CN105785508B - 基于bcb键合工艺的耦合器结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于BCB键合工艺的耦合器结构及其制作方法，该结构包括：硅衬底及形成于其上的埋氧层；形成于所述埋氧层上的硅波导及与所述硅波导一端连接的第一锥形耦合结构；形成于所述埋氧层表面并覆盖所述硅波导及所述第一锥形耦合结构的BCB覆层；及形成于所述BCB覆层表面的III‑V族光增益结构及与所述III‑V族光增益结构一端连接的第二锥形耦合结构；所述第一、第二锥形耦合结构反向设置，且在水平面上的投影部分重合。本发明实现了III‑V族光增益结构和硅波导的混合集成，第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构反向设置形成模式转换区，极大缩短了耦合结构的长度，且耦合效率高；BCB覆层厚度改变时，变化幅度小，耦合效率更加稳定。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子领域，涉及一种基于BCB键合工艺的耦合器结构及其制作方法。
背景技术
硅基光互连技术旨在采用CMOS技术生产开发硅光子器件，将硅基光子器件和电路集成在同一硅片上，是发展大容量、高性能并行处理计算机系统和通信设备的必然途径。将微电子技术和光子技术结合起来，开发光电混合的集成电路。在集成电路内部和芯片间引入集成光路，既能发挥光互连速度快、无干扰、密度高、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低等特点，是最有可能代替金属互连的方案之一。单片集成方案由于集成度高，成本低，是硅基光互连的发展方向。
但由于硅是间接带隙材料，难以制作发光器件，目前的单片集成硅基光互连方案大多采用键合技术将三五族外延片与SOI片键合后进行加工，制作半导体激光器。在产生和检测近红外波段的光方面，III-V族材料具有比硅、锗材料更好的性能。可通过粘合性键合工艺将高品质的III-V族光电探测器异质集成在硅上，其中键合层使用BCB材料。在这个工艺中，首先将未加工的III-V族裸片(外延层朝下)键合在加工过的SOI衬底上，接着通过机械研磨和化学腐蚀的方法把III-V族芯片的衬底去除，然后使用晶圆尺度的工艺技术制造III-V族器件，如光刻等，从而实现与III-V族器件下面的SOI波导高精度的对准。
在众多三五族混合集成激光器的实现方法中，需要将光从三五族增益层耦合到硅波导中，实现硅光互连所需的光源。然而现有技术中存在耦合结构尺寸大、耦合效率不易控制、制作不便的问题。
因此，提供一种新的基于BCB键合工艺的耦合器结构及其制作方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于BCB键合工艺的耦合器结构及其制作方法，用于解决现有技术中耦合结构尺寸大、耦合效率不易控制、制作不便的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，至少包括以下步骤：
S1：提供一SOI衬底，所述SOI衬底自下而上依次包括硅衬底、埋氧层及顶层硅；
S2：刻蚀所述顶层硅，形成硅波导及与所述硅波导一端连接的第一锥形耦合结构；所述第一锥形耦合结构纵向宽度线性减小；
S3：在所述埋氧层表面形成一覆盖所述硅波导及所述第一锥形耦合结构的BCB覆层，并在所述BCB覆层上键合一III-V族层结构；
S4：刻蚀所述III-V族层结构，形成III-V族光增益结构及与所述III-V族光增益结构一端连接的第二锥形耦合结构；所述第二锥形耦合结构纵向宽度线性减小；所述硅波导与所述III-V族光增益结构在水平面上的投影的横向中心轴线重合，该投影之间分立存在且相向的两端具有预设距离；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构分别连接于所述硅波导与所述III-V族光增益结构的相向两端且反向设置；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构在水平面上的投影部分重合。
可选地，所述硅波导为条形或脊型；所述III-V族光增益结构为条形或脊型。
可选地，于所述步骤S2中，采用干法刻蚀所述顶层硅。
可选地，于所述步骤S4中，采用干法刻蚀所述III-V族层结构。
可选地，所述III-V族层结构自下而上依次包括第一限制层、多量子阱及第二限制层。
可选地，所述第一锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离；所述第二锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离。
