CN116661062A - 带有与介电波导的改进光耦合的集成GaAs有源器件 - Google Patents

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CN116661062A CN202210600078.1A CN202210600078A CN116661062A CN 116661062 A CN116661062 A CN 116661062A CN 202210600078 A CN202210600078 A CN 202210600078A CN 116661062 A CN116661062 A CN 116661062A
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Abstract

器件包括被制造在公共基底上的三个元件。第一元件包括具有支持第一光模的至少三个子层的有源波导结构。第二元件具有支持第二光模的无源波导结构，且被对接耦合到第一元件的第三元件具有支持中间光模的中间波导结构。在有源波导结构中的一个子层包括n型接触接触层，另一子层包括p型接触层，且第三子层包括有源区域。在第二元件和第三元件中的至少一者中的锥形波导结构有助于在第二光模和中间光模之间的有效绝热转换。在该中间光模和第一光模之间不发生绝热转换。通过使用光刻对齐标记来限定三个元件的相互对齐，所述光刻对齐标记有助于在制造所述元件时形成的层之间的精确对齐。

Description

带有与介电波导的改进光耦合的集成GaAs有源器件
相关申请的交叉引用
本申请涉及被授权为美国专利号10,859,764的2020年5月19日提交的美国申请号16878563。
技术领域
本发明涉及半导体加工。更具体地，本发明的某些实施例涉及用于使用被光耦合的异种材料实现光子集成电路的方法和系统。
背景技术
光子集成电路（PIC）或集成光学电路是集成多种光子功能并因此类似于电子集成电路的器件。这两者之间的主要差异在于光子集成电路为施加在光载波上的信息信号提供功能。光子集成电路最商业化使用的材料平台是磷化铟（InP），其允许在同一芯片上集成各种光学有源和无源功能。虽然许多当前的PIC是在InP平台上实现的，但在过去十年中，由于硅材料的一些优越特性以及优越的加工能力，所以在使用硅而非InP来实现PIC方面已经进行了大量研究，这利用了电子集成电路已经作出的投入。
使用硅来实现PIC的最大缺点在于，它是一种间接带隙材料，因此很难提供电泵浦源。这个问题通常通过组装包括在单独的过程中由异种材料制成的两个或更多个芯片的PIC来解决。这样的方法具有挑战性，因为会需要非常精密的对齐，这会增加封装成本并带来规模生产限制。解决带隙问题的另一方法是结合两个异种材料并在一起对它们进行加工，从而在结合异种材料构成的较大件或完整晶片期间不需要精密对齐并允许大量制造。在本公开中，使用术语“混合”来描述第一种方法，其包括精密地组装被单独加工的零件，并且使用术语“异质”来描述后一种方法，其结合两种材料并且之后加工结合产物以限定波导和其他感兴趣部件。
为了在异种材料之间传递光学信号，异质方法利用这种锥形部，其尺寸逐渐减小，直到异种材料的有效模折射率匹配，并且存在有效的功率传输。这种方法通常在材料具有类似折射率时很好地作用，例如在硅和InP的情况下就是如此。在有效折射率存在较大差异的情况下（诸如在例如SiN和GaAs之间的），锥形尖端尺寸的要求变得令人望而却步，从而限制了有效的功率传输。具体地，会需要非常小的锥形尖端宽度（纳米数量级）来提供良好耦合。实现这样的尺寸是复杂的并且可能成本高昂。
虽然InP和硅基PIC解决了许多当前的需要，不过它们仍有一些局限性；其中一个事实是，操作波长范围受到材料吸收的限制，从而增加了损耗，并且PIC能够处理的最大光强度和因此光功率也存在限制。为了解决这些限制，已经考虑了替代性的波导材料，诸如SiN、TiO2、Ta2O5、AlN或其他材料。大体而言，这样介电波导具有更大的带隙能量，这在较短的波长下提供更好的高功率处理和透明度，但一般来说，这种材料也具有较低的折射率。例如，具有~5 eV带隙的SiN具有~2的折射率，AlN具有~6 eV的带隙和大约~2的折射率，并且具有~8.9 eV带隙的SiO2具有~1.44的折射率。作为比较，GaAs的折射率>3。这使得渐缩方法有挑战性。
替代性混合方法存在上述缺点，即需要精确对齐并且相应地需要复杂的封装并限制规模生产。
解决上面讨论的问题的一种最新方法被描述于上文提到的美国专利号10,859,764 B2中，其采用对接耦合并结合模转换器（mode-converter），以允许使用异质过程，而无需极小的锥形部宽度。本发明涉及以此方式使用对接耦合并包括诸如激光器的有源器件的PIC。具体地，下文描述的实施例涉及创建高性能激光器、放大器、调制器和光电检测器所需的有源材料子结构的详细设计。
