(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を含むフォトニック集積素子であって、
前記基板には二次元材料ユニット及び前記二次元材料ユニットの両側に位置する半導体発光ユニットが設置され、前記二次元材料ユニットには発光波長帯域が前記半導体発光ユニットの発光波長帯域より長い発光二次元材料が設置され、前記半導体発光ユニットは前記二次元材料ユニットにポンピング光源を提供し、前記発光二次元材料を発光するようにポンピングし、
前記二次元材料ユニットは、前記発光二次元材料及び前記発光二次元材料を完全に被覆する誘電体膜層を含み、
前記半導体発光ユニットは、順に積層するように設置された緩衝層、下被覆層、下導波路層、活性層、上導波路層、上被覆層及びオーミック接触層を含む、
ことを特徴とする、フォトニック集積素子。
【請求項２】
前記二次元材料ユニットの両側にはいずれも複数の間隔を置いて配列された前記半導体発光ユニットが設置されている、
ことを特徴とする、請求項１に記載のフォトニック集積素子。
【請求項３】
前記二次元材料ユニットの両側の複数の半導体発光ユニットの光出口は交互に対向している、
ことを特徴とする、請求項２に記載のフォトニック集積素子。
【請求項４】
前記半導体発光ユニットは半導体レーザ又はスーパールミネッセントダイオードである、
ことを特徴とする、請求項３に記載のフォトニック集積素子。
【請求項５】
前記二次元材料ユニットの両側にはいずれも２個〜５０個の前記半導体発光ユニットが設置され、各隣接する２つの前記半導体発光ユニット同士の間隔は２０μｍ〜５００μｍであり、前記半導体発光ユニットの長さは０．５ｍｍ〜５ｍｍ、幅は５μｍ〜２００μｍである、
ことを特徴とする、請求項２に記載のフォトニック集積素子。
【請求項６】
前記発光二次元材料は、ブラックホスフォラス、遷移金属化合物、グラフェン、窒化ホウ素から選択される少なくとも１種である、
ことを特徴とする、請求項１に記載のフォトニック集積素子。
【請求項７】
前記発光二次元材料の厚さは１ＭＬ〜２μｍである、
ことを特徴とする、請求項６に記載のフォトニック集積素子。
【請求項８】
複数の前記半導体発光ユニットにおける緩衝層、下被覆層及び前記下被覆層に隣接する下導波路層の一部は延伸し一体に接続される、
ことを特徴とする、請求項１に記載のフォトニック集積素子。
【請求項９】
複数の前記半導体発光ユニットにおける活性層及び前記活性層に隣接する上導波路層の一部は延伸し一体に接続される、
ことを特徴とする、請求項８に記載のフォトニック集積素子。
【請求項１０】
前記誘電体膜層は前記半導体発光ユニットの頂面へ延伸して延伸部を形成し、前記延伸部には陽極が設置され、前記陽極は前記延伸部を貫通して前記オーミック接触層と接触し、前記基板には陰極が設置されている、
ことを特徴とする、請求項１に記載のフォトニック集積素子。
【請求項１１】
基板を選択し前記基板上にエッチング基層を製作することと、
前記基板に垂直である方向に従って前記エッチング基層をエッチングし、前記基板上に二次元材料充填溝及び前記二次元材料充填溝の両側に位置する半導体発光ユニットを形成することと、
前記二次元材料充填溝に、発光二次元材料及び前記発光二次元材料を完全に被覆する誘電体膜層を含む二次元材料ユニットを形成することと、
前記オーミック接触層上に陽極を製作し、前記基板上に陰極を製作することと、
を含み、
前記エッチング基層は、順に前記基板に積層するように設置された緩衝材料層、下被覆材料層、下導波路材料層、活性領域材料層、上導波路材料層、上被覆材料層及びオーミック接触材料層を含み、
前記二次元材料充填溝の両側にはそれぞれ複数の前記半導体発光ユニットが形成されている、
ことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフォトニック集積素子の製作方法。
【請求項１２】
前記二次元材料充填溝の底面と前記基板との距離は前記活性領域材料層の底端と前記基板との距離より２０ｎｍ〜５００ｎｍ短く、前記二次元材料充填溝の長さは０．１ｍｍ〜１０ｎｍ、幅は１０μｍ〜５００μｍである、
ことを特徴とする、請求項１１に記載の製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体のオプトエレクトロニクス集積技術分野に属し、具体的には、フォトニック集積素子及びその製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子スケールの厚さを有する二次元材料、例えば、グラフェン、窒化ホウ素、二次元遷移金属硫化物、ブラックホスフォラスなどに発現される優れた物理的及び化学的性質は幅広く注目されている。ここで、グラフェンは多くの優れた特性、例えば、高電子移動度、高熱伝導性、常温ホール効果などを備える。しかし、グラフェンのゼロギャップは小さいオン／オフ電流比を持たせ、実素子における適用を制限している。ＭｏＳ２を代表とする二次元遷移金属硫化物の単層構造のキャリア移動度はグラフェンより低いが、約１．８ｅＶの直接ギャップ及び比較的高いオン／オフ電流比を備えるため、人々に特定の目的に適用される新型二次元材料を探索し始めることを啓発している。
【０００３】
