CN117310873A - 硅基片上异质集成iii-v族有源器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硅基光电异质集成技术领域，具体公开了一种硅基片上异质集成III‑V族有源器件及其制备方法，包括：硅片基底；硅波导，形成在硅片基底上；III‑V族有源器件，朝向硅片基底的表面形成凹槽结构，以容纳硅波导，凹槽结构的宽度不小于硅波导的宽度，深度不小于目标深度；薄膜覆盖层，形成在硅片基底上，其厚度全部覆盖硅波导且至少部分覆盖所述III‑V族有源器件；第一金属电极，一端与凹槽结构的端面接触，另一端延伸至薄膜覆盖层表面；第二金属电极，位于III‑V族有源器件背离硅片基底的表面。本发明提供的硅基片上异质集成III‑V族有源器件能够提高III‑V族有源器件与硅波导的耦合效率且工艺难度低。

Description

硅基片上异质集成III-V族有源器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅基光电异质集成技术领域，尤其涉及一种硅基片上异质集成III-V族有源器件、硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法及光纤信号处理器。
背景技术
硅基光子芯片与标准半导体工艺兼容，具备成本低，集成度高的优点，在业界得到广泛使用。而半导体光放大器是以III-V族半导体材料做为增益、对外来光子进行放大或提供增益的光电子器件，其与硅（Si）基材料特性不同，两者之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，位错密度高达到107 cm-2，使其无法直接在硅上进行异质外延生长。因此，只能采用异质集成的办法来实现半导体光放大器与硅基光子芯片的集成。
硅基集成半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，简称SOA）可以放大硅基光电子集成回路中微弱的光信号，是硅基光电子集成回路中不可或缺的器件。当信号在多个光器件中传输时，SOA可以提高输出的光功率并使信号的功率水平保持稳定。除此之外，SOA还有很多其他的用途。例如：波分复用（WDM）系统中的宽调谐激光器就需要用到一个集成SOA，它可以用来进行波长优化和边模抑制比（SMSR）的优化；相干传输系统对激光器的输出光功率要求也非常高，至少需要16 dBm，用以克服在相干调制器、波分复用以及光纤耦合中的损耗；固定多波长激光器阵列，在波长多路复用之前，也需要在每个激光器维持信道均衡之后用到一个SOA，用于功率平坦化；集成波分复用接收器电路也会用到一个SOA来放大输出信号，这样可以减少网络里外部光放大器的数量；由于非线性效应的存在，SOA也可以用于高速波长转换器中。
目前为止，硅上集成III-V族半导体光放大器基本分为两类：一类是III-V族半导体光放大器直接集成在硅材料上，如倒装键合；另一类是将III-V族半导体光放大器薄膜通过晶圆键合集成到硅光芯片表面，例如聚合物BCB或者经抛光的SiO2。直接集成技术主要是指采用倒装焊或贴装工艺，将预先制作好的III-V族材SOA器件放置在硅波导中间或表面，通过焊球完成电连接，实现SOA与硅光波导器件的混合集成。虽然倒装焊技术较成熟，也能充分发挥SOA的光增益特性，但要求两者间的对准精度极高，导致其制备工艺较复杂，对设备精度和成本要求较高。采用晶圆键合技术，可将III-V族材料外延层集成至硅波导等硅光器件上方，由III-V族材料产生的光可通过倏逝波耦合的方式进入硅波导中，完成片上SOA与硅光子芯片的混合集成。但由于只能集成大面积的外延薄膜材料在硅表面，要求硅表面的平整度很高，故在集成之前硅基上的结构越少越好，集成后再对硅基进行结构制备，这不仅导致工艺难度增大而且也会浪费大量的SOA外延材料，进一步导致成本增加。
因此，如何能够提高III-V族有源器件与硅波导的耦合效率并降低工艺难度成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种硅基片上异质集成III-V族有源器件、硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法及光纤信号处理器，解决相关技术中存在的III-V族有源器件与硅波导的耦合效率低且工艺难度高的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种硅基片上异质集成III-V族有源器件，其中，包括：
硅片基底；