附图说明
图1以轴向截面示出了根据本发明的实施例的器件。
图2a示出了处于对应于图1的实施例的器件的三个不同轴向位置的截面端视图。
图2b示出了处于对应于图1的实施例的器件的第四轴向位置的截面端视图。
图3示出了根据本发明的一些实施例的器件的截面俯视图。
图4示出了根据本发明的一些实施例的器件的截面俯视图。
图5示出了根据本发明的一些实施例的器件的截面俯视图。
图6a示出了处于对应于图5的实施例的器件的三个不同轴向位置的截面端视图。
图6b示出了处于对应于图5的实施例的器件的第四轴向位置的截面端视图。
具体实施方式
本文所述包括用于使用晶片结合和异种材料的沉积来实现光子集成电路的方法和系统的实施例，其中通过使用模转换和对接耦合方案来改进光耦合。
在下文的具体实施方式中，参考形成具体实施方式的一部分的附图，其中贯穿全文，类似附图标记指代类似零件，并且在具体实施方式中通过图释示出了可以实践本公开主题的实施例。应理解的是，可以采用其他实施例，并可进行结构或逻辑的改变而不背离本公开的范围。因此，以下具体实施方式不应在限制意义上被解释并且实施例的范围由所附权利要求及其等同物来限定。
描述可以使用基于视角的描述，诸如顶部/底部、内/外、上方/下方等。这样的描述仅被用于有助于讨论并且不旨在将本文描述的实施例应用限制成任意具体取向。描述可以使用短语“在一实施例中”或者“在多种实施例中”，这均可以指代相同或不同实施例中的一个或更多个。此外，如关于本公开的实施例所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。
出于本公开的目的，短语“A和/或B”意味着（A）、（B）或者（A和B）。出于本公开的目的，短语“A、B和/或C”意味着（A）、（B）、（C）、（A和B）、（A和C）、（B和C）或（A、B和C）。
本文中可使用术语“与…耦合”及其衍生物。“耦合”可以意味着如下中的一者或多者。“耦合”可以意味着两个或更多个元件处于直接物理、电学或光学接触。然而，“耦合”也可以意味着，两个或更多个元件彼此间接接触，但仍然彼此配合或者相互作用，并且可以意味着一个或多个其他元件被耦合或者连接在被称为彼此耦合的元件之间。术语“直接耦合”意味着两个或更多个元件在其表面的至少一部分中直接接触。术语“对接耦合（butt-coupled）”以其意味着“端接”或轴向耦合的常规含义在本文被使用，其中在涉及的元件之间存在最小或零轴向偏移。在元件之间形成某种薄的中间层的情况下（如下文关于元件106、206和306所述），轴向偏移可以例如稍大于零。应该注意，两个波导结构或元件的轴线不需要是共线的就可以被准确地描述为对接耦合。换言之，在所述元件之间的界面不需要垂直于任一轴线。下文讨论的图4实施例是这种可能性的示例。
本文可以使用术语“有源器件（active device）”和/或“有源区域”。被称为有源的器件或器件区域能够产生、放大、调制和/或检测光。互换地使用“有源器件”和“有源区域”，意味着其中任一者和/或两者。这与所说的“无源器件（passive device）”和/或“无源区域”形成对比，其主要功能是限制和引导光，和/或提供通常与无源器件相关的拆分、组合、滤波和/或其他功能。一些无源器件能够提供与有源器件功能叠加的功能，诸如例如通过使用热效应或能够提供调制的类似效应实现的相位调谐。这种情况的差异在于性能，其中有源器件通常提供更高的效率、更小的功率消耗、更大的带宽和/或其他益处。纯粹基于材料成分或器件结构，不应认为“有源”和“无源”之间存在绝对区别。例如，在调制或检测低波长辐射的某些条件下，硅器件可以被认为是有源的，但在大多数其他情况下是无源的。
图1是集成光子器件100的示意性截面图，所述集成光子器件使用对接耦合和模转换以用于在异种材料之间的有效耦合。示例性截面包括基底105，其能够是用于半导体和介电处理的任意适当基底，诸如Si、InP、GaAs、石英、蓝宝石、玻璃、GaN、绝缘体上的硅或者本领域已知的其他材料。在所示实施例中，使用本领域已知技术将第二材料层104沉积、生长、转移、结合或以其他方式附接到基底105的顶表面。如果需要形成光波导，层104的主要目的是为材料102提供光学包层（将在下文描述）。通常通过将较大折射率的芯放置在两个较小折射率的层之间以便限制光波来实现光波导。在一些实施例中，省略层104并且基底105本身用作包层。
