CN116487999A - 硅基衬底、光源及其制造方法、光芯片、设备 - Google Patents
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Abstract
一种硅基衬底、光源及其制造方法、光芯片、设备，属于半导体技术领域。该硅基光源包括：光源结构和硅基衬底；硅基衬底包括：依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，且硅基衬底中耦合波导结构所在侧具有凹槽，且凹槽的底面位于硅衬底；光源结构位于凹槽的底面，光源结构包括激光器，激光器的出光面与耦合波导结构的入光面耦合。本申请丰富了硅基光源的结构，本申请用于采用光信号通信的设备。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种硅基衬底、光源及其制造方法、光芯片、设备。
背景技术
硅基光源是光芯片中的重要组成部分，硅基光源用于提供光信号。
目前，硅基光源包括依次层叠的硅衬底、介质层、耦合波导结构、粘合层和激光器。其中，激光器的出光面朝向耦合波导结构，且该出光面与耦合波导结构靠近激光器一侧的入光面耦合，激光器发出的激光能够传输至耦合波导结构，并通过耦合波导结构传输至硅基光源外。
但是，硅基光源的结构较为单一。
发明内容
本申请提供了一种硅基衬底、光源及其制造方法、光芯片、设备，可以解决硅基光源的结构较为单一的问题，所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种硅基衬底，包括：依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构；所述硅基衬底中所述耦合波导结构所在侧具有凹槽，且所述凹槽的底面位于所述硅衬底。
可选地，所述凹槽的底面凹陷于所述硅衬底靠近所述耦合波导结构的表面。
可选地，所述凹槽的底面包括平面、V形面或弧面。
可选地，所述耦合波导结构包括：沿远离所述凹槽的方向依次排布且相互耦合的模斑耦合器和光波导。
第二方面，提供了一种硅基光源，包括：光源结构，以及第一方面中任一设计所述的硅基衬底；
所述硅基衬底包括：依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，且所述硅基衬底中所述耦合波导结构所在侧具有凹槽，且所述凹槽的底面位于所述硅衬底；
所述光源结构位于所述凹槽的底面，所述光源结构包括激光器，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面耦合。
可选地，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面光学校准。
可选地，所述出光面的中心与所述硅衬底远离所述耦合波导结构的表面具有第一距离；所述入光面的中心与所述硅衬底远离所述耦合波导结构的表面具有第二距离；所述第一距离与所述第二距离之差的绝对值小于或等于10纳米。
可选地，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面相间隔。
可选地，所述激光器包括：沿远离所述硅基衬底的方向依次排布的第一电极层、第一掺杂包覆层、有源层、第二掺杂包覆层和第二电极层；
所述硅基光源满足以下至少一种条件：
所述有源层靠近所述耦合波导结构的一侧具有开口，所述出光面位于所述开口的底面；
以及，所述有源层与所述凹槽的侧面存在间隔。
可选地，所述激光器的材料包括四族材料、三五族材料或二六族材料。
可选地，所述光源结构还包括：位于所述凹槽的底面和所述激光器之间的缓冲层，所述缓冲层用于缓冲所述硅衬底与所述激光器的晶格失配。
可选地，所述缓冲层的材料包括四族材料、三五族材料或二六族材料。
第三方面，提供了一种硅基光源的制造方法，所述方法包括：制造第二方面中任一设计所述的硅基光源。
可选地，所述制造第二方面中任一设计所述的硅基光源，包括：
制造第一方面中任一设计所述的硅基衬底，所述硅基衬底包括：依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，且所述硅基衬底中所述耦合波导结构所在侧具有凹槽，且所述凹槽的底面位于所述硅衬底；
在所述硅基衬底中凹槽的底面形成光源结构，所述光源结构包括激光器，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面耦合。
可选地，在所述硅基衬底中凹槽的底面形成光源结构，包括：
采用外延工艺在所述硅基衬底中凹槽的底面形成所述光源结构。
可选地，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面相间隔。
可选地，所述采用外延工艺在所述硅基衬底中凹槽的底面形成所述光源结构，包括：
在所述硅基衬底中凹槽的底面采用所述外延工艺依次形成第一电极材质层、第一掺杂材质层、有源材质层、第二掺杂材质层和第二电极材质层；
采用刻蚀工艺，对所述第一电极材质层、所述第一掺杂材质层、所述有源材质层、所述第二掺杂材质层和所述第二电极材质层中的至少部分膜层进行处理，得到所述激光器；
