CN210123484U

CN210123484U - 硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件

Info

Publication number: CN210123484U
Application number: CN201921035705.1U
Authority: CN
Inventors: 汪巍; 方青; 涂芝娟; 曾友宏; 蔡艳; 余明斌
Original assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Current assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2020-03-03
Anticipated expiration: 2029-07-04

Abstract

本申请提供一种硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件。该硅基光耦合结构包括：第一凹槽部，其形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的衬底硅中；第一光波导结构，其形成于所述绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中；第二光波导结构，其在横向上与所述第一光波导结构连接，在横向的第一方向上延伸，并且，所述第二光波导结构位于所述第一凹槽部上方；以及贯通槽，其形成于所述第二光波导结构在横向的第二方向的两侧，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述贯通槽与所述第一凹槽部连通，其中，所述第二光波导结构的材料的折射率低于所述第一光波导结构的材料的折射率。本申请能够提高光场的耦合效率。

Description

硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅基光耦合结构，以及硅基单片集成光器件。

背景技术

硅光子实用化面临的一大技术难题在于光源，由于硅是间接带隙材料，发光效率低，带边吸收系数低，难以实现硅发光器件。

利用耦合器将外部光源的光引入芯片和采用Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器是目前最主流的引入光源的方法。

除去以上方法，以英特尔(Intel)为首研究的全硅拉曼激光器和以美国麻省理工学院、美国加州大学为首研究的硅上锗、III-V量子点单片集成激光器也在近年取得了一系列突破，激光器性能逐步达到实用要求，为未来实现完全CMOS工艺兼容的硅基光互连提供了技术储备。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

硅基单片集成激光器需要在硅或绝缘体上硅上外延生长锗、III-V等直接带隙材料，因为材料体系与材料高度的差异，实现激光器与硅光芯片的高效光场耦合极具挑战，是目前硅基单片集成激光器实用化面对的重要挑战之一。

本申请实施例提供一种硅基光耦合结构及其制造方法，以及硅基单片集成光器件及其制造方法，该硅基光耦合结构具有悬空的结构，由此，能够实现光场的高效耦合。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种硅基光耦合结构，包括：

第一凹槽部，其形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的衬底硅中；

第一光波导结构，其形成于所述绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中；

第二光波导结构，其在横向上与所述第一光波导结构连接，在横向的第一方向上延伸，并且，所述第二光波导结构位于所述第一凹槽部上方；以及

贯通槽，其形成于所述第二光波导结构在横向的第二方向的两侧，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述贯通槽与所述第一凹槽部连通，其中，所述第二光波导结构的材料的折射率低于所述第一光波导结构的材料的折射率。

根据本申请实施例的另一方面，其中，所述硅基光耦合结构还具有：

支撑结构，其形成于所述贯通槽中，在第二方向上与所述贯通槽尺寸相同，从所述第二方向上支撑所述第二光波导结构。

根据本申请实施例的另一方面，其中，第二光波导结构具有：

矩形波导，其在横向上为矩形，沿所述第一方向延伸；

锥形波导，其在横向上为锥形，沿所述第一方向延伸，并且在第一方向上的两端部的宽度不同，其中，在所述第一方向上，所述矩形波导与所述锥形波导的较宽的端部连接。

根据本申请实施例的另一方面，其中，所述第二光波导结构的材料是氧化硅。

根据本申请实施例的另一方面，所述第一光波导结构在靠近所述第二光波导结构的一侧具有反锥形结构。

根据本申请实施例的另一方面，其中，

所述第一光波导结构的至少一部分位于所述第一凹槽部上方。

根据本申请实施例的另一方面，提供一种硅基单片集成光器件，具有：

如上述任一方面所述的硅基光耦合结构；以及

形成于所述绝缘体上的硅(SOI)衬底的衬底硅的第二凹槽部的底面上的激光器，和/或形成于所述绝缘体上的硅(SOI)衬底的所述顶层硅中的硅光芯片，

其中，

所述激光器的发光层与所述第一光波导结构在纵向上位置相同，并在横向上朝向所述第二光波导结构，

所述硅光芯片的受光部在横向上朝向所述第一光波导结构，所述受光部被所述外包层覆盖。

根据本申请实施例的另一方面，提供一种硅基光耦合结构的制造方法，包括：

在绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中形成第一光波导结构，并形成在纵向和横向上覆盖所述第一光波导结构的外包层；

从所述外包层刻蚀至所述绝缘体上的硅衬底的衬底硅，以形成在横向上与所述第一光波导结构连接的第二光波导结构，所述第二光波导结构在横向的第一方向上延伸，并且在所述第二光波导结构在横向的第二方向的两侧形成有贯通槽；以及