通过使用本领域已知的技术将层102沉积、生长、转移、结合或以其他方式附接到层104的顶部（如果存在的话）和/或基底105的顶部。层102的折射率大于层104（如果存在的话）的折射率，或者，如果层104不存在，则层102的折射率大于基底105的折射率。在一种实施例中，层102的材料可以包括但不限于SiN、TiO2、Ta2O5、SiO2、LiNbO3和AlN中的一种或多种。在一些实施例中，其他的常见介电材料可以被用于层102。在另一些实施例中，半导体材料可以被用于层102。在一些实施例中，层102的折射率在1.8和2.5之间。层104和102中的任一者或两者能够如本领域常见地被图案化、蚀刻或再沉积。
层108（其折射率小于层102的折射率）与层102重叠并且在层101和103下面（将在下文被更详细地描述）用于使得层102的图案化表面平坦化。在一些实施例中，通过化学机械抛光（CMP）或其他蚀刻、化学和/或机械抛光方法来提供层108的顶表面的平坦度。在另一些实施例中，提供平坦度是由于沉积层108的方法的固有性质，例如，如果层108的材料是旋涂旋涂玻璃(spin-on glass)、聚合物、光刻胶或其他合适的材料。平坦化可以被控制成在层102的顶部上留下所需（通常非常小）厚度的层（如图1中所示），或者移除在层102的顶表面高度之上的所有材料（未示出）。在层108被留在层102的顶部上的情况下，目标厚度在10nm至几百nm的范围内，其中实际厚度包括在平坦化过程中典型的跨晶片不均匀性。在一些实施例中，旋涂材料被用于平坦化并且之后进行回蚀（etched back），从而与典型CMP过程相比，得到了改善的跨晶片的均匀性。在所有上述情况下，102的得到的顶表面（在没有旋涂材料的情况下）或者108的得到的顶表面（如果存在旋涂材料）是平面表面。
层101被结合到对应（108、102）顶表面的至少一部分的顶部上。所述结合能够是直接分子结合或者能够使用附加材料来促进结合，诸如例如本领域已知的金属层或聚合物膜。层101构成了通常所谓的有源区域，并且可以由包括但不限于GaAs和GaAs基三元和四元材料的材料构成，如将借助图4更详细地描述的。层101在一种实施例中是多层的，包括提供光学和电限制以及电接触的层，如本领域中针对有源器件已知的。在又一实施例中，层101使用下层102、108、104和/或105来提供电学和/或光学限制和一个或更多个电接触。
在一些实施例中，层101能够被有效地电泵浦以产生光发射和增益。本发明实现在层101和层102中形成的波导之间有效的光学耦合。所述材料102能够提供附加功能，诸如宽带透明度、高强度处理、通过温度、应变或其他调谐机制的相移、组合、拆分、滤波和/或本领域已知的其他功能。
通过层103来促进有效耦合，并且在存在层106的情况下通过层106来促进有效耦合。可选层106主要用作层101和层103之间界面处的抗反射或高反射涂层。层103用作中间波导，在一些实施例中，所述中间波导接受由层101为其提供芯的波导支持的光模（opticalmode）的轮廓（由虚线150描绘），有效地将其捕获为模轮廓151，并逐渐将其转移到模轮廓152，并最后转移到153。模轮廓153之后被有效地耦合到层102为其提供芯的波导。在另一些实施例中，行进方向可以逆转，其中层103有效地捕获层102为其提供芯的波导支持的光模，并且将其模轮廓逐渐转移到由层101为其提供芯的波导支持的模的轮廓。
层103的折射率能够被设计成促进模轮廓150的有效耦合并通过利用在层102和/或103中制造的渐缩结构而有效地将模转换为具有模轮廓153的模。在一些实施例中，层103的折射率在1.55和1.8之间。在一些实施例中，层103是诸如SiNOx的介电层。在又一些实施例中，层103能够是聚合物。在再一些实施例中，层103能够是具有适当折射率的任意其他材料。
层103的厚度是优化参数，并且在一些实施例其在400 nm和2000 nm之间。在本发明之前，即在没有中间层103的情况下，如上文讨论的，对于锥形尖端宽度的要求将成为问题。不过，使用中间层103会显著地减小对锥形尖端宽度的严苛要求，从而允许在非常大反射率材料（诸如例如层101中的GaAs）到小反射率材料（诸如例如层102中的SiN）之间的有效转移。
通过观察模轮廓，分别由层101和102中的波导支持的光模之间的差异可以是或可以不是显而易见的，不过小于100%的模重叠（在没有中间层103的情况下）可能导致显著的光学损耗。在一些情况下，高达1dB的损耗可以被看作是可接受的，但是大于1dB的损耗将被看作是不可接受的。在另一些情况下，3dB损耗水平可以是选择的标准。层103的功能是将由于不完美的模重叠所导致的光学损耗保持在给定应用中确定为可接受水平的水平以下。
