專利名稱：微諧振器系統(tǒng)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及微諧振器系統(tǒng)，具體涉及可用作激光器、調(diào)制器以及光檢測
器的微諧振器系統(tǒng)以及制造這些系統(tǒng)的方法。 背景 近年來，集成電路上微電子器件的密度增大已經(jīng)導(dǎo)致可用于互連這些器件的金屬 信號線的密度的技術(shù)瓶頸。此外，使用金屬信號線導(dǎo)致功耗顯著增大以及難以使定位于多 數(shù)電路的頂部的最長鏈路同步。除了經(jīng)由信號線發(fā)送作為電信號的信息之外，可將相同的 信息編碼在電磁輻射("ER")中并經(jīng)由諸如光纖、脊波導(dǎo)以及光子晶體波導(dǎo)之類的波導(dǎo)發(fā) 送。經(jīng)由波導(dǎo)發(fā)送編碼在ER中的信息具有優(yōu)于經(jīng)由信號線發(fā)送電信號的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先， 經(jīng)由波導(dǎo)發(fā)送的ER的降級或損耗比經(jīng)由信號線發(fā)送的電信號少得多。其次，可將波導(dǎo)制造 成支持比信號線寬得多的帶寬。例如，單根銅或鋁線僅能發(fā)射單個(gè)電信號，而單根光纖可被 配置成發(fā)送約100或不同地編碼的更多ER。 近來，材料科學(xué)和半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步已使得開發(fā)可與諸如CMOS電路之類的 電子器件集成的光子器件以形成光子集成電路("PIC")成為可能。術(shù)語"光子器件"指的 是能在其頻率跨越電磁光譜的具有經(jīng)典特性的ER或量子化ER下工作的器件。PIC是電子 集成電路的光子等價(jià)物，而且可在半導(dǎo)體材料的晶片上實(shí)現(xiàn)。為高效地實(shí)現(xiàn)PIC，需要無源 和有源光子組件。波導(dǎo)和衰減器是通常能利用常規(guī)的外延和光刻方法制造、且可用于引導(dǎo) 微電子器件之間的ER傳播的無源光子組件的示例。物理學(xué)家和工程師已經(jīng)認(rèn)識到對能用 于PIC的有源光子組件的需求。
概述 本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例涉及可用作激光器、調(diào)制器以及光檢測器的包括微盤 (microdisk)的微諧振器系統(tǒng)以及用于制造該微諧振器系統(tǒng)的方法。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例中，一種微諧振器系統(tǒng)包括具有頂表面層的襯底、埋置在該襯底內(nèi)且毗鄰該襯底的頂表 面層定位的至少一個(gè)波導(dǎo)、以及微盤，該微盤具有頂層、中間層、底層、電流隔離區(qū)以及外圍 環(huán)形區(qū)。微盤的底層附連至襯底的頂表面層且與其電連接，而且被定位成使外圍環(huán)形區(qū)的 至少一部分位于至少一個(gè)波導(dǎo)之上。電流隔離區(qū)被配置成占據(jù)微盤的中心區(qū)域的至少一部 分，而且具有相對外圍環(huán)形區(qū)而言更低的折射率和更大的帶隙。
附圖簡述

圖1A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一微諧振器系統(tǒng)的立體圖。 圖1B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖1A中所示的第一微諧振器系統(tǒng)沿直線1B-1B的
截面圖。 圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的構(gòu)成示例性微盤的多個(gè)層的截面圖。 圖3A-3B示出圖1中所示的微盤的外圍區(qū)和電流隔離區(qū)的電子帶隙能量的假設(shè)標(biāo)繪圖。 圖4A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖1中所示的第一微諧振器系統(tǒng)的微盤中的電流 的路徑。
圖4B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的耳語廊模式(whispering gallery mode)對圖1
中所示的第一微諧振器系統(tǒng)的微盤的外圍區(qū)的實(shí)質(zhì)限制。 圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的第二微諧振器系統(tǒng)的立體圖。 圖5B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖5A中所示的第二微諧振器系統(tǒng)沿直線5B-5B的
