[发明专利]低损耗硅基激光器

说明书

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。

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。