所述激光器包括：沿远离所述硅基衬底的方向依次排布的第一电极层、第一掺杂包覆层、有源层、第二掺杂包覆层和第二电极层，所述第一电极层由所述第一电极材质层处理得到，所述第一掺杂包覆层由所述第一掺杂材质层处理得到，所述有源层由所述有源材质层处理得到，所述第二掺杂包覆层由所述第二掺杂材质层处理得到，所述第二电极层由所述第二电极材质层处理得到；所述硅基光源满足以下至少一种条件：所述有源层中靠近所述耦合波导结构的一侧具有开口，所述出光面位于所述开口的底面；以及，所述有源层与所述凹槽的侧面存在间隔。
第四方面，提供了一种光芯片，所述光芯片包括第二方面中任一设计所述的硅基光源。
第五方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括第四方面中任一设计所述的光芯片。
综上所述，本申请实施例提供的硅基光源中，硅基衬底包括依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，并且，硅基衬底中耦合波导结构所在侧具有底面位于硅衬底的凹槽，光源结构位于凹槽内。可见，该硅基光源的结构与相关技术中硅基光源的结构不同，因此丰富了硅基光源的结构。
并且，光源结构位于硅基衬底中的凹槽中，在耦合波导结构采用硅材质时，因此，能够实现基于绝缘衬底上的硅(英文：Silicon-On-Insulator；简称：SOI)将激光器与耦合波导结构(一种光学器件)的集成。并且，该硅基光源的制造过程可以无需采用键合技术，因此，硅基光源的生产成本较低，且硅基光源的性能和稳定性能够得到保证。另外，硅基光源可以采用外延工艺制备，且能够保证激光器的出光面与耦合波导结构的入光面的精确对准，能够保证硅基光源的良品率。激光器可以在硅基衬底之后制备，硅基衬底可以采用互补金属氧化物半导体(英文：Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺制备，因此，该硅基光源的制造方法中可以与CMOS工艺兼容。再者，硅基光源中无需采用粘合层，因此，激光器的散热效果较好，当激光器的温度变化时，能够保证硅基光源的稳定性能。
附图说明
图1为相关技术提供的一种硅基光源的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种硅基衬底的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种模斑耦合器的投影示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图10为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图11为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图12为本申请实施例提供的另一种模斑耦合器的投影示意图；
图13为本申请实施例提供的一种模斑耦合器的俯视图；
图14为本申请实施例提供的一种硅基光源的截面图；
图15为本申请实施例提供的一种硅基光源的俯视图；
图16为本申请实施例提供的一种距离示意图；
图17为本申请实施例提供的一种激光器的结构示意图；
图18为本申请实施例提供的另一种硅基光源的俯视图；
图19为本申请实施例提供的一种硅基光源的制造方法的流程图；
图20为本申请实施例提供的一种硅基衬底的制造过程示意图；
图21为本申请实施例提供的一种硅基光源的制造过程示意图。
具体实施方式
为使本申请的原理、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
光芯片包括用于提供光信号的光源(如激光器)，以及光学器件，光学器件用于对光源发出的光信号进行调整，并将调整后的光信号输出光芯片。光学部件可以是光波导、调制器、波分复用器、解复用器、探测器等，光学器件可以是有源器件也可以是无源器件。
目前，光学器件均可以基于SOI制造，光学器件也称硅基光学器件。但是，光源在硅基光学器件上的集成一直是个有待解决的问题。
并且，硅基光学器件的制造工艺已经实现CMOS工艺兼容，但激光器的制造工艺无法实现CMOS工艺兼容。激光器的材料为直接带隙材料，比如三五族材料。但是，在CMOS工艺的流片平台上制备三五族材料的激光器时，三五族材料较容易残留在该流片平台上。由于三五族材料的残留物对在CMOS工艺的流片平台上制备的其他器件的性能影响较大，因此，三五族材料这种材质较难兼容CMOS工艺。
因此，需要解决激光器的材料直接生长并集成到硅衬底上的问题，实现光源和硅基光学器件的集成，以及实现制造工艺与CMOS工艺兼容。
目前将光源集成在硅基光学器件上的方式是采用键合技术，就是直接在硅基光学器件上键合三五族材料的激光器。以硅基光学器件为硅基的耦合波导结构为例，在硅基的耦合波导结构上键合激光器后可以得到硅基光源。如图1所示，该硅基光源包括依次层叠的硅衬底11、介质层12、耦合波导结构13、粘合层14和激光器15。其中，激光器15的出光面朝向耦合波导结构13，且该出光面与耦合波导结构13靠近激光器15一侧的入光面耦合，激光器15发出的激光能够传输至耦合波导结构13，并通过耦合波导结构13传输至硅基光源外。
但是，在键合的时候要求被键合的两部分材料的表面平整度达到几纳米甚至几个埃级别，这无疑增加了生产成本。同时，如果平整度达不到这些要求，就无法保证键合的牢靠性，从而无法保证键合得到的硅基光源的性能和稳定性。此外，键合的时候还需要将激光器15的出光面与耦合波导结构13的入光面对准，目前对准的方式是机械式对准，对准精度参差不齐，难以保证键合得到的硅基光源的良品率。