截面圖。 圖6A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖5中所示的第二微諧振器系統(tǒng)的微盤中的電流 的路徑。 圖6B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的耳語廊模式對圖5中所示的第二微諧振器系統(tǒng)的 微盤的外圍區(qū)的實(shí)質(zhì)限制。 圖7A示出與基于量子阱的增益介質(zhì)的量子化電子能量狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的能級圖。
圖7B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為激光器工作的圖1中所示的第一微諧振器系 統(tǒng)的示意圖。 圖8A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為調(diào)制器工作的圖1中所示的第一微諧振器系 統(tǒng)的示意圖。 圖8B示出未編碼的電磁輻射的強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系的標(biāo)繪圖。 圖8C示出經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼的電磁輻射的強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系的標(biāo)繪圖。 圖9示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為光檢測器工作的圖1中所示的第一微諧振器系
統(tǒng)的示意圖。 圖IOA-IOK示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的與制造圖1中所示的第一微諧振器系統(tǒng)的方 法相關(guān)聯(lián)的立體圖和截面圖。 圖IIA-IIB示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的與制造圖5中所示的第二微諧振器系統(tǒng)的方
法相關(guān)聯(lián)的截面圖。 實(shí)施例描述 本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例涉及可用作激光器、調(diào)制器以及光檢測器的包括微盤的微尺 度諧振器("微諧振器")系統(tǒng)以及用于制造該微諧振器系統(tǒng)的方法。在下述的多個(gè)微諧振 器系統(tǒng)實(shí)施例中，包括相同材料的多個(gè)結(jié)構(gòu)相似的組件設(shè)置有相同的附圖標(biāo)記，而且為了 簡潔起見，不重復(fù)對它們的結(jié)構(gòu)和功能的說明。 圖1A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微諧振器系統(tǒng)100的立體圖。微諧振器系統(tǒng)100 包括附連至襯底106的頂表面層104的微盤102、附連至微盤102的頂面110的第一電極 108、以及附連至頂表面層104且毗鄰微盤102定位的第二電極112。微盤102是微諧振器 系統(tǒng)100的微諧振器，而且可被配置成支持某些WGM(耳語廊模式)。襯底106包括穿過襯 底106延伸并毗鄰頂表面層104定位的兩個(gè)波導(dǎo)114和116。波導(dǎo)114和116位于微盤102 的外圍環(huán)形區(qū)的至少一部分之下。微盤102包括頂層118、底層120以及夾在頂層118與底 層120之間的中間層122。如下文參照圖1B所描述的那樣，底層120可由與頂表面層104 相同的材料構(gòu)成。下文參照圖2更詳細(xì)地描述了微盤102的層118U20以及122。
圖1B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖1A中所示的微諧振器系統(tǒng)100沿直線1B-1B的 截面圖。如圖1B所示，波導(dǎo)114和116位于微盤102的外圍環(huán)形區(qū)的部分124和126之下。 微盤102包括電流隔離區(qū)128，該電流隔離區(qū)128被配置成占據(jù)微盤102的中心區(qū)的至少一 部分。第二電極112經(jīng)由頂表面層104與底層120電連接。雖然僅單個(gè)第二電極112位于襯底106的頂表面層104上，但在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可在頂表面層104上定位兩個(gè)或 兩個(gè)以上電極層。 