”或“實施例”表示結合該實施例所述的具體特征、 結構或特性包含在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，短語“在一個實施例中”或“在實施 例中”在整個說明書中各個位置的出現(xiàn)不一定都表示同一個實施例。此外，具體特征、結構 或特性可按照任何適當方式結合在一個或多個實施例中?，F(xiàn)在參照圖2，本發(fā)明的實施例涉及在絕緣體上硅晶圓之上制作的光柵耦合器上 方接合活性(active) III-V半導體材料的晶圓。如圖所示，SOI晶圓200包括內(nèi)埋氧化層 202。在內(nèi)埋氧化層202之上構成無源硅波導204。隨硅波導204在橫向平面在內(nèi)埋氧化 層202上構成金屬或SIO光柵耦合器206。根據(jù)實施例，可在光柵耦合器206之上接合形成 激光器結構208的活性III-V半導體材料。激光器208包括III-V活性材料210。頂部鏡 212可以是反射金屬或者也可以是III-V材料，并且可將大于99%的所生成光線反射回激 光腔214中。激光器208可被接合到襯底200。接合步驟不要求任何對齊，因為所有硅處理可 在接合之前進行，并且包括去除非預期區(qū)域中III-V材料的所有III-V處理可在接合之后 進行。III-V半導體材料可以是任何數(shù)量的化合物，并且可選擇成發(fā)射波長在從1300nm至 ieOOnm或更大范圍內(nèi)變動的光線。當然，其它波長是可能的，因為這在980nm范圍中也可以 是有用的。例如，接合可使用氧化物接合或二苯并環(huán)丁烯(BCB Aisbenzocyclobutene)接 合來執(zhí)行。這種裝置的一個優(yōu)點在于，界面厚度對產(chǎn)生激光(Iasing)性能的影響不會像采 用傳統(tǒng)短暫面內(nèi)裝置的影響那么大。然后，使用標準III-V處理技術在光柵耦合器206上方形成垂直腔激光器208。 可使用金屬涂層反射器或者作為III-V材料外延層結構的一部分而生長的分布式布拉格(Bragg)反射器來形成頂部鏡212。下部鏡由光柵耦合器206本身形成，它可設計成提供特 定反射率。光柵206將垂直激光的一部分水平發(fā)送到硅波導204中，并且又將剩余部分向 上反射，以便形成激光腔214。因此，光柵耦合器206還進行動作以將垂直發(fā)射的光線從混 合垂直腔214耦合到SOI晶圓200上形成的硅波導204中。光柵鏡206可以是由硅上空氣 或硅上SiO2或者金屬光柵所制成的高指數(shù)(index)對比度光柵。箭頭216示出光線采取的路徑。由于模態(tài)重疊如此大而腔長度214如此短，所以與 面內(nèi)分布式反饋激光器相比，這種激光器可具有更低閾值、更高效率、更低直接調(diào)制RF功 率以及更好調(diào)制帶寬。由于它耦合到面內(nèi)波導204，所以它仍然可用于芯片上調(diào)制、波分復用等。圖3針對SOI光柵耦合器示出不同啁啾參數(shù)的反射率。雖然對于這種具體設計所 示的最大反射率僅為 45%，但是可通過更改該設計來獲得高許多的反射率。圖表中所示 的設計選擇成使反射最小。備選地，不是依靠光柵耦合器來提供所有背反射，而是也可通過 III-V外延層結構中的分布式布拉格反射器或者通過放置于硅波導中光柵耦合器之后的第 二光柵來制作附加的底部鏡。通過使用不同光柵設計或者通過量子阱混合或者通過使用不 同長度激光腔，這種技術可用于形成激光器陣列，激光器陣列則可在單個SOI芯片上進行 波分復用。圖4示出激光器208中使用的III-V材料的一個示例外延層結構。激光器208可 包括n接觸層400，它還可包括充當鏡中之一的分布式布拉格反射器(DBR)結構；可選超 晶格(superlattice)層402，它可用于防止量子阱免于接合期間的應變；量子阱層404，它 生成激光；以及P接觸層406，它也可包括DBR結構。硅外延層結構是標準SOI晶圓。應當注意，這個相同概念和基本結構也可用于制作垂直光檢測器和垂直電吸收調(diào) 制器。例如，在圖2中，激光器結構208也可以是光檢測器或調(diào)制器。對于垂直腔電吸收調(diào) 制器，可使用光柵耦合器將光線從芯片上的波導向上耦合到設置在該耦合器上方的電吸收 材料中，并且然后從該芯片耦合到垂直對齊光纖。垂直光檢測器可檢測來自芯片上方垂直 對齊光纖的光線，或者檢測使用光柵耦合器從波導向上耦合的光線。與在硅波導上方每次一個地接合單獨VCSEL的管芯相比，本發(fā)明的實施例是更加 高度可縮放(scalable)的。本發(fā)明使用不要求主動對齊并且可結合到CMOS過程后端的晶 圓接合。由于這些原因，它是高度可縮放的。