硅波导，形成在所述硅片基底上；
III-V族有源器件，位于所述硅波导上，朝向所述硅片基底的表面的方向形成凹槽结构，以容纳所述硅波导，所述凹槽结构的宽度不小于所述硅波导的宽度，所述凹槽结构的深度不小于目标深度；
薄膜覆盖层，形成在所述硅片基底上，且所述薄膜覆盖层的厚度全部覆盖所述硅波导且至少部分覆盖所述III-V族有源器件；
第一金属电极，位于所述硅片基底上，至少部分第一金属电极与所述凹槽结构的端面接触；
第二金属电极，位于所述III-V族有源器件背离所述硅片基底的表面。
进一步地，当所述凹槽结构的深度小于所述硅波导的高度时，所述凹槽结构的深度与所述硅波导的电场强度之间呈正相关；
当所述凹槽结构的深度大于所述硅波导的高度时，所述硅波导的电场强度在第一范围内波动；
当所述凹槽结构的深度与所述硅波导的高度相同时，所述硅波导的电场强度最大。
进一步地，当所述凹槽结构的侧壁厚度小于所述硅波导的宽度的一半时，所述凹槽结构的侧壁厚度与所述硅波导的电场强度之间呈正相关；
当所述凹槽结构的侧壁厚度大于所述硅波导的宽度的一半时，所述硅波导的电场强度在第二范围内波动；
当所述凹槽结构的侧壁厚度等于所述硅波导的宽度的一半时，所述硅波导的电场强度最大。
进一步地，所述凹槽结构的形状包括矩形、三角形和多边形中的任意一种。
进一步地，所述III-V族有源器件包括半导体光放大器、激光器和探测器中的任意一种。
进一步地，所述硅片基底包括硅衬底和形成在所述硅衬底上的埋氧层。
作为本发明的另一个方面，提供一种硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法，其中，包括：
提供硅片基底；
在所述硅片基底上形成硅波导，并在所述硅波导两侧分别制备第一金属电极；
提供III-V族有源器件，在所述III-V族有源器件的一表面上刻蚀形成凹槽结构，所述凹槽结构的宽度不小于所述硅波导的宽度，所述凹槽结构的深度不小于目标深度；
将具有凹槽结构的III-V族有源器件，凹槽朝向所述硅波导，对准卡扣于所述硅片基底以使所述硅波导位于所述凹槽结构内，且所述凹槽结构的两个端面分别与至少部分第一金属电极接触；
在集成有III-V族有源器件的硅片基底上生长薄膜覆盖层，以使得所述薄膜覆盖层的厚度全部覆盖所述硅波导且至少部分覆盖所述III-V族有源器件；
在所述III-V族有源器件背离所述硅片基底的表面生长第二金属电极。
进一步地，所述III-V族有源器件包括由自下而上的N-InP缓冲层、本征层和P-InP覆盖层堆叠而成的P-N型InP有源器件，所述第一金属电极为N型电极，所述第二金属电极为P型电极；
提供III-V族有源器件，在所述III-V族有源器件的一表面上刻蚀形成凹槽结构，包括：
制备所述III-V族有源器件的外延片，并将所述外延片倒装键合在备用基底上；
刻蚀所述III-V族有源器件的InP衬底；
将N-InP缓冲层刻蚀成凹槽结构。
进一步地，所述III-V族有源器件包括由自下而上的P-InP缓冲层、本征层和N-InP堆叠而成的N-P型InP有源器件，所述第一金属电极为P型电极，所述第二金属电极为N型电极；
提供III-V族有源器件，在所述III-V族有源器件的一表面上刻蚀形成凹槽结构，包括：
将III-V族有源器件的P-InP覆盖层刻蚀成凹槽结构。
作为本发明的另一个方面，提供一种光纤信号处理器，其中，包括前文所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件，还包括：
信号输入光纤，与所述硅基片上异质集成III-V族有源器件中硅波导的一端连接，用于输入光信号；
信号输出光纤，与所述硅基片上异质集成III-V族有源器件中硅波导的另一端连接，用于输出经过III-V族有源器件处理后的光信号。
本发明提供的硅基片上异质集成III-V族有源器件，通过将III-V族有源器件朝向硅片基底的表面设置成凹槽结构，以容纳硅波导，不仅能够有效提高III-V族有源器件与硅波导的对准精度，还由于凹槽结构的限制作用能够显著提高III-V族有源器件与硅波导之间的光耦合效率。另外，由于仅在III-V族有源器件朝向硅片基底的表面设置凹槽结构即可实现，无需复杂工艺，因此还具有成本低工艺简单的优势。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的硅基片上异质集成III-V族有源器件的俯视图。
图2a为图1所示的A-A向截面结构示意图。
图2b为图1所示的B-B向截面结构示意图。
图3a为未设置凹槽结构时A-A向截面结构的仿真电场分布效果图。
