CN114600017A - 光电子装置及其制造方法 - Google Patents

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W·维斯
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Abstract

一种光电子装置(100)。所述装置(100)包括：绝缘体上硅SOI晶片(120)，所述SOI晶片包括空腔(126)和输入波导(116)，所述输入波导(116)光学地耦合到所述空腔(126)中；以及镜(110)，所述镜位于所述空腔(126)内并且接合(128)到所述空腔的底床，所述镜(110)包括反射器(114)，所述反射器被配置成反射从所述SOI晶片(120)中的所述输入波导(116)接收到的光(124)。

Description

光电子装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光电子装置及其制造方法。
背景技术
在光电子装置领域中，优选地制备可紧凑地集成到消费型电子器件中的装置。然而，典型的光电子装置在装置的横向边缘处发射光并且这不利于紧凑集成。
则需要开发通过装置的上表面或下表面发射光同时还提供保护以不受环境影响并且可低成本地制造并具有低光学损耗的装置。
发明内容
因此，在第一方面中，本发明的实施方案提供一种光电子装置，所述光电子装置包括：绝缘体上硅SOI晶片，所述SOI晶片包括空腔和输入波导，所述输入波导光学地耦合到所述空腔中；以及
镜，所述镜位于所述空腔内并且接合到所述空腔的底床，所述镜包括反射器，所述反射器被配置成反射从所述SOI晶片中的所述输入波导接收到的光。
所述装置达成低损耗平面外光学转折，并且在显示出宽带性能的同时适合于大量制造。此外，所述装置可证明在宽的温度范围内可靠性得以增强。
所述光电子装置可具有以下任选特征中的任一者，或在以下任选特征兼容的程度上具有以下任选特征的任何组合。
所述镜可以是微镜。所说的微镜可意指所述镜具有小于100 μm的厚度和约1 mm x2 mm或1 mm x 1 mm的横向尺寸。
所述镜可由硅形成，并且所述反射器可由金属形成并可面向所述输入波导。
所述装置还可包括在所述反射器与所述空腔的所述底床之间的底部填充胶。所述底部填充胶可由环氧树脂或凝胶制成，并且可提供折射率匹配(且因此提供较低的光学损耗)、增大的可靠性和环境控制。
所述装置还可包括位于所述镜与所述空腔的所述底床之间的粘合剂层。所述粘合剂可以是例如环氧树脂，诸如Addision Clear Wave A8539-DM。所述粘合剂可由与底部填充胶相同的材料制成。
所述装置还可包括沿着所述空腔的一个或多个侧壁和底床设置的抗反射涂层。所述抗反射涂层可被图案化以对光进行波长选择性移除或频率选择性移除。
所述输入波导可位于所述SOI晶片的装置层内。
所述输入波导可被配置成沿着引导方向引导光，并且所述输入波导与所述空腔之间的耦合界面可相对于所述引导方向而成锐角。所说的锐角可意指可依据垂直于界定所述耦合界面的平面延伸的向量描述所述耦合界面，并且引导方向与所述向量之间的角度小于90°。从上文来看，此形成与引导方向交叉而倾斜地延伸的耦合界面。
所述空腔可超出所述SOI晶片的绝缘体层而延伸到所述SOI晶片的衬底中。
所述装置还可包括在所述SOI晶片的装置层上方的上包覆层。
所述镜可具有梯形横截面，并且一对不平行侧面中的一者可面向所述输入波导。
所述镜可被配置成朝向所述空腔的所述底床反射从所述输入波导接收到的光。此可有助于避开电子组件。
所述镜可被配置成使所述光反射约45°的角度。
所述装置还可包括脊形突起，所述脊形突起从所述空腔的所述底床立起并且环绕所述镜的突出部分，所述镜的所述突出部分接合到所述空腔的所述底床。所述脊形突起结构为所述镜提供无源对准结构并且增大所述结构的尺寸准确性。其允许通过相对于输入波导而固定旋转、倾斜、摇摆以及X-移位或Y-移位来进行精密对准。所述脊形突起与镜的凹槽介接，从而环绕所述突出部分。Y-对准可通过所述脊形突起的高度来达成。这些对准结构基本上降低了穿过所述光电子装置的功率损耗。
