CN111129941B - 一种硅基集成激光器芯片倒装耦合结构 - Google Patents

一种硅基集成激光器芯片倒装耦合结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，该结构的左侧为有源激光器芯片，该结构的右侧为无源硅基芯片，无源硅基芯片的左侧开有沟槽，有源激光器芯片通过倒装在该沟槽内与无源硅基芯片实现键合；无源硅基芯片中设有绝缘体上硅，绝缘体上硅的外延部分作为光的耦合与接收通道；有源激光器芯片的顶层和底层设有与电极相连的金属接触；有源激光器芯片作为激励源发光，光通过倏逝场耦合进入绝缘体上硅的外延通道内形成光场传输。本发明能够实现有源器件与无源器件的高效光耦合，为大规模光子集成技术奠定基础。

Description

一种硅基集成激光器芯片倒装耦合结构
技术领域
本发明属于半导体光电子集成耦合领域，特别涉及了一种有源器件在无源硅基上的异质集成结构。
背景技术
近年来，异质集成III-V/Si激光器发展迅速。利用无源硅波导的低损耗(<1dB/cm)可以实现各种激光器配置，例如窄线宽和低相位噪声激光器、广泛可调谐的激光器和多波长激光器，这些满足了下一代高容量相干通信系统的需求。但是，由于III-V半导体的直接带隙和高光增益，同时又因为硅是间接带隙的半导体材料、发光效率低,因此硅一直以来被认为不适合制作光源或探测器件，所以将III-V激光器、调制器或探测器等有源器件集成在硅基上具有重要的研究价值。
硅基片上光源目前主要技术方案是在硅衬底上直接生长III-V族材料，但硅材料和镓砷、铟磷的晶格常数和热膨胀系数失配很大,虽然目前通过复杂的设计可以很好地控制铟磷材料直接生长的缺陷密度,然而其所得到的尺寸还在纳米尺度范围,想要获得大规模集成还存在很大困难。
现有的硅基集成激光器技术专利如：中国专利公布文献(公开号CN110289553A)《多波长硅基Ⅲ—Ⅴ族混合集成激光器、其阵列单元和制备方法》提出一种在激光器阵列中每个阵列波导采用多个波导耦合进一个硅波导作为单波长输出的单元旨在提高激光器的输出功率，但相应的多波导耦合会引入插入损耗，其功耗和热稳定性对大规模集成具有不利影响；中国专利公布文献(公开号CN102684072A)《混合集成激光器及其制备方法》提出一种混合集成激光器及其制备方法旨在实现一种低功耗、集成度高和可实用化的硅基集成激光器芯片光源，但其只涉及有源激光芯片的键合设计，没有实现硅基无源芯片与有源芯片的光互连。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种硅基集成激光器芯片倒装耦合结构。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，该结构的左侧为有源激光器芯片，该结构的右侧为无源硅基芯片，无源硅基芯片的左侧开有沟槽，有源激光器芯片通过倒装在该沟槽内与无源硅基芯片实现键合；无源硅基芯片中设有绝缘体上硅，绝缘体上硅的外延部分作为光的耦合与接收通道；有源激光器芯片的顶层和底层设有与电极相连的金属接触；有源激光器芯片作为激励源发光，光通过倏逝场耦合进入绝缘体上硅的外延通道内形成光场传输。
基于上述技术方案的优选方案，所述有源激光器芯片由上至下依次包括N型欧姆接触层、N型覆盖层、有源区、P型覆盖层和P型欧姆接触层，N型欧姆接触层连接N电极，P型欧姆接触层连接P电极。
基于上述技术方案的优选方案，所述绝缘体上硅由下至上依次包括衬底、硅波导和衬顶，硅波导与有源激光器芯片中的有源区位于同一高度，从而形成横向倏逝场耦合。
基于上述技术方案的优选方案，所述硅波导为直型脊波导。
基于上述技术方案的优选方案，所述绝缘体上硅中的衬顶上覆盖绝缘层。
基于上述技术方案的优选方案，所述有源激光器芯片中的N型覆盖层沿横向外延覆盖到无源硅基芯片上。
基于上述技术方案的优选方案，所述有源激光器芯片中的P型覆盖层的两侧设置绝缘层。
基于上述技术方案的优选方案，所述有源激光器芯片与无源硅基芯片之间存在工艺容差间隙。
基于上述技术方案的优选方案，所述工艺容差间隙的尺寸控制在4微米以下。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明提出的硅基集成激光器芯片倒装耦合结构可以实现有源器件在无源SOI上的异质集成，利用倒装键合技术将有源芯片倒装进无源SOI沟槽上可实现大规模集。本发明提出的硅基集成激光器芯片倒装耦合结构是基于光的倏逝场耦合原理，将光从有源区耦合到无源区中，没有端面反射和面积失配的影响，可实现光的高效耦合并在低损耗硅波导内传输。经实验证明，当有源与无源区的间隙控制在4微米内，其耦合效率超过70％。