图3b为未设置凹槽结构时B-B向截面结构的仿真电场分布效果图。
图3c为未设置凹槽结构时C-C向截面结构的仿真电场分布效果图。
图4a为本发明提供的设置凹槽结构时A-A向截面结构的仿真电场分布效果图。
图4b为本发明提供的设置凹槽结构时B-B向截面结构的仿真电场分布效果图。
图4c为本发明提供的设置凹槽结构时C-C向截面结构的仿真电场分布效果图。
图5a为本发明提供的凹槽结构的深度大于硅波导的高度时的截面示意图。
图5b为本发明提供的凹槽结构的深度小于硅波导的高度时的截面示意图。
图6为本发明提供的采用SOI衬底制备的硅波导结构示意图。
图7为本发明提供的具有凹槽结构的III-V族有源器件的结构示意图。
图8为本发明提供的仿真硅波导中C-C截面处的电场随着III-V族有源器件中凹槽结构的高度h1的变化关系曲线图。
图9为本发明提供的仿真硅波导中C-C截面处的电场随着III-V族有源器件中凹槽结构的宽度W2的变化关系曲线图。
图10为本发明提供的硅波导与III-V族有源器件采用SiO2真空异质键合后的结构示意图。
图11为本发明提供的硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
当前，III-V族有源器件在硅基片上的集成由于工艺难度大等原因不仅成本高且III-V族有源器件与硅基片的耦合效率低。
基于此，在本发明实施例中提供了一种硅基片上异质集成III-V族有源器件，如图1、图2a和图2b所示，包括：
硅片基底；
硅波导3，形成在所述硅片基底上；
III-V族有源器件4，位于所述硅波导3上，朝向所述硅片基底的表面的方向形成凹槽结构7，以容纳所述硅波导3，所述凹槽结构7的宽度不小于所述硅波导3的宽度，所述凹槽结构7的深度不小于目标深度；
薄膜覆盖层8，形成在所述硅片基底1上，且所述薄膜覆盖层8的厚度全部覆盖所述硅波导3且至少部分覆盖所述III-V族有源器件4；
第一金属电极6，位于所述硅片基底上，至少部分第一金属电极6与所述凹槽结构7的端面接触；
第二金属电极5，位于所述III-V族有源器件背离所述硅片基底的表面。
需要说明的是，本发明实施例中的所述目标深度具体可以根据实际工艺需求进行设定，即只要凹槽结构存在深度能够方便与硅波导进行对准即可，具体所述凹槽结构的深度为多少此处并不做限定。
作为一种具体地实施方式，第一金属电极6和第二金属电极5可以通过打孔的方式与外接电源电性连接，具体实现过程为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
作为另一种具体地实施方式，第一金属电极6，包括第一金属电极第一部分61和第一金属电极第二部分62，位于所述硅片基底上，每个第一金属电极第一部分61与一个与所述凹槽结构7的端面接触，第一金属电极第二部分62延伸至所述薄膜覆盖层8背离所述硅片基底的表面；所述第一金属电极第一部分61和第一金属电极第二部分62电性连接；
第二金属电极5，位于所述III-V族有源器件4背离所述硅片基底的表面，并延伸至所述薄膜覆盖层8背离所述硅片基底的表面。
需要说明的是，如图2b所示，凹槽结构包括两个端面，第一金属电极6分别位于凹槽结构的两侧，每侧的第一金属电极6均包括第一金属电极第一部分61和第一金属电极第二部分62，每侧的第一金属电极第一部分61连接所在侧的凹槽结构的端面，以图2b所示方向为例，凹槽结构左侧的端面与左侧的第一金属电极第一部分61连接，凹槽结构右侧的端面与右侧的第一金属电极第一部分61连接。
具体地，在III-V族有源器件4朝向硅片基底的表面形成凹槽结构7，能够直接将III-V族有源器件4扣合在硅波导3上，不仅能够有效提高III-V族有源器件4与硅波导3的对准精度，而且由于凹槽结构7的限制作用还能够显著提升III-V族有源器件4与硅波导3之间的光耦合效率。
因此，本发明提供的硅基片上异质集成III-V族有源器件，通过将III-V族有源器件朝向硅片基底的表面设置成凹槽结构，以容纳硅波导，不仅能够有效提高III-V族有源器件与硅波导的对准精度，还由于凹槽结构的限制作用能够显著提高III-V族有源器件与硅波导之间的光耦合效率。另外，由于仅在III-V族有源器件朝向硅片基底的表面设置凹槽结构即可实现，无需复杂工艺，因此还具有成本低工艺简单的优势。
如图2a所示，所述硅片基底包括硅衬底1和形成在所述硅衬底1上的埋氧层2，具体所述埋氧层2为SiO2埋氧层。
另外，本发明实施例中的所述薄膜覆盖层8具体可以为SiO2覆盖层。