注意，本發(fā)明的微諧振器系統(tǒng)實(shí)施例的微諧振器不限于諸如微盤102之類的圓形 微盤。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，微盤102可以是圓形、橢圓形，或具有適于支承WGM并產(chǎn) 生諧振ER的任何其它形狀。 頂層118可以是用電子受體摻雜劑摻雜的III-V族半導(dǎo)體，稱為"p型半導(dǎo)體"，而 底層120可以是用電子供體摻雜劑摻雜的III-V族半導(dǎo)體，稱為"n型半導(dǎo)體"，其中羅馬數(shù) 字III和V指的是元素周期表中第三列和第五列的元素。中間層122包括一個(gè)或多個(gè)量子 阱。每個(gè)量子阱可以是夾在兩個(gè)不同類型的III-V族半導(dǎo)體層之間的相對較薄的III-V族 半導(dǎo)體層。圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括微盤102的多個(gè)層的截面圖，在圖2中，頂層 118可以是其中可使用Zn作為摻雜劑的p型InP，而底層120可以是其中可使用Si作為摻 雜劑的n型InP。中間層122包括In,Ga卜,ASyP卜y的三個(gè)量子阱201-203，其中x和y的范圍 在0與1之間。中間層122還包括InxGai—/SyP卜y的勢壘層205-208，其中x和y的范圍在 0與1之間。選擇參數(shù)x和y以使其與毗鄰層晶格匹配，而且這是本領(lǐng)域公知的。例如，對 于與InP層118和120晶格匹配的層，x值被選為0. 47。 y的選擇決定量子阱的帶隙能量。 以下參照圖7A描述量子阱的工作。量子阱201-203可被配置成發(fā)射期望波長A的ER，而 勢壘層205-208可被配置成具有相對大的帶隙，以限制注入量子阱的載流子(即電子和空 穴)。層205和206將量子阱201-203分離，而層207和208分別是將量子阱201和203從 層118和120分離的相對較厚的層。襯底106可由Si02、Si3N4或另一合適的介電隔離材料 構(gòu)成。波導(dǎo)114和116可由諸如Si和Ge之類的IV族元素構(gòu)成。在本發(fā)明的其它實(shí)施例 中，可使用諸如GaAs、 GaP或GaN之類的其它合適的III-V半導(dǎo)體。 電流隔離區(qū)128具有相對與微盤102的外圍環(huán)形區(qū)相關(guān)聯(lián)的量子阱電子帶隙而言 更大的電子帶隙。圖3A示出微盤102的外圍區(qū)的三個(gè)量子阱的電子帶隙能量與微盤102 的高度z之間的標(biāo)繪圖。與底層120和頂層118相關(guān)聯(lián)的電子帶隙能量分別通過AEe和 AEt表示。中間層122中的量子阱具有帶隙能量AE，，而毗鄰量子阱層的勢壘層具有較大 的帶隙能量AEB 。注意，帶隙能量A&和AEb比帶隙能量AE吣更大，這對應(yīng)于層118和 120形成雙異質(zhì)結(jié)勢壘層，以將電子和空穴限制于中間層122。圖3B示出微盤102的電流 隔離區(qū)128的電子帶隙能量與微盤102的高度z之間的標(biāo)繪圖。如圖3B所示，電流隔離區(qū) 128消除與中間層122的量子阱層和勢壘層相關(guān)聯(lián)的帶隙能量或使其不確定，如虛線能級 302和304所示。 當(dāng)對電極108和112施加電壓時(shí)，與微盤的電流隔離區(qū)128和外圍區(qū)相關(guān)聯(lián)的電 子帶隙能量之差可用于將電流實(shí)質(zhì)限制于外圍區(qū)中的路徑中。圖4A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施 例的表示電極108與112之間的電流的路徑402。路徑402在較高帶隙的電流隔離區(qū)128 附近彎曲，并連接電極108和112。可如下將電流實(shí)質(zhì)限制于微盤102的諸如外圍區(qū)126之 類的外圍區(qū)?？紤]對電極108和112施加一電壓，該電壓大于與外圍環(huán)形區(qū)相關(guān)聯(lián)的電子 帶隙能量，但不超過與電流隔離區(qū)128相關(guān)聯(lián)的電子帶隙能量。因?yàn)殡妷鹤銐蚋?，所以電?能流過外圍區(qū)126，但電流不能流過電流隔離區(qū)128。換言之，利用相對使電流流過電流隔 離區(qū)128所需的電壓而言更低的電壓，能將電流基本限制于外圍區(qū)126。諸如路徑402之類 的避開電流隔離區(qū)128的電流路徑代表電流沿電極108與112之間流動的較低能量路徑。