另外，键合得到的硅基光源中，激光器15与粘合层14接触，粘合层14的材质通常为导热性能较差的二氧化硅，导致激光器15的散热效果较差。当激光器的温度变化时，较难保证硅基光源的稳定性能。
并且，目前硅基光源(如图1所示)的硅基光源的结构较为单一。
本申请实施例提供了一种硅基光源，该硅基光源的结构与图1所示的硅基光源的结构不同，因此丰富了硅基光源的结构。并且，该硅基光源的制造过程可以无需采用键合技术，因此，硅基光源的生产成本较低，且硅基光源的性能和稳定性能够得到保证。另外，本案中的硅基光源可以采用外延工艺制备，且能够保证激光器的出光面与耦合波导结构的入光面的精确对准，能够保证硅基光源的良品率。该硅基光源的制造方法可以与CMOS工艺兼容。再者，硅基光源中无需采用粘合层，因此，激光器的散热效果较好，当激光器的温度变化时，能够保证硅基光源的稳定性能。
本申请实施例提供的硅基光源包括硅基衬底和光源结构(包括激光器)，在对硅基光源进行介绍前，本申请实施例先对本申请实施例提供的硅基衬底进行介绍。
示例地，图2为本申请实施例提供的一种硅基衬底的结构示意图，如图2所示，该硅基衬底01包括：依次层叠的硅衬底011、介质层012和耦合波导结构013；硅基衬底01中耦合波导结构013所在侧具有凹槽014，且凹槽014的底面X位于硅衬底011。
硅基衬底01包括：依次层叠的硅衬底011、介质层012和耦合波导结构013，该硅基衬底01可以基于SOI制备得到。SOI包括依次层叠的第一硅材质层、介质材质层和第二硅材质层，硅基衬底01中的硅衬底011可以基于第一硅材质层制备得到，介质层012可以基于介质材质层制备得到，耦合波导结构013可以基于第二硅材质层制备得到。介质层012的材质可以是二氧化硅或氮化硅等绝缘层，介质层012用于隔离耦合波导结构013和硅衬底011。此处以耦合波导结构013采用硅材质为例，可选地，耦合波导结构013也可以采用其他材质，如铌酸锂、氮化硅等，此时，第二硅材质层可以替换为该其他材质的膜层。
凹槽014中用于形成硅基光源中的光源结构(包括激光器)。由于激光器能够在硅衬底011上形成，且凹槽014的底面X位于硅衬底011，因此，能够在凹槽014内形成光源结构。
综上所述，本申请实施例提供的硅基衬底包括依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，并且，硅基衬底中耦合波导结构所在侧具有底面位于硅衬底的凹槽。可见，该硅基衬底的结构与相关技术中硅基衬底的结构不同，因此丰富了硅基衬底的结构。并且，该硅基衬底中的凹槽中能够制备光源结构，在耦合波导结构采用硅材质时，能够实现基于SOI将激光器与耦合波导结构(一种光学器件)的集成。
凹槽014的底面X位于硅衬底011，可选地，请参考图2，凹槽014的底面X可以凹陷于硅衬底011靠近耦合波导结构013的表面。此时，在形成凹槽014时，需要对用于形成硅衬底011的第一硅材质层靠近介质材质层的一侧进行刻蚀。
当然，也可以是凹槽014的底面X与硅衬底011靠近耦合波导结构013的表面共面，本申请实施例对此不作限定。
可选地，上述凹槽014的底面X可以包括平面、V形面或弧面等，图2中以平面为例，本申请实施例不对凹槽014的底面X进行限定。当凹槽014的底面X包括V形面时，凹槽014的底面X可以包括多个周期性排布的V形面，此时底面X呈锯齿状。当凹槽014的底面X包括弧面时，凹槽014的底面X可以包括多个周期性排布的弧面，此时底面X呈波浪状。可见，凹槽014的底面X可以包括多个周期性排布的凹陷结构(相应地也包括周期性排布的凸起结构)，此处以凹陷结构呈V形或弧形为例，当然，凹陷结构也可以呈其他形状(如矩形)，本申请实施例对此不作限定。
可选地，凹槽014的深度范围为[2微米，8微米]。可选地，在垂直于凹槽014的底面的方向上，凹槽014的底面与硅衬底011靠近耦合波导结构013的表面的距离范围可以是[0微米，8微米]。换句话说，该凹槽014中位于硅衬底011中的部分的深度范围为[0微米，8微米]。
上述耦合波导结构013具有入光面Y，该入光面Y用于与凹槽014中形成的光源结构中的激光器的出光面耦合。示例地，耦合波导结构013可以包括：沿远离凹槽013的方向依次排布且相互耦合的模斑耦合器0131和光波导0132。耦合结构的入光面Y为模板耦合器0131远离光波导0132的表面。
进一步地，上述模斑耦合器0131的实现方式多种多样。本申请实施例中以模斑耦合器0131在硅衬底011上的正投影包括楔形区域为例，该楔形区域具有尖端，且该尖端所在侧为模斑耦合器0131的入光侧(也即入光面Y所在的一侧)。示例地，该模斑耦合器0131在硅衬底011上的正投影可以如图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11或图12所示。其中，图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11对应的模斑耦合器均为单层结构，图12对应的模斑耦合器可以是双层结构。比如，图12对应的模斑耦合器0131的俯视图如图13所示，该模斑耦合器0131包括第一膜层01311和第二膜层01312，第一膜层01311位于第二膜层01312远离硅衬底011的一侧，模斑耦合器0131的入光面可以为01312的端面。光用于在第二膜层01312中传输。