現在の研究によれば、ブラックホスフォラスに基づくトランジスタは、高いオン／オフ電流比及び優れたキャリア移動度を備えると同時に、層数の変化もブラックホスフォラス及び遷移金属硫化物の電子構造に重要な影響を与え、単一層から薄層体材料まで、ブラックホスフォラスのギャップ値は２．０ｅＶから０．３ｅＶに変化することができ、遷移金属硫化物におけるＭｏＳ２のギャップ値は１．８ｅＶから１．２９ｅＶに変化することができることが明らかになった。そのため、光電特性においてグラフェンと二次元遷移金属硫化物それぞれの利点を兼備し、適切な電子エネルギーバンド構造及び優れたキャリア移動度を兼備する二次元半導体材料系を探索することが科学研究団体及び産業界に広く注目されている。二次元材料の特別な光電特性及び優位性に基づき、研究者は二次元材料（例えば、ブラックホスフォラス、遷移金属硫化物など）を利用してｐ−ｎ接合の量子発光系を製作することを試みた。例えば、アメリカンワシントン大学Ｒｏｓｓら及びスイス連邦工科大学Ｌｏｐｅｚ−Ｓａｎｃｈｅｚらは、単一層ＷＳｅ２及びＭｏＳ２二次元材料をもとにｐ−ｎ接合発光ダイオードを製作し、６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長帯域の電界発光スペクトルを取得した。しかし、実際のプロセス製作過程において、二次元材料とその他の材料との結合界面の純度を保証しにくく、接触抵抗が大きいため、該当の発光素子製作の難易度を直接高め、極めて低い素子の発光効率を有するようにする。上記難問は現在の二次元材料発光素子の発展を制約する主な要因となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術に存在する問題を解決するために、本発明はフォトニック集積素子及びその製作方法を提供し、該フォトニック集積素子は両側に位置する半導体発光ユニットによりその間に位置する発光二次元材料をポンピングし、発光二次元材料の従来のｐ−ｎ接合素子における製作の難易度及び発光効率が低下する問題を回避することができるだけでなく、異なる波長帯域を有するフォトニック集積素子を取得することができる。
【０００５】
上記発明の目的を達成するために、本発明は以下のような技術的解決手段を採用する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
基板を含むフォトニック集積素子であって、前記基板には二次元材料ユニット及び前記二次元材料ユニットの両側に位置する半導体発光ユニットが設置され、前記二次元材料ユニットには発光波長帯域が前記半導体発光ユニットの発光波長帯域より長い発光二次元材料が設置され、前記半導体発光ユニットは前記二次元材料ユニットにポンピング光源を提供し、前記発光二次元材料を発光するようにポンピングする。
【０００７】
さらに、前記二次元材料ユニットの両側にはいずれも複数の間隔を置いて配列された前記半導体発光ユニットが設置されている。
【０００８】
さらに、前記二次元材料ユニットの両側の複数の半導体発光ユニットの光出口は交互に対向している。
【０００９】
さらに、前記半導体発光ユニットは半導体レーザ又はスーパールミネッセントダイオードである。
【００１０】
さらに、前記二次元材料ユニットの両側にはいずれも２個〜５０個の前記半導体発光ユニットが設置され、各隣接する２つの前記半導体発光同士の間隔は２０μｍ〜５００μｍであり、前記半導体発光ユニットの長さは０．５ｍｍ〜５ｍｍ、幅は５μｍ〜２００μｍである。
【００１１】
さらに、前記発光二次元材料は、ブラックホスフォラス、遷移金属化合物、グラフェン、窒化ホウ素から選択される少なくとも１種である。
【００１２】
さらに、前記発光二次元材料の厚さは１ＭＬ〜２μｍである。
【００１３】
さらに、前記二次元材料ユニットは、前記発光二次元材料及び前記発光二次元材料を完全に被覆する誘電体膜層を含み、前記半導体発光ユニットは、順に積層するように設置された緩衝層、下被覆層、下導波路層、活性層、上導波路層、上被覆層及びオーミック接触層を含む。
【００１４】
さらに、複数の前記半導体発光ユニットにおける緩衝層、下被覆層及び前記下被覆層に隣接する下導波路層の一部は延伸し一体に接続されている。
【００１５】
さらに、複数の前記半導体発光ユニットにおける活性層及び前記活性層に隣接する上導波路層の一部は延伸し一体に接続されている。
【００１６】
さらに、前記誘電体膜層は前記半導体発光ユニットの頂面へ延伸して延伸部を形成し、前記延伸部上には陽極が設置され、前記陽極は前記延伸部を貫通して前記オーミック接触層と接触し、前記基板上には陰極が設置されている。
【００１７】
本発明のもう１つの目的は上記いずれかのようなフォトニック集積素子の製作方法を提供することである。
【００１８】
該方法は、基板を選択し前記基板上にエッチング基層を製作することと、
前記基板方向に垂直である方向に従って前記エッチング基層をエッチングし、前記基板上に二次元材料充填溝及び前記二次元材料充填溝の両側に位置する半導体発光ユニットを形成することと、
前記二次元材料充填溝に、発光二次元材料及び前記発光二次元材料を完全に被覆する誘電体膜層を含む二次元材料ユニットを形成することと、
前記オーミック接触層上に陽極を製作し、前記基板上に陰極を製作することと、
を含み、
前記エッチング基層は、順に前記基板上に積層するように設置された緩衝材料層、下被覆材料層、下導波路材料層、活性領域材料層、上導波路材料層、上被覆材料層及びオーミック接触材料層を含み、
前記二次元材料充填溝の両側にはそれぞれ複数の前記半導体発光ユニットが形成されている。
【００１９】
さらに、前記二次元材料充填溝の底面と前記基板との距離は前記活性領域材料層の底端と前記基板との距離より２０ｎｍ〜５００ｎｍ短く、前記二次元材料充填溝の長さは０．１ｎｍ〜１０ｎｍ、幅は１０μｍ〜５００μｍである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の有益な効果は以下のとおりである。
【００２１】
（１）本発明は新型構造のフォトニック集積素子を提供し、該フォトニック集積素子は従来技術において発光二次元材料を採用する際にその他の材料との結合界面の品質を保証しにくい問題を回避し、製作プロセスに対する要求を低下させるが、これは本発明のフォトニック集積素子は光学的ポンピングによる発光方式を採用し、ｐ−ｎ接合を形成する必要なく、従来技術における発光二次元材料をもとにｐ−ｎ接合を形成する電気的ポンピングによる発光方式に比べて、プロセスの難易度を簡単化したからである。
【００２２】