在本发明实施例中，所述III-V族有源器件4包括半导体光放大器、激光器和探测器中的任意一种。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述III-V族有源器件4均以半导体光放大器为例进行说明。
图1为本发明实施例中的硅基片上异质集成III-V族有源器件的俯视图，对应截面A-A和B-B的结构示意图分别如图2a和图2b所示。
下面结合仿真结果说明凹槽结构7扣合在硅波导3上能够达到提升耦合效率的效果。
具体地，图1所示的器件结构中，硅波导3初始参数例如可以设定为：硅波导的宽度W=0.5 μm；硅波导的高度h=0.22 μm（如图6所示）；III-V族有源器件的宽度为1 μm，长度为10 μm，高度为1 μm，其中III-V族有源器件的凹槽结构7的端面宽度（即侧壁厚度）W2=0.25μm；凹槽结构7的内部宽度W1=0.5μm，凹槽结构7的深度h1=0.22 μm（如图7所示）；入射光波长1550 nm。
图3a至图3c为仿真的硅波导两侧没有设置凹槽结构的电场分布；图4a至图4c为仿真的硅波导两侧设置凹槽结构的电场分布。从图3a至图3c以及图4a至图4c中可以看出，将III-V族有源器件设计成具有凹槽结构，由于凹槽结构7能够对硅波导光场起到限制作用，使得更多的光能够进入到III-V族有源器件（具体可以为半导体光放大器）中。从图3b和图4b可以明显的观察到，III-V族有源器件没有凹槽结构的硅波导中光场分布较强，而有凹槽结构7的硅波导中光场明显较弱，这说明III-V族有源器件的凹槽结构7能够使得硅波导3的大部分光信号都进入到III-V族有源器件中，然后再通过III-V族有源器件过渡到另一侧的硅波导中。图3c和图4c为光信号通过III-V族有源器件后过渡到硅波导中的光场大小分布，图4c中的光场强度明显比图3c中的大很多，约是图3c光强的1.35倍。因此能够说明通过设置III-V族有源器件的凹槽结构7，硅波导3与III-V族有源器件4的光耦合效率相比传统无凹槽结构的器件提高了1.35倍。
作为一种具体地实施方式，如图8所示，当所述凹槽结构7的深度小于所述硅波导3的高度时，所述凹槽结构7的深度与所述硅波导3的电场强度之间呈正相关；当所述凹槽结构7的深度大于所述硅波导3的高度时，所述硅波导3的电场强度在第一范围内波动；当所述凹槽结构7的深度与所述硅波导3的高度相同时，所述硅波导的电场强度最大。
在本发明实施例中，如图8所示，所述第一范围具体可以为0.43 V/m~0.50V/m，由于第一范围内的电场强度波动比较小，因此，当所述凹槽结构7的深度大于所述硅波导3的高度时，所述硅波导3的电场强度趋于稳定。
应当理解的是，图5a所示的结构中，凹槽结构7的深度大于硅波导3的高度，即硅波导7被凹槽结构7的侧壁完全包围。
如图5b所示，所述凹槽结构7的深度小于所述硅波导3的高度。
在本发明实施例中，凹槽结构7的深度能够影响硅波导与III-V族有源器件之间的耦合效率，下面结合仿真进行说明。
图8为仿真的硅波导中C-C截面处的电场随着凹槽结构的深度h1的变化关系曲线（默认W2=0.25 μm），当h1=0为III-V族有源器件没有凹槽结构时对应的电场值。从图8中可以看到，相比传统无凹槽结构的III-V族有源器件，本发明实施例在III-V族有源器件中设置凹槽结构，电场强度至少提高50%以上。当h1=0.22μm时即凹槽结构的深度与硅波导的厚度相同时，电场强度最大，相比传统III-V族有源器件，电场强度提高了1.35倍，这也充分说明了凹槽结构7能够显著提高硅波导与III-V族有源器件的光耦合效率。
由于在实际制备过程中，为了能够快速固定III-V族有源器件的位置，通常将凹槽结构7的深度与所述硅波导3的高度之间形成高度差，在综合考虑快速固定III-V族有源器件的位置以及光耦合效率时，通常以所述凹槽结构7的深度大于所述硅波导3的高度为最优。
作为另一种具体地实施方式，如图9所示，当所述凹槽结构7的侧壁厚度（即凹槽结构7的端面宽度W2）小于所述硅波导3的宽度的一半时，所述凹槽结构7的侧壁厚度与所述硅波导3的电场强度之间呈正相关；当所述凹槽结构7的侧壁厚度大于所述硅波导3的宽度的一半时，所述硅波导3的电场强度在第二范围内波动；当所述凹槽结构7的侧壁厚度等于所述硅波导3的宽度的一半时，所述硅波导3的电场强度最大。
在本发明实施例中，如图9所示，所述第二范围具体可以为0.53 V/m ~0.57 V/m，由于第二范围内的电场强度波动比较小，因此，当所述凹槽结构7的侧壁厚度大于所述硅波导3的宽度的一半时，所述硅波导3的电场强度趋于稳定。