在103和/或102中实现的波导的上部包层107能够是环境空气（意味着实际上没有沉积包层材料）或者能够是任意其他有意沉积的适当材料，如图1中所示，包括但不限于聚合物、SiO2、SiNx、SiNOx等等。在一些实施例中，相同材料被用于层107和层108。在一些实施例（未示出）中，能够使用多次沉积来提供层107包层功能，例如一种材料为层102中形成的芯所引导的模153提供包层，并且另一材料为层103中形成的芯所引导的模151提供包层。在所有情况下，包层材料的折射率小于为模引导提供芯的材料的折射率。在又一些实施例（如图5中所示）中，由于其折射率被设计为较小，层103能够向层102和模153提供包层功能。在下文将参考图5进一步讨论这些实施例。
层109是被沉积在层101的一部分的顶部上的接触金属。层101由至少三个子层构成，这将在下文在图2a的描述中被详细讨论。存在一个或更多个光刻对齐标记（lithography alignment mark）（在该截面图中未示出，但参见例如下面描述的图3中的320和图4中的420），以促进在各种加工步骤期间形成的层之间的精确对齐。
在一些实施例中，不存在层108，并且层101被结合且层103被沉积到图案层102的顶部上。在这样的实施例中，不存在平坦化步骤。
对应于根据本发明的一些实施例的器件的截面端视图的虚线A、B、C和D借助于示出端视图200D的图2a和示出端视图200A、200B和200C的图2b被更详细地描述。
图2a示出了与图1（和图3-图4）中标记为D的特征位置相对应的截面图200D，其中图2b示出了与图1（和图3-图4）中标记为A、B和C的三个特征位置相对应的三个截面图200A、200B和200C。功能层201至209（除非明确不同地定义）对应于关于图1描述的功能层101至109并且对应于关于图3描述的功能层301至309并且对应于关于图4描述的功能层401至409。
截面200D是贯穿包括有源层201（对应于图1、图3、图4中的101、301和401）的区域的示例性切面。层201包括多个子层，从而提供必要功能来实现有源器件。在所示实施例中，层201在层208的顶部上，从而提供平坦化表面来实现结合。在另一实施例（未示出）中，层201在层202的顶部上，因为已经从层202的顶部完全移除了之前存在的平坦化层208。在又一实施例（未示出）中，层201在层202的顶部上而不曾存在过任何平坦化层。在又一实施例（未示出）中，层201在层204的顶部上（如果层202被完全移除）和/或在层205的顶部上（如果层202和204被完全移除）。
层201用于限定光学和电学限制以有助于高性能的有源器件。通过使得材料成分对应于不同折射率来提供在竖直方向（如图2观察的）上的光学限制，并且通过至少一个蚀刻来提供具有比层201的折射率更小的折射率的包层（207）来提供在水平方向上的光学限制。包层207能够包括多种材料，其中的一些材料可以向被蚀刻表面提供无源功能，从而导致改进的激光性能。通过适当材料成分并通过产生蚀刻的或被植入的电流通道来提供电学限制。
在一种实施例中，有源层201包括五个不同的功能层：201-1、201-2、201-3、201-4和201-5。
201-1提供包括高N+掺杂GaAs层的n型接触层（n-contact layer）。在一些实施例中，掺杂>1e18。在一些实施例中，201-1包括超晶格层以促进结合和/或防止位错。超晶格的示例将是GaAs和AlGaAs层的组合、InGaP和InAlP层的组合或者其他适当组合。这个层的厚度通常在50 nm和200 nm之间，不过其在一些实施例中也能够更大。N型金属和用于连接到电焊盘（210a和210b）的过孔（vias）从光模250（其侧向限制由至少一个蚀刻限定）侧向偏移，从而导致由于n型接触金属而产生的光学损耗非常低或可忽略。
201-2提供n型侧包层（n-side cladding）并且通常被实现为AlGaAs层。Al含量能够被固定、步进式改变或逐渐改变，并且取决于操作的波长。因为n型接触金属（210a和210b）侧向偏移，所以厚度不由金属损耗驱动并且是优化参数来有助于模形状、有源区域限制和与层203的耦合。在一些实施例中，201-2的厚度在100 nm和1000 nm之间。201-2也能够包括一个或更多个蚀刻停止层，诸如例如InGaP或其他材料层。在一些实施例中，蚀刻停止层厚度在5 nm和80 nm之间。子层201-2以固定浓度被掺杂或者以变化浓度被掺杂，即从其与201-3的边界处的最小浓度增加到其与层201-1的边界处的在5e17和4e18之间的高掺杂水平。
201-3是有源区域，在一种实施例中，所述有源区域包括量子阱、量子势垒和量子阱/势垒结构的至少一侧上的单独限制式异质结构（SCH）层。在一些实施例中，量子点被用来代替量子阱。在另一些实施例中，使用被嵌入到量子阱中的量子点。在又一实施例中，在有源区域中限定了大量的p(i)n结，以提供例如光电检测器功能或体相（bulk phase）/强度调制器功能。SCH层能够分级或不分级。在一些实施例中，其被实现为具有恒定掺杂或变化掺杂浓度的AlGaAs材料。在分级掺杂的情况下，掺杂通常随着距量子阱/量子点/pn结的距离的增加而增加。
