CN110954998B - 激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法，激光器与硅光芯片集成结构包括：激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导；硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导将所述激光器芯片发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。本发明制备的激光器与硅光芯片集成结构中激光器中的第一波导与硅光芯片中的第二波导通过倏逝波耦合的方式将激光器发出的光耦合至所述硅光芯片内，相比于现有技术中的端面耦合，本发明的耦合方式对倒装焊过程中的对准精度要求更低，即使在对准有误差的实际工艺条件下，仍然具有较高的耦合效率。

Description

激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法

技术领域

本发明属于混合集成技术领域，特别是涉及一种激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法。

背景技术

激光器是硅光芯片的光源，由于硅材料本身不能发光，因此如何将激光器(譬如，三五族激光器)与硅光芯片集成是研发光收发模块的关键。目前的激光器与硅光芯片的集成技术主要由三种：一是单片集成，即直接将激光器通过外延的方式生在在硅基；二是异质集成，即通过激光器芯片对硅光芯片键合的方式将三五族材料与硅光芯片进行异质集成，然后制备激光器；三是混合集成，即首先制备好激光器，然后通过倒装焊接或外接激光器的方式将激光器与硅光芯片进行集成。然而，现有的激光器与硅光芯片集成技术存在对准精度要求高及耦合效率低等问题

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激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法，用于解决现有技术中的激光器与硅光芯片集成技术存在的对准精度要求高及耦合效率低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光器与硅光芯片集成结构，所述激光器与硅光芯片集成结构包括：

激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导；

硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导将所述激光器芯片发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。

作为本发明的一种优选方案，所述第一波导包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；

所述第二波导包括第一氮化硅波导、第二氮化硅波导及硅波导；其中，所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；其中，所述第一氮化硅波导位于所述第一波导的下方，且所述第一氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导位于所述第一氮化硅波导的下方，且所述第二氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述硅波导位于所述第二氮化硅波导的下方，且所述硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第二氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合。

作为本发明的一种优选方案，各所述第一倒锥形波导部远离所述矩形波导部一端的宽度为10nm～1000nm，各所述第一倒锥形波导部与所述矩形波导部一体连接一端的宽度为100nm～10μm，各所述第一倒锥形波导部的长度为10μm～1000μm；各所述第二倒锥形波导部远离所述矩形波导部一端的宽度为10nm～1000nm，各所述第二倒锥形波导部与所述矩形波导部一体连接一端的宽度为100nm～10μm，各所述第二倒锥形波导部的长度为10μm～1000μm。

作为本发明的一种优选方案，所述硅光芯片还包括：

第一衬底；

埋氧层，位于所述第一衬底的表面；所述硅波导位于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面；

第一介质层，位于所述埋氧层的表面，并覆盖所述硅波导；所述第二氮化硅波导位于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面；

第二介质层，位于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面，并覆盖所述第二氮化硅波导；所述第一氮化硅波导位于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面；

第三介质层，位于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面，且覆盖所述第一氮化硅波导。

作为本发明的一种优选方案，所述激光芯片还包括：

第二衬底；

第一掺杂类型三五族材料层，位于所述第二衬底的表面；

第一光学限制层，位于所述第一掺杂类型三五族材料层远离所述第二衬底的表面；所述第一波导位于所述第一光学限制层远离所述第一掺杂类型三五族材料层的表面；

第二光学限制层，位于所述第一波导远离所述第一光学限制层的表面；所述第二光学限制层包括键合部及凸台部，所述凸台部的厚度大于所述键合部的厚度；

第二掺杂类型三五族材料层，位于所述第二光学限制层的凸台部表面；

所述激光芯片倒装焊接于所述硅光芯片的表面，且所述第二光学限制层的键合部与所述第三介质层的表面相接触。

作为本发明的一种优选方案，所述第一波导包括三五族材料波导、多重量子阱材料波导或量子点材料波导，所述第一衬底包括硅衬底，所述第二衬底包括三五族材料衬底。

作为本发明的一种优选方案，所述激光器与所述硅光芯片集成结构还包括：

第一焊盘，位于所述第二掺杂类型三五族材料层远离所述第二光学限制层的表面；

第二焊盘，位于所述第一衬底形成有所述硅波导的表面；

焊球，位于所述第一焊盘与所述第二焊盘之间，以将所述激光器芯片与所述硅光芯片焊接在一起。

本发明还提供一种激光器与硅光芯片集成结构的制备方法，所述激光器与硅光芯片集成结构的制备方法包括如下步骤：

制备激光芯片，所述激光芯片包括第一波导；

制备硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导；

将所述激光芯片倒装焊接于所述硅光芯片上，以使得所述激光器芯片发出的光经由所述第二波导及所述第一波导以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。

