CN113568105A - 一种波导层间耦合结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种波导层间耦合结构及其制备方法，涉及硅光器件技术领域，以解决现有耦合结构存在层间耦合损耗较大的技术问题。所述波导层间耦合结构包括：基底。形成在基底上的第一波导；其中，第一波导位于基底的第一区域。形成在基底上的第一介质层，且第一介质层覆盖第一波导。以及形成在第一介质层上第二波导，其中，第二波导位于基底的第二区域，第一波导在基底上的投影与第二波导在基底上的投影具有重合区域，以使从第二波导出射的光耦合地进入第一波导中。第二波导靠近第一波导的一端具有台阶状结构，且沿第一波导至第二波导的方向，台阶状结构中的台阶的厚度依次增大。
Description
技术领域
本发明涉及硅光器件技术领域，尤其涉及一种波导层间耦合结构及其制备方法。
背景技术
硅材料作为光子集成芯片的衬底材料具有很大的好处，例如与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容，可降低大规模生产成本，同时有助于与电子芯片的光电融合。但随着应用领域的不断扩展，对光子器件的要求也越来越复杂，单纯的在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)衬底上制备功能复杂的SOI波导器件已无法满足未来发展的需要。
为了进一步提升光子集成芯片的性能，基于硅基的SiN-on-SOI混合集成材料平台受到了研究人员的广泛关注。将SOI与SiNx材料结合，可以实现复杂的、高性能的光子集成芯片。
但目前SOI与SiNx材料结合的光子集成芯片损耗较大，从而导致现有的波导层间结构的耦合损耗较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波导层间耦合结构及其制备方法，用于解决现有耦合结构存在层间耦合损耗较大的技术问题。
第一方面，本发明提供一种波导层间耦合结构，包括：
基底。形成在基底上的第一波导；其中，第一波导位于基底的第一区域。形成在基底上的第一介质层，且第一介质层覆盖第一波导。以及形成在第一介质层上第二波导，其中，第二波导位于基底的第二区域，第一波导在基底上的投影与第二波导在基底上的投影具有重合区域，以使从第二波导出射的光耦合地进入第一波导中。第二波导靠近第一波导的一端具有台阶状结构，且沿第一波导至第二波导的方向，台阶状结构中的台阶的厚度依次增大。
采用上述技术方案的情况下，本发明提供的波导层间耦合结构包括第一波导以及位于第一波导上方的第二波导，该第二波导具有台阶状结构。当光波进入波导层间耦合结构时，光波可以先进入第二波导中，也可以先进入第一波导中。例如，当光波先进入第二波导中时，光波首先进入第二波导厚度最大的台阶中，并依次从第二波导厚度最大的台阶传播至末端第二波导厚度最小的台阶中，由于光波的传输过程中，第二波导的厚度逐渐变小。此时，光波更容易从第二波导进入第一波导中，由此实现第二波导与第一波导之间的光波耦合。又例如，当光波先进入第一波导中时，光波从第一波导进入第二波导厚度最小的台阶中，并依次从第二波导厚度最小的台阶传播至第二波导厚度最大的台阶中，由于光波的传输过程中，第二波导的厚度逐渐变大。基于此，光波更容易从第以波导进入第二波导中，由此实现第一波导与第二波导之间的光波耦合。基于第二波导的台阶状结构，第二波导与第一波导耦合处的厚度较现有技术相对减小，故本发明中的第二波导与第一波导的耦合长度相对现有技术相对减小。因此，相对于现有技术，本发明的波导层间耦合结构的耦合损耗较小。
在实际应用中，本发明还可以在保证耦合效率的前提下，适当增大第一波导与第二波导之间的层间距离，有效减少高度集成时的层间串扰。
第二方面，本发明还提供一种波导层间耦合结构的制备方法，包括以下步骤：
提供一基底；
在基底上形成第一波导；其中，第一波导位于所述基底的第一区域；
在基底上形成覆盖第一波导的第一介质层；