（２）本発明のフォトニック集積素子は、発光二次元材料の発光効率を向上させ、高い電力のフォトニック集積素子をより取得しやすく、従来技術における直接電気的ポンピングによる発光方式に比べて、光学的ポンピングによる発光方式は異なる材料の接触抵抗の影響を受けることなく、キャリア損失を減少させるだけでなく、発光効率及び光出力効率を向上させる。
【００２３】
（３）本発明により提供されるフォトニック集積素子は、半導体発光ユニットの構造を変えることなく、発光二次元材料の層数又は種別を変えるだけで異なる発光波長帯域を有するフォトニック集積素子を取得することができる。
【００２４】
（４）本発明に基づくフォトニック集積素子の製作方法は、そのプロセスが標準化されており、従来の半導体素子の製造プロセスと互換性があり、製造コストを削減し、大量生産に有利である。
【００２５】
図面に合わせて行った以下に説明により、本発明の実施例の上記及びその他の様態、特徴及び利点はさらに明瞭になる。図面において、
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１によるフォトニック集積素子の構造を示す図である。
【図２】図１のフォトニック集積素子のＡ−Ａ方向に沿う断面を示す図である。
【図３】図１のフォトニック集積素子のＢ−Ｂ方向に沿う断面を示す図である。
【図４】本発明の実施例２によるフォトニック集積素子の構造を示す図である。
【図５】図４のフォトニック集積素子のＣ−Ｃ方向に沿う断面を示す図である。
【図６】本発明の実施例３によるフォトニック集積素子の構造を示す図である。
【図７】図６のフォトニック集積素子のＤ−Ｄ方向に沿う断面を示す図である。
【図８】本発明の実施例４によるフォトニック集積素子の構造を示す図である。
【図９】図８のフォトニック集積素子のＥ−Ｅ方向に沿う断面を示す図である。
【図１０】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のステップのフローチャートである。
【図１１】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図１２】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図１３】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図１４】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図１５】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図１６】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図１７】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図１８】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図１９】本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２０】本発明の実施例６によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２１】本発明の実施例６によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２２】本発明の実施例６によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２３】本発明の実施例６によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２４】本発明の実施例６によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２５】本発明の実施例７によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２６】本発明の実施例７によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２７】本発明の実施例７によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２８】本発明の実施例７によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図２９】本発明の実施例７によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図３０】本発明の実施例７によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【図３１】本発明の実施例７によるフォトニック集積素子の製作方法のプロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施例を詳しく説明する。しかしながら、多くの異なる形式で本発明を実施することができるが、本発明はここに記載の具体的な実施例に限定されると解釈されるべきではない。逆に、これらの実施例を提供する目的は本発明の原理及びその実際の適用を解釈することにより、当該分野のその他の技術者に本発明の様々な実施例及び特定の期待される適用に対し様々な補正を理解できるようにするためである。図面において、明瞭にするために、素子の形状及び寸法を拡大することができ、同じ記号は常に同じ又は類似する素子を表すのに用いられる。
【００２８】
ここで、「第１」、「第２」などの用語を使用して様々な素子又は物質を説明することができるが、これらの素子または物質はこれらの用語により制限されるものではない。これらの用語は１つの素子又は物質と別の素子又は物質を区別するためのものである。
【００２９】
実施例１
【００３０】
図１は本発明の実施例１によるフォトニック集積素子の構造を示す図であり、図２は図１のフォトニック集積素子のＡ−Ａ方向に沿う断面を示す図であり、図３は図１のフォトニック集積素子のＢ−Ｂ方向に沿う断面を示す図である。