在讲述本申请实施例提供的硅基衬底后，以下将对本申请实施例提供的硅基光源进行介绍。
示例地，图14为本申请实施例提供的一种硅基光源的截面图，图15为本申请实施例提供的硅基光源的俯视图，图14为图15中截面AA的示意图。请结合图14和图15，该硅基光源0包括：硅基衬底01和光源结构(包括激光器021)；
硅基衬底01可以是本申请实施例提供的任一种硅基衬底，如图2所示的硅基衬底。光源结构位于凹槽014的底面X，光源结构包括激光器021，激光器021的出光面Z与耦合波导结构013的入光面Y耦合。从激光器021的出光面Z射出的光信号可以从耦合波导结构013的入光面Y射入耦合波导结构013，并在该耦合波导结构013中传输。
需要说明的是，图14和图15中以激光器021具有两个出光面Z，且两个出光面Z均具有相对的耦合波导结构013为例，可选地，也可以是一个出光面Z具有相对的耦合波导结构013，而另一个出光面Z并未相对有耦合波导结构013。
综上所述，本申请实施例提供的硅基光源中，硅基衬底包括依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，并且，硅基衬底中耦合波导结构所在侧具有底面位于硅衬底的凹槽，光源结构位于凹槽内。可见，该硅基光源的结构与相关技术中硅基光源的结构不同，因此丰富了硅基光源的结构。并且，光源结构位于硅基衬底中的凹槽中，在耦合波导结构采用硅材质时，因此，能够实现基于SOI将激光器与耦合波导结构(一种光学器件)的集成。
可选地，激光器021的出光面Z与耦合波导结构013的入光面Y可以相间隔也可以相接触，本申请实施例对此不作限定。本申请实施例中以出光面Z与入光面Y可以相间隔为例。
可选地，在垂直于激光器021的出光面Z的方向上，该出光面Z与该入光面Y的距离可以小于或等于10微米。
激光器021的出光面Z与耦合波导结构013的入光面Y可以相对设置，也可以不相对设置。
可选地，当激光器021的出光面Z与耦合波导结构013的入光面Y相对设置时，激光器021的出光面Z与耦合波导结构013的入光面Y光学校准(英文：optical alignment)。
比如，如图16所示，激光器021的出光面Z的中心与硅衬底011远离耦合波导结构013的表面具有第一距离L1；耦合波导结构013的入光面Y的中心与硅衬底011远离耦合波导结构013的表面具有第二距离L2；第一距离L1与第二距离L2之差的绝对值小于或等于10纳米(图16中以L1等于L2为例)。可见，在垂直于硅衬底011远离耦合波导结构013的表面的方向上，激光器021的出光面Z的中心与耦合波导结构013的入光面Y的中心大致对齐。从而使得激光器021的出光面Z与耦合波导结构013的入光面Y光学校准，激光器021的出光面Z与耦合波导结构013的入光面Y能够耦合。
可选地，光源结构可以采用外延工艺制备，由于外延工艺的精度较高，因此，能够保证激光器021的出光面Z与耦合波导结构013的入光面Y的精确对准，能够保证硅基光源0的良品率。并且，由于耦合波导结构013和激光器021在同一晶圆(SOI晶圆)上制造，因此，通过外延工艺能够精确控制激光器021与耦合波导结构013对准的精度。
在光源结构采用外延工艺制备时，硅基光源0的制造过程可以无需采用键合技术，因此，硅基光源0的生产成本较低，且硅基光源0的性能和稳定性能够得到保证。光源结构也可以不采用外延工艺制备，比如，光源结构也可以采用键合的方式设置在凹槽014的底面X，本申请实施例对此不作限定。
可选地，激光器021的材料包括三五族材料(例如砷化镓等)，当然，激光器021的材料也可以不包括三五族材料，如四族材料(例如锗硅合金等)或二六族材料(例如硒化锌等)。
在激光器021采用外延工艺制备，且激光器021的材料包括三五族材料时，由于三五族材料与硅的晶格常数不同，因此，直接在平整的硅衬底011表面采用外延工艺制备三五族材料的激光器021会产生晶格失配，导致三五族材料产生位错和缺陷，影响三五族材料的激光器021的性能。所以，为了保证激光器021的高性能，可以设置凹槽014的底面包括多个周期性排布的凹陷结构。该凹陷结构能够实现位错的自湮灭，将晶格失配导致的位错限制在硅衬底011，使得三五族材料在该硅衬底011上外延生长时，能够保持整齐的晶体结构，因此，减少了硅衬底011和三五族材料的激光器021之间的晶格失配。
可选地，请继续参考图14，上述光源结构还可以包括：位于凹槽014的底面X和激光器021之间的缓冲层022，缓冲层022用于缓冲硅衬底011与激光器021的晶格失配。由于缓冲层022能够缓冲该晶格失配，因此，能够减少三五族材料的激光器021中的位错和缺陷。此时，上述凹槽014的底面X可以设置为包括多个周期性排布的凹陷结构，或者，该凹槽014的底面X也可以设置为平面，本申请实施例对此不作限定。
可选地，缓冲层022的材料包括三五族材料(例如砷化镓等)。此时，硅基光源0中无需采用粘合层，且三五族材料的缓冲层022的导热性能优于粘合层的导热性能，因此，本申请实施例提供的硅基光源0中激光器021的散热效果较好，当激光器021的温度变化时，能够保证硅基光源0的稳定性能。当然，缓冲层022的材料也可以不包括三五族材料，比如，缓冲层022的材料还可以是四族材料(例如锗硅合金等)或二六族材料(例如硒化锌等)，本申请实施例对此不作限定。