在第一介质层上形成第二波导；其中，第二波导位于基底的第二区域，第一波导在基底上的投影与第二波导在基底上的投影具有重合区域，以使从第二波导出射的光耦合地进入第一波导中；第二波导靠近第一波导的一端具有台阶状结构，且沿第一波导至所述第二波到的方向，台阶状结构中的台阶的厚度依次增大。
与现有技术相比，本发明提供的波导层间耦合结构的制备方法的有益效果与上述技术方案所述波导层间耦合结构的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的波导层间耦合结构的剖视图；
图2为本发明实施例提供的波导层间耦合结构的俯视图；
图3为本发明实施例提供的第二波导的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的第一波导的结构示意图；
图5至图11为本发明实施例提供的波导层间耦合结构制备方法的过程示意图；
图12为本发明实施例提供的第二波导的另一种结构示意图；
附图标记：
100-基底，101-层间介质层，102-硅衬底，103-顶层硅，200-第一介质层，300-第一波导，301-硅光器件，400-第二波导，401-台阶状结构，402-子波导，500-第二介质层，600-光刻胶层。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示，本发明实施例提供一种波导层间耦合结构。包括：
基底100；形成在基底100上的第一波导300；其中，第一波导位于基底的第一区域，形成在基底100上第一介质层200。且第一介质层200覆盖第一波导300。以及形成在第一介质层200上第二波导400，其中，第二波导400位于基底100的第二区域，第一波导300在基底100上的投影与第二波导400在基底100上的投影具有重合区域，以使从第二波导400出射的光耦合地进入第一波导300中；
第二波导400靠近第一波导300的一端具有台阶状结构401，且沿第一波导300至第二波导400的方向，台阶状结构401中的台阶的厚度依次增大。
在实际应用中，波导层间耦合结构还可以包括形成在第一介质层200上的第二介质层500，且该第二介质层覆盖第二波导400。
作为一种具体的示例，如图1至图4所示，本发明实施例提供的波导层间耦合结构，光波进入(图示右侧)第二波导400后传播至末端(图示左侧)的台阶状结构401，其中，第二波导400具有台阶状结构401，且沿第一波导300至第二波导400的方向，台阶状结构401中的台阶的厚度依次增大。故第一波导300至第二波导400的方向第二波导400的尺寸逐渐减小，第二波导400的模场有效折射率随着变小。此时光波更加容易进入第一介质层200，第二波导400中的光波通过倏逝场耦合进入第一波导300中，由此实现第二波导400与第一波导300之间的光波耦合。基于第二波导的台阶状结构，第二波导与第一波导耦合处的厚度较现有技术相对减小，故本发明中的第二波导与第一波导的耦合长度相对现有技术相对减小。因此，相对于现有技术，本发明的波导层间耦合结构的耦合损耗较小。
实际中，波导的耦合系数与波导厚度(具体为芯层半宽度，对应第一波导300或第二波导400的厚度的一半)成反比，而耦合长度与耦合系数成反比。因此，为了减少波导的吸收损耗，提高波导耦合效率，则需要缩短耦合长度。基于此，本发明实施例提供的波导层间耦合结构通过减小第二波导与第一波导的耦合长度，以提高第一波导300与第二波导400耦合系数，从而提高波导耦合的效率。具体的，上述耦合长度对应于本发明实施例第二波导400，因此，本发明实施例中的第二波导400的厚度需要减小。基于此，本发明实施例提供的波导层间耦合结构中的第二波导400通过设置厚度渐变的台阶状结构401，以实现减小耦合长度，提高耦合系数，进而提高耦合效率的技术效果。
参照图5，上述基底100可以是SOI衬底，SOI衬底包括自下而上层叠的硅衬底102、层间介质层101以及顶层硅103，此时，顶层硅103通过图案化处理，形成相应的第一波导300。当然，上述基底100还可以是其他类型的衬底，基底100至少具有层间介质层101，作为第一波导300的下包层。
