以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器的制造方法
【專利摘要】一種以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，包括:底層硅、二氧化硅層、頂層硅，位于二氧化硅層之上，底層硅、二氧化硅層、頂層硅三層形成完整的SOI結(jié)構(gòu)，該SOI結(jié)構(gòu)的頂層硅上刻蝕形成硅波導(dǎo)、石墨烯覆蓋層，覆蓋于硅波導(dǎo)的一端、過量金屬容納區(qū)、金屬鍵合區(qū)，位于過量金屬容納區(qū)的外側(cè)，形成鍵合前的SOI部分、外延用P襯底、激光器的接觸層、正面金屬電極和激光器背面電極其是利用選區(qū)金屬鍵合的方法將鍵合前的激光器部分倒扣鍵合到鍵合前的SOI部分上，形成以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器。本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在保證單片集成體積小，性能穩(wěn)定，功耗低，易于集成等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用石墨烯理想的飽和吸收特性來提高鎖模激光器的性能。
【專利說明】以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器。其制作工藝簡單，成本低，可靠性高，有利于優(yōu)化鎖模激光器的工作特性。

【背景技術(shù)】
[0002]超短光脈沖源是近年來的熱門研究對象。超短脈沖源可廣泛用于高速取樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、微波和毫米波測量、光纖通信以及生物成像等領(lǐng)域。比如皮秒(PS)脈沖源已經(jīng)被設(shè)計(jì)成時鐘分布、光纖無線電設(shè)備、超高速邏輯分析儀、高速時鐘捕獲、超快信號處理和光時分復(fù)用的傳送設(shè)備。
[0003]目前被廣泛使用的超短光脈沖源主要是鎖模的鈦寶石固體激光器，這種激光器笨重且昂貴，并且在控制脈沖重復(fù)頻率和電子同步等脈沖特性時也比較復(fù)雜。近年來，半導(dǎo)體鎖模激光器因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊、高效和波長調(diào)諧靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)而成為超短脈沖源的研究熱點(diǎn)。隨著近些年來對半導(dǎo)體鎖模激光器以及光放大器的脈沖激光動態(tài)過程的深入研究，出光功率和脈沖能量迅速增長。1.55 μ m波段的單片集成鎖模半導(dǎo)體激光器由于其體積小、性能穩(wěn)定、功耗低、易于與其他InP基有源和無源光子器件集成以及廉價等一系列優(yōu)點(diǎn)而變得具有較高的商業(yè)價值，特別適合下一代高速光纖通信系統(tǒng)的光源以及時鐘恢復(fù)等應(yīng)用更是其中研究的重點(diǎn)。
[0004]集成的鎖模激光器往往是單片集成的，吸收區(qū)和增益區(qū)都用半導(dǎo)體材料。但以半導(dǎo)體材料做吸收區(qū)有其自身的缺點(diǎn):吸收區(qū)的吸收峰和增益區(qū)的增益峰存在很大的偏差，偏差20nm以上；吸收譜寬度比較窄；吸收區(qū)的恢復(fù)時間比較長，為幾個Ps。因而目前單片集成的鎖模激光器只能在很窄的一個范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。石墨烯則因?yàn)槠涞偷墓鈱W(xué)損耗；很寬的吸收譜；很小的恢復(fù)時間；能夠在很高的脈沖能量下工作；強(qiáng)的非線性；成本低；易于集成到光學(xué)系統(tǒng)中而成為理想的飽和吸收體。在光纖鎖模激光器中，已經(jīng)有大量使用石墨烯為飽和吸收體的實(shí)例。但是由于直接將石墨烯轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體激光器的脊波導(dǎo)時，其倏逝波太弱，無法滿足使用要求，而又無法像在光纖鎖模激光器中一樣將石墨烯轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體激光器的端面，因而尚未在集成鎖模激光器中有應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明利用硅基光子學(xué)中備受關(guān)注的硅基鍵合的方法，將石墨烯轉(zhuǎn)移到SOI的脊波導(dǎo)上后鍵合，大大增強(qiáng)了石墨烯與倏逝波的作用。