可选地，所述硅波导的纵向宽度小于或等于所述III-V族光增益结构的纵向宽度。
本发明还提供一种基于BCB键合工艺的耦合器结构，包括：
硅衬底及形成于所述硅衬底上的埋氧层；
形成于所述埋氧层上的硅波导及与所述硅波导一端连接的第一锥形耦合结构；所述第一锥形耦合结构纵向宽度线性减小；
形成于所述埋氧层表面并覆盖所述硅波导及所述第一锥形耦合结构的BCB覆层；
形成于所述BCB覆层表面的III-V族光增益结构及与所述III-V族光增益结构一端连接的第二锥形耦合结构；所述第二锥形耦合结构纵向宽度线性减小；
所述硅波导与所述III-V族光增益结构在水平面上的投影的横向中心轴线重合，该投影之间分立存在且相向的两端具有预设距离；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构分别连接于所述硅波导与所述III-V族光增益结构的相向两端且反向设置；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构在水平面上的投影部分重合。
可选地，所述硅波导为条形或脊型；所述III-V族光增益结构为条形或脊型。
可选地，所述第一锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离；所述第二锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离。
如上所述，本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，具有以下有益效果：首先，本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构为混合集成耦合器，实现了硅基集成光路和III-V族有源器件的单片集成，具有工艺简单、器件尺寸小、耦合效率高的优点；其次，在工艺上，采用BCB键合技术，实现了III-V族光增益结构和硅波导的混合集成，且不需要对准即可实现，降低了工艺复杂性及制作成本；再次，硅波导及III-V族光增益结构相向两端反向设置有第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构，该第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构共同形成模式转换区，极大地缩短了耦合结构的长度，有利于降低器件尺寸，并且由于其结构特点，使得硅波导对光的约束变弱，光波场更容易传导出去，耦合效率高；此外，受BCB层形成工艺的限制，BCB层的厚度不易精确控制，而BCB层厚度的变化会对所需耦合长度产生影响，本发明的反向锥形耦合结构在BCB层厚度发生改变时，耦合长度呈非周期性变化，变化幅度小，使得耦合器的耦合效率更加稳定。
附图说明
图1显示为本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法中SOI衬底的剖面结构示意图。
图2显示为本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法中刻蚀顶层硅形成硅波导及第一锥形耦合结构后的剖面结构示意图。
图3显示为图2所示结构的俯视示意图。
图4显示为本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法中形成BCB覆层并键合III-V族层结构后的剖面结构示意图。
图5显示为本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法中刻蚀III-V族层结构形成III-V族光增益结构及第二锥形耦合结构后的剖面结构示意图。
图6显示为图5所示结构的俯视示意图。
图7显示为硅波导、第一锥形耦合结构、III-V族光增益结构及第二锥形耦合结构在水平面上投影的一种示意图。
图8显示为硅波导、第一锥形耦合结构、III-V族光增益结构及第二锥形耦合结构在水平面上投影的另一种示意图。
元件标号说明
1 硅衬底
2 埋氧层
3 顶层硅
4 硅波导
5 第一锥形耦合结构
6 BCB覆层
7 III-V族层结构
8 III-V族光增益结构
9 第二锥形耦合结构
d 预设距离
w1 硅波导的纵向宽度
w2 III-V族光增益结构的纵向宽度
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，至少包括以下步骤：