更为具体地，如图2所示，常规的平板耦合结构，两个波导均为平行形，其横截面为矩形。本发明实施例提供的第一波导300，其靠近第二波导400的一端除了可以为矩形外，还可以为锥形。由于锥形的端部越尖锐，其加工难度越大。当采用本发明实施例提供的波导层间耦合结构时，基于耦合系数增加，本发明实施例可以增大第一波导300与第二波导400的端部尖宽，以减小实际制备过程中的加工难度。
上述第一介质层200为折射率小于第一波导300折射率的介质材料。第一介质层200作为第一波导300的上包层，其材料优选采用与第一波导300下包层相同的材料。例如，当基底100为SOI衬底时，第一波导300的制备材料为硅，第一波导300相应的下包层(层间介质层101)与上包层(第一介质层200)的材料可以均为二氧化硅。在实际应用中，第一波导的制备材料也可以为锗或锗硅，第一介质层的材料也可以为其他材料，例如：二氧化锗。
当然，上述第一波导300也可形成与第二波导400相似的台阶状结构(可以参考如图1所示的台阶状结构401进行180°转动的结构示意)，以进一步提高本发明实施例中波导层间耦合结构的耦合系数。
需要说明的是，当基底100为其他类型的衬底时，第一波导300及对应的上包层、下包层的材料可以是其他材料，例如，第一波导300的制备材料的折射率为1.9～3.5，第一介质层200与层间介质层101制备材料的折射率为1～1.5。
上述第二波导400，其靠近第一波导300的一端可以为锥形，当然也可以为矩形。第一介质层200为折射率小于第二波导400折射率的介质材料。第二波导400的顶部还可以形成覆盖第二波导400的第二介质层500，第二介质层500作为第二波导400的上包层，其材料优选采用与第二波导400下包层(第一介质层200)相同的材料。例如，当基底100为SOI衬底时，第一波导300为硅，第二波导400相应的下包层(第一介质层200)的材料为二氧化硅，此时第二介质层500的材料与第一介质层200相同。其中，第二波导400可以为硅、氮化硅或氮氧化硅。
需要说明的是，当基底100为其他类型的衬底时，第二波导400及对应的上包层、下包层的制备材料可以是其他材料，例如，第二波导400的制备材料的折射率为1.9～3.5，第一介质层200与第二介质层500材料的折射率为1～1.5。
如图1与图3所示，在一种可能的实现方式中，波导层间耦合结构还可以包括形成在第一波导300远离所述第二波导的一端上的硅光器件301。例如：通过第一波导300进行刻蚀，并形成硅上波导型锗探测器，用于将光信号转化成电信号。当然，硅光器件301可以是除探测器以外的、可在第一波导300上形成的其他硅光器件301。
在一种可能的实现方式中，第二波导400采用沉积的方式形成在第一介质层200上，其厚度一般在400nm～1μm，或者更厚的尺寸。此时，台阶状结构401中最薄的台阶的厚度可以为50nm～150nm，和/或，台阶状结构401中相邻台阶之间的厚度差可以为50nm～150nm。
如图1与图4所示，第二波导400最理想的状态是形成楔形，但是光刻难以形成斜面，本发明中提供的台阶状结构401，以连续的台阶面，作为斜面的一种可实现的替代方式。
如图5至图11所示，本发明实施例还提供一种波导层间耦合结构的制备方法，包括以下步骤：
如图5所示，步骤S1：提供一基底100。
上述基底100至少具有层间介质层101，可以是SOI衬底。SOI衬底可以采用硅片键合和背面腐蚀法、智能剥离技术和注氧隔离法中任一种方法制备，或者采用已经制备完成的SOI衬底。
如图6所示，步骤S2：在基底100上形成第一波导300。其中，第一波导300位于基底100的第一区域。
当基底100采用SOI衬底时，对SOI衬底的顶层硅103进行图案化处理，得到第一波导300。
当基底100不采用SOI衬底，基底100具有层间介质层101，在层间介质层101沉积形成第一波导材料层，对第一波导材料层进行图案化处理，得到第一波导300。
如图6所示，步骤S3：对第一波导300进行图案化处理，并形成相应的硅光器件301。
其中，硅光器件301的波导刻蚀、外延、离子注入和热电极制备中涉及其他辅助工艺，均为现有成熟的工艺，而且不是本发明的核心改进点，因此不再赘述。硅光器件301包括硅光无源器件和硅光有源器件，其中，硅光无源器件包括但不限于硅或氮化硅波导、光栅、阵列波导光栅、微环谐振器、多模干涉器、热光器件等，硅光有源器件包括但不限于调制器和探测器。