利用石墨烯理想的飽和吸收特性實(shí)現(xiàn)鎖模，具有工藝簡單，成本低廉、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，并有利于提高鎖模激光器的工作特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器結(jié)構(gòu)。其原理是激光器結(jié)構(gòu)的上波導(dǎo)層較薄，通過倒扣鍵合的方式與轉(zhuǎn)移有石墨烯的硅波導(dǎo)鍵合在一起。由于激光器結(jié)構(gòu)上波導(dǎo)層較薄，有源區(qū)激射產(chǎn)生的光可以通過倏逝波耦合到硅波導(dǎo)中，而石墨烯在硅波導(dǎo)和激光器結(jié)構(gòu)的界面處，存在很強(qiáng)的倏逝波。為了排除半導(dǎo)體材料的飽和吸收影響，對石墨烯上方的半導(dǎo)體材料做了量子阱混雜(QWI)，使之發(fā)生藍(lán)移。僅利用石墨烯的飽和吸收特性實(shí)現(xiàn)鎖模。本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在保證單片集成體積小，性能穩(wěn)定，功耗低，易于集成等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用石墨烯理想的飽和吸收特性來提高鎖模激光器的性能。
[0007]本發(fā)明提供一種以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，包括:
[0008]一底層硅；
[0009]一二氧化硅層，位于底層硅之上；
[0010]—頂層娃，位于二氧化娃層之上，底層娃、二氧化娃層、頂層娃三層形成完整的SOI結(jié)構(gòu)，該SOI結(jié)構(gòu)的頂層硅上刻蝕形成硅波導(dǎo)；
[0011]—石墨烯覆蓋層,覆蓋于娃波導(dǎo)的一端；
[0012]一過量金屬容納區(qū)，位于硅波導(dǎo)的兩側(cè)；
[0013]一金屬鍵合區(qū)，位于過量金屬容納區(qū)的外側(cè)，形成鍵合前的SOI部分；
[0014]一外延用P襯底，在其上的縱向中間依次包括:一下分離限制層、一有源區(qū)和一上分離限制層，形成基片；
[0015]一激光器的接觸層，覆蓋在基片的上表面，用于電連接，形成外延片，該外延片的一端為藍(lán)移區(qū)，該外延片的中間橫向有一電隔離注入?yún)^(qū)，外延片中間的凸起為脊形波導(dǎo)；
[0016]一正面金屬電極，位于激光器的接觸層的兩側(cè)，在脊形波導(dǎo)和正面金屬電極之間形成光稱合窗口；
[0017]一激光器背面電極，制作于P襯底的背面，形成鍵合前的激光器部分，利用選區(qū)金屬鍵合的方法將鍵合前的激光器部分倒扣鍵合到鍵合前的SOI部分上，形成以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器。
[0018]本發(fā)明的有益效果是，具有工藝簡單、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在保證單片集成體積小，性能穩(wěn)定，功耗低，易于集成等特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用石墨烯理想的飽和吸收特性來提高鎖模激光器的性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合說明書附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做詳細(xì)的描述，其中:
[0020]圖1為鍵合前的SOI部分的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為鍵合前的激光器部分的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為以石墨烯為飽和吸收體的鎖模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]請參閱圖1-圖3所示，本發(fā)明提供一種以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，其結(jié)構(gòu)包括:
[0024]一底層硅I ;
[0025]一二氧化硅層2，位于底層硅I之上；
[0026]一頂層硅3，位于二氧化硅層2之上，頂層硅3的厚度為150nm_l μ m。底層硅1、二氧化硅層2、頂層硅3三層形成完整的SOI結(jié)構(gòu)，該SOI結(jié)構(gòu)的頂層硅3上刻蝕形成硅波導(dǎo)4,娃波導(dǎo)4的寬度為2 μ m-5 μ m,厚度為150nm_600nm ；