201-4是p型侧包层，通常被实现为AlGaAs层。Al含量能够被固定、步进式改变或逐渐改变，并且取决于操作的波长。201-4的厚度和Al含量是被优化以减小该层中的吸收损耗的影响和上面的接触层中的吸收损耗二者的参数。在一些实施例中，201-4的厚度在100 nm和2000 nm之间。201-4也能够包括一个或更多个蚀刻停止层，诸如例如InGaP或其他。在一些实施例中，蚀刻停止层厚度在5 nm和80 nm之间。层以固定水平被掺杂或者以变化浓度被掺杂，即从与层201-5的边界处的最大浓度减小到与层201-3的边界处的较低掺杂水平。
201-5是p型接触层。在一些实施例中，高P+掺杂的GaAs层被用于p型接触。在一些实施例中，掺杂水平>1e18。
在一些实施例中，不是所有的层201-1至201-5都存在，而是至少存在有源区域（201-3）、n型接触区域（201-1）和p型接触区域（201-5）。在一些实施例中，引入附加蚀刻停止层来有助于更好的过程控制。
在图2b中，截面200A示出在完成与层402的光耦合（假设光学信号流动发生在图1、图3和图4中从右到左）之后如图1中（以及在下文要描述的图3和图4）示出的器件的最左侧处的一个实施例。截面200B示出有助于从层203中主要存在的一种到层202中主要存在的一种的模转换的实施例。通过在层202和203中的至少一个中实现的锥形部来促进这种转换。截面200C示出一种实施例，其中在与截面200D中提供引导的结构对接耦合之后模主要驻留在层203中。在层201、202和203中形成的波导的典型高度和宽度能够是从亚微米（低至20nm）到几微米的范围，尽管它们在很大程度上取决于特定的材料系统和实施方式。能够例如使用商业模拟工具或类似物容易地计算出有助于有效耦合的最佳尺寸（宽度、高度、侧壁角度等）。在一些实施例中，层202的厚度（在图2中的竖直尺寸）是在20 nm和400 nm之间，在又一些实施例中，其在400 nm和2000 nm之间。
在一些实施例中，利用至少两个蚀刻（如图2a中所示）。一个蚀刻限定光模限制，并且另一蚀刻打开用于金属沉积的n型接触区域。在一些实施例中，使用单个蚀刻来限定光模限制并打开用于金属沉积的n型接触区域。在另一些实施例中，使用两个以上的蚀刻来提供对光限制、侧壁重组、有源区域泵浦效率和n型接触区域访问的附加控制。蚀刻能够定时且/或能够利用蚀刻停止层来改进控制。
在一些实施例中，在层202、204、205和/或208中限定的图案能够通过模的渐逝尾部向层201中主要存在的光模提供频率选择性反馈。这样的频率选择性反馈能够被用于限定单频激光器（例如分布式反馈激光器或者其他激光器）。
图3提供集成光子器件300的俯视图，其利用对接耦合和模转换来在异种材料之间进行有效耦合。虚线A、B、C和D对应于根据上文借助于图2a和图2b更详细地描述的本发明的一些实施例的器件的截面端视图，并且更具体地端视图200A、200B、200C和200D。
有源层301支持的光模被引导通过可选涂层306至层303，该层303用于转换模以有效耦合到层302。层306能够提供高反射功能，或者在被设计成抗反射涂层时能够促进减少反射。为了促进在层301和302支持的模之间的耦合，层302的尺寸朝向层301渐缩，如由图的最左侧处所示的尖端311的相对于层302的宽度的相对较小的宽度所示。已经计算出，由于层303的存在，对锥形部尺寸的要求显著地放松，最多达几百纳米。例如，在对于尖端宽度大于一百纳米的情况下，甚至在301和302之间的折射率差大于一时，也可以实现在301和302之间的大于70%的耦合效率。相比之下，在不存在层303的情况下，层301将必须渐缩，以致其模可以直接耦合到层302中，为了实现类似耦合效率，层301的锥形尖端的尺寸（未示出）将必须远小于一百纳米。在另一实施例中，在层303中而不是在层302中产生锥形部（未示出）。在又一实施例中，可以在层302和303二者中产生锥形部以实现高效耦合。在一些实施例中，在层302和303中的所述锥形部能够是多级锥形部，意味着它们利用一个以上的蚀刻深度来促进更有效的耦合。
在一些实施例（未示出）中，锥形尖端能够物理上接触层306，或者如果层306不存在则接触层301。在又一实施例（未示出）中，在锥形尖端中，层302没有突然中断，而是宽度连续变化以有助于更有效的耦合。
层309是被沉积在层301的顶部上的接触金属，对应于上文关于图1的实施例所述的层101的顶部上的接触金属109，如图2a中所示。