图9为仿真的硅波导中C-C截面处的电场随着凹槽结构7的侧壁厚度（即端面宽度）W2的变化关系曲线（默认h1=0.22μm），当W2=0为III-V族有源器件没有凹槽结构时对应的电场值。从图9中可以看到，相比传统无凹槽结构的III-V族有源器件，本发明实施例在III-V族有源器件中设置凹槽结构7，电场强度至少提高90%倍以上。当W2=0.25μm时即凹槽结构7的宽度为硅波导3的宽度的一半时，电场强度最大，相比传统III-V族有源器件，电场强度提高了1.35倍，因此，III-V族有源器件通过设置凹槽结构显著提高硅波导与III-V族有源器件之间的光耦合效率，光耦合效率至少提高90%以上。
通过图8和图9可知，III-V族有源器件采用凹槽结构7能够明显提高III-V族有源器件与硅波导的光耦合效率，其中针对凹槽结构7的深度h1和侧壁厚度W2的具体值可根据实际工艺情况进行变化。凹槽结构7的深度h1和侧壁厚度W2均会对硅波导与III-V族有源器件的偶和效率起到非常重要的影响，其中侧壁厚度的影响明显大于深度的影响，深度的变化可以使得两者间的耦合效率提高至少50%以上，侧壁厚度至少使得耦合效率能够提高90%以上，综合考虑凹槽结构的深度和侧壁厚度的变化，可以使两者间的耦合效率提高到1.35倍。因此，本发明提供的硅基片上异质集成III-V族有源器件，与传统无凹槽结构的III-V族有源器件相比，凹槽结构的设计对光耦合效率的改善非常显著，最大可以提高约1.35倍的光耦合效率。
在本发明实施例中，所述凹槽结构7的形状包括矩形、三角形和多边形中的任意一种，本发明实施例的图中所示凹槽结构7的形状以矩形为例进行示意。
最后，如图10所示，在硅片基底的表面以及III-V族有源器件上均覆盖薄膜覆盖层，能够实现III-V族有源器件与硅波导之间的直接真空键合，提高倏逝波的耦合效率。
综上，本发明实施例中的硅基片上异质集成III-V族有源器件，通过在III-V族有源器件上设置朝向硅波导的凹槽结构，不仅能够实现与硅波导的快速对准，还能够对硅波导的光信号起到限制作用进而提高III-V族有源器件与硅波导之间的光耦合效率。另外，通过将凹槽结构的宽度设置成不小于硅波导的宽度，能够方便III-V族有源器件卡扣在硅波导的两侧；通过将凹槽结构的深度与硅波导的高度之间形成高度差，能够便于快速固定III-V族有源器件的位置；最后通过设置薄膜覆盖层，能够实现III-V族有源器件与硅波导之间的直接真空键合，有利于提高倏逝波的耦合效率。
作为本发明的另一实施例，提供一种硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法，如图11所示，包括：
S100、提供硅片基底；
在本发明实施例中，具体所述硅片基底可以包括硅衬底1和形成在所述硅衬底上的埋氧层2。
S200、在所述硅片基底上形成硅波导，并在所述硅波导两侧分别制备第一金属电极；
具体地，用绝缘衬底上的硅（SOI，Silicon-On-Insulator）采用硅光工艺技术来制备硅波导3和硅波导3两侧用于互连的金属电极结构，制备后的硅波导结构如图6所示。在本发明实施例中，根据制备工艺，硅波导3的宽度W具体可以设定为W=0.5μm，厚度h具体可以设定为h=0.22μm。
作为一种具体地实施方式，在此处制备第一金属电极时，具体为制备第一金属电极第一部分，所述第一金属电极包括第一金属电极第一部分和第一金属电极第二部分，所述第一金属电极第一部分和第一金属电极第二部分电性连接。
S300、提供III-V族有源器件，在所述III-V族有源器件上刻蚀形成凹槽结构，所述凹槽结构的宽度不小于所述硅波导的宽度，所述凹槽结构的深度不小于目标深度；
具体地，在本发明实施例中，以III-V族有源器件为半导体光放大器为例进行说明。
作为一种具体地实施方式，所述III-V族有源器件包括由自下而上的N-InP缓冲层、本征层和P-InP覆盖层堆叠而成的P-N型的InP有源器件，所述第一金属电极为N型电极，所述第二金属电极为P型电极；
在该实施方式中，提供III-V族有源器件，并在所述III-V族有源器件上刻蚀形成凹槽结构，包括：
制备所述III-V族有源器件的外延片，并将所述外延片倒装键合在备用基底上；
刻蚀所述III-V族有源器件的InP衬底；
将N-InP缓冲层刻蚀成凹槽结构。
具体地，以制备半导体光放大器的凹槽结构为例。首先将制备的半导体光放大器的外延片倒装键合到另一片备用基底（SOI）上，刻蚀掉半导体光放大器的InP衬底后，再将N-InP缓冲层刻蚀成凹槽结构7，如图7所示。