如图7所示，步骤S4：在基底100上形成第一介质层200，其中第一介质层200覆盖所述第一波导300。
当基材采用SOI衬底时，SOI衬底中层间介质层101为二氧化硅，第一介质层200也可以为二氧化硅。第一介质层200可以采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，缩写为CVD)、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，缩写为MBE)等现有任意一种沉积工艺在第一波导300以及层间介质层101的表面形成第一介质层200。
当基材不采用SOI衬底时，第一介质层200根据层间介质层101使用的材料，并根据实际材料采用合适的沉积方式，在第一波导300以及层间介质层101的表面形成第一介质层200。
S410：减薄第一介质层200至预设厚度。
上述第一介质层200的预设厚度根据设计的波导层间距离而定，减薄的方式可以采用干法刻蚀或者化学机械抛光。
如图8与图9所示，步骤S5：在第一介质层200上形成第二波导400；其中，第二波导位于基底的第二区域，第一波导在基底上的投影与第二波导在基底上的投影具有重合区域，以使从第二波导出射的光耦合地进入第一波导中；第二波导靠近第一波导的一端具有台阶状结构，且沿第一波导至第二波到的方向，台阶状结构中的台阶的厚度依次增大。
第二波导400采用折射率为1.9～3.5的材料，例如，硅、氮化硅或氮氧化硅。其中，第二波导400材料层可以采用现有的任一种实现方式沉积在第一介质层200上。随后对第二波导400材料层进行图案化处理，得到第二波导400。
在一种可能的实现方式中，在第一介质层200上形成第二波导400，包括以下步骤：
S511：根据所述第二波导400的厚度，获得台阶状结构401的台阶数目以及各级台阶的厚度。
其中，常规第二波导400的厚度可以为400nm～1μm，各级预设台阶的厚度可以为100nm，那么可以得到预设台阶数目为4～10级。
S512：按照自下而上的顺序，依次在第一介质层200上形成各级台阶，得到台阶状结构401。
每一次图案化处理后，测量台阶的厚度时候满足以下要求：
台阶状结构401的最薄的台阶厚度为50～150nm，和/或，台阶状结构401中相邻台阶之间的厚度差为50nm～150nm。
上述对第二波导400的图案化处理，根据具体使用的材料，采用相应的刻蚀方式。例如，当第二波导400为氮化硅时，可以利用干法刻蚀形成台阶状结构401，上述干法刻蚀的反应气体可以是由六氟化硫与氧气形成的混合气体。
上述步骤S511～步骤S512，为利用刻蚀的方式形成第二波导400以及相应的台阶状结构401。本发明实施例还提供另一种方式形成上述第二波导400以及台阶状结构401，如图11与图12所示，包括：
S521：在第一介质层200上光刻胶层600，显影，形成一个子波导402相应的图案。
S522：在第一介质层200中无光刻胶层600的区域形成子波导402。
S523：重复步骤S521与S522，形成多个子波导402，每两个相邻的子波导402之间形成相应台阶，得到上述台阶状结构401。
上述方法不需要刻蚀的方式即可得到上述台阶状结构401，步骤S522中，可以通过化学机械抛光等方式将子波导402以及光刻胶层600减薄至相应的厚度。子波导402的形成方式可以采用现有的任一种沉积的方式形成。此时光刻胶层600也相应包含了多个子光刻胶层600，完成所有子波导402的形成后，去除光刻胶，即可进行第二波导400的上包层的形成工艺。
将台阶状结构401，按各个台阶厚度，划分为相应的多个子波导402，通过光刻胶与沉积的常规手段，在不使用刻蚀的方式即可形成相应的台阶状结构401，提供了另外一种可能的实现方式。
此时，假如第一波导300也需要形成类似台阶状结构，可以参考上述步骤S521～S523，当时上述形成多个子波导402的方法，对于能够进行沉积材料的适用性更强，如二氧化硅与氮化硅。