【００３１】
図１〜図３に示すように、本実施例はフォトニック集積素子を提供し、該フォトニック集積素子は、基板１、該基板１上に設置された二次元材料ユニット２及び二次元材料ユニット２の両側に位置する半導体発光ユニット３を含み、半導体発光ユニット３の頂部には陽極４１が設置され、基板１上にはさらに陰極４２が設置されている。
【００３２】
二次元材料ユニット２には発光波長帯域が半導体発光ユニット３の発光波長帯域より長い発光二次元材料２１が設置され、半導体発光ユニット３は外部電流を受けた後、発光二次元材料２１にポンピング光源を提供し、該発光二次元材料２１を発光するようにポンピングする。
【００３３】
具体的に、基板１の材料はＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ又はサファイアなどの材料であってもよく、発光二次元材料２１は高温に耐えないブラックホスフォラス又は高温に耐える（一般的に３００℃以上）遷移金属化合物、グラフェンまたは窒化ホウ素などの材料のうちの少なくとも１種であってもよく、本実施例において、基板１は具体的にはＧａＡｓである。発光二次元材料２１の厚さは１ＭＬ〜２μｍに制御されることが多く、１ＭＬは１つの原子層の厚さを表し、即ち、発光二次元材料２１は１層の原子層であってもよく、全厚は２μｍを超えない積層された複数層の原子層であってもよい。従って、発光二次元材料２１の材料又は層数を変えるすることにより、該フォトニック集積素子に異なる発光波長帯域を持たせることができる。
【００３４】
二次元材料ユニット２の両側にはいずれも複数の間隔を置いて配列された半導体発光ユニット３が設置されてもよく、各側の半導体発光ユニット３の数は２個〜５０個であることが好ましく、各隣接する２つの半導体発光ユニット３同士の間隔は２０μｍ〜５００μｍに制御され、各半導体発光ユニット３の長さは０．５ｍｍ〜５ｍｍに、幅は５μｍ〜２００μｍに制御される。
【００３５】
さらに高いポンピング効果を取得するために、二次元材料ユニット２の両側の複数の半導体発光ユニット３の光出口は交互に対向していることが好ましく、即ち、二次元材料ユニット２の両側の複数の半導体発光ユニット３の光出口はいずれも二次元材料ユニット２に向け、同じ側に位置するあらゆる半導体発光ユニット３の光出口の他側の半導体発光ユニット３の光出口に所在の平面における投影と該側の半導体発光ユニット３の光出口は互いに交互し、完全にずれることが好ましく、よってより多くのポンピング光源が二次元材料ユニット２における発光二次元材料２１に伝播できるようにし、発光するようにポンピングする。
【００３６】
より具体的には、二次元材料ユニット２はさらに発光二次元材料２１の外部に被覆された第１の誘電体膜層２２を含み、第１の誘電体膜層２２の材料はＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４であってもよく、発光二次元材料２１の外部に被覆された第１の誘電体膜層２２の厚さは均一でない。
【００３７】
半導体発光ユニット３は基板１に順に積層するように設置された下構造層３１、活性層３２及び上構造層３３を含み、具体的に、下構造層３１は基板１上に順に設置された緩衝層、下被覆層及び下導波路層を含み、上構造層３３は活性層３２上に順に設置された上導波路層、上被覆層及びオーミック接触層を含む。
【００３８】
本実施例において、緩衝層の材料はＧａＡｓであり、下被覆層及び下導波路層の材料はいずれもｎ型ドープＡｌＧａＡｓであり、活性層３２の材料はＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットであり、上導波路層及び上被覆層の材料はいずれもｐ型ドープＡｌＧａＡｓであり、オーミック接触層はｐ型高濃度ドープＧａＡｓである。当然ながら、活性層３２の材料はＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドット、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子ドット、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸などから選択することができ、同時に、緩衝層、下被覆層、下導波路層、上導波路層、上被覆層の材料は、基板１及び活性層３２の材料に基づいて具体的に選択し、ここで繰り返した説明を省略し、当業者は従来技術を参照すればよい。
【００３９】
第１の誘電体膜層２２は両側の半導体発光ユニット２へ延伸して延伸部２２１を形成し、延伸部２２１は半導体発光ユニット３の頂面及び半導体発光ユニット３同士の間の基板１の表面を被覆し、言い換えれば、複数の半導体発光ユニット３の間にはいずれのその内部の構造層の間の相互接続がなく、該半導体発光ユニット３は半導体レーザである。
【００４０】
説明しなければならないことは、異なるフォトニック集積素子の製作工程によれば、下構造層３１の全体又は基板１に近接する部分は二次元材料ユニット２へ延伸し二次元材料ユニット２と基板１との間に介在する一方、発光二次元材料２１が異なるため製作プロセスが異なり、延伸部２２１の厚さは第１の誘電体膜層２２と異なり、延伸部２２１の厚さは１０ｎｍ〜１２００ｎｍであることが多い。
【００４１】
各半導体発光ユニット３の頂面の延伸部２２１には陽極４１が設置され、陽極４１は半導体発光ユニット３の頂面に位置する延伸部２２１を貫通してオーミック接触層と接続し、基板１の二次元材料ユニット２及び半導体発光ユニット３から離れる底面には陰極４２が設置されている。
【００４２】
好ましくは、二次元材料ユニット２の同じ側に位置する複数の陽極４１は両側へ延伸し一体に接続される。
【００４３】