作为本发明的一种优选方案，制备所述硅光芯片包括如下步骤：

提供SOI衬底，所述SOI衬底包括由下至上依次叠置的第一衬底、埋氧层及外延硅层；所述第一衬底包括硅衬底；

刻蚀所述外延硅层以于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面形成硅波导；

于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面形成第一介质层，所述第一介质层覆盖所述硅波导；

于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面形成第二氮化硅波导；

于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述第二氮化硅波导；

于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面形成第一氮化硅波导；

于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面形成第三介质层，所述第三介质层覆盖所述第一氮化硅波导；

依次刻蚀去除部分所述第三介质层、所述第二介质层、所述第一介质层及所述埋氧层，以露出部分所述第一衬底；其中，

所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；所述第一氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第二氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合。

作为本发明的一种优选方案，制备所述激光芯片包括如下步骤：

提供第二衬底；

于所述第二衬底上形成第一掺杂类型三五族材料层；

于所述第一掺杂类型三五族材料层远离所述第二衬底的表面形成第一光学限制层；

于所述第一光学限制层远离所述第一掺杂类型三五族材料层的表面形成第一波导，所述第一波导包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导共同构成第二波导；

于所述第一波导远离所述第一光学限制层的表面形成第二光学限制层；

于所述第二光学限制层远离所述第一波导的表面形成第二掺杂类型三五族材料层；

刻蚀所述第二掺杂类型三五族材料层及所述第二光学限制层，使得所述第二光学限制层包括键合部及凸台部，所述凸台部的厚度大于所述键合部的厚度，保留的所述第二掺杂类型三五族材料层位于所述凸台部表面。

如上所述，本发明的激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明制备的激光器与硅光芯片集成结构中激光器中的第一波导与硅光芯片中的第二波导通过倏逝波耦合的方式将激光器发出的光耦合至所述硅光芯片内，相比于现有技术中的端面耦合(即激光器中的第一波导直接与硅波导或氮化硅波导的butt-coupling)，本发明的耦合方式对倒装焊过程中的对准精度要求更低，即使在对准有误差的实际工艺条件下，仍然具有较高的耦合效率；

本发明制备的激光器与硅光芯片集成结构激光器通过焊球与SOI硅衬底键合，由于硅衬底的散热性能比较好，因此激光器可以得到更为有效的散热。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的激光器与硅光芯片集成结构的制备方法的流程图。

图2至图9显示为本发明实施例一中提供的激光器与硅光芯片集成结构的制备方法中步骤1)所得结构的截面结构示意图。

图10显示为本发明实施例一中提供的激光器与硅光芯片集成结构的制备方法中步骤1)所得硅光芯片中第一氮化硅波导、第二氮化硅波导及硅波导的俯视结构示意图。

图11至图18显示为本发明实施例一中提供的激光器与硅光芯片集成结构的制备方法中步骤2)所得结构的截面结构示意图；其中，图15为第一波导的俯视结构示意图。

图19显示为本发明实施例一中提供的激光器与硅光芯片集成结构的制备方法中步骤3)所得结构的截面结构示意图。

图20显示为本发明实施例一中提供的激光器与硅光芯片集成结构的制备方法中步骤3)所得结构中第一波导、第一氮化硅波导、第二氮化硅波导及硅波导的俯视结构示意图。

元件标号说明

1 激光器芯片

10 第二衬底

11 第一掺杂类型三五族材料层

12 第一光学限制层

13 第一波导

131 第一倒锥形波导部

132 矩形波导部

133 第二倒锥形波导部

14 第二光学限制层

141 键合部

142 凸台部

15 第二掺杂类型三五族材料层

16 第一焊盘

2 硅光芯片

20 SOI衬底

201 第一衬底

202 埋氧层

203 外延硅层

21 硅波导

22 第一介质层

23 第二氮化硅波导

24 第二介质层

25 第一氮化硅波导

26 第三介质层

27 第二焊盘

3 焊球

d1 第一倒锥形波导部远离矩形波导部一端的宽度

d2 第一倒锥形波导部与矩形波导部一体连接一端的宽度

L1 第一倒锥形波导部的长度

d3 第二倒锥形波导部远离矩形波导部一端的宽度

d4 第二倒锥形波导部与矩形波导部一体连接一端的宽度

L2 第二倒锥形波导部的长度

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅图1至图20。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种激光器与硅光芯片集成结构的制备方法，所述激光器与硅光芯片集成结构的制备方法包括如下步骤：