进一步地，请继续参考图14，光源结构中的激光器021包括：沿远离硅基衬底01的方向依次排布的第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212、有源层0213、第二掺杂包覆层0214和第二电极层0215。
可选地，图17为图15中激光器021的截面BB的示意图。请结合图14和图17，激光器021中第二掺杂包覆层0214和第二电极层0215在硅衬底011上的正投影均为第一正投影，第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212和有源层0213在硅衬底011上的正投影均可以为第二正投影。第一正投影位于第二正投影内，且第一正投影的面积小于第二正投影的面积。需要说明的是，任一结构在硅衬底011上的正投影是指：从该结构远离硅衬底011的一侧向该结构投射垂直于硅衬底011的平行光时，在硅衬底011上形成的投影。
可选地，请继续参考图15，有源层0213靠近耦合波导结构013的一侧具有开口W，激光器021的出光面Z位于开口W的底面。可选地，第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212和缓冲层022靠近耦合波导结构013的一侧也可以具有开口，并且，第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212和缓冲层022中的开口在硅衬底011上的正投影可以与开口W在硅衬底011上的正投影可以相同。本申请实施例中以有源层0213靠近耦合波导结构013的一侧具有开口W为例。
可以看出，由于有源层0213靠近耦合波导结构013的一侧具有开口W，因此，位于该开口W底面的激光器021的出光面Z便与耦合波导结构013的入光面Y可以相间隔。
可选地，开口W的深度范围可以是[0微米，8微米]，开口W的宽度范围也可以是[0微米，100微米]。
另外，本申请实施例中以有源层0213与凹槽014的侧面接触为例，可选地，有源层0213也可以与凹槽014的侧面相间隔。比如，本申请实施例中以第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212和有源层0213和缓冲层022均与凹槽014的侧面接触为例，可选地，第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212、有源层0213和缓冲层022也可以与凹槽014的侧面相间隔。
在第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212、有源层0213和缓冲层022中任一结构与凹槽014的侧面存在间隔时，该结构中靠近耦合波导结构的一侧可以不具有开口W。此时，图15所示的俯视图可以如图18所示。
综上所述，本申请实施例提供的硅基光源中，硅基衬底包括依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，并且，硅基衬底中耦合波导结构所在侧具有底面位于硅衬底的凹槽，光源结构位于凹槽内。可见，该硅基光源的结构与相关技术中硅基光源的结构不同，因此丰富了硅基光源的结构。
并且，光源结构位于硅基衬底中的凹槽中，在耦合波导结构采用硅材质时，因此，能够实现基于SOI将激光器与耦合波导结构(一种光学器件)的集成。另外，该硅基光源的制造过程可以无需采用键合技术，因此，硅基光源的生产成本较低，且硅基光源的性能和稳定性能够得到保证。硅基光源可以采用外延工艺制备，且能够保证激光器的出光面与耦合波导结构的入光面的精确对准，能够保证硅基光源的良品率。再者，硅基光源中无需采用粘合层，因此，激光器的散热效果较好，当激光器的温度变化时，能够保证硅基光源的稳定性能。
本申请实施例还提供了一种硅基光源的制造方法，该方法用于制备本申请实施例提供的任一种硅基光源。
示例地，图19为本申请实施例提供的一种硅基光源的制造方法的流程图，如图19所示，该方法包括：
步骤101、制造硅基衬底，硅基衬底包括：依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，且硅基衬底中耦合波导结构所在侧具有凹槽，且凹槽的底面位于硅衬底。
示例地，步骤101可以用于制造图2所示的硅基衬底。在制造该硅基衬底时，可以首先提供如图20所示的SOI，该SOI包括依次叠加的第一硅材质层11、介质材质层12和第二硅材质层13。之后，可以对图20所示的SOI进行处理，得到如图2所示的硅基衬底。其中，这些处理可以包括：在SOI上形成凹槽014，如对SOI中待形成凹槽014的区域进行刻蚀，以得到该凹槽。这些处理还可以包括：对第二硅材质层13进行图案化处理，得到耦合波导结构013中的光波导0132。这些处理还可以包括：用于形成模斑耦合器0131的处理。
可选地，这些处理也可以不包括用于得到耦合波导结构013的处理，而是在步骤102之后再执行用于得到耦合波导结构013的处理，本申请实施例对此不作限定。
本申请实施例中以耦合波导结构基于硅材料制备得到为例，可选地，耦合波导结构也可以是其他材质，如铌酸锂、氮化硅等。此时，可以将SOI中的第二硅材质层13更换为该其他材质的膜层。
步骤102、在硅基衬底中凹槽的底面形成光源结构，光源结构包括激光器，激光器的出光面与耦合波导结构的入光面相间隔且耦合。