—般而言，因?yàn)槲⒅C振器具有比其包圍物更大的整體折射率，所以在微盤內(nèi)發(fā)射 的ER通常因?yàn)槲⒈P圓周附近的全內(nèi)反射而被俘獲。被俘獲在微盤圓周附近的ER的模式被 稱為"耳語廊模式('WGM')"。 WGM具有與微盤的直徑有關(guān)的特定諧振波長A。然而，對于 典型的微盤，存在不以WGM形式將ER限制于該圓周附近的其它模式。 本發(fā)明的微盤102實(shí)施例可用于將ER基本限制于微盤102的外圍區(qū)，因?yàn)橄鄬^ 寬的帶隙——電流隔離區(qū)128具有相對微盤102的外圍區(qū)而言更低的折射率。圖4B示出根 據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的WGM對微盤102的外圍區(qū)的實(shí)質(zhì)限制。如圖4B所示，微盤102的俯視圖 404包括沿微盤102圓周定位的方向箭頭。這些方向箭頭表示在微盤102的圓周附近傳播 的假想WGM，而方向箭頭的長度對應(yīng)于WGM的波長A 。強(qiáng)度圖406示出了俯視圖404中沿直 線A-A的WGM強(qiáng)度分布與距離之間的關(guān)系。虛線強(qiáng)度曲線408和410示出被基本限制在微 盤102的圓周附近的WGM。曲線408和410延伸超出微盤102的直徑的部分表示W(wǎng)GM沿微 盤102的圓周的漸逝(evanescence)。截面圖412示出外圍環(huán)形區(qū)被WGM占據(jù)的部分124和 126。虛線橢圓414和416示出WGM向波導(dǎo)114和116內(nèi)的漸逝耦合(evanescentcoupling)。 因?yàn)镋R將被限制在較高折射率的區(qū)域中，所以電流隔離區(qū)128同時(shí)提供電流和光隔離。
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第二微諧振器系統(tǒng)500的立體圖。微諧振器系統(tǒng) 500與圖1所示的微諧振器系統(tǒng)100基本相同，除了第一電極108被微環(huán)電極502替換，而 且第三電極(未示出)毗鄰微盤102定位在襯底106的頂表面層104上。圖5B示出根據(jù)本 發(fā)明實(shí)施例的圖5A中所示的微諧振器系統(tǒng)500沿直線5B-5B的截面圖。如圖5B所示，微 環(huán)電極502定位在微盤102的頂面的至少一部分之上并覆蓋該至少一部分。第三電極504 毗鄰微盤102定位，并經(jīng)由頂表面層104與底層120電連接。 因?yàn)槲h(huán)電極502位于微盤102的外圍區(qū)的一部分之上，所以微環(huán)電極502與電 極112和504之間的電流的路徑比圖4A中所示路徑402的路徑更直接。圖6A示出根據(jù)本 發(fā)明實(shí)施例的代表微環(huán)電極502與112和504之間的電流的路徑602和604。路徑602和 604代表電流在微環(huán)電極502與第二和第三電極112和504之間流動的比路徑402更直接 或電阻更低的路徑。如圖6B所示，WGM在微盤102的外圍區(qū)中的實(shí)質(zhì)限制和WGM向波導(dǎo)114 和116中的漸逝耦合與以上參照圖4B所提供的描述相同。 微盤102可用作產(chǎn)生在波導(dǎo)114和116中發(fā)射的相干ER的激光器。激光器包括 三個(gè)基本組件增益介質(zhì)或放大器；泵浦；以及光學(xué)腔內(nèi)部的ER反饋。中間層122的量子 阱構(gòu)成增益介質(zhì)，施加給電極108和112的電流或電壓是泵浦，以及當(dāng)通過泵浦中間層122 的量子阱產(chǎn)生的WGM在微盤102的圓周附近傳播時(shí)通過全內(nèi)反射產(chǎn)生反饋。
增益介質(zhì)可由具有合適帶隙的至少一個(gè)量子阱組成。量子阱大小和包圍量子阱的 體材料確定量子阱中電子狀態(tài)的能級間距。通常，量子阱被配置成在價(jià)帶中具有相對小數(shù) 量的量子化電子能級，而在導(dǎo)帶中具有幾個(gè)量子化空穴能級。從導(dǎo)帶中的最低能級躍遷到 價(jià)帶中的能級的電子確定增益介質(zhì)的發(fā)射波長A。圖7A示出與基于寬度為a的量子阱的 增益介質(zhì)的量子化電子能量狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的能級圖700。帶隙能量為Eg的較窄區(qū)702對應(yīng)于 量子阱，而帶隙能量為^的較寬區(qū)704和706對應(yīng)于包圍該量子阱的體材料。如圖7A所 示，該量子阱在導(dǎo)帶中具有空穴能級708，而在價(jià)帶中具有三個(gè)電子能級710-712。因?yàn)樵?益介質(zhì)包括半導(dǎo)體材料，所以諸如電泵浦之類的適當(dāng)?shù)碾娯菁ご偈闺娮訌膬r(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶中 的量子化能級，諸如空穴能級708。導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴的自發(fā)復(fù)合產(chǎn)生光子發(fā)