在本发明实施例中，采用P-N正向集成结构，凹槽结构7的侧壁厚度为W2，高度为h1，两个凹槽侧壁之间的距离，即凹槽内部宽度为W1，在实际工艺过程中，为了工艺较容易实施，可设置W1比W略大，如大0.1μm、0.2μm或0.5μm等，在此指出，可根据工艺过程中的硅波导的宽度及III-V族有源器件的宽度设置具体W1比W宽多少，只要W1不小于W，具体宽多少，根据实际需求设定，最好是凹槽结构在扣合到硅波导后留有一点缝隙。关于具体缝隙的大小可以根据工艺需求进行设定，此处并不做限定。
作为另一种具体地实施方式，所述III-V族有源器件包括由自下而上的P-InP缓冲层、本征层和N-InP堆叠而成的N-P型的InP有源器件，所述第一金属电极为P型电极，所述第二金属电极为N型电极；
在该实施方式中，提供III-V族有源器件，在所述III-V族有源器件的一表面上刻蚀形成凹槽结构，包括：
将III-V族有源器件的P-InP覆盖层刻蚀成凹槽结构。
在该实施方式中，采用N-P结构反向集成，需要将P-InP覆盖层刻蚀成凹槽结构后再与硅波导实现集成。
另外，需要说明的是，无论III-V族有源器件为掺杂为P型的InP有源器件还是掺杂为N型的InP有源器件，在对凹槽结构进行刻蚀时，根据前文所述可知，凹槽结构的深度和凹槽结构的侧壁厚度均能够影响硅波导的电场强度，因此凹槽结构的刻蚀参数可以根据实际应用场景中硅波导所需要满足的电场强度确定。
具体地，凹槽结构的深度与硅波导的高度之间的关系具体表现为：当所述凹槽结构的深度小于硅波导的高度时，凹槽结构的深度与所述硅波导的电场强度之间呈正相关；当所述凹槽结构的深度大于所述硅波导的高度时，所述硅波导的电场强度在第一范围内波动；当所述凹槽结构的深度与所述硅波导的高度相同时，所述硅波导的电场强度最大。
凹槽结构的侧壁厚度与硅波导的宽度之间的关系具体表现为：当所述凹槽结构的侧壁厚度小于所述硅波导的宽度的一半时，所述凹槽结构的侧壁厚度与所述硅波导的电场强度之间呈正相关；当所述凹槽结构的侧壁厚度大于所述硅波导的宽度的一半时，所述硅波导的电场强度在第二范围内波动；当所述凹槽结构的侧壁厚度等于所述硅波导的宽度的一半时，所述硅波导的电场强度最大。
因此，当需要硅波导的电场强度最大时，具体可以将凹槽结构的深度刻蚀为与硅波导的高度相同，和/或，将凹槽结构的侧壁厚度刻蚀为等于所述硅波导的宽度的一半；在刻蚀过程中，如当前凹槽结构的深度小于硅波导的高度，如要提升硅波导的电场强度，则通过增加硅波导的刻蚀深度实现；同理，如当前凹槽结构的侧壁厚度小于硅波导的宽度的一半，如要提升硅波导的电场强度，则通过增加硅波导的侧壁厚度来实现。
若在刻蚀过程中，当前凹槽结构的深度大于硅波导的高度，则目前硅波导的电场强度已趋于稳定，无法通过对凹槽结构的深度增加来实现；同理，若当前凹槽结构的侧壁厚度大于硅波导的宽度的一半，则目前硅波导的电场强度已趋于稳定，无法通过对凹槽结构的侧壁厚度增加来实现。
因此，通过凹槽结构的深度与硅波导的高度之间的关系对硅波导的电场强度的影响，以及凹槽结构的侧壁厚度与硅波导的宽度之间的关系对硅波导的电场强度的影响可以有效指导凹槽结构的刻蚀工艺，提高凹槽结构的刻蚀效率，并获得满足用户电场强度需求的硅基片上异质集成III-V族有源器件。
S400、将具有凹槽结构的III-V族有源器件，凹槽朝向所述硅波导，对准卡扣于所述硅片基底以使所述硅波导位于所述凹槽结构内，且所述凹槽结构的两个端面分别与至少部分第一金属电极接触；
具体地，在本发明实施例中，所述第一金属电极包括第一金属电极第一部分和第一金属电极第二部分，且在凹槽结构的两侧均设置有第一金属电极，因此，所述凹槽结构的两个端面分别与一个第一金属电极的第一部分接触。
在本发明实施例中，将具有凹槽结构的半导体光放大器（图7）对准卡扣到硅波导3（图6）上，其对准卡扣后的结构示意图，如图5a和图5b所示。当h1<h时对应的结构为图5b；当h1>h时对应的结构为图5a。通过两者之间的高度差可实现半导体光放大器与硅波导3的快速对准操作和初始固定，然后可通过PECVD工艺生长SiO2实现真空异质键合。
S500、在集成有III-V族有源器件的硅片基底上生长薄膜覆盖层，以使得所述薄膜覆盖层的厚度全部覆盖所述硅波导且至少部分覆盖所述III-V族有源器件；
具体地，在所述硅片基底上生长薄膜覆盖层，包括：
在所述硅波导和所述凹槽结构之间设置粘结剂；
通过气相沉积在所述硅片基底上生长薄膜覆盖层。
应当理解的是，为了使两者间粘贴的更牢固以便于后续操作，两者之间可通过添加少量的有机物或水等易流动挥发的液体来实现初始固定。
具体地，所述有机物具体可以为光刻胶等。