步骤S1：提供一SOI衬底，所述SOI衬底自下而上依次包括硅衬底、埋氧层及顶层硅；
步骤S2：刻蚀所述顶层硅，形成硅波导及与所述硅波导一端连接的第一锥形耦合结构；所述第一锥形耦合结构纵向宽度线性减小；
步骤S3：在所述埋氧层表面形成一覆盖所述硅波导及所述第一锥形耦合结构的BCB覆层，并在所述BCB覆层上键合一III-V族层结构；
步骤S4：刻蚀所述III-V族层结构，形成III-V族光增益结构及与所述III-V族光增益结构一端连接的第二锥形耦合结构；所述第二锥形耦合结构纵向宽度线性减小；所述硅波导与所述III-V族光增益结构在水平面上的投影的横向中心轴线重合，该投影之间分立存在且相向的两端具有预设距离；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构分别连接于所述硅波导与所述III-V族光增益结构的相向两端且反向设置；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构在水平面上的投影部分重合。
首先请参阅图1，执行步骤S1：提供一SOI衬底，所述SOI衬底自下而上依次包括硅衬底1、埋氧层2及顶层硅3。
具体的，所述顶层硅3的厚度及所述埋氧层2的厚度可根据需求进行确定，并选用相应的SOI圆片。
然后请参阅图2及图3，执行步骤S2：刻蚀所述顶层硅3，形成硅波导4及与所述硅波导4一端连接的第一锥形耦合结构5；所述第一锥形耦合结构5纵向宽度线性减小。
具体的，采用光刻技术在所述顶层硅3表面形成图形，并采用干法刻蚀所述顶层硅3，形成硅波导4及第一锥形耦合结构5。所述硅波导4可以为条形或脊型，当所述顶层硅某一长条区域两边的硅材料被刻蚀完全后，就形成条形硅波导；当所述顶层硅某一长条区域两边的硅材料被刻蚀掉一部分后，就形成脊型硅波导。所述条形硅波导可以是但不限于直线条形硅波导、弧线条形硅波导等，本实施例中，所述硅波导4以直线条形硅波导为例。图2显示为本步骤形成的结构的剖视图，图3显示为本步骤形成的结构的俯视图。
所述第一锥形耦合结构5纵向宽度线性减小，其厚度优选为不变，该结构易于采用平面工艺制成，工艺简单，无需用到三维工艺。所述第一锥形耦合结构5在水平面上的投影为三角形，所述第一锥形耦合结构5的尖端相对于所述硅波导4朝外。
再请参阅图4，执行步骤S3：在所述埋氧层2表面形成一覆盖所述硅波导4及所述第一锥形耦合结构5的BCB覆层6，并在所述BCB覆层6上键合一III-V族层结构7。
具体的，通过旋涂法或其它方法在所述埋氧层2表面形成所述BCB覆层6。所述III-V族层结构7的键合过程如下：提供一III-V族外延片，将其外延层朝下键合在所述BCB覆层6上，然后通过机械研磨、化学腐蚀等方法将III-V族外延片的衬底去除，在所述BCB覆层6上形成III-V族层结构7。
所述III-V族层结构7自下而上依次包括第一限制层、多量子阱及第二限制层，所述第一限制层、多量子阱及第二限制层的材料为InGaAsP。
最后请参阅图5至图8，执行步骤S4：刻蚀所述III-V族层结构7，形成III-V族光增益结构8及与所述III-V族光增益结构8一端连接的第二锥形耦合结构9。
具体的，通过光刻技术在所述III-V族层结构7表面形成图形，并通过干法刻蚀所述III-V族层结构7形成III-V族光增益结构8及第二锥形耦合结构9。所述III-V族光增益结构8为条形或脊型。所述第二锥形耦合结构9纵向宽度线性减小。图5显示为本步骤形成的结构的剖视图，图6显示为本步骤形成的结构的俯视图。
为了更加清楚的了解本步骤中形成的结构中各部件的相对位置，请参阅图7，显示为硅波导4、第一锥形耦合结构5、III-V族光增益结构8及第二锥形耦合结构9在水平面上投影的示意图，如图所示，所述硅波导4与所述III-V族光增益结构8在水平面上的投影的横向中心轴线重合，该投影之间分立存在且相向的两端具有预设距离d。所述第一锥形耦合结构5与所述第二锥形耦合结构9分别连接于所述硅波导4与所述III-V族光增益结构8的相向两端且反向设置，所述第二锥形耦合结构9的尖端相对于所述III-V族光增益结构8朝外。所述第一锥形耦合结构5与所述第二锥形耦合结构9在水平面上的投影部分重合。
图7中还示出了所述硅波导的纵向宽度w1及所述III-V族光增益结构的纵向宽度w2，本发明中，所述硅波导的纵向宽度w1小于或等于所述III-V族光增益结构的纵向宽度w2。
此外，所述第一锥形耦合结构5的横向长度小于或等于所述预设距离d；所述第二锥形耦合结构9的横向长度小于或等于所述预设距离d。图7显示了所述第一锥形耦合结构的横向长度及所述第二锥形耦合结构的横向长度均等于所述预设距离d的情形，图8显示了所述第一锥形耦合结构的横向长度及所述第二锥形耦合结构的横向长度均小于所述预设距离d的情形。