6射，該光子具有由hc/A給出的能量，其中h是普朗克常數(shù)，而c是ER在真空中的速度。由 于在WGM中光子剌激增益介質(zhì)而產(chǎn)生相同能量或波長的更多光子，所以產(chǎn)生受激發(fā)射。在 自發(fā)和受激發(fā)光中，所發(fā)出的ER的能量為 ￡2 — ￡^ =— 義 其中E2是已經(jīng)被泵浦到導(dǎo)帶中的電子的能級708，而E工是與價(jià)帶中與來自導(dǎo)帶的 電子復(fù)合的空穴相關(guān)聯(lián)的能級710。只要對增益介質(zhì)施加電泵浦，微盤102內(nèi)的全內(nèi)反射 所引起的反饋就使WGM的強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)微盤102內(nèi)部的增益等于損耗時(shí)，出現(xiàn)激射。微盤 102形成具有增益的光腔，而波導(dǎo)114和116將ER耦合出微盤102。 圖7B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為激光器工作的圖1中所示的第一微諧振器系 統(tǒng)的示意圖。如圖7B所示，電極108和112連接至電流源710。如以上參照圖7A所描述的 那樣，通過利用電流源710提供的適當(dāng)大小的電流來泵浦微盤102，微盤102的量子阱層可 作為增益介質(zhì)工作。因此，在微盤102內(nèi)產(chǎn)生具有波長A的WGM，而當(dāng)WGM的強(qiáng)度增加時(shí)， 全內(nèi)反射使WGM在微盤102的圓周附近傳播。WGM漸逝耦合到波導(dǎo)114和116中，從而產(chǎn)生 在波導(dǎo)114和116中傳播的波長為A的ER。 圖8A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的作為調(diào)制器工作的圖1中所示的微諧振器系統(tǒng)的 示意圖。電流源710連接至數(shù)據(jù)源802，該數(shù)據(jù)源802可以是中央處理單元、存儲器或另一 數(shù)據(jù)產(chǎn)生設(shè)備。ER源804耦合至波導(dǎo)116，并發(fā)射強(qiáng)度隨時(shí)間基本恒定的ER，如圖8B所示。 返回圖8A，耦合到微盤102中的ER的量取決于微盤102內(nèi)的失諧、耦合系數(shù)以及損耗。當(dāng) 源804發(fā)射的ER的波長A與微盤102的諧振失諧時(shí)，ER不會從波導(dǎo)116耦合到微盤102 中。當(dāng)ER的波長A與微盤102諧振時(shí)，在波導(dǎo)116中傳播的Er的傳輸減弱，因?yàn)镋R被漸 逝耦合到微盤102中，從而產(chǎn)生WGM。在波導(dǎo)116中傳輸?shù)腅R的一部分漸逝耦合到位于波 導(dǎo)116上的微盤102的外圍區(qū)中，并作為波長為A的WGM在該外圍區(qū)中傳播。數(shù)據(jù)源802 通過調(diào)制電流源710產(chǎn)生的電流的大小來編碼WGM中的數(shù)據(jù)。調(diào)制電極108與112之間傳 送的電流的大小使微盤102的折射率相應(yīng)地變化。當(dāng)微盤102的折射率變化時(shí)，微盤102 的諧振波長變化，從而引起與波導(dǎo)116中發(fā)送的ER的諧振波長失諧。這又調(diào)制了 ER從波 導(dǎo)116向微盤102中的發(fā)射，并隨之調(diào)制了在波導(dǎo)116中傳輸?shù)腅R的強(qiáng)度。當(dāng)波導(dǎo)114存 在時(shí)，ER可從輸入波導(dǎo)116經(jīng)由微盤102轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)114。轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)114的ER量取決于 耦合強(qiáng)度。調(diào)制微盤102的折射率導(dǎo)致傳輸至波導(dǎo)114的ER的強(qiáng)度降低。技術(shù)人員通過 調(diào)節(jié)微環(huán)102內(nèi)部的損耗也可調(diào)制波導(dǎo)116中ER的強(qiáng)度。