例如，可從一個接合步驟同時制作和設置數(shù)千 個激光器。與硅短暫面內(nèi)激光器相比，這種方法預計產(chǎn)生更低閾值電流、更高效率和更高調(diào) 制帶寬。這些激光器可以對在硅/III-V界面的接合質(zhì)量和硅波導尺寸的任何波動不太敏 感。理論上，與硅短暫激光器相比，這種技術要求更少III-V半導體材料。實施例可代替短暫逝激光器用于要求高效率激光器的應用。這些應用可包括芯 片-網(wǎng)絡、芯片-芯片或芯片上的光互連。與波導激光器或外部硅Mach-Zehnder調(diào)制器相 比，它們能夠?qū)崿F(xiàn)具有極低RF功率的直接調(diào)制。包括在摘要中所述內(nèi)容的本發(fā)明所示實施例的以上描述并不預期是窮盡的或者 將本發(fā)明局限于所公開的精確形式。雖然本文為了便于說明而描述本發(fā)明的具體實施例和 示例，但相關領域技術人員將領會，在本發(fā)明的范圍內(nèi)各種等效修改是可能的?？筛鶕?jù)以上詳細描述對本發(fā)明進行這些修改。隨附權利要求書中使用的術語不應 當被理解為將本發(fā)明限制到說明書和權利要求書中公開的具體實施例。本發(fā)明的范圍而是完全由隨附權利要求書確定，權利要求書將根據(jù)權利要求釋義的已制定原則來理解。
權利要求
1.一種設備，包括 絕緣體上硅(SOI)襯底； 所述SOI襯底上的硅波導；在所述硅波導上制造的光柵耦合器；以及垂直III-V半導體裝置，在所述光柵耦合器上方接合到所述SOI襯底，其中通過所述光 柵耦合器將激光從所述垂直III-V半導體裝置橫向耦合到所述硅波導中。
2.如權利要求1所述的設備，所述垂直III-V半導體裝置是激光器，并且包括 η接觸層；量子阱層，包括所述η接觸層之上的III-V半導體材料；以及 所述量子阱層之上的P接觸層。
3.如權利要求2所述的設備，其中，所述垂直III-V半導體激光器還包括 所述量子阱層與所述η接觸層之間的超晶格層，在接合期間保護所述量子阱層。
4.如權利要求2所述的設備，其中，所述η接觸層包括分布式布拉格結構。
5.如權利要求2所述的設備，其中，所述ρ接觸層包括分布式布拉格結構。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述垂直III-V半導體裝置是激光器，并且發(fā)射波 長大于980nm的光線。
7.如權利要求1所述的設備，其中，所述垂直III-V半導體裝置是激光器，并且采用二 苯并環(huán)丁烯(BCB)接合與所述SOI襯底接合。
8.如權利要求1所述的設備，其中，所述III-V半導體裝置包括光檢測器。
9.如權利要求1所述的設備，其中，所述III-V半導體裝置包括調(diào)制器。
10.一種方法，包括在絕緣體上硅(SOI)晶圓上形成波導； 隨所述波導在橫向平面在所述SOI晶圓上形成光柵耦合器； 將III-V半導體材料接合到所述SOI晶圓；以及 采用所述III-V半導體材料制造激光器。
11.如權利要求10所述的方法，其中，硅處理在所述接合之前進行，并且III-V半導體 處理在所述接合之后進行。
12.如權利要求10所述的方法，其中，所述接合包括氧化物接合。
13.如權利要求10所述的方法，其中，所述接合包括二苯并環(huán)丁烯(BCB)接合。
14.如權利要求10所述的方法，其中，制造激光器包括 制造η接觸層；在所述η接觸層上制造量子阱層；以及 在所述量子阱層上制造P接觸層。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述η接觸層包括分布式布拉格結構。
16.如權利要求14所述的方法，其中，所述ρ接觸層包括分布式布拉格結構。
17.如權利要求14所述的方法，其中，制造激光器還包括在所述量子阱層與所述η接觸層之間制造超晶格層，以便在接合期間保護所述量子阱層。
18.如權利要求14所述的方法，其中，所述激光器發(fā)射波長大于980nm的光線。
19.如權利要求14所述的方法，或在，通過所述光柵耦合器將激光從所述激光器橫向 耦合到所述硅波導中。
全文摘要
具有面內(nèi)耦合的硅垂直腔激光器包括在絕緣體上硅(SOI)晶圓上制作的光柵耦合器上方接合活性III-V半導體材料的晶圓。這種接合不要求任何對齊，因為所有硅處理可在接合之前進行，并且所有III-V處理可在接合之后進行。光柵耦合器進行動作以將垂直發(fā)射的光線從混合垂直腔耦合到在SOI晶圓上形成的硅波導中。
文檔編號H01S5/34GK102142656SQ20101062466
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權日2009年12月30日
發(fā)明者B·R·科赫 申請人:英特爾公司