需要指出的是，所述第一锥形耦合结构5与所述第二锥形耦合结构9交错的最佳位置可通过仿真确定，以得到的耦合效率最高为佳。
至此，通过本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法完成了耦合器结构的制作。本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法通过BCB键合实现了III-V族光增益结构和硅波导的混合集成，其中，采用在硅波导及III-V族光增益结构相向两端反向设置第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构的方式，该第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构共同形成模式转换区，极大地缩短了耦合结构的长度，有利于降低器件尺寸；并且由于耦合器的结构特点，使得硅波导对光的约束变弱，光波场更容易传导出去，耦合效率高；同时在BCB覆层厚度发生改变时，本发明的反向锥形耦合结构的耦合长度呈非周期性变化，变化幅度小，耦合效率更加稳定。
实施例二
本发明还提供一种基于BCB键合工艺的耦合器结构，请参阅图5及图6，分别显示为本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的剖面示意图及俯视图，该耦合器结构包括：
硅衬底1及形成于所述硅衬底1上的埋氧层2；
形成于所述埋氧层2上的硅波导4及与所述硅波导4一端连接的第一锥形耦合结构5；所述第一锥形耦合结构5纵向宽度线性减小；
形成于所述埋氧层2表面并覆盖所述硅波导4及所述第一锥形耦合结构5的BCB覆层6；
形成于所述BCB覆层6表面的III-V族光增益结构8及与所述III-V族光增益结构8一端连接的第二锥形耦合结构9；所述第二锥形耦合结构9纵向宽度线性减小；
所述硅波导4与所述III-V族光增益结构8在水平面上的投影的横向中心轴线重合，该投影之间分立存在且相向的两端具有预设距离d；所述第一锥形耦合结构5与所述第二锥形耦合结构9分别连接于所述硅波导4与所述III-V族光增益结构8的相向两端且反向设置；所述第一锥形耦合结构5与所述第二锥形耦合结构9在水平面上的投影部分重合。
具体的，所述硅波导4为条形或脊型；所述III-V族光增益结构8为条形或脊型。所述第一锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离；所述第二锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离。
图7及图8显示为所述第一锥形耦合结构5与所述第二锥形耦合结构9在水平面上的投影部分重合的示意图，其中，图7显示为所述第一锥形耦合结构的横向长度及所述第二锥形耦合结构的横向长度均等于所述预设距离d的情形，图8显示为所述第一锥形耦合结构的横向长度及所述第二锥形耦合结构的横向长度均小于所述预设距离d的情形。
本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构为混合集成耦合器，实现了硅基集成光路和III-V族有源器件的单片集成，具有工艺简单、器件尺寸小、耦合效率高的优点；本发明的耦合器结构中，硅波导及III-V族光增益结构相向两端反向设置有第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构，该第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构共同形成模式转换区，可以极大缩短耦合结构的长度，降低器件尺寸；并且由于其结构特点，使得硅波导对光的约束变弱，光波场更容易传导出去，耦合效率高；此外，本发明的反向锥形耦合结构的耦合长度在BCB覆层厚度发生改变时呈非周期性变化，变化幅度小，耦合效率更加稳定。
综上所述，本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构及其制作方法实现了硅基集成光路和III-V族有源器件的单片集成，具有工艺简单、器件尺寸小、耦合效率高的优点；本发明的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法在工艺上，采用BCB键合技术，实现了III-V族光增益结构和硅波导的混合集成，且不需要对准即可实现，降低了工艺复杂性及制作成本；本发明中，硅波导及III-V族光增益结构相向两端反向设置有第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构，该第一锥形耦合结构及第二锥形耦合结构共同形成模式转换区，由于其结构特点，使得硅波导对光的约束变弱，光波场更容易传导出去，耦合效率高；此外，受BCB层形成工艺的限制，BCB层的厚度在不同片上可能会发生改变，而BCB层厚度的变化会对耦合长度产生影响，本发明的反向锥形耦合结构耦合长度在BCB层厚度发生改变时呈非周期性变化，变化幅度小，耦合效率更加稳定。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