這可通過利用量子限制斯塔克 效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，該效應(yīng)通過施加電壓調(diào)制量子阱的帶隙。增大微盤102中的損耗調(diào)制通過微 盤102傳輸?shù)讲▽?dǎo)114和116中的強(qiáng)度。 圖8C示出經(jīng)調(diào)制ER的強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系，其中相對較低的強(qiáng)度區(qū)806和808對 應(yīng)于微盤102上引入的相對較高的折射率。通過將二進(jìn)制數(shù)字分配給相對強(qiáng)度，可使用這 些相對強(qiáng)度來編碼信息。例如，二進(jìn)制數(shù)字"O"在光信號中可通過諸如強(qiáng)度區(qū)806和808 之類的低強(qiáng)度表示，而二進(jìn)制數(shù)字"l"可在同一光信號中通過諸如強(qiáng)度區(qū)810和812之類 的相對高強(qiáng)度表示。 圖9示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例作為光檢測器工作的圖1所示的第一微諧振器系統(tǒng)的 示意圖。在該構(gòu)造中，量子阱的帶隙被選擇成小于波導(dǎo)116中傳輸?shù)妮斎隕R的輻射源?？蓪﹄姌O施加反向偏壓，以使微諧振器內(nèi)部出現(xiàn)電場。耦合至微諧振器的輸入ER將在量子阱 內(nèi)被吸收，從而產(chǎn)生電子空穴對。微環(huán)內(nèi)的電場使得這些電子和空穴分離，而且電極108和 112處產(chǎn)生電流。經(jīng)調(diào)制的ER T編碼信息在波導(dǎo)116中傳輸。該ER漸逝耦合到微盤102 的外圍區(qū)中，從而產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)調(diào)制WGM。在外圍區(qū)中傳播的WGM的強(qiáng)度中的波動在電極 108與112之間引入了相應(yīng)的波動電流。該波動電流是編碼了經(jīng)調(diào)制ER中編碼的相同數(shù)據(jù) 的電信號，該電信號由計(jì)算設(shè)備902處理。 圖10A-10K示出與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于制造圖1所示的微諧振器系統(tǒng)100的 方法相關(guān)聯(lián)的立體圖和截面圖。圖IOA示出第一結(jié)構(gòu)1000的立體圖，其包括由磷基晶片 IOIO支承的頂層1002、中間層1004、底層1006以及蝕刻停止層1008。層1002和1006可分 別由諸如用Si和Zn摻雜的InP或GaP之類的n型和p型III-V族半導(dǎo)體構(gòu)成。如以上參 照圖2所描述的那樣，中間層1004包括至少一個(gè)量子阱。蝕刻停止層1008可以是晶格匹 配In。.53Ga。.47As的薄層?？墒褂梅肿邮庋?"MBE")、液相外延("LPE")、氫化物汽相外 延("HVPE")、金屬有機(jī)物汽相外延("MOVPE")或任一合適的外延法來沉積層1002、 1004 以及1006。圖10B示出層1002、 1004、 1006、 1008以及晶片1010的截面圖。
接著，如圖10C的截面圖所示，可使用濺射來在頂層1002上沉積氧化物層1012。 如以下參照圖IOG所描述的那樣，可使用氧化物層1012來便于頂層1002向襯底106上的 晶片鍵合。層1012可以是Si02， Si3N4、或顯著增強(qiáng)對襯底106的晶片鍵合的另一合適的介 電材料。 圖10D示出在氧化物襯底層1018上具有Si層1016的絕緣體上硅襯底("SOI") 晶片1014?？扇缦碌卦赟i層1016中制造硅波導(dǎo)114和116?？稍赟i層1016上沉積光 致抗蝕劑，并使用UV光刻技術(shù)在該光致抗蝕劑中形成波導(dǎo)114和116的光致抗蝕劑掩模。 然后可使用諸如感應(yīng)耦合等離子體蝕刻劑("ICP")之類合適的蝕刻系統(tǒng)和低壓高密度蝕 刻系統(tǒng)利用基于Cl2/HBr/He/02的化學(xué)試劑在Si層1014中形成波導(dǎo)114和116。在Si層 1016中形成波導(dǎo)114和116之后，可使用溶劑來去除光致抗蝕劑掩模，從而留下波導(dǎo)114和 116，如圖IOE所示?？墒褂靡合唷⒒瘜W(xué)汽相沉積在波導(dǎo)114和116上沉積由與襯底1018相 同的氧化物材料構(gòu)成的氧化層。化學(xué)機(jī)械拋光("CMP")工藝可用于使沉積的氧化物平坦 化，以形成具有埋入波導(dǎo)114和116的襯底106，如圖10F中的襯底106的截面圖所示。