このように、本実施例のフォトニック集積素子は特別な構造を設置することにより、従来技術における発光二次元材料を利用してｐ−ｎ接合を形成する電気的ポンピング発光素子に比べて、１）、従来技術において発光二次元材料とその他の材料との結合界面の品質を保証しにくい問題を回避し、製作プロセスに対する要求を低くし、プロセスの難易度を簡単化させている；２）、本実施例により提供されるフォトニック集積素子は、発光二次元材料２１の発光効率を向上させ、高い電力のフォトニック集積素子をより取得しやすく、直接電気的ポンピングによる発光方式に比べて、光学的ポンピングによる発光方式は異なる材料の接触抵抗の影響を受けることなく、キャリア損失を減少させ、発光効率及び光出力効率を向上させている；３）、本発明により提供されるフォトニック集積素子は、半導体発光ユニット３の構造を変えることなく、同時に発光二次元材料２１の材料及び層数を変えるだけで異なる発光波長帯域を有するフォトニック集積素子を取得することができる。
【００４４】
実施例２
【００４５】
実施例２の説明において、実施例１と同じ部分に対する繰り返した説明を省略し、実施例１と異なる部分だけを説明する。図４及び図５に示すように、実施例２と実施例１の相違点は、複数の半導体発光ユニット３における下構造層３１の一部が延伸して一体に接続されると同時に、延伸部２２１が複数の半導体発光ユニット３同士の下構造層３１の一部に被覆されることである。
【００４６】
本実施例において、延伸して一体に接続される下構造層３１の一部とは、具体的に、緩衝層、下被覆層及び下被覆層に隣接する下導波路層の一部を指す。
【００４７】
実施例３
【００４８】
実施例３の説明において、実施例１と同じ部分に対する繰り返した説明を省略し、実施例１と異なる部分だけを説明する。図６及び図７に示すように、実施例３と実施例１の相違点は、複数の半導体発光ユニット３における下構造層３１、活性層３２及び上構造層３３の一部が同時に延伸して一体に接続され、延伸部２２１が複数の半導体発光ユニット３同士の上構造層３３の一部に被覆されると同時に、半導体発光ユニット３と二次元材料ユニット２との間は９０°に等しくない角度を成し、よって、該半導体発光ユニット３は具体的にスーパールミネッセントダイオードであることである。
【００４９】
本実施例において、延伸して一体に接続される上構造層３３の一部とは、具体的に、活性層３２に隣接する上導波路層の一部を指す。
【００５０】
本実施例により提供されるフォトニック集積素子における半導体発光ユニット３の構造は光に対する損失が少ない。
【００５１】
実施例４
【００５２】
実施例４の説明において、実施例１と同じ部分に対する繰り返した説明を省略し、実施例１と異なる部分だけを説明する。図８及び図９に示すように、半導体発光ユニット３の二次元材料ユニット２の端部の外部から離れる基板１の頂面は露出され、該露出領域には第２の誘電体膜層４２１が設置され、第２の誘電体膜層４２１には陰極４２が設置され、陰極４２は第２の誘電体膜層４２１を貫通して露出領域の基板１と接触し、即ち、陰極４２は基板１の二次元材料ユニット２及び半導体発光ユニット３を有する表面に設置されている。
【００５３】
一般的に、第２の誘電体膜層４２１の厚さは１０ｎｍ〜６００ｎｍであり、第２の誘電体膜４２１の材料はＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４である。
【００５４】
当然ながら、本実施例に記載の陰極４２の構造を有するフォトニック集積素子は本実施例に記載の半導体発光ユニット３の構造に限定されず、二次元材料ユニット２の同じ側に位置する複数の半導体発光ユニット３同士は実施例２又は実施例３に記載のとおりであってもよく、複数の半導体発光ユニット３の下構造層３１の一部は延伸して一体に接続され、又は複数の半導体発光ユニット３における下構造層３１、活性層３２及び上構造層３３の一部は同時に延伸して一体に接続される。
【００５５】
説明しなければならないことは、本発明の実施例に基づくフォトニック集積素子における半導体発光ユニット３の構造は上記実施例１〜４の記載に限定されず、当業者であれば、従来技術における半導体レーザ又はスーパールミネッセントダイオードの構造を参照しながら半導体発光ユニット３の材料、厚さ及び深さなどの具体的な構造を設計することができ、ここで繰り返した説明を省略する。
【００５６】
実施例５
【００５７】
本実施例は実施例１に記載のようなフォトニック集積素子の製作方法を提供し、本実施例により提供される製作方法は、主にフォトニック集積素子における発光二次元材料が高温に耐える材料であることに対して行ったものである。
【００５８】
図１０は本発明の実施例５によるフォトニック集積素子の製作方法のステップのフローチャートである。
【００５９】
図１０に示すように、本実施例に基づくフォトニック集積素子の製作方法は、以下のステップを含む。
【００６０】
ステップＳ１において、基板１を選択し基板１上にエッチング基層３ａを製作する。
【００６１】
具体的には、図１１に示すように、エッチング基層３ａは順に基板１上に積層するように設置された下構造材料層３ａ−１、活性領域材料層３ａ−２及び上構造材料層３ａ−３を含む。より具体的には、基板１から離れる方向に従って、下構造材料層３ａ−１は緩衝材料層、下被覆材料層及び下導波路材料層を含み、上構造材料層３ａ−３は上導波路材料層、上被覆材料層及びオーミック接触材料層を含む。
【００６２】
本実施例において、緩衝材料層の材料はＧａＡｓであり、下被覆材料層及び下導波路材料層の材料はいずれもｎ型ドープＡｌＧａＡｓであり、活性領域材料層３ａ−２の材料はＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットであり、上導波路材料層及び上被覆材料層の材料はいずれもｐ型ドープＡｌＧａＡｓであり、オーミック接触材料層の材料はｐ型高濃度ドープＧａＡｓである。当然ながら、活性領域材料層３ａ−２の材料はＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドット、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子ドット、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸などから選択されてもよく、同時に、緩衝材料層、下被覆材料層、下導波路材料層、上導波路材料層、上被覆材料層の材料は基板１及び活性領域材料層３ａ−２の材料に基づいて具体的に選択し、ここで繰り返した説明を省略し、当業者は従来の技術を参照すればよい。