S1：提供一SOI衬底，所述SOI衬底自下而上依次包括硅衬底、埋氧层及顶层硅；
S2：刻蚀所述顶层硅，形成硅波导及与所述硅波导一端连接的第一锥形耦合结构；所述第一锥形耦合结构纵向宽度线性减小；
S3：在所述埋氧层表面形成一覆盖所述硅波导及所述第一锥形耦合结构的BCB覆层，并在所述BCB覆层上键合一III-V族层结构；
S4：刻蚀所述III-V族层结构，形成III-V族光增益结构及与所述III-V族光增益结构一端连接的第二锥形耦合结构；所述第二锥形耦合结构纵向宽度线性减小；所述硅波导与所述III-V族光增益结构在水平面上的投影的横向中心轴线重合，该投影之间分立存在且相向的两端具有预设距离；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构分别连接于所述硅波导与所述III-V族光增益结构的相向两端且反向设置；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构在水平面上的投影部分重合。
2.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，其特征在于：所述硅波导为条形或脊型；所述III-V族光增益结构为条形或脊型。
3.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S2中，采用干法刻蚀所述顶层硅。
4.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S4中，采用干法刻蚀所述III-V族层结构。
5.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，其特征在于：所述III-V族层结构自下而上依次包括第一限制层、多量子阱及第二限制层。
6.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，其特征在于：所述第一锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离；所述第二锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离。
7.根据权利要求1所述的基于BCB键合工艺的耦合器结构的制作方法，其特征在于：所述硅波导的纵向宽度小于或等于所述III-V族光增益结构的纵向宽度。
8.一种基于BCB键合工艺的耦合器结构，包括：
硅衬底及形成于所述硅衬底上的埋氧层；
形成于所述埋氧层上的硅波导及与所述硅波导一端连接的第一锥形耦合结构；所述第一锥形耦合结构纵向宽度线性减小，所述第一锥形耦合结构在水平面上的投影为三角形；
形成于所述埋氧层表面并覆盖所述硅波导及所述第一锥形耦合结构的BCB覆层；
形成于所述BCB覆层表面的III-V族光增益结构及与所述III-V族光增益结构一端连接的第二锥形耦合结构；所述第二锥形耦合结构纵向宽度线性减小；
其特征在于：
所述硅波导与所述III-V族光增益结构在水平面上的投影的横向中心轴线重合，该投影之间分立存在且相向的两端具有预设距离；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构分别连接于所述硅波导与所述III-V族光增益结构的相向两端且反向设置；所述第一锥形耦合结构与所述第二锥形耦合结构在水平面上的投影部分重合。
9.根据权利要求8所述的基于BCB键合工艺的耦合器结构，其特征在于：所述硅波导为条形或脊型；所述III-V族光增益结构为条形或脊型。
10.根据权利要求8所述的基于BCB键合工艺的耦合器结构，其特征在于：所述第一锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离；所述第二锥形耦合结构的横向长度小于或等于所述预设距离。
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