[0027]—石墨烯覆蓋層5,覆蓋于娃波導(dǎo)4的一端，該石墨烯覆蓋層5的長度為5 μ m-150 μ m,寬度為 2 μ m-20 μ m,層數(shù)為 1-5 層；
[0028]一過量金屬容納區(qū)6，位于硅波導(dǎo)4的兩偵彳，該過量金屬容納區(qū)6的寬度為2 μ m_10 μ m ；
[0029]一金屬鍵合區(qū)7，位于過量金屬容納區(qū)6的外側(cè)，形成鍵合前的SOI部分，金屬鍵合區(qū)7蒸鍍的金屬材料為AuGeNi/In/Sn，厚度為250nm_700nm，如圖1所示；
[0030]一外延用P襯底8，在其上的縱向中間依次包括:一下分離限制層9、一有源區(qū)10和一上分離限制層11，形成基片；
[0031]—激光器的接觸層12,厚度為500nm,覆蓋在基片的上表面,用于電連接，形成外延片，該外延片的一端為藍(lán)移區(qū)13，藍(lán)移區(qū)13的長度為30μπι-400μπι，該外延片的中間橫向有一電隔離注入?yún)^(qū)14，電隔離注入?yún)^(qū)14的長度為20μπι-50μπι，外延片中間的凸起為脊形波導(dǎo)；
[0032]一正面金屬電極15，位于激光器的接觸層12的兩側(cè)，在脊形波導(dǎo)和正面金屬電極15之間形成光稱合窗口 16,光稱合窗口的寬度為2 μ m-10 μ m,正面金屬電極15所用的金屬為 AuGeNi，厚度為 200_400nm ；
[0033]一激光器背面電極17，制作于P襯底8的背面，激光器背面電極17的材料為AuZn，厚度為200-400nm,形成鍵合前的激光器部分,如圖2所不,利用選區(qū)金屬鍵合的方法將鍵合前的激光器部分(圖2)倒扣鍵合到鍵合前的SOI部分(圖1)上，形成以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器。鍵合所用溫度為150-210°C，壓力大約為0.1N，環(huán)境為氮?dú)獗Ｗo(hù)，時間只需要2min,如圖3所示。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，包括: 一底層娃; 一二氧化娃層，位于底層娃之上； 一頂層娃，位于二氧化娃層之上，底層娃、二氧化娃層、頂層娃三層形成完整的SOI結(jié)構(gòu)，該SOI結(jié)構(gòu)的頂層硅上刻蝕形成硅波導(dǎo)； 一石墨烯覆蓋層，覆蓋于硅波導(dǎo)的一端； 一過量金屬容納區(qū)，位于硅波導(dǎo)的兩側(cè)； 一金屬鍵合區(qū)，位于過量金屬容納區(qū)的外側(cè)，形成鍵合前的SOI部分； 一外延用P襯底，在其上的縱向中間依次包括:一下分離限制層、一有源區(qū)和一上分離限制層，形成基片； 一激光器的接觸層，覆蓋在基片的上表面，用于電連接，形成外延片，該外延片的一端為藍(lán)移區(qū)，該外延片的中間橫向有一電隔離注入?yún)^(qū)，外延片中間的凸起為脊形波導(dǎo)； 一正面金屬電極，位于激光器的接觸層的兩側(cè)，在脊形波導(dǎo)和正面金屬電極之間形成光率禹合窗口 ； 一激光器背面電極，制作于P襯底的背面，形成鍵合前的激光器部分，利用選區(qū)金屬鍵合的方法將鍵合前的激光器部分倒扣鍵合到鍵合前的SOI部分上，形成以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，其硅波導(dǎo)的寬度為 2 μ m_5 μ m,厚度為 150nm-600nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，其中石墨烯覆蓋層的長度為5 μ m-150 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，其中石墨烯覆蓋層的寬度為2 μ m-20 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，其中石墨烯覆蓋層覆蓋的石墨烯層數(shù)為1-5層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，其中過量金屬容納區(qū)的寬度為2 μ m-10 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以石墨烯為飽和吸收體的鍵合的鎖模激光器，其中藍(lán)移區(qū)的長度為 30 μ m-400 μ m。
【文檔編號】H01S3/098GK104319613SQ201410593952
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】任正良, 闞強(qiáng), 袁麗君, 潘教青, 王圩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所