制备激光芯片1，所述激光芯片1包括第一波导13；

制备硅光芯片2，所述硅光芯片2包括第二波导；

将所述激光芯片1倒装焊接于所述硅光芯片2上，以使得所述激光器芯片1发出的光经由所述第二波导及所述第一波导13以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片2内。

作为示例，可以先制备所述激光芯片1，然后再制备所述硅光芯片2，也可以先制备所述硅光芯片2，然后再制备所述激光芯片1。即制备所述激光芯片1及制备所述硅光芯片2的顺序可以互换。

作为示例，请参阅图2至图10，制备所述硅光芯片包括如下步骤：

1-1)提供SOI衬底20，所述SOI衬底20包括由下至上依次叠置的第一衬底201、埋氧层202及外延硅层203，如图2所示；所述第一衬底201包括硅衬底，即所述第一衬底201即为所述SOI衬底20中的底层硅，所述外延硅层203即为所述SOI衬底20中的顶层硅；

1-2)刻蚀所述外延硅层203以于所述埋氧层202的表面形成硅波导21，如图3所示；

1-3)于所述埋氧层202表面形成第一介质层22，所述第一介质层22覆盖所述硅波导21，如图4所示；

1-4)于所述第一介质层22远离所述埋氧层202的表面形成第二氮化硅波导23，如图5所示；

1-5)于所述第一介质层22远离所述埋氧层202的表面形成第二介质层24，所述第二介质层24覆盖所述第二氮化硅波导23，如图6所示；

1-6)于所述第二介质层24远离所述第一介质层22的表面形成第一氮化硅波导25，如图7所示；

1-7)于所述第二介质层24远离所述第一介质层22的表面形成第三介质层26，所述第三介质层26覆盖所述第一氮化硅波导25，如图8所示；

1-8)依次刻蚀去除部分所述第三介质层26、所述第二介质层24、所述第一介质层22及所述埋氧层202，以露出部分所述第一衬底201，如图9所示；其中，

如图10及图20所示，所述第一氮化硅波导25、所述第二氮化硅波导23及所述硅波导21均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部131、矩形波导部132及第二倒锥形波导部133；所述第一氮化硅波导25的第一倒锥形波导部131的正投影与所述第一波导13的第二倒锥形波导部133的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导23的第一倒锥形波导部131的正投影与所述第一氮化硅波导25的第二倒锥形波导部133的正投影部分重合；所述硅波导21的第一倒锥形波导部131的正投影与所述第二氮化硅波导23的第二倒锥形波导部133的正投影部分重合。

作为示例，步骤1-2)具体可以包括如下步骤：首先，采用外延工艺于所述第一衬底201上外延生长SOI外延硅层；然后，对采用光刻刻蚀工艺对所述SOI外延硅层刻蚀即可得到所述硅波导21。所述硅波导21的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述硅波导21的厚度可以为150nm～250nm，优选地，本实施例中，所述硅波导21的厚度优选为220nm。

作为示例，步骤1-3)中可以采用化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺等形成所述第一介质层22，所述第一介质层22覆盖所述硅波导21，并覆盖所述埋氧层202形成有所述硅波导21的部分表面。所述第一介质层22可以包括但不仅限于氧化硅层，所述第一介质层22位于所述硅波导21上表面部分的厚度可以为但不仅限于100nm～300nm，即所述第二氮化硅波导23与所述硅波导21之间的间距可以为100nm～300nm。

作为示例，步骤1-4)具体可以包括如下步骤：首先，于所述第一介质层22远离所述埋氧层202的表面形成氮化硅层；然后，采用光刻刻蚀工艺对所述氮化硅层进行刻蚀即可得到所述第二氮化硅波导23。所述第二氮化硅波导23的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述第二氮化硅波导23的厚度可以为但不仅限于100nm～300nm。