在第二方面中，本发明的实施方案提供一种制造光电子装置的方法，所述方法包括：
提供绝缘体上硅SOI晶片，所述SOI晶片包括在其中蚀刻出的空腔和光学地耦合到所述空腔的输入波导；
提供装置试样，所述装置试样包括镜；以及
将所述镜接合到所述SOI晶片的所述空腔以使得所述镜反射从所述SOI晶片中的所述输入波导接收到的光。
所述方法提供一种具有低损耗平面外光学转折的装置并且在显示出宽带性能的同时适合于大量制造。
所述方法可具有以下任选特征中的任一者或在以下任选特征兼容的程度上具有以下任选特征的任何组合。
将所述镜接合到所述SOI晶片的所述空腔可包括倒装芯片接合工艺。
将所述镜接合到所述SOI晶片的所述空腔可包括使用微转印工艺。所述微转印工艺可包括在将所述镜转移到所述空腔中之前将粘合剂提供到所述空腔中。所述粘合剂可以是例如介电质，例如BCB或苯并环丁烯。
将所述镜接合到所述SOI晶片的所述空腔可包括在所述镜与所述空腔之间沉积粘合剂。
从第二方面的所述方法得到的所述光电子装置可包括第一方面的光电子装置的特征中的任一者。
在第三方面中，本发明的实施方案提供一种使用第二方面的方法生产的光电子装置。
本发明的其它方面提供：一种包括代码的计算机程序，所述代码在计算机上运行时使得所述计算机执行第二方面的方法；一种计算机可读介质，所述计算机可读介质存储包括代码的计算机程序，所述代码在计算机上运行时使得所述计算机执行第二方面的方法；以及计算机系统，所述计算机系统被编程为执行第二方面的方法。
附图说明
现在将参考附图通过实例描述本发明的实施方案，在附图中：
图1示出光电子装置的第一横截面图；
图2示出图1的光电子装置的第二横截面图；
图3示出图1和图2的光电子装置的部分俯视图；
图4是图3的放大选段；
图5是有角度波导的示意图；
图6是图1的光电子装置的3D立体图；
图7是图1的光电子装置的部分3D侧视图；
图8是变形光电子装置的横截面图；并且
图9是包括图1的光电子装置的光学系统的扩展部分的横截面图。
具体实施方式
现在将参考附图论述本发明的各方面和实施方案。本领域中的技术人员将明白其它方面和实施方案。
图1示出光电子装置100的第一横截面图。所述装置包括绝缘体上硅(SOI)晶片，所述SOI晶片由硅衬底120、隐埋式氧化物层118和装置层116形成。空腔存在于所述晶片中，并且延伸穿过装置层116、隐埋式氧化物层118并且部分地穿过衬底120。镜(且具体来说，微镜) 110位于空腔内并且因此经由粘合剂128接合到底床。所述微镜包括硅块112，所述硅块112安装有反射器114。在此实例中，反射器由诸如铝或铜等金属制成。所述反射器被定位成使得光124在从装置层116中的一个或多个波导发射时朝向衬底向下反射。衬底120具有的厚度使得其对光电子装置中所使用的光124基本上透明。未被镜110占据的空腔填充有底部填充胶126。所述底部填充胶可由环氧树脂或凝胶形成。有利地，所述底部填充胶可用作空腔、硅装置层和/或硅衬底之间的折射率匹配填充胶。所述底部填充胶还提供环境控制并且提高可靠性。所述镜可通过各向异性蚀刻来制作。在图1中可看到，镜110具有梯形横截面并且一对不平行侧面中的一者包括反射器114。
光电子装置包括抗反射涂层122，所述抗反射涂层122涂布空腔并且涂布衬底的相对表面(在图1中是下表面)。衬底的此相对表面是光124一旦由镜110反射则将从中离开的表面。所述空腔还包括一个或多个脊形突起124。这些脊形突起从空腔的底床突出，并且用于通过无源对准物理地将镜110定位在空腔中。图2示出图1的光电子装置的第二横截面图，所述第二横截面图相对于图1中所示的横截面而成90°。可看到，在此实例中脊形突起围绕大体矩形镜110的全部四个侧面延伸。