接著，如圖IOG中所示，將第一結(jié)構(gòu)IOOO倒轉(zhuǎn)，并利用晶片鍵合使氧化物層1012 附連至襯底106的頂面?？墒褂眠x擇性濕法蝕刻來去除層1010，以獲得如圖IOH所示的第 二結(jié)構(gòu)1020?？砂ㄎg刻停止層1008以使蝕刻工藝在到達(dá)層1006時(shí)停止。還可使用鹽酸 去除InP基晶片1010，因?yàn)樵谖g刻停止層1008的InP與InGaAs之間存在蝕刻選擇性。
接著，可使用反應(yīng)離子蝕刻("RIE")、化學(xué)輔助離子束蝕刻("CAIBE")或感應(yīng)耦 合等離子體("ICP")蝕刻來將層1002、 1004以及1006蝕刻成微盤102的形式，如圖101 所示。層1002毗鄰襯底106的部分被保留以形成頂表面層104。 圖10J示出微盤102和襯底106沿如圖101所示的直線10J-10J的截面。使用通 過雜質(zhì)引入的無序化("IID")和退火在微盤102的中心區(qū)的至少一部分中形成電流隔離區(qū) 128 。 I ID方法在本領(lǐng)域眾所周知，而且在2002年第4期第8巻的IEEE量子電子學(xué)選刊(IEEE J. of Selected Topics in QuantumElectronics， Vol. 8， No. 4，2002)中的E. J. Skogen等 人的"用于波長靈敏的光子集成電路的量子阱混雜工藝(A quantumiell-intermixingprocess forwavelength-agile photonic integrated circuits)，，中對IID方法進(jìn)行了描述。1ID使引入了雜質(zhì)的層118、120以及122的不同組分混雜。在退火之后，經(jīng)混雜的區(qū)的帶隙移動至相對較大的帶隙。通過掩?；约安捎脴?biāo)準(zhǔn)光刻工藝在期望區(qū)域中引入雜質(zhì)。
在IID之后，可在頂層118中注入摻雜劑以形成p型半導(dǎo)體頂層118，因?yàn)镮ID還傾向于降低無序區(qū)域的摻雜水平。例如，Zn用作由InP構(gòu)成的頂層118的p型半導(dǎo)體摻雜劑。如圖IOK所示，可通過電子束蒸發(fā)沉積構(gòu)成第一電極108和第二電極112的材料，并使用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝將它們形成圖案以形成電極108和112。可在第一電極108中使用諸如AuZn之類的具有p型摻雜劑的金屬來獲得p型觸點(diǎn)，且可在第二電極112中使用諸如AuGe之類的具有n型摻雜劑的金屬來獲得n型觸點(diǎn)112。 圖IIA-IIB示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的與制造圖5中所示的光子系統(tǒng)500的方法相關(guān)聯(lián)的截面圖?？扇缫陨蠀⒄請D10A-10I所描述的那樣實(shí)現(xiàn)在襯底106中形成微盤102以及形成波導(dǎo)114和116。如圖IIA所示，可如以上參照圖10K那樣沉積構(gòu)成微環(huán)電極502和電極112以及504的材料并將它們形成圖案。可在第一電極108中使用具有p型摻雜劑的金屬來獲得P型觸點(diǎn)，且可在電極112和504中使用具有n型摻雜劑的金屬來獲得n型觸點(diǎn)。接著，可將掩模層置于微環(huán)電極502之上，而且可使用IID在微盤102中形成電流隔離區(qū)128。在IID之后，如以上參照圖IOJ所描述的那樣，可在頂層118中注入摻雜劑以形成P型頂層118。 為了進(jìn)行說明，上述描述使用特定的術(shù)語來提供對本發(fā)明的透徹理解。然而對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是，不需要這些特定細(xì)節(jié)來實(shí)施本發(fā)明。本發(fā)明的特定實(shí)施例的上述描述是為了說明和描述而給出。它們不旨在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制為所公開的精確形式。根據(jù)上述示教，許多修改和變體顯然是可能的。示出和描述了實(shí)施例以最清楚地說明本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能最好地利用本發(fā)明和多個(gè)實(shí)施例以及適合所構(gòu)想的特定用途的多種修改。本發(fā)明的范圍旨在由所附權(quán)利要求及其等價(jià)技術(shù)方案限定。
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權(quán)利要求