可选地，在硅基衬底中凹槽的底面形成光源结构时，可以采用外延工艺在硅基衬底中凹槽的底面形成光源结构。该外延工艺可以是：分子束外延工艺或化学气相沉积工艺等。
示例地，如图21所示，在采用外延工艺在硅基衬底01中凹槽014的底面X形成光源结构时，可以先在硅基衬底01中凹槽014的底面X采用外延工艺依次形成第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25。
之后，采用刻蚀工艺，对第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25中的至少部分膜层(如全部膜层，或者，第一电极材质层21、第一掺杂材质层22和有源材质层23)进行处理，得到激光器(如图14、图15和图17所示的激光器)。其中，激光器021中，第一电极层0211由第一电极材质层21处理得到，第一掺杂包覆层0212由第一掺杂材质层22处理得到，有源层0213由有源材质层23处理得到，第二掺杂包覆层0214由第二掺杂材质层24处理得到，第二电极层0215由第二电极材质层25处理得到。
需要说明的是，采用外延工艺形成的有源材质层23中靠近凹槽014的侧壁的表面通常不平整，不利于出光。因此，在采用刻蚀工艺，对第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25中的至少部分膜层进行处理时，可以对有源材质层23靠近凹槽014的侧壁的部分进行刻蚀，以使刻蚀得到的有源层0213靠近凹槽014的侧壁的表面平整，利于出光，使得该表面可以作为激光器的出光面。
可选地，硅基光源满足以下至少一种条件：有源层中靠近耦合波导结构的一侧具有开口，激光器的出光面位于开口的底面；以及，有源层与凹槽的侧面存在间隔。
示例地，如图15所示，有源层0213中靠近耦合波导结构013的一侧具有开口W，激光器021的出光面可以位于该开口W的底面。在采用刻蚀工艺，对第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25中的至少部分膜层进行处理时，可以在有源材质层23中刻蚀该开口W，以得到有源层0213。
可选地，第一电极层0211和第一掺杂包覆层0212中靠近耦合波导结构013的一侧也可以具有开口。此时，在采用刻蚀工艺，对第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25中的至少部分膜层进行处理时，可以在第一电极材质层21、第一掺杂材质层22中分别刻蚀开口。并且，第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212和有源层0213中的开口可以同时制备。
另外，本申请实施例中以第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25位于凹槽014内为例。可选地，第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25也可以延伸至凹槽014外，比如，这些膜层覆盖整个硅基衬底，本申请实施例对此不作限定。图21中以第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25与凹槽014的侧壁相接触为例。可选地，第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25与凹槽014的侧壁也可以存在间隔，本申请实施例对此不作限定。
可选地，光源结构还可以包括缓冲层022，此时，本申请实施例提供的方法还包括制造缓冲层022的步骤。
例如，在形成图21所示的第一电极材质层21之前，可以在硅基衬底01中凹槽014的底面采用外延工艺形成缓冲层022。可选地，该缓冲层022中靠近耦合波导结构013的一侧也可以具有开口。
又例如，如图21所示，在形成第一电极材质层21之前，在硅基衬底01中凹槽014的底面X采用外延工艺形成缓冲材质层31。之后，在采用刻蚀工艺，对第一电极材质层21、第一掺杂材质层22、有源材质层23、第二掺杂材质层24和第二电极材质层25中的至少部分膜层进行处理时，可以在第一电极材质层21、第一掺杂材质层22以及缓冲材质层31中分别刻蚀开口。并且，第一电极层0211、第一掺杂包覆层0212、缓冲层022和有源层0213中的开口可以同时刻蚀得到。
另外，本申请实施例中以缓冲材质层31位于凹槽014内为例。可选地，缓冲材质层31也可以延伸至凹槽014外，比如覆盖整个硅基衬底，本申请实施例对此不作限定。图21中以缓冲材质层31与凹槽014的侧壁相接触为例。可选地，缓冲材质层31与凹槽014的侧壁也可以存在间隔，本申请实施例对此不作限定。
本申请实施例以制备图14、图15和图17所示的硅基光源为例，若需要制备图14、图17和图18所示的硅基光源，则可以将上述制备开口的工艺替换为制备间隔(如图18中的间隔U)的工艺。
可选地，在该制造方法中，还可以对耦合波导结构的入光面和激光器的出光面进行修饰，以避免制造过程中的残留物残留在这俩种表面上，保证这两种表面的有效耦合。
进一步地，步骤101可以在CMOS工艺的流片平台上执行，步骤102可以在CMOS工艺的流片平台之外制备。由于制备光源结构的过程可以不采用CMOS工艺，因此，在光源结构采用三五族材料时，三五族材料不会对CMOS工艺的流片平台造成污染。所以，本申请实施例提供的硅基光源的制造方法可以与CMOS工艺兼容。