在一种可能的实现方式中，本发明实施例提供的制备方法还包括以下步骤：
如图10所示，步骤S6：在第一介质层200上形成覆盖第二波导400的第二介质层500。
当基材采用SOI衬底时，层间介质层101与第一介质层200为二氧化硅，第二介质层500也可以为二氧化硅。第二介质层500可以采用化学气相沉积、分子束外延等现有任意一种沉积工艺在第二波导400以及第一介质层200的表面形成第二介质层500。
当基底不采用SOI衬底时，第二介质层500根据第一介质层200使用的材料，并根据实际材料采用合适的沉积方式，在第二波导400以及第一介质层200的表面形成第二介质层500。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种波导层间耦合结构，其特征在于，包括：
基底；
形成在所述基底上的第一波导；其中，所述第一波导位于所述基底的第一区域；
形成在所述基底上的第一介质层，且所述第一介质层覆盖所述第一波导；
以及形成在所述第一介质层上第二波导，其中，所述第二波导位于所述基底的第二区域，所述第一波导在所述基底上的投影与所述第二波导在所述基底上的投影具有重合区域，以使从所述第二波导出射的光耦合地进入所述第一波导中；
所述第二波导靠近所述第一波导的一端具有台阶状结构，且沿所述第一波导至所述第二波导的方向，所述台阶状结构中的台阶的厚度依次增大。
2.根据权利要求1所述的波导层间耦合结构，其特征在于，所述波导层间耦合结构还包括形成在所述第一介质层上的第二介质层，且所述第二介质层覆盖所述第二波导。
3.根据权利要求1所述的波导层间耦合结构，其特征在于，所述第一波导远离所述第二波导的一端形成有硅光器件。
4.根据权利要求1所述的波导层间耦合结构，其特征在于，当所述第二波导的厚度为400nm～1μm，所述台阶状结构中最薄的台阶的厚度为50nm～150nm；和/或，
当所述第二波导的厚度为400nm～1μm，所述台阶状结构中相邻台阶之间的厚度差为50nm～150nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的波导层间耦合结构，其特征在于，所述第一波导的制备材料的折射率为1.9～3.5，和/或，所述第二波导的制备材料的折射率为1.9～3.5。
6.根据权利要求1-4任一项所述的波导层间耦合结构，其特征在于，所述第一波导的制备材料的折射率大于所述第一介质层的制备材料的折射率。
7.根据权利要求1-4任一项所述的波导层间耦合结构，其特征在于，所述第一波导的制备材料为硅、锗或锗硅；和/或，所述第二波导的制备材料为硅、氮化硅或氮氧化硅；和/或，所述第一介质层的制备材料为氧化硅或氧化锗。
8.一种波导层间耦合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一基底；
在所述基底上形成第一波导；其中，所述第一波导位于所述基底的第一区域；
在所述基底上形成第一介质层，其中所述第一介质层覆盖所述第一波导；
在所述第一介质层上形成第二波导；其中，所述第二波导位于所述基底的第二区域，所述第一波导在所述基底上的投影与所述第二波导在所述基底上的投影具有重合区域，以使从所述第二波导出射的光耦合地进入所述第一波导中；所述第二波导靠近所述第一波导的一端具有台阶状结构，且沿所述第一波导至所述第二波到的方向，所述台阶状结构中的台阶的厚度依次增大。
9.根据权利要求8所述的波导层间耦合结构的制备方法，其特征在于，所述在所述第一介质层上形成第二波导，包括以下步骤：
根据所述第二波导的厚度，获得所述台阶状结构的台阶数目以及各级台阶的厚度；
按照自下而上的顺序，依次在所述第一介质层上形成各级台阶，得到所述台阶状结构。
10.根据权利要求8所述的波导层间耦合结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括以下步骤：
在所述第一介质层上形成覆盖所述第二波导的第二介质层。
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