[发明专利]光子晶体微腔硅基激光器及其制备方法

说明书

本发明提供一种光子晶体微腔硅基激光器及其制备方法，激光器包括：硅基衬底；III‑V族亚微米线，啁啾一维光子晶体；其中，III‑V族亚微米线叠加在硅基衬底上，啁啾一维光子晶体制备在III‑V族亚微米线中形成光子晶体微腔。制备方法包括：在硅基衬底上沉积二氧化硅介质层，刻蚀二氧化硅介质层及部分硅基衬底，形成至少一个连通沟槽；在至少一个连通沟槽中外延生长III‑V族亚微米线并抛光，保留其中一个III‑V族亚微米线并刻蚀，制备啁啾一维光子晶体形成光子晶体微腔。本发明引入光子晶体微腔，可实现激光器的小噪声低阈值单模电注入激射特性，推动硅基激光器的微型化。

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种光子晶体微腔硅基激光器及其制备方法。

背景技术

时间的演变伴随着科技的发展。在微电子集成技术的推动下，信息化、网络化和智能化成为当今时代发展的趋势。但是，随着集成电路特征尺寸的逐渐减小，材料的物理化学特性、元器件的工作原理以及制造工艺的可靠性等方面出现了许多新的问题，进一步提高集成度会引起器件的带宽、功耗、速度、时延等无法按照人们的预期发展。相对来讲，光信号具有功耗低、速度快、时延小、抗干扰性好等优势，同时为了充分发挥硅基CMOS平台的优势，将二者结合起来成为一种可选的方案。目前，硅基光电子集成技术已经成为信息技术发展的必然和业界的普遍共识。

一个完整的硅基光电子集成系统主要包含激光器、滤波器、调制器、探测器、CMOS电路等。近年来，硅基光波导、光开关、调制器、探测器等基本光学元件已经发展的比较成熟。然而，由于硅是间接带隙，难以制成适用于硅基光电子集成系统的理想光源和放大器。因此硅基光源尤其是硅基激光器成为硅基光电子集成进一步发展的主要难题之一。

III-V族半导体材料有很好的发光特性，将硅和III-V族结合在一起制备硅基激光器不失为一种好的选择。但是在硅上直接异质外延III-V半导体材料会由于二者晶格常数不同，热膨胀系数不同引起失配位错，同时也会存在由于二者极性不同引起的反相畴。目前最为成熟的解决方案是键合，但是该方式在成品率、尺寸、与传统的CMOS工艺兼容性等方面有它自身的局限性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提供一种光子晶体微腔硅基激光器及其制备方法，用于至少部分解决以上技术问题。

(二)技术方案

本发明提供一种光子晶体微腔硅基激光器，包括：硅基衬底1；III-V族亚微米线3；啁啾一维光子晶体4；其中，III-V族亚微米线3叠加在硅基衬底1上并部分嵌入硅基衬底1，啁啾一维光子晶体4制备在III-V族亚微米线3中形成光子晶体微腔8。

可选地，硅基衬底1包括：依次叠加的SOI底硅101，SOI box层102和SOI顶硅103。

可选地，光子晶体微腔硅基激光器还包括：上金属电极6和下金属电极7；其中，上金属电极6与III-V族亚微米线3相叠加，且不完全覆盖III-V族亚微米线3；下金属电极7与硅基衬底1相叠加，且不与III-V族亚微米线3接触。

可选地，啁啾一维光子晶体4包括：反射区域A和/或渐变区域B；其中，反射区域A包含介质孔的半径和孔间距为常数，渐变区域B包含介质孔的半径和/或孔间距向靠近光子晶体微腔8的方向以渐变形式逐渐减小。

可选地，渐变区域B包含的介质孔半径或者孔间距的渐变方式包括线性变化、抛物线型变化或正弦变化中的任意一种。

本发明另一方面提供一种光子晶体微腔硅基激光器制备方法，包括：在硅基衬底1上沉积二氧化硅介质层2，刻蚀二氧化硅介质层2及部分硅基衬底1，形成至少一个连通沟槽；在至少一个连通沟槽中生长III-V族亚微米线3；抛光III-V族亚微米线3；保留抛光后的其中一个III-V族亚微米线3，并刻蚀保留的III-V族亚微米线3，制备啁啾一维光子晶体4形成光子晶体微腔8。