图3示出图1和图2的光电子装置的部分俯视图。图3中的视图为清晰起见省略了各种层，并且示出原本在正常情况下会被其它结构隐藏的各种特征(例如脊形突起132)。可看到，在图1的实例中，所述装置含有布置在硅块112的四个隅角处的四个脊形突起132。距反射器114最远的两个脊形突起围绕硅块的两侧延伸，并且因此将硅块定位在X和Y上。而位置最靠近反射器114的脊形突起仅沿着硅块的相应的一侧延伸并且因此仅将硅块定位在X上。图3还示出波导阵列134，所述波导阵列134含有在装置层内。所述波导阵列包括多个硅波导，所述硅波导是通过在脊形突起或肋形部的任一侧上蚀刻出沟槽而形成。可例如通过反应性离子蚀刻来蚀刻出所述沟槽。然后，将所述波导涂布上包覆层以提供光学约束。图4是图3的放大选段。可看到，波导脊形突起402将沟槽404分隔开，借此提供脊形波导或肋形波导。所述波导在邻近空腔的一端处包括有角度小面或界面406。图5是有角度波导小面或界面的示意图。所述有角度小面通过将在界面处向空腔中的背射最小化来进一步减小光学损耗。
图6是图1的光电子装置的3D立体图，并且图7是在将镜接合到SOI晶片之前图1的光电子装置的部分3D侧视图。在制作期间，将镜从在上面制作所述镜的装置晶片倒装芯片接合到或微转印到SOI晶片(可被称为平台晶片)的空腔中。先前所论述的脊形突起134在组装期间确保自对准。
图8是变形光电子装置200。在所述变形光电子装置具有与先前所示的光电子装置相同的特征的情况下，通过相似的参考编号来指示相似的特征。与图1中所示的变形光电子装置形成对比，图8的镜210中的反射器214被定位成使得光124在从装置层116中的一个或多个波导发射时远离衬底120而向上反射。因此硅块212部分地围绕脊形突起132延伸。
图9示出含有图1的光电子装置100的光学系统的扩展部分。在此，准直光学器件900 (例如由微透镜形成)定位在反射器114的下游。应注意，还可为图8中所示的光电子装置200设置所述准直光学器件，在所述光电子装置200上所述准直光学器件将位于衬底上方。准直光学器件可被设置为例如粘合到衬底的下表面的透镜。
虽然上述实施方案的SOI晶片全部包括脊形突起124，但在其它实施方案(未示出)中这些脊形突起并不存在。在此，硅块112或212通常将具有用于接合到空腔的底床的平坦下表面。
描述中或随附权利要求书中或附图中公开的以特定形式或依据用于执行所公开的功能或用于获得所公开结果的方法或工艺的构件而表达的特征在适当情况下可单独地或以所述特征的任何组合来用于以其多种形式实现本发明。
虽然已结合上述示例性实施方案描述了本发明，但本领域中的技术人员在考量本公开时将明白诸多等效修改和变化。因此，本发明的上述示例性实施方案被视为图解说明性的而非限制性的。可对所述实施方案做出各种改变，而此并不背离本发明的精神和范围。
为了避免任何疑问，本文中提供的任何理论阐释是出于提高读者的理解的目的而提供。发明人不希望受这些理论解释中的任一者的束缚。
本文中所使用的任何章节标题仅出于组织目的，并不应被视为限制所述的主题。
在包括随附权利要求书在内的整个说明书中，除非上下文另外要求，否则词语“包括(comprise)”和“包含(include)”及变型(诸如“包括(comprises/comprising)”和“包含(including)”)将被理解为隐含包括规定的整数或步骤或者整数或步骤的群组，但不排除任何其他整数或步骤或者整数或步骤的群组。
必须注意，除非上下文另有明确规定，否则说明书和随附权利要求书中所使用的单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”包括复数指示物。范围在本文中可表达为从“约”一个特定值和/或到“约”另一特定值。当表达所述范围时，另一实施方案包括从所述一个特定值和/或到所述另一特定值。类似地，在通过使用先行词“约”将值表达为近似值时，将理解所述特定值形成另一实施方案。与数值相关的术语“约”是任选的并且意指例如+/-10%。
特征列表
100 光电子装置
110 镜
112 硅块
114 反射器
116 SOI层