一个或更多个光刻对齐标记320（为了简单，仅示出一个）被用于各种加工步骤之间的精确对齐。
图4示出了根据本发明的一个实施例的集成光子器件400的俯视图，其中异种材料之间的边界成角度以控制传输和背向反射二者。有源层401支持的光模被引导通过可选涂层406至层403，该层403用于转换模以有效耦合到层402。层406能够提供高反射功能，或者在被设计成用作抗反射涂层时能够促进减少反射。为了促进在由层401和402支持的模之间的耦合，层402的尺寸朝向层401渐缩，如图的最左侧处所示的尖端411的相对于层402的宽度相对较小的宽度所示。已经计算出，由于层403的存在，对锥形部尺寸的要求显著地放松，最多达几百纳米。例如，在对于尖端宽度大于一百纳米的情况下，甚至在401和402之间的折射率差大于一时，也可以实现在401和402之间的大于70%的耦合效率。相比之下，在不存在层403的情况下，层401将必须渐缩，以致其模可以直接耦合到层402中，为了实现类似耦合效率，层401的锥形尖端的尺寸（未示出）将必须远小于一百纳米。在另一实施例中，在层403中而不是在层402中产生锥形部（未示出）。在又一实施例中，可以在层402和403二者中产生锥形部以实现高效耦合。在一些实施例中，在层402和403中的所述锥形部能够是多级锥形部，意味着它们利用一个以上的蚀刻深度来促进更有效的耦合。
另外，在该实施例中，在层401、406和/或403之间的界面中的一个或更多个成角度以减小对应的背向反射。
角度420限定在波在结构401内传播的方向的切线与切面（facet）（朝向406和/或如果层406不存在则朝向403的界面）之间的角度。角度420主要被用于在模到达朝向406和/或403的界面时控制由层401支持的模的背向反射。在一种实施例中，其基本等于0度。在又一实施例中，其在1度和45度之间。在又一实施例中，其基本等于8度。在又一实施例中，其基本等于12度。
角度430限定在波在结构401内传播的方向与403形成的波导的角度之间的角度。所述角度是在由层401和403支持的模之间的耦合效率的优化参数并且涉及选择角度420和/或在层401和403及其相应包层中使用的材料的折射率。在一种实施例中，其基本等于0度。在又一实施例中，其在1度和45度之间。在又一实施例中，其基本等于16度。在又一实施例中，其基本等于20度。在所有情况下，能够针对角度420以及层401和403中的模的有效折射率的给定组合，使用电磁求解器来计算最佳角度430。
在波在结构401内部的传播方向限定的轴线和在朝向403、406和/或401的界面处的波导403的中心之间的精确的竖直对齐（在图4中上/下）是优化参数，其中这样的偏移能够是正的（在图4中为上）、负的（在图4中为下）和/或基本等于0（没有偏移）。使用数值软件可以直接执行这种优化，以最大化转换性能，同时优化角度420和角度430。
在本发明之前，即在没有中间层103/303/403的情况下，对于层101/301/401和102/302/402之间的直接转移的锥形尖端宽度的要求将成为问题。不过，使用对接耦合到层101/301/401的中间层103/303/403（不过在一些实施例中具有成角度界面）会显著地减小对锥形尖端宽度的严苛要求，从而允许在非常大反射率材料（诸如例如101/301/401中的基于GaAs的层）和小反射率材料（诸如例如层102/302/402中的SiN、LiNbO3或类似材料）之间的有效转移。层403可以包括介电材料、聚合物和/或任意其他合适的材料。在对接耦合界面处，由元件101/301/401和103/303/403支持的光模之间不发生绝热转换。层103/303/403和/或层102/302/402能够包括弯曲部（未示出）以控制被引导光波的路线选择。存在一个或更多个光刻对齐标记320/420以便于在各种加工步骤期间形成的层之间精确对齐。
图5提供集成光子器件500的一种实施例的俯视图，其利用对接耦合和模转换来在异种材料之间进行有效耦合。虚线A、B、C和D对应于根据本发明的借助于端视图500A、500B、500C和500D更详细地描述的一些实施例的器件的截面端视图。
有源层501支持的光模被引导通过可选涂层506至层503，该层503用于转换模以有效耦合到层502。层506能够提供高反射功能，或者在被设计成用作抗反射涂层时能够促进减少反射。为了促进在由层501和502支持的模之间的耦合，层502的尺寸朝向层501渐缩，如由图的最左侧处所示的尖端511相对于层502的宽度相对较小的宽度所示。已经计算出，由于层503的存在，对锥形部尺寸的要求显著地放松，最多达几百纳米。例如，在对于尖端宽度大于一百纳米的情况下，甚至在501和502之间的折射率差大于一时，还可以实现在501和502之间的大于70%的耦合效率。相比之下，在不存在层503的情况下，层501将必须渐缩，以致其模可以直接耦合到层502中，为了实现类似耦合效率，层501的锥形尖端的尺寸（未示出）将必须远小于一百纳米。在一些实施例（未示出）中，锥形尖端能够物理上接触层506，或者如果层506不存在则接触层501。在又一实施例（未示出）中，在锥形尖端中，层502没有突然中断，而是宽度连续变化以有助于更有效的耦合。