在本发明实施例中，将半导体光放大器与硅波导对准卡扣后的器件放置在PECVD中进行SiO2薄膜生长，如图10所示。通过PECVD工艺在真空环境中生长SiO2可实现半导体光放大器与硅波导的紧密贴合，这样能更有利于硅波导中的光信号通过倏逝波耦合到半导体光放大器中，使得更多的光信号都能通过半导体光放大器进行传递。其中生长的SiO2厚度既可全覆盖半导体光放大器也可部分覆盖半导体光放大器，具体可根据实际工艺及条件而定，但至少全部覆盖至硅波导以上。
S600、在所述III-V族有源器件背离所述硅片基底的表面生长第二金属电极。
在本发明实施例中，所述第一金属电极具体可以包括第一金属电极第一部分和第一金属电极第二部分，第一金属电极第一部分在前文所述步骤中已经制备，此处在所述III-V族有源器件背离所述硅片基底的表面生长第二金属电极时可以同时生长第一金属电极第二部分。
具体地，将上述再进一步采用半导体工艺技术即可实现硅基波导与SOA的真空键合集成。首先通过半导体工艺技术将半导体光放大器顶部的P或N电极处的SiO2刻蚀掉，再通过电子束蒸发或磁控溅射设备进行电极材料的生长，最后采用剥离技术将多余的金属薄膜材料去除掉，再对基片进行有机清洗即可完成整个器件的集成工艺，硅基集成半导体光放大器的剖面结构示意图，如图2a和图2b所示。
综上，本发明提供的硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法，能够通过在III-V族有源器件上设置凹槽结构实现扣合在硅波导上，不仅可以实现III-V族有源器件与硅光芯片的快速定位和对准，而且由于硅波导两侧III-V族半导体材料对光信号的限制作用也有效提高了光耦合效率；其次，通过III-V族有源器件的凹槽结构既可以快速实现III-V族有源器件的正向（P-N）键合集成也可以实现III-V族有源器件的反向（N-P）键合集成；最后，通过PECVD真空生长SiO2包覆层可以实现III-V族有源器件与硅波导间的真空键合，III-V族有源器件与硅波导之间可不采用中间过渡层即可达到键合集成的目的，更有利于通过倏逝波耦合，进而提高耦合效率。因此，基于本发明的提出的硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法，在III-V族有源器件上设置的凹槽结构不仅在与硅基实现异质集成方面可以适用于现有的集成方案，而且可以明显提高III-V族有源器件与硅波导的对准精度，同时也提高了两者间的光耦合效率，更改善了硅基异质集成III-V族有源器件制备工艺，实现了异质材料间的真空键合集成，增加III-V族有源器件集成后的稳定性，相比现有集成方案，具有明显的优势。
关于本发明提供的硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法的其他具体工作过程可以参照前文的硅基片上异质集成III-V族有源器件的描述，此处不再赘述。
作为本发明的另一实施例，提供一种光纤信号处理器，其中，包括前文所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件，还包括：
信号输入光纤，与所述硅基片上异质集成III-V族有源器件中硅波导的一端连接，用于输入光信号；
信号输出光纤，与所述硅基片上异质集成III-V族有源器件中硅波导的另一端连接，用于输出经过III-V族有源器件处理后的光信号。
在本发明实施例中，所述硅基片上异质集成III-V族有源器件中的硅波导能够将信号输入光纤的输入光信号接入，并经过III-V族有源器件处理后，获得处理后的光信号，最后经过信号输出光纤输出。
具体地，所述III-V族有源器件具体可以包括半导体光放大器、激光器和探测器中的任意一种。
例如，所述III-V族有源器件微半导体光放大器，所述硅基片上异质集成III-V族有源器件具体可以将硅波导接入的光信号进行放大处理并输出。
本发明提供的光纤信号处理器，由于采用前文的硅基片上异质集成III-V族有源器件实现，基于硅基片上异质集成III-V族有源器件中III-V族有源器件朝向硅片基底的表面设置成凹槽结构以容纳硅波导的结构特性，不仅能够有效提高III-V族有源器件与硅波导的对准精度，还由于凹槽结构的限制作用显著提高III-V族有源器件与硅波导之间的光耦合效率，因此光纤信号处理器具有光耦合效率高的优势。
关于本发明提供的光纤信号处理器的具体工作原理等可以参照前文的硅基片上异质集成III-V族有源器件及其制备方法的描述，此处不再赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅基片上异质集成III-V族有源器件，其特征在于，包括：
硅片基底；
硅波导，形成在所述硅片基底上；