118 隐埋式氧化物
120 衬底
122 抗反射涂层
124 光透射路径
126 底部填充胶
128 粘合剂
130 包覆层
132 脊形突起
134 波导阵列
210 镜
212 硅块
214 反射器
404 沟槽
402 波导脊形突起
406 界面

Claims (20)

1. 一种光电子装置，所述光电子装置包括：
绝缘体上硅SOI晶片，所述SOI晶片包括空腔和输入波导，所述输入波导光学地耦合到所述空腔中；以及
镜，所述镜位于所述空腔内并且接合到所述空腔的底床，所述镜包括反射器，所述反射器被配置成反射从所述SOI晶片中的所述输入波导接收到的光。
2.如权利要求1所述的光电子装置，其中所述镜是微镜。
3.如权利要求1或权利要求2所述的光电子装置，其中所述镜由硅形成，并且所述反射器由金属形成并面向所述输入波导。
4.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述装置还包括在所述反射器与所述空腔的所述底床之间的底部填充胶。
5.如任一前述权利要求所述的光电子装置，所述光电子装置还包括位于所述镜与所述空腔的所述底床之间的粘合剂层。
6.如任一前述权利要求所述的光电子装置，所述光电子装置还包括沿着所述空腔的一个或多个侧壁和底床设置的抗反射涂层。
7.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述输入波导位于所述SOI晶片的装置层内。
8.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述输入波导被配置成沿着引导方向引导光，并且所述输入波导与所述空腔之间的耦合界面相对于所述引导方向而成锐角。
9.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述空腔超出所述SOI晶片的绝缘体层而延伸到所述SOI晶片的衬底床中。
10.如任一前述权利要求所述的光电子装置，所述光电子装置还包括在所述SOI晶片的装置层上方的上包覆层。
11.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述镜具有梯形横截面，并且其中一对不平行侧面中的一者面向所述输入波导。
12.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述镜被配置成朝向所述空腔的所述底床反射从所述输入波导接收到的光。
13.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述镜被配置成使所述光反射约45°的角度。
14.如任一前述权利要求所述的光电子装置，所述光电子装置还包括脊形突起，所述脊形突起从所述空腔的所述底床立起并且环绕所述镜的突出部分，所述镜的所述突出部分接合到所述空腔的所述底床。
15.一种制造光电子装置的方法，所述方法包括：
提供绝缘体上硅SOI晶片，所述SOI晶片包括在其中蚀刻出的空腔和光学地耦合到所述空腔的输入波导；
提供装置试样，所述装置试样包括镜；以及
将所述镜接合到所述SOI晶片的所述空腔，以使得所述镜反射从所述SOI晶片中的所述输入波导接收到的光。
16.如权利要求15所述的方法，其中将所述镜接合到所述SOI晶片的所述空腔包括使用倒装芯片接合工艺。
17.如权利要求15所述的方法，其中将所述镜接合到所述SOI晶片的所述空腔包括使用微转印工艺。
18.如权利要求15至17中任一项所述的方法，其中将所述镜接合到所述SOI晶片的所述空腔包括在所述镜与所述空腔之间沉积粘合剂。
19.如权利要求15至18中任一项所述的方法，其中从所述方法得到的所述光电子装置具有如权利要求1至14所述的特征中的任一者。
20.一种光电子装置，所述光电子装置是使用如权利要求15至19中任一项所述的方法生产。
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