作为示例，步骤1-5)中可以采用化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺等形成所述第二介质层24，所述第二介质层24覆盖所述第二氮化硅波导23。所述第二介质层24可以包括但不仅限于氧化硅层。所述第二介质层24位于所述第二氮化硅波导23上表面部分的厚度可以为但不仅限于50nm～600nm，即所述第一氮化硅波导25与所述第一氮化硅波导23之间的间距可以为50nm～600nm。

作为示例，步骤1-6)具体可以包括如下步骤：首先，于所述第二介质层24远离所述第一介质层22的表面形成氮化硅层；然后，采用光刻刻蚀工艺对所述氮化硅层进行刻蚀即可得到所述第一氮化硅波导25。所述第一氮化硅波导25的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述第一氮化硅波导25的厚度可以为但不仅限于10nm～100nm，优选地，本实施例中，所述第一氮化硅波导25的厚度可以为50nm。

作为示例，步骤1-7)中可以采用化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺等形成所述第三介质层26，所述第三介质层26覆盖所述第一氮化硅波导25。所述第三介质层26可以包括但不仅限于氧化硅层。

作为示例，步骤1-8)中可以采用但不仅限于干法刻蚀工艺依次刻蚀去除部分所述第三介质层26、所述第二介质层24、所述第一介质层22及所述埋氧层202。

作为示例，所述硅波导21中的所述第一倒锥形波导部131、所述第一氮化硅波导25中的所述第一倒锥形波导131及所述第二氮化硅波导23中的所述第一倒锥形波导部131的具体结构及尺寸相同，所述硅波导21中的所述第二倒锥形波导部133、所述第一氮化硅波导25中的所述第二倒锥形波导部133及所述第二氮化硅波导23中的所述第二倒锥形波导部133的具体结构及尺寸相同，具体的，如图10所示，在所述硅波导21、所述第一氮化硅波导25及所述第二氮化硅波导23中，各所述第一倒锥形波导部131远离所述矩形波导部132一端的宽度d1可以为10nm～1000nm，各所述第一倒锥形波导部131与所述矩形波导部132一体连接一端的宽度d2可以为100nm～10μm，各所述第一倒锥形波导部131的长度L1可以为10μm～1000μm；各所述第二倒锥形波导部133远离所述矩形波导部132一端的宽度d3可以为10nm～1000nm，各所述第二倒锥形波导部133与所述矩形波导部132一体连接一端的宽度d4可以为100nm～10μm，各所述第二倒锥形波导部133的长度L2可以为10μm～1000μm。

作为示例，请参阅图11至图18，制备所述激光器芯片1包括如下步骤：

2-1)提供第二衬底10，如图11所示；

2-2)于所述第二衬底10上形成第一掺杂类型三五族(III-V)材料层11，如图12所示；

2-3)于所述第一掺杂类型三五族材料层11远离所述第二衬底10的表面形成第一光学限制层12，如图13所示；

2-4)于所述第一光学限制层12远离所述第一掺杂类型三五族材料层11的表面形成第一波导13，所述第一波导13包括依次一体连接的第一倒锥形波导部131、矩形波导部132及第二倒锥形波导部133，如图14及图15所示；所述第一氮化硅波导25、所述第二氮化硅波导23及所述硅波导21共同构成第二波导；

2-5)于所述第一波导13远离所述第一光学限制层12的表面形成第二光学限制层14，如图16所示；

2-6)于所述第二光学限制层14远离所述第一波导13的表面形成第二掺杂类型三五族材料层15，如图17所示；

2-7)刻蚀所述第二掺杂类型三五族材料层15及所述第二光学限制层14，使得所述第二光学限制层14包括键合部141及凸台部142，所述凸台部142的厚度大于所述键合部141的厚度，即刻蚀去除所述键合部141所在区域的部分所述第二光学限制层14，保留的所述第二掺杂类型三五族材料层15位于所述凸台部142表面。

作为示例，步骤2-1)中提供的所述第二衬底10可以包括但不仅限于三五族(III-V)材料衬底。

作为示例，步骤2-2)中，所述第一掺杂类型三五族材料层11可以为n型掺杂三五族材料层，也可以为p型掺杂三五族材料层。所述第一掺杂类型三五族材料层11用于金属接触。