III-V族有源器件，位于所述硅波导上，朝向所述硅片基底的表面的方向形成凹槽结构，以容纳所述硅波导，所述凹槽结构的宽度不小于所述硅波导的宽度，所述凹槽结构的深度不小于目标深度；
薄膜覆盖层，形成在所述硅片基底上，且所述薄膜覆盖层的厚度全部覆盖所述硅波导且至少部分覆盖所述III-V族有源器件；
第一金属电极，位于所述硅片基底上，至少部分第一金属电极与所述凹槽结构的端面接触；
第二金属电极，位于所述III-V族有源器件背离所述硅片基底的表面。
2.根据权利要求1所述的硅基片上异质集成光学有源器件，其特征在于，
当所述凹槽结构的深度小于所述硅波导的高度时，所述凹槽结构的深度与所述硅波导的电场强度之间呈正相关；
当所述凹槽结构的深度大于所述硅波导的高度时，所述硅波导的电场强度在第一范围内波动；
当所述凹槽结构的深度与所述硅波导的高度相同时，所述硅波导的电场强度最大。
3.根据权利要求1所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件，其特征在于，
当所述凹槽结构的侧壁厚度小于所述硅波导的宽度的一半时，所述凹槽结构的侧壁厚度与所述硅波导的电场强度之间呈正相关；
当所述凹槽结构的侧壁厚度大于所述硅波导的宽度的一半时，所述硅波导的电场强度在第二范围内波动；
当所述凹槽结构的侧壁厚度等于所述硅波导的宽度的一半时，所述硅波导的电场强度最大。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件，其特征在于，所述凹槽结构的形状包括矩形、三角形和多边形中的任意一种。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件，其特征在于，所述III-V族有源器件包括半导体光放大器、激光器和探测器中的任意一种。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件，其特征在于，所述硅片基底包括硅衬底和形成在所述硅衬底上的埋氧层。
7.一种硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法，其特征在于，包括：
提供硅片基底；
在所述硅片基底上形成硅波导，并在所述硅波导两侧分别制备第一金属电极；
提供III-V族有源器件，在所述III-V族有源器件的一表面上刻蚀形成凹槽结构，所述凹槽结构的宽度不小于所述硅波导的宽度，所述凹槽结构的深度不小于目标深度；
将具有凹槽结构的III-V族有源器件，凹槽朝向所述硅波导，对准卡扣于所述硅片基底以使所述硅波导位于所述凹槽结构内，且所述凹槽结构的两个端面分别与至少部分第一金属电极接触；
在集成有III-V族有源器件的硅片基底上生长薄膜覆盖层，以使得所述薄膜覆盖层的厚度全部覆盖所述硅波导且至少部分覆盖所述III-V族有源器件；
在所述III-V族有源器件背离所述硅片基底的表面生长第二金属电极。
8.根据权利要求7所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法，其特征在于，所述III-V族有源器件包括由自下而上的N-InP缓冲层、本征层和P-InP覆盖层堆叠而成的P-N型InP有源器件，所述第一金属电极为N型电极，所述第二金属电极为P型电极；
提供III-V族有源器件，在所述III-V族有源器件的一表面上刻蚀形成凹槽结构，包括：
制备所述III-V族有源器件的外延片，并将所述外延片倒装键合在备用基底上；
刻蚀所述III-V族有源器件的InP衬底；
将N-InP缓冲层刻蚀成凹槽结构。
9.根据权利要求7所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件的制备方法，其特征在于，所述III-V族有源器件包括由自下而上的P-InP缓冲层、本征层和N-InP堆叠而成的N-P型InP有源器件，所述第一金属电极为P型电极，所述第二金属电极为N型电极；
提供III-V族有源器件，在所述III-V族有源器件的一表面上刻蚀形成凹槽结构，包括：
将III-V族有源器件的P-InP覆盖层刻蚀成凹槽结构。
10.一种光纤信号处理器，其特征在于，包括权利要求1至6中任意一项所述的硅基片上异质集成III-V族有源器件，还包括：
信号输入光纤，与所述硅基片上异质集成III-V族有源器件中硅波导的一端连接，用于输入光信号；
信号输出光纤，与所述硅基片上异质集成III-V族有源器件中硅波导的另一端连接，用于输出经过III-V族有源器件处理后的光信号。
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