【００６３】
一般的に、基板１上にエッチング基層３ａを製作する方法は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥと略称する）又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などであってもよい。
【００６４】
ステップＳ２において、基板１に垂直である方向に従ってエッチング基層３ａをエッチングし、基板１上に二次元材料充填溝２ａ及び二次元材料充填溝２ａの両側に位置する半導体発光ユニット３を形成する。
【００６５】
具体的には、まず、図１２に示すように、エッチング基層３ａをエッチングして対向する半導体発光ユニット３を形成し、続いて、図１３に示すように、対向する半導体発光ユニット３の間にエッチング基層３ａをエッチングし、二次元材料充填溝２ａを形成する。
【００６６】
より具体的には、二次元材料充填溝２ａの長さは０．１ｍｍ〜１０ｍｍであり、幅は１０μｍ〜５００μｍである。同時に、二次元材料充填溝２ａの底面と基板１との距離は活性領域材料層３ａ−２の底端と基板１との距離より２０ｎｍ〜５００ｎｍ短く、即ち、二次元材料充填溝２ａのエッチングの深さは活性領域材料層３ａ−２の下方の２０ｎｍ〜５００ｎｍである。従って、緩衝材料層、下被覆材料層及び下導波路材料層の異なる厚さによって、二次元材料充填溝２ａは下導波路層、又は下被覆材料層、又は緩衝材料層までエッチングされる可能性があり、引いては基板１の一部までエッチングされる可能性もあるが、二次元材料充填溝２ａの底面がどの層と同一平面であっても最終的に取得されるフォトニック集積素子の特性に影響しない。
【００６７】
好ましくは、二次元材料充填溝２ａの両側にはそれぞれ複数の半導体発光ユニット３が形成され、各半導体発光ユニット３は積層するように設置された下構造層３１、活性層３２及び上構造層３３を含む。同時に、各半導体発光ユニット３の光出口はいずれも二次元材料充填溝２ａに向け、一側に配置された複数の半導体発光ユニット３の光出口は他側に配置された複数の半導体発光ユニット３の光出口と交互に配置され、即ち、一側の複数の半導体発光ユニット３の光出口の他側の複数の半導体発光ユニット３の光出口に所在の平面における投影と該側の複数の半導体発光ユニット３の光出口は不完全に重なり、完全に重ならないことが好ましい。従って、二次元材料充填溝２ａの両側に配置された複数の半導体発光ユニット３の光出口から射出されるポンピング光によりさらに大きいポンピング領域を形成させて、最終的に取得されるフォトニック集積素子のポンピング効率を向上させることができ、複数の半導体発光ユニット３同士の相互干渉を低下させ、半導体発光ユニット３の耐用年数を延ばす。
【００６８】
二次元材料充填溝２ａの各側には２個〜５０個の半導体発光ユニットがあることが好ましく、同じ側に位置する各隣接する２個の半導体発光ユニット３同士の間隔は２０μｍ〜５００μｍであり、各半導体発光ユニット３の長さは０．５ｍｍ〜５ｍｍ、幅は５μｍ〜２００μｍである。
【００６９】
説明しなければならないことは、本実施例において、エッチング基層３ａをエッチングして半導体発光ユニット３を形成する際、エッチングの深さは基板１の表面に達し、従って、形成される半導体発光ユニット３は半導体レーザーであり、このような構造は導波路に対し強い光制限の役割を果たす。当然ながら、上記エッチングの深さは、さらに下構造材料層３ａ−１に達し下導波路材料層の一部をエッチングし、実施例２に示すようなフォトニック集積素子を取得し、上記のようなエッチングの深さが上導波路材料層に達する場合、同時に相応するように半導体発光ユニット３の形状を変え、例えば、二次元材料充填溝２ａとの間に９０°でない交角の傾斜状、又は曲げ状などを形成する場合、形成される半導体発光ユニット３はスーパールミネッセントダイオードであり、実施例３に示すようなフォトニック集積素子を取得する。
【００７０】
ステップＳ３において、二次元材料充填溝２ａに二次元材料ユニット２を形成する。
【００７１】
具体的には、まず、図１４に示すように、二次元材料充填溝２ａ及び半導体発光ユニット３上に１層の誘電体薄膜を堆積し、この誘電体薄膜は二次元材料充填溝２ａの内壁及び各半導体発光ユニット３の頂面と複数の半導体発光ユニット３の間に被覆され、対応するように第１の誘電材料層２２ａ及び第２の誘電材料層２２１ａを形成する。
【００７２】
第１の誘電材料層２２ａ及び第２の誘電材料層２２１ａの材料はＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４であってもよく、厚さはいずれも１０ｎｍ〜６００ｎｍである。
【００７３】
第１の誘電材料層２２ａ及び第２の誘電材料層２２１ａはプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤと略称する）、化学気相堆積法（ＣＶＤと略称する）、減圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤと略称する）、又は誘導結合型プラズマ化学気相堆積法（ＩＣＰＣＶＤと略称する）などの方法を採用して堆積することができる。
【００７４】
続いて、図１５に示すように、二次元材料充填溝２ａに発光二次元材料２１を充填する。
【００７５】