作为示例，步骤2-3)中形成的所述第一光学限制层12用于限制光场，任意一种可以实现限制光场的材料层均可作为所述第一光学限制层12。

作为示例，步骤2-4)中具体可以包括如下步骤：首先，于所述第一光学限制层12远离所述第一掺杂类型三五族材料层11的表面形成波导材料层；然后，采用光刻刻蚀工艺刻蚀所述波导材料层即可得到所述第一波导13。所述第一波导13可以包括三五族材料波导、多重量子阱材料波导或量子点材料波导。

作为示例，步骤2-5)中形成的所述第二光学限制层14用于限制光场，任意一种可以实现限制光场的材料层均可作为所述第二光学限制层14。

作为示例，步骤2-6)中，所述第二掺杂类型三五族材料层15可以为n型掺杂三五族材料层，也可以为p型掺杂三五族材料层。但需要说明的是，所述第二掺杂类型三五族材料层15的掺杂类型与所述第一掺杂类型三五族材料层11的掺杂类型不同，即若所述第一掺杂类型三五族材料层11为n型掺杂三五族材料层时，所述第二掺杂类型三五族材料层15为p型掺杂三五族材料层，而当所述第一掺杂类型三五族材料层11为p型掺杂三五族材料层时，则所述第二掺杂类型三五族材料层15为n型掺杂三五族材料层。所述第二掺杂类型三五族材料层15用于金属接触。

作为是，在步骤2-7)中，可以采用光刻刻蚀工艺刻蚀所述第二掺杂类型三五族材料层15及所述第二光学限制层14。通过刻蚀所述第二掺杂类型三五族材料层15及所述第二光学限制层14，在所述激光器芯片1与所述硅光芯片2倒装焊接在一起后，可以缩短所述第一波导13与所述第一氮化硅波导25之间的举例，更利于所述第一波导13与所述第一氮化硅波导25的高效耦合。

作为示例，如图15所示，在所述第一波导13中，所述第一倒锥形波导部131远离所述矩形波导部132一端的宽度d1可以为10nm～1000nm，所述第一倒锥形波导部131与所述矩形波导部132一体连接一端的宽度d2可以为100nm～10μm，所述第一倒锥形波导部131的长度L1可以为10μm～1000μm；所述第二倒锥形波导部133远离所述矩形波导部132一端的宽度d3可以为10nm～1000nm，所述第二倒锥形波导部133与所述矩形波导部132一体连接一端的宽度d4可以为100nm～10μm，所述第二倒锥形波导部133的长度L2可以为10μm～1000μm。本发明通过限定所述第一波导13、所述第一氮化硅波导25、所述第二氮化硅波导23及所述硅波导21中的所述第一倒锥形波导部131及所述第二倒锥形波导部132两端的宽度及长度，可以实现所述激光器芯片1发出的光从所述激光器芯片1到所述硅光芯片2较高的耦合效率。

作为示例，如图19所示，所述激光器芯片1的所述第二掺杂类型三五族材料层15远离所述第二光学限制层14的表面形成有第一焊盘16，所述第一衬底201形成有所述硅波导21的表面形成有第二焊盘27，将所述激光器芯片1倒置后使用焊球3将所述第一焊盘16与所述第二焊盘27焊接在一起，以实现所述激光器芯片1与所述硅光芯片2的倒装焊接。倒装焊接过程中，所述激光器芯片1需与所述硅光芯片2对准，以使得所述第一波导13与所述第一氮化硅波导25可以实现有效的耦合，即所述激光器芯片1倒装焊接于所述硅光芯片2上之后，所述第一氮化硅波导25的第一倒锥形波导部131的正投影与所述第一波导13的第二倒锥形波导部133的正投影部分重合。

实施例二

请结合图2至图18继续参阅图19至图20，本发明还提供一种激光器与硅光芯片集成结构，所述激光器与硅光芯片集成结构包括：

激光器芯片1，所述激光器芯片1包括第一波导13；

硅光芯片2，所述硅光芯片2包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导13将所述激光器芯片1发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片2内。