一个或更多个光刻对齐标记520（为了简单，仅示出一个）被用于各种加工步骤之间的精确对齐。
在图5中所示的实施例中，一旦光模转换为主要存在于层502为其提供芯的波导中的模，则不会从层502的顶部移除层503，这不同于图1的实施例中的层103和102的情形（或分别对应于图3和图4中的层303和302或403和402）。可以借助于图6a中的端视图600A、600B和600C容易地看到这种差异。在这种实施例中能够实现这种变化，这是因为材料被选择成使得层503的折射率小于层502的折射率，以致层503能用作层502的包层。这种实施例简化了集成光子器件的制造，因为其放松了对于必须从无源层上方的区域移除中间层的情况下所需的蚀刻控制的需求，如图1中的102上方的层103的情况（或者分别在图3和图4中的302和402上方的层303和403的情况）。
功能层501、502、503、506和509（除非被明确地不同定义）对应于关于图3描述的功能层301、301、303、306和309以及将在下文描述的图6a和图6b中的层601、602、603、606和609。
图6a示出了三个截面图600A、600B和600C，其对应于图5中的标记为A、B和C的三个特征位置，其中图6b示出对应于图5中标记为D的特征位置的截面图600D。功能层601至609（除非明确不同地定义）对应于关于图1描述的功能层101至109并且对应于关于图3描述的功能层301至309并且对应于关于图4描述的功能层401至409。
在图6a中，截面600A示出在完成至层602的光耦合（假设光信号流动发生在图5的视图500中从右到左）之后穿过贯穿图5的视图500中示出的器件的最左侧的平面的截面图。层602提供波导的芯，而层603、604和608用作包层。截面600B示出一种实施例，其中促进了模从层603中主要存在的一种转换到层602中主要存在的一种。通过在层602中实现的锥形部来促进这种转换。截面600C示出一种实施例，其中在与在关于图1、图3和图4所述的有源区域中提供引导的结构对接耦合之后模主要驻留在层603中。
在图6b中，截面600D示出了贯穿包括有源层601（对应于图2a中的201）的区域的示例性切面。功能层601至610b（除非明确不同地定义）对应于关于图2a所述的功能层201至210b，其中关键差异在于层603用作主要包层，与图2a不同，在图2a中，层207用作主要包层。注意到虽然在器件的一些部分中存在层607，不过其不用作在锥形部区域处或附近的层602的包层。在一些实施例中，在层603和601之间存在附加薄层以提供表面钝化。模形状650通常与模形状250稍稍不同，这是因为在601和包层之间的边界处的折射率反差在这两种情况下是不同的。
本发明的实施例提供许多益处。与典型的基于Si波导或基于InP波导的PIC相比，该集成平台允许由多种材料制成的PIC的可规模化制造且能够处理高光功率。
先前的方法大体上已经使用了锥形部结构将光模从有源器件转移到无源器件，其中复合半导体区域的宽度绝热地渐缩直到亚微米大小。然而，随着折射率的差异增加，锥形尖端所需要的宽度迅速地减小至数十纳米大小。本发明采用对接耦合方案来放松对耦合的任意波导中的锥形部大小的要求，这简化了此类结构的制造。
其他方法已经依赖于预制的光学有源器件与无源波导的压模(die)附接。这要求非常严格的对齐精度，这通常超出了典型的压模结合器(bonder)能够提供的精度。该方面限制该过程的生产能力以及光耦合的性能。
本发明使用一种过程流程，其包括载体晶片上复合半导体材料的覆盖件与介电波导的典型的晶片结合，以及如本领域中已知的随后的半导体制造过程。它允许经由典型的光刻步骤（photo lithography step）准确地限定有源波导与无源波导之间的光学对齐，从而消除对于精确物理对齐的需要。所述基于光刻的对齐允许使用晶片级技术的可规模化制造。
通过与模转换器（中间波导）结合使用对接耦合方法来促进在异种材料之间进行有效的光传输，这去除了对于窄锥形尖端的需要，这种窄锥形尖端对于用现有技术的工具解决和制造是具有挑战性的。
应理解的是，有源层和无源层中的模之间的光耦合是相互的，使得以图1为示例，结构能够被构造成便于光从区域101传输到区域102，而且也便于在相反方向上（从区域102到区域101）传输。应理解的是，能够在适当配置的PIC上实现多个此类转换，而没有对其数量或取向的限制。