另外，本申请实施例以采用外延工艺制造光源结构为例，可选地，也可以不采用外延工艺制造光源结构，比如，可以在步骤102之前制备光源结构，并在步骤102中，将光源结构与凹槽的底面键合，从而得到硅基光源。
在得到本申请实施例提供的硅基光源后，还可以对该硅基光源进行清洗、切割和封装等操作，本申请实施例在此不做赘述。
综上所述，本申请实施例提供的方法所制备的硅基光源中，硅基衬底包括依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，并且，硅基衬底中耦合波导结构所在侧具有底面位于硅衬底的凹槽，光源结构位于凹槽内。可见，该硅基光源的结构与相关技术中硅基光源的结构不同，因此丰富了硅基光源的结构。
并且，光源结构位于硅基衬底中的凹槽中，在耦合波导结构采用硅材质时，因此，能够实现基于SOI将激光器与耦合波导结构(一种光学器件)的集成。另外，该硅基光源的制造过程可以无需采用键合技术，因此，硅基光源的生产成本较低，且硅基光源的性能和稳定性能够得到保证。硅基光源可以采用外延工艺制备，且能够保证激光器的出光面与耦合波导结构的入光面的精确对准，能够保证硅基光源的良品率。再者，硅基光源中无需采用粘合层，因此，激光器的散热效果较好，当激光器的温度变化时，能够保证硅基光源的稳定性能。
本申请实施例还提供了一种光芯片，该光芯片包括本申请实施例提供的任一种硅基光源。
可选地，该光芯片还可以包括除硅基光源中耦合波导结构之外的光学器件，该光学器件和耦合波导结构共同组成的光学器件(如调制器、波分复用器、解复用器、探测器等)用于对激光器发出的光信号进行调整。
可选地，光芯片中除硅基光源中耦合波导结构之外的光学器件也可以采用CMOS工艺上制造，比如在图19中步骤102之前采用CMOS工艺制造，本申请实施例对此不作限定。
本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括本申请实施例提供的任一种光芯片。该电子设备可以采用光信号通信，如采用光信号与外部设备通信，或者，采用光信号在电子设备内部通信。示例地，该电子设备可以是通信设备，如光线路终端(英文：optical line terminal；简称：OLT)、光网络单元(英文：optical network unit；简称：ONU)、路由器、网关等。
在本申请中，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“至少一个”指一个或多个，“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
本申请实施例提供的不同类型的实施例均可以相互参考，本申请实施例对此不做限定。本申请实施例提供的方法实施例操作的先后顺序能够进行适当调整，操作也能够根据情况进行相应增减，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化的方法，都应涵盖在本申请的保护范围之内，因此不再赘述。
在本申请提供的相应实施例中，应该理解到，所揭露的硅基衬底、硅基光源、光芯片和电子设备等可以通过其它的构成方式实现。以上所述，仅为本申请的可选实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (19)
1.一种硅基衬底，其特征在于，包括：依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构；所述硅基衬底中所述耦合波导结构所在侧具有凹槽，且所述凹槽的底面位于所述硅衬底。
2.根据权利要求1所述的硅基衬底，其特征在于，所述凹槽的底面凹陷于所述硅衬底靠近所述耦合波导结构的表面。
3.根据权利要求1或2所述的硅基衬底，其特征在于，所述凹槽的底面包括平面、V形面或弧面。
4.根据权利要求1或2所述的硅基衬底，其特征在于，所述耦合波导结构包括：沿远离所述凹槽的方向依次排布且相互耦合的模斑耦合器和光波导。
5.一种硅基光源，其特征在于，包括：光源结构，以及权利要求1至4任一所述的硅基衬底；
所述硅基衬底包括：依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，且所述硅基衬底中所述耦合波导结构所在侧具有凹槽，且所述凹槽的底面位于所述硅衬底；
所述光源结构位于所述凹槽的底面，所述光源结构包括激光器，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面耦合。
6.根据权利要求5所述的硅基光源，其特征在于，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面光学校准。
7.根据权利要求6所述的硅基光源，其特征在于，所述出光面的中心与所述硅衬底远离所述耦合波导结构的表面具有第一距离；所述入光面的中心与所述硅衬底远离所述耦合波导结构的表面具有第二距离；所述第一距离与所述第二距离之差的绝对值小于或等于10纳米。
8.根据权利要求5至7任一所述的硅基光源，其特征在于，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面相间隔。