附图说明
图1是本发明的立体结构图；
图2是本发明的截面示意图。
图中的标号说明：001、N型欧姆接触层；002、N型覆盖层；003、有源区；004、绝缘层；005、P型覆盖层；006、P型欧姆接触层；007、绝缘层；008、SOI的衬顶；009、SOI的硅波导；010、SOI的衬底；011、SOI外延部分；012、工艺容差间隙。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计的一种硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，如图1-2所示，该结构的左侧为有源激光器芯片，该结构的右侧为无源硅基芯片，无源硅基芯片的左侧开有沟槽，有源激光器芯片通过倒装在该沟槽内与无源硅基芯片实现键合；无源硅基芯片中设有绝缘体上硅(SOI)，绝缘体上硅的外延部分011作为光的耦合与接收通道；有源激光器芯片的顶层和底层设有与电极相连的金属接触；有源激光器芯片作为激励源发光，光通过倏逝场耦合进入绝缘体上硅的外延通道内形成光场传输。
如图1-2所示，所述有源激光器芯片由上至下依次层叠N型欧姆接触层001、N型覆盖层002、有源区003、P型覆盖层005和P型欧姆接触层006，N型欧姆接触层001连接N电极，P型欧姆接触层006连接P电极。
如图1-2所示，所述无源硅基芯片由下至上依次层叠衬底010、硅波导009和衬顶008。硅波导009与有源激光器芯片中的有源区003保持在同一高度，从而形成横向倏逝场耦合。在本实施例中，衬顶008的材质为SiO2，硅波导009为直型脊波导。
如图1-2所示，在本实施例中，在衬顶008的上方覆盖一层绝缘层007，该绝缘层007的材质为SiN，防止倒装激光器芯片时损坏SOI。
如图1-2所示，在本实施例中，覆盖层002横向外延覆盖并倒装在无源硅基芯片上。
如图1-2所示，在本实施例中，P型覆盖层005的两侧设置绝缘层004，约束横向光扩散角。
如图1-2所示，在本实施例中，有源激光器芯片与无源硅基芯片之间存在工艺容差间隙012，工艺容差间隙012的尺寸理想条件下控制在4微米以内时，可实现大于70％的光耦合效率。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，其特征在于：该结构的左侧为有源激光器芯片，该结构的右侧为无源硅基芯片，无源硅基芯片的左侧开有沟槽，有源激光器芯片通过倒装在该沟槽内与无源硅基芯片实现键合；无源硅基芯片中设有绝缘体上硅，绝缘体上硅的外延部分作为光的耦合与接收通道；有源激光器芯片的顶层和底层设有与电极相连的金属接触；有源激光器芯片作为激励源发光，光通过倏逝场耦合进入绝缘体上硅的外延通道内形成光场传输；所述有源激光器芯片由上至下依次包括N型欧姆接触层、N型覆盖层、有源区、P型覆盖层和P 型欧姆接触层，N型欧姆接触层连接N电极，P 型欧姆接触层连接P电极；所述绝缘体上硅由下至上依次包括衬底、硅波导和衬顶，硅波导与有源激光器芯片中的有源区位于同一高度，从而形成横向倏逝场耦合。
2.根据权利要求1所述硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，其特征在于：所述硅波导为直型脊波导。
3.根据权利要求1所述硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，其特征在于：所述绝缘体上硅中的衬顶上覆盖绝缘层。
4.根据权利要求1所述硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，其特征在于：所述有源激光器芯片中的N型覆盖层沿横向外延覆盖到无源硅基芯片上。
5.根据权利要求1所述硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，其特征在于：所述有源激光器芯片中的P型覆盖层的两侧设置绝缘层。
6.根据权利要求1所述硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，其特征在于：所述有源激光器芯片与无源硅基芯片之间存在工艺容差间隙。
7.根据权利要求6所述硅基集成激光器芯片倒装耦合结构，其特征在于：所述工艺容差间隙的尺寸控制在4微米以下。
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