作为示例，所述第一波导13包括依次一体连接的第一倒锥形波导部131、矩形波导部132及第二倒锥形波导部133；所述第二波导包括第一氮化硅波导25、第二氮化硅波导23及硅波导21；其中，所述第一氮化硅波导25、所述第二氮化硅波导23及所述硅波导21均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部131、矩形波导部132及第二倒锥形波导部133；其中，所述第一氮化硅波导25位于所述第一波导13的下方，且所述第一氮化硅波导25的第一倒锥形波导部131的正投影与所述第一波导13的第二倒锥形波导部133的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导23位于所述第一氮化硅波导25的下方，且所述第二氮化硅波导23的第一倒锥形波导部131的正投影与所述第一氮化硅波导25的第二倒锥形波导部133的正投影部分重合；所述硅波导21位于所述第二氮化硅波导23的下方，且所述硅波导21的第一倒锥形波导部131的正投影与所述第二氮化硅波导23的第二倒锥形波导部133的正投影部分重合。

作为示例，所述第一波导13中的所述第一倒锥形波导部131、所述硅波导21中的所述第一倒锥形波导部131、所述第一氮化硅波导25中的所述第一倒锥形波导131及所述第二氮化硅波导23中的所述第一倒锥形波导部131的具体结构及尺寸相同，所述第一波导13中的所述第二倒锥形波导部133、所述硅波导21中的所述第二倒锥形波导部133、所述第一氮化硅波导25中的所述第二倒锥形波导部133及所述第二氮化硅波导23中的所述第二倒锥形波导部133的具体结构及尺寸相同，具体的，如图10及图15所示，在所述第一波导13、所述硅波导21、所述第一氮化硅波导25及所述第二氮化硅波导23中，各所述第一倒锥形波导部131远离所述矩形波导部132一端的宽度d1可以为10nm～1000nm，各所述第一倒锥形波导部131与所述矩形波导部132一体连接一端的宽度d2可以为100nm～10μm，各所述第一倒锥形波导部131的长度L1可以为10μm～1000μm；各所述第二倒锥形波导部133远离所述矩形波导部132一端的宽度d3可以为10nm～1000nm，各所述第二倒锥形波导部133与所述矩形波导部132一体连接一端的宽度d4可以为100nm～10μm，各所述第二倒锥形波导部133的长度L2可以为10μm～1000μm。

作为示例，所述硅波导21的厚度可以为150nm～250nm，优选地，本实施例中，所述硅波导21的厚度优选为220nm；所述第二氮化硅波导23的厚度可以为但不仅限于100nm～300nm；所述第一氮化硅波导25的厚度可以为但不仅限于10nm～100nm，优选地，本实施例中，所述第一氮化硅波导25的厚度可以为50nm。

作为示例，所述第一波导13包括三五族材料波导、多重量子阱材料波导或量子点材料波导。

作为示例，所述硅光芯片2还包括：

第一衬底201；所述第一衬底201包括硅衬底；

埋氧层202，所述埋氧层202位于所述第一衬底201的表面；所述硅波导21位于所述埋氧层202远离所述第一衬底201的表面；

第一介质层22，所述第一介质层22位于所述埋氧层202的表面，并覆盖所述硅波导21；所述第二氮化硅波导23位于所述第一介质层22远离所述埋氧层202的表面；所述第一介质层22可以包括但不仅限于氧化硅层；所述第一介质层22位于所述硅波导21上表面部分的厚度可以为但不仅限于100nm～300nm，即所述第二氮化硅波导23与所述硅波导21之间的间距可以为100nm～300nm；

第二介质层24，所述第二介质层24位于所述第一介质层22远离所述埋氧层202的表面，并覆盖所述第二氮化硅波导23；所述第一氮化硅波导25位于所述第二介质层24远离所述第一介质层22的表面；所述第二介质层24可以包括但不仅限于氧化硅层；所述第二介质层24位于所述第二氮化硅波导23上表面部分的厚度可以为但不仅限于50nm～600nm，即所述第一氮化硅波导25与所述第一氮化硅波导23之间的间距可以为50nm～600nm；

第三介质层26，所述第三介质层26位于所述第二介质层24远离所述第一介质层22的表面，且覆盖所述第一氮化硅波导25；所述第三介质层26可以包括但不仅限于氧化硅层。