9.根据权利要求8所述的硅基光源，其特征在于，所述激光器包括：沿远离所述硅基衬底的方向依次排布的第一电极层、第一掺杂包覆层、有源层、第二掺杂包覆层和第二电极层；
所述硅基光源满足以下至少一种条件：
所述有源层靠近所述耦合波导结构的一侧具有开口，所述出光面位于所述开口的底面；
以及，所述有源层与所述凹槽的侧面存在间隔。
10.根据权利要求5至7任一所述的硅基光源，其特征在于，所述激光器的材料包括四族材料、三五族材料或二六族材料。
11.根据权利要求5至7任一所述的硅基光源，其特征在于，所述光源结构还包括：位于所述凹槽的底面和所述激光器之间的缓冲层，所述缓冲层用于缓冲所述硅衬底与所述激光器的晶格失配。
12.根据权利要求11所述的硅基光源，其特征在于，所述缓冲层的材料包括四族材料、三五族材料或二六族材料。
13.一种硅基光源的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
制造权利要求5至12任一所述的硅基光源。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述制造权利要求5至12任一所述的硅基光源，包括：
制造权利要求1至4任一所述的硅基衬底，所述硅基衬底包括：依次层叠的硅衬底、介质层和耦合波导结构，且所述硅基衬底中所述耦合波导结构所在侧具有凹槽，且所述凹槽的底面位于所述硅衬底；
在所述硅基衬底中凹槽的底面形成光源结构，所述光源结构包括激光器，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面耦合。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述硅基衬底中凹槽的底面形成光源结构，包括：
采用外延工艺在所述硅基衬底中凹槽的底面形成所述光源结构。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述激光器的出光面与所述耦合波导结构的入光面相间隔。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述采用外延工艺在所述硅基衬底中凹槽的底面形成所述光源结构，包括：
在所述硅基衬底中凹槽的底面采用所述外延工艺依次形成第一电极材质层、第一掺杂材质层、有源材质层、第二掺杂材质层和第二电极材质层；
采用刻蚀工艺，对所述第一电极材质层、所述第一掺杂材质层、所述有源材质层、所述第二掺杂材质层和所述第二电极材质层中的至少部分膜层进行处理，得到所述激光器；
所述激光器包括：沿远离所述硅基衬底的方向依次排布的第一电极层、第一掺杂包覆层、有源层、第二掺杂包覆层和第二电极层，所述第一电极层由所述第一电极材质层处理得到，所述第一掺杂包覆层由所述第一掺杂材质层处理得到，所述有源层由所述有源材质层处理得到，所述第二掺杂包覆层由所述第二掺杂材质层处理得到，所述第二电极层由所述第二电极材质层处理得到；
所述硅基光源满足以下至少一种条件：所述有源层中靠近所述耦合波导结构的一侧具有开口，所述出光面位于所述开口的底面；以及，所述有源层与所述凹槽的侧面存在间隔。
18.一种光芯片，其特征在于，所述光芯片包括权利要求5至12任一所述的硅基光源。
19.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求18所述的光芯片。
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| CN202210044898.7A CN116487999A (zh) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 硅基衬底、光源及其制造方法、光芯片、设备 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210044898.7A CN116487999A (zh) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 硅基衬底、光源及其制造方法、光芯片、设备 |
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| CN116487999A true CN116487999A (zh) | 2023-07-25 |
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ID=87223723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210044898.7A Pending CN116487999A (zh) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 硅基衬底、光源及其制造方法、光芯片、设备 |
Country Status (1)
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-
2022
- 2022-01-14 CN CN202210044898.7A patent/CN116487999A/zh active Pending
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