発光二次元材料２１は発光波長帯域が半導体発光ユニット３の発光波長帯域より長い高温に耐える二次元材料、例えば、ブラックホスフォラス、遷移金属化合物、グラフェン又は窒化ホウ素などの材料であり、本実施例に採用されるプロセスに鑑みて、本実施例は高温に耐える（一般的には３００℃を超える）遷移金属酸化物を選択する。発光二次元材料２１の厚さは１ＭＬ〜２μｍであり、１ＭＬは１つの原子層の厚さを表し、即ち、発光二次元材料２１は１層の原子層であってもよく、全厚が２μｍを超えない積層された多層の原子層であってもよい。従って、発光二次元材料２１の材料又は層数を変えるすることにより、該フォトニック集積素子に異なる発光波長帯域を持たせることができる。
【００７６】
注意すべきことは、半導体発光ユニット３は主にその内部の活性層３３によりポンピング光を発するため、発光二次元材料２１の中央高さが活性層３３の中央高さと同じであるように、予め充填された発光二次元材料２１の厚さに基づいて第１の誘電材料層２２ａの厚さを製造しなければならず、よって、より高いポンピング効率を取得する。
【００７７】
最後に、図１６に示すように、発光二次元材料２１及び第２の誘電材料層２２１ａに別の誘電体薄膜を堆積し、発光二次元材料２１に形成された第３の誘電材料層及び第１の誘電材料層２２ａ、即ち、発光二次元材料２１を完全に被覆して第１の誘電体膜層２２を形成し、第２の誘電材料層２２１ａに形成された第４の誘電材料層及び第２の誘電材料層２２１ａ、即ち、延伸部２２１を形成する。
【００７８】
第３の誘電材料層及び第４の誘電材料層２２１ａの材料はＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４であってもよく、厚さはいずれも１０ｎｍ〜６００ｎｍである。
【００７９】
第３の誘電材料層及び第４の誘電材料層の堆積方法は第１の誘電材料層２２ａ及び第２の誘電材料層２２１ａと同じであるように選択する。
【００８０】
従って、発光二次元材料２１及び該発光二次元材料２１を完全に被覆する第１の誘電体膜層２２は、半導体発光ユニット３の間に位置する二次元材料ユニット２を形成する。
【００８１】
ステップＳ４において、半導体発光ユニット３上に陽極４１を製作し、基板４２上に陰極４２を製作する。
【００８２】
具体的には、まず、図１７に示すように、半導体発光ユニット３の頂部の延伸部２２１をエッチングし、エッチングの深さはオーミック接触層に達し、陽極窓４１１を形成する。
【００８３】
続いて、陽極窓４１１上に陽極４１として金属層を製作し、陽極４１は陽極窓４１１に充填されオーミック接触層と接触する。
【００８４】
好ましくは、複数の半導体発光ユニット３の頂部の陽極４１は延伸して一体に接続され、図１８に示すように、半導体発光ユニット３の側壁及び複数の半導体発光ユニット３の間の延伸部２１１に被覆される。
【００８５】
本実施例において、陽極４１の製作方法は粘着テープ剥離プロセスを採用することができる。
【００８６】
最後に、図１９に示すように、基板１の二次元材料ユニット２から離れる表面を薄化処理し、陰極４２を製作する。
【００８７】
説明すべきことは、陽極４１及び陰極４２を製作した後、一般的にはアニール処理を行わなければならず、この際に製作された二次元材料ユニット２をともにアニール処理するため、発光二次元材料２１が必ず高温に耐える（一般的に３００℃を超える）二次元材料であることを要求する。
【００８８】
実施例６
【００８９】
実施例６は実施例１に記載のようなフォトニック集積素子の別の製作方法を提供し、本実施例により提供される製作方法は、主にフォトニック集積素子における発光二次元材料がブラックホスフォラスなどの高温に耐えない材料であることに対して行ったものである。
【００９０】
本実施例において、フォトニック集積素子の製作方法は、具体的に以下のステップを含む。ステップＱ１〜Ｑ２はそれぞれ対応するように実施例５におけるステップＳ１〜Ｓ２と同じく、それぞれ図１１〜図１３に対応するため、ここで繰り返した説明を省略し、実施例５との相違点だけを説明する。実施例６の製作方法と実施例５の製作方法の相違点は下記の通りである。
【００９１】
ステップＱ３において、半導体発光ユニット３上に陽極４１を製作し、基板４２上に陰極４２を製作する。
【００９２】
具体的には、まず、図１４に示すように、二次元材料充填溝２ａ及び半導体発光ユニット３上に１層の誘電体薄膜を堆積し、この誘電体薄膜は二次元材料充填溝２ａの内壁及び各半導体発光ユニット３の頂面と複数の半導体発光ユニット３の間に被覆され、対応するようにそれぞれ第１の誘電材料層２２ａ及び第２の誘電材料層２２１ａを形成する。
【００９３】
説明すべきことは、本実施例において、半導体発光ユニット３の頂面と予め製作された陽極４１の間は一回のみの誘電体薄膜の堆積過程を必要とするため、ここで形成された第２の誘電材料層２２１ａは最終的に取得されるフォトニック集積素子における延伸部を形成する。
【００９４】
続いて、図２０に示すように、半導体発光ユニット３の頂部の延伸部２２１をエッチングし、エッチングの深さはオーミック接触層に達し、陽極窓４１１を形成する。
【００９５】
その後、図２１に示すように、陽極窓４１１上に陽極４１として金属層を製作し、陽極４１は陽極窓４１１に充填されオーミック接触層と接触する。
【００９６】
最後に、図２２に示すように、基板１の半導体発光ユニット３から離れる表面を薄化処理し、陰極４２を製作する。
【００９７】
ステップＱ４において、二次元材料充填溝２ａに二次元材料ユニット２を形成する。
【００９８】
具体的には、まず、図２３に示すように、二次元材料充填溝２ａに発光二次元材料２１を充填する。
【００９９】
本実施例において、発光二次元材料２１は高温に耐えないブラックホスフォラスであってもよい。これは発光二次元材料２１を充填する前に、陽極４１及び陰極４２の製作及びアニール処理が完了したからであり、そのため、発光二次元材料２１はアニール処理を行う必要なく、高温に耐えない発光二次元材料を選択することができる。
【０１００】
続いて、図２４に示すように、発光二次元材料２１及び陽極４１上に別の誘電体薄膜を堆積し、発光二次元材料２１上に形成された第５の誘電材料層及び第１の誘電材料層２２ａ、即ち、発光二次元材料２１を完全に被覆して第１の誘電体膜層２２を形成し、陽極４１に被覆された誘電体薄膜の一部を除去する。