一種微諧振器系統(tǒng)(100)，包括具有頂表面層(104)的襯底(106)；埋入所述襯底(106)并毗鄰所述襯底的所述頂表面層定位的至少一個(gè)波導(dǎo)(114，116)；以及微盤(102)，所述微盤具有頂層(118)、中間層(122)、底層(120)、電流隔離區(qū)(128)以及外圍環(huán)形區(qū)(124，126)，其中所述微盤的所述底層附連至所述襯底的所述頂表面層且與其電連接，所述微盤被定位成使所述外圍環(huán)形區(qū)的至少一部分位于所述至少一個(gè)波導(dǎo)之上，而所述電流隔離區(qū)被配置成占據(jù)所述微盤的中心區(qū)域的至少一部分，且具有相對而言所述外圍環(huán)形區(qū)更低的折射率和更大的帶隙。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括 位于所述微盤的所述頂表面層上的第一電極(108,502);以及位于所述襯底的所述頂表面層之上且毗鄰所述微盤的至少一個(gè)第二電極(112,504)。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電極還包括被配置成覆蓋所述微 盤的所述頂面的所述外圍區(qū)的至少一部分的微環(huán)電極(502)。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微盤還包括 頂層；底層；以及夾在所述頂半導(dǎo)體層與所述底半導(dǎo)體層之間的中間量子阱層。
5. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頂層(118)還包括p型半導(dǎo)體，而所述 底層(120)還包括n型半導(dǎo)體。
6. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述中間層(122)還包括至少一個(gè)量子阱。
7. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微盤(102)還包括以下之一 圓形形狀；橢圓形狀；以及適于支持耳語廊模式的任何其它形狀。
8. —種微盤，包括 頂層(118)底層(120)具有至少一個(gè)量子阱的中間層(122)，所述中間層被夾在所述頂層與所述底層之間； 包括頂層、中間層以及底層的至少一部分的外圍環(huán)形區(qū)(124,126);以及 被配置成占據(jù)所述微盤的中心區(qū)域的至少一部分的電流隔離區(qū)(128)，所述電流隔離區(qū)包括所述頂層、中間層以及底層的至少一部分，且具有相對所述外圍環(huán)形區(qū)而言更低的折射率。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頂層(118)還包括p型半導(dǎo)體，而所述 底層(120)還包括n型半導(dǎo)體。
10. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微盤還包括以下之一 圓形形狀；橢圓形狀；以及適合于支持耳語廊模式的任何其它形狀。
全文摘要
本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例涉及可用作激光器、調(diào)制器以及光檢測器的微諧振器系統(tǒng)以及用于制造微諧振器系統(tǒng)的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，一種微諧振器系統(tǒng)(100)包括具有頂表面層(104)的襯底(106)、埋入襯底(106)的至少一個(gè)波導(dǎo)(114，116)以及微盤(102)，該微盤(102)具有頂層(118)、中間層(122)、底層(120)、電流隔離區(qū)(128)以及外圍環(huán)形區(qū)(124，126)。微盤(102)的底層(120)與襯底(106)的頂表面層(104)電連接，且被定位成使外圍環(huán)形區(qū)(124，126)的至少一部分位于至少一個(gè)波導(dǎo)(114，116)之上。電流隔離區(qū)(128)被配置成占據(jù)微盤的中心區(qū)域的至少一部分，而且具有相對外圍環(huán)形區(qū)而言更低的折射率和更大的帶隙。
文檔編號H01S3/109GK101765949SQ200880100998
公開日2010年6月30日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月30日
發(fā)明者D·斯圖爾特, D·法塔勒, M·譚, S·-Y·王 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)