作为示例，所述激光芯片1还包括：

第二衬底10；所述第二衬底10可以包括但不仅限于三五族(III-V)材料衬底；

第一掺杂类型三五族材料层11，所述第一掺杂类型三五族材料层11位于所述第二衬底10的表面；所述第一掺杂类型三五族材料层11可以为n型掺杂三五族材料层，也可以为p型掺杂三五族材料层；所述第一掺杂类型三五族材料层11用于金属接触；

第一光学限制层12，所述第一光学限制层12位于所述第一掺杂类型三五族材料层11远离所述第二衬底10的表面；所述第一波导13位于所述第一光学限制层12远离所述第一掺杂类型三五族材料层11的表面；所述第一光学限制层12用于限制光场，任意一种可以实现限制光场的材料层均可作为所述第一光学限制层12；

第二光学限制层14，所述第二光学限制层14位于所述第一波导13远离所述第一光学限制层12的表面；所述第二光学限制层14包括键合部141及凸台部142，所述凸台部142的厚度大于所述键合部141的厚度；所述第二光学限制层14用于限制光场，任意一种可以实现限制光场的材料层均可作为所述第二光学限制层14；

第二掺杂类型三五族材料层15，所述第二掺杂类型三五族材料层15位于所述第二光学限制层14的凸台部142表面；所述第二掺杂类型三五族材料层15可以为n型掺杂三五族材料层，也可以为p型掺杂三五族材料层。但需要说明的是，所述第二掺杂类型三五族材料层15的掺杂类型与所述第一掺杂类型三五族材料层11的掺杂类型不同，即若所述第一掺杂类型三五族材料层11为n型掺杂三五族材料层时，所述第二掺杂类型三五族材料层15为p型掺杂三五族材料层，而当所述第一掺杂类型三五族材料层11为p型掺杂三五族材料层时，则所述第二掺杂类型三五族材料层15为n型掺杂三五族材料层；所述第二掺杂类型三五族材料层15用于金属接触；

所述激光芯片1倒装焊接于所述硅光芯片2的表面，且所述第二光学限制层14的键合部141与所述第三介质层26的表面相接触。

作为示例，所述激光器与所述硅光芯片集成结构还包括：

第一焊盘16，所述第一焊盘16位于所述第二掺杂类型三五族材料层15远离所述第二光学限制层14的表面；

第二焊盘27，所述第二焊盘27位于所述第一衬底201形成有所述埋氧层202的表面；

焊球3，所述焊球3位于所述第一焊盘16与所述第二焊盘27之间，以将所述激光器芯片1与所述硅光芯片2焊接在一起。

综上所述，本发明提供一种激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法，所述激光器与硅光芯片集成结构包括：激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导；硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导将所述激光器芯片发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。本发明制备的激光器与硅光芯片集成结构中激光器中的第一波导与硅光芯片中的第二波导通过倏逝波耦合的方式将激光器发出的光耦合至所述硅光芯片内，相比于现有技术中的端面耦合(即激光器中的第一波导直接与硅波导或氮化硅波导的butt-coupling)，本发明的耦合方式对倒装焊过程中的对准精度要求更低，即使在对准有误差的实际工艺条件下，仍然具有较高的耦合效率；本发明制备的激光器与硅光芯片集成结构激光器通过焊球与SOI硅衬底键合，由于硅衬底的散热性能比较好，因此激光器可以得到更为有效的散热。

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 (9)

1.一种激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，包括：

激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导，其中，所述第一波导包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；

硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导将所述激光器芯片发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内，其中，所述第二波导包括第一氮化硅波导、第二氮化硅波导及硅波导；其中，所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；其中，所述第一氮化硅波导位于所述第一波导的下方，且所述第一氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导位于所述第一氮化硅波导的下方，且所述第二氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述硅波导位于所述第二氮化硅波导的下方，且所述硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第二氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合，所述硅波导的厚度为150nm～250nm。

2.根据权利要求1所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，各所述第一倒锥形波导部远离所述矩形波导部一端的宽度为10nm～1000nm，各所述第一倒锥形波导部与所述矩形波导部一体连接一端的宽度为100nm～10μm，各所述第一倒锥形波导部的长度为10μm～1000μm；各所述第二倒锥形波导部远离所述矩形波导部一端的宽度为10nm～1000nm，各所述第二倒锥形波导部与所述矩形波导部一体连接一端的宽度为100nm～10μm，各所述第二倒锥形波导部的长度为10μm～1000μm。