【０１０１】
このように、発光二次元材料２１及び該発光二次元材料２１を完全に被覆する第１の誘電体膜層２２は、半導体発光ユニット３の間に位置する二次元材料ユニット２を形成する。
【０１０２】
本実施例に基づいて製作されたフォトニック集積素子は、発光二次元材料２１として高温に耐えないブラックホスフォラスを採用したため、先に陽極４１及び陰極４２を製作する方法を採用し、よって、陽極４１の下方に一回のみの誘電体薄膜を製作することによって取得されるが、発光二次元材料２１の周りに被覆された第１の誘電体薄膜２２は二回の誘電体薄膜を製作することによって取得される。
【０１０３】
実施例７
【０１０４】
実施例７は実施例４に示すようなフォトニック集積素子の製作方法を提供し、本実施例により提供される製作方法もフォトニック集積素子における発光二次元材料がブラックホスフォラスなどの高温に耐えない材料であることに対して行ったものである。
【０１０５】
本実施例において、フォトニック集積素子の製作方法は、具体的に、以下のステップを含む。ステップＷ１〜Ｗ２はそれぞれ対応するように実施例５におけるステップＳ１−Ｓ２と同じく、それぞれ図１１〜図１３に対応し、ここで繰り返した説明を省略し、実施例５との相違点のみを説明する。実施例７の製作方法と実施例５の製作方法の相違点は以下のとおりである。
【０１０６】
ステップＷ３において、半導体発光ユニット３上に陽極４１を製作し、基板４２上に陰極４２を製作する。
【０１０７】
具体的には、まず、図２５に示すように、半導体発光ユニット３の二次元材料充填溝２ａから離れる端部をエッチングし、一部の底面がエッチングされた基板１を露出させ、基板１の外端に陰極領域１１を形成する。
【０１０８】
ステップ２であって、図２６に示すように、二次元材料充填溝２ａ、半導体発光ユニット３及び陰極領域１１上に１層の誘電体薄膜を堆積し、この誘電体薄膜は二次元材料充填溝２ａの内壁上、各半導体発光ユニット３の頂面と複数の半導体発光ユニット３の間、及び陰極領域１１上に被覆され、対応するようにそれぞれ第１の誘電材料層２２ａ、第２の誘電材料層２２１ａ及び第６の誘電材料層４２１ａを形成する。
【０１０９】
第１の誘電材料層２２ａ、第２の誘電材料層２２１ａ及び第６の誘電材料層４２１ａの材料はＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４であってもよく、厚さはいずれも１０ｎｍ〜６００ｎｍである。
【０１１０】
説明すべきことは、本実施例において、半導体発光ユニット３の頂面と予め製作された陽極４１の間は一回のみの誘電体薄膜の堆積過程を必要とするため、ここで形成された第２の誘電材料層２２１ａは、最終的に取得されたフォトニック集積素子における延伸部を形成する。
【０１１１】
ステップ３であって、図２７に示すように、半導体発光ユニット３の頂部の延伸部２２１をエッチングし、エッチングの深さはオーミック接触層に達し、陽極窓４１１を形成する。
【０１１２】
ステップ４であって、図２８に示すように、第６の誘電材料層４２１ａをエッチングし、エッチングの深さは基板１の一部に達することが好ましく、第２の誘電体膜層４２１及びその間に位置する陰極窓４２２を形成する。
【０１１３】
最後に、図２９に示すように、陽極窓４１１上に陽極４１として金属層を製作し、陽極４１は陽極窓４１１に充填されオーミック接触層と接触し、陰極窓４２２上に陰極４２として金属層を製作し、陰極４２は陰極窓４２２に充填され基板１と接触する。
【０１１４】
本実施例において、陽極４１及び陰極４２の製作方法はいずれも粘着テープ剥離プロセスを採用することができる。
【０１１５】
ステップＷ４において、二次元材料充填溝２ａに二次元材料ユニット２を形成する。
【０１１６】
具体的には、まず、図３０に示すように、二次元材料充填溝２ａに発光二次元材料２１を充填する。
【０１１７】
本実施例において、発光二次元材料２１は高温に耐えないブラックホスフォラスであってもよい。これは発光二次元材料２１を充填する前に、陽極４１及び陰極４２の製作及びアニール処理が完了したからであり、よって、発光二次元材料２１はアニール処理を行う必要なく、高温に耐えない発光二次元材料を選択することができる。
【０１１８】
続いて、図３１に示すように、発光二次元材料２１、陽極４１、陰極４２及び第２の誘電体膜層に別の誘電体薄膜を堆積し、発光二次元材料２１に形成された第５の誘電材料層及び第１の誘電材料層２２ａは、発光二次元材料２１を完全に被覆して第１の誘電体膜層２２を形成し、陽極４１、陰極４２及び第２誘電体膜層４１２に被覆された誘電体薄膜の一部を除去する。
【０１１９】
従って、発光二次元材料２１及び該発光二次元材料２１を完全に被覆する第１の誘電体膜層２２は、対向する半導体発光ユニット３の間に位置する二次元材料ユニット２を形成する。
【０１２０】
半導体発光ユニット３の二次元材料ユニット２の端部の外部から離れる基板１の頂面は露出され、該露出領域には第２の誘電体膜層４２１が設置され、第２の誘電体膜層４２１には陰極４２が設置され、陰極４２は第２の誘電体膜層４２１を貫通して露出領域の基板１と接触し、即ち、陰極４２は基板１の二次元材料ユニット２及び半導体発光ユニット３を有する表面上に設置され、半導体発光ユニット３の二次元材料ユニット２から離れる外側に位置する。
【０１２１】
特定の実施例を参照しながら本発明を示し説明したが、当業者であれば、請求の範囲及びその等価物により限定された本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り、形態及び細部における様々な変更を行うことができることを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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