在一些实施例中，由于与基底直接接触而其之间没有电介质，有源区域能够使用基底来进行更有效的散热。在此类实施例中，有源区域完全限定有源区域中的光波导，且经由上文提到的对接耦合转移到无源区域。
在一些实施例中，有源区域产生带有介电层的混合波导结构，介电层能够例如用来产生波长选择性部件，该波长选择性部件被形成在用于例如分布式反馈（DFB）激光器或类似部件的激光器腔体内部。
本文中描述的光学器件的实施例能够并入到各种其他器件和系统中，所述各种其他器件和系统包含但不限于各种计算和/或消费电子器件/器具、通信系统、传感器和感测系统。
应理解的是，本公开仅教导说明性实施例的几个示例，且本发明的许多变型可容易由本领域技术人员在阅读该公开之后设计出，且本发明的范围应由所附权利要求书确定。

Claims (17)

1.一种器件，包括：
被制造在公共基底上的第一元件、第二元件和第三元件；
其中所述第一元件包括包含支持第一光模的至少三个子层的有源波导结构，所述第二元件包括支持第二光模的无源波导结构，并且被至少部分对接耦合到所述第一元件的所述第三元件包括支持两个或更多个中间光模的中间波导结构；
其中在所述有源波导结构中的第一子层包括n型接触层，在所述有源波导结构中的第二子层包括p型接触层，且在所述有源波导结构中的第三子层包括有源区域；
其中，在所述第二元件和第三元件中的至少一者中的锥形波导结构有助于在所述中间光模中的一个与所述第二光模之间的有效绝热转换；
其中在所述第一光模和任意所述中间光模之间不发生绝热转换；以及
其中通过使用光刻对齐标记来限定所述第一元件、第二元件和第三元件的相互对齐，所述光刻对齐标记有助于在制造所述第一元件、第二元件和第三元件的加工步骤期间形成的层之间的精确对齐。
2.根据权利要求1所述的器件，
其中所述第二元件包括在所述第三元件的下表面下方并与所述下表面直接接触的平面顶表面。
3.根据权利要求1所述的器件，
其中在所述第一元件和第三元件之间的界面以被优化以最小化在所述第一元件和第三元件之间的反射的角度成角度。
4.根据权利要求1所述的器件，
其中所述n型接触层和所述p型接触层包括高掺杂GaAs层。
5.根据权利要求1所述的器件，
其中所述有源区域包括量子阱。
6.根据权利要求1所述的器件，
其中所述有源区域包括量子点。
7.根据权利要求1所述的器件，
其中所述有源区域包括pin结。
8.根据权利要求1所述的器件，
其中所述第二元件具有在1.8和2.5之间的折射率和在20 nm和2000 nm之间的厚度。
9. 根据权利要求1所述的器件，
其中所述第三元件具有在1.55和2.2之间的折射率，并且
其中所述第三元件的所述折射率小于所述第二元件的所述折射率。
10. 根据权利要求1所述的器件，
其中在所述第一元件中的所述有源波导结构包括支持第一光模的至少五个子层；并且
其中在所述有源波导结构中的第四子层包括n型包层，并且在所述有源波导结构中的第五子层包括p型包层。
11.根据权利要求10所述的器件，
其中所述n型包层和所述p型包层包括AlGaAs层，其中Al浓度在5%和60%之间。
12.根据权利要求10所述的器件，
其中在所述有源波导结构中的第六子层包括蚀刻停止层。
13.根据权利要求10所述的器件，
其中通过使用至少一个蚀刻来提供光模限制并打开用于金属沉积的n型接触区域以限定所述第一元件。
14.一种器件，包括：
被制造在公共基底上的第一元件、第二元件和第三元件；
其中所述第一元件包括支持第一光模的有源波导结构，所述第二元件包括支持第二光模的无源波导结构，且被至少部分对接耦合到所述第一元件的所述第三元件包括支持两个或更多个中间光模的中间波导结构；
其中所述第三元件为所述第二元件提供包层；
其中在所述第二元件中的锥形波导结构有助于在所述中间光模中的一个与所述第二光模之间的有效绝热转换；
其中在任意所述中间光模和所述第一光模之间不发生绝热转换；以及
其中通过使用光刻对齐标记来限定所述第一元件、第二元件和第三元件的相互对齐，所述光刻对齐标记有助于在制造所述第一元件、第二元件和第三元件的加工步骤期间形成的层之间的精确对齐。
15.根据权利要求14所述的器件，
其中所述第二元件包括在所述第三元件的下表面下方并与所述下表面直接接触的平面顶表面。
16.根据权利要求14所述的器件，
其中在所述第一元件和第三元件之间的界面以被优化以最小化在所述第一元件和第三元件之间的反射的角度成角度。
17.根据权利要求16所述的器件，进一步包括：
被沉积在成角度界面上的抗反射涂层。
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