3.根据权利要求1所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，所述硅光芯片还包括：

第一衬底；

埋氧层，位于所述第一衬底的表面；所述硅波导位于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面；

第一介质层，位于所述埋氧层的表面，并覆盖所述硅波导；所述第二氮化硅波导位于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面；

第二介质层，位于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面，并覆盖所述第二氮化硅波导；所述第一氮化硅波导位于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面；

第三介质层，位于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面，且覆盖所述第一氮化硅波导。

4.根据权利要求3所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，所述激光器芯片还包括：

第二衬底；

第一掺杂类型三五族材料层，位于所述第二衬底的表面；

第一光学限制层，位于所述第一掺杂类型三五族材料层远离所述第二衬底的表面；所述第一波导位于所述第一光学限制层远离所述第一掺杂类型三五族材料层的表面；

第二光学限制层，位于所述第一波导远离所述第一光学限制层的表面；所述第二光学限制层包括键合部及凸台部，所述凸台部的厚度大于所述键合部的厚度；

第二掺杂类型三五族材料层，位于所述第二光学限制层的凸台部表面；

所述激光器芯片倒装焊接于所述硅光芯片的表面，且所述第二光学限制层的键合部与所述第三介质层的表面相接触。

5.根据权利要求4所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，所述第一波导包括三五族材料波导、多重量子阱材料波导或量子点材料波导，所述第一衬底包括硅衬底，所述第二衬底包括三五族材料衬底。

6.根据权利要求4所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，所述激光器与硅光芯片集成结构还包括：

第一焊盘，位于所述第二掺杂类型三五族材料层远离所述第二光学限制层的表面；

第二焊盘，位于所述第一衬底形成有所述硅波导的表面；

焊球，位于所述第一焊盘与所述第二焊盘之间，以将所述激光器芯片与所述硅光芯片焊接在一起。

7.一种激光器与硅光芯片集成结构的制备方法，其特征在于，所述激光器与硅光芯片集成结构的制备方法包括如下步骤：

制备激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导，其中，所述第一波导包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；

制备硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，其中，所述第二波导包括第一氮化硅波导、第二氮化硅波导及硅波导，所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；

将所述激光器芯片倒装焊接于所述硅光芯片上，以使得所述激光器芯片发出的光经由所述第二波导及所述第一波导以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内，其中，所述第一氮化硅波导位于所述第一波导的下方，且所述第一氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导位于所述第一氮化硅波导的下方，且所述第二氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述硅波导位于所述第二氮化硅波导的下方，且所述硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第二氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合。

8.根据权利要求7所述的激光器与硅光芯片集成结构的制备方法，其特征在于，制备所述硅光芯片包括如下步骤：

提供SOI衬底，所述SOI衬底包括由下至上依次叠置的第一衬底、埋氧层及外延硅层；所述第一衬底包括硅衬底；

刻蚀所述外延硅层以于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面形成硅波导；

于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面形成第一介质层，所述第一介质层覆盖所述硅波导；

于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面形成第二氮化硅波导；

于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述第二氮化硅波导；

于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面形成第一氮化硅波导；

于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面形成第三介质层，所述第三介质层覆盖所述第一氮化硅波导；

依次刻蚀去除部分所述第三介质层、所述第二介质层、所述第一介质层及所述埋氧层，以露出部分所述第一衬底。

9.根据权利要求8所述的激光器与硅光芯片集成结构的制备方法，其特征在于，制备所述激光器芯片包括如下步骤：

提供第二衬底；

于所述第二衬底上形成第一掺杂类型三五族材料层；

于所述第一掺杂类型三五族材料层远离所述第二衬底的表面形成第一光学限制层；

于所述第一光学限制层远离所述第一掺杂类型三五族材料层的表面形成第一波导，所述第一波导包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导共同构成第二波导；

于所述第一波导远离所述第一光学限制层的表面形成第二光学限制层；

于所述第二光学限制层远离所述第一波导的表面形成第二掺杂类型三五族材料层；

刻蚀所述第二掺杂类型三五族材料层及所述第二光学限制层，使得所述第二光学限制层包括键合部及凸台部，所述凸台部的厚度大于所述键合部的厚度，保留的所述第二掺杂类型三五族材料层位于所述凸台部表面。

Images