通过所述贯通槽刻蚀所述第二光波导结构和至少部分第一光波导结构下方的所述衬底硅，以在所述衬底硅中形成第一凹槽部，

其中，所述第二光波导结构的材料的折射率低于所述第一光波导结构的材料的折射率。

根据本申请实施例的另一方面，其中，通过所述贯通槽刻蚀所述衬底硅以形成第一凹槽部，包括：

使用各向同性刻蚀法刻蚀所述衬底硅，使所述第二光波导结构和至少部分第一光波导结构悬空。

根据本申请实施例的另一方面，提供一种硅基单片集成光器件的制造方法，该方法包括：

在所述绝缘体上的硅(SOI)衬底中定义沟槽区域，并刻蚀所述沟槽区域至所述沟槽区域下方的衬底硅被刻蚀预定厚度，以形成第二凹槽部；

在所述第二凹槽部的底面上形成激光器，所述激光器的发光层与所述第一光波导结构在纵向上位置相同；

从所述激光器与所述第一光波导结构之间的所述外包层刻蚀至所述绝缘体上的硅衬底的所述衬底硅，以形成在横向上连接于所述第一光波导结构和所述激光器之间的第二光波导结构，所述第二光波导结构在横向的第一方向上延伸，并且在所述第二光波导结构在横向的第二方向的两侧形成有贯通槽；以及

本申请的有益效果在于：该硅基光耦合结构具有悬空的结构，由此，能够实现光场的高效耦合。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是具有本申请实施例1的硅基光耦合结构的硅基单片集成光器件的一个截面示意图；

图2a是本申请实施例1的硅基光耦合结构的一个立体图；

图2b是本申请实施例1中第一光波导结构和第二光波导结构的一个平面图；

图3是本申请实施例2的硅基光耦合结构的制造方法的一个示意图；

图4是本申请实施例2的硅基单片集成光器件的制造方法的一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请各实施例的说明中，为描述方便，将平行于衬底的表面的方向称为“横向”，将垂直于衬底的表面的方向称为“纵向”，其中，各部件的“厚度”是指该部件在“纵向”的尺寸，在“纵向”上，从衬底的衬底硅指向顶层硅的方向称为“上”方向，与“上”方向相反的为“下”方向。

实施例1

本申请实施例提供一种硅基光耦合结构。

图1是具有本实施例的硅基光耦合结构的硅基单片集成光器件的一个截面示意图，图2a是硅基光耦合结构的一个立体示意图。

如图1和图2a所示，硅基光耦合结构1包括：第一凹槽部11，第一光波导结构12，第二光波导结构13，以及贯通槽14(图1未示出，图2a示出)。

在本实施例中，第一凹槽部11形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底10的衬底硅101中。

在本实施例中，如图1和图2a所示，第一光波导结构12形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底10的顶层硅102中，第一光波导结构12的至少一部分可以位于第一凹槽部11的上方。

在本实施例中，如图1和图2a所示，第二光波导结构13在横向上与第一光波导结构12连接，并且，第二光波导结构13在横向的第一方向L1上延伸，并且，第二光波导结构13位于第一凹槽部11上方。此外，如图2a所示，第二光波导结构13还可以在横向的第二方向L2上包围第一光波导结构12的一部分，其中，第二方向L2与第一方向L1垂直。

在本实施例中，如图2a所示，贯通槽14可以形成于第二光波导结构13在横向的第二方向L2的两侧，并且，贯通槽14与第一凹槽部11连通。

根据本实施例，第一光波导结构12和第二光波导结构13能够形成为悬空的结构，从而避免光从衬底泄漏，提高了光场耦合的效率；此外，第二光波导结构13的两侧形成有贯通槽14，能够避免光从第二光波导结构13的侧面泄漏。

在本实施例中，第二光波导结构13的材料的折射率可以低于第一光波导结构12的材料的折射率，由此，在第二光波导结构13从第二方向上包围第一光波导结构12的部分中，能够使光高效地从第二光波导结构13耦合到第一光波导结构12中。在本实施例中，第一光波导结构12是利用SOI衬底10的顶层硅102形成的，其材料为硅；而第二光波导结构13可以由SOI衬底10的埋氧层103以及覆盖第一光波导结构12的外包层15所形成，该第二光波导结构13的材料可以是氧化硅，例如二氧化硅(SiO₂)。

在本实施例中，如图1所示，外包层15可以在横向和纵向上覆盖第一光波导结构12。此外，第一光波导结构12的下方可以由SOI衬底10的埋氧层103覆盖。由此，第一光波导结构12在围绕第一方向L1的整个周向上被较低折射率的材料包围，减少光从第一光波导结构12中的泄漏。

在本实施例中，如图2a所示，硅基光耦合结构1还可以具有支撑结构16，支撑结构16形成于贯通槽14中，在第二方向L2上与贯通槽14尺寸相同。支撑结构16在第二方向L2上固定连接在贯通槽14的两壁之间，由此，能够从第二方向L2上支撑第二光波导结构13，提高第二光波导结构13的结构稳定性。

在本实施例中，如图2a所示，第二光波导结构13具有：第一矩形波导131和锥形波导132。其中，第一矩形波导131在横向上为矩形，沿第一方向L1延伸；锥形波导132在横向上为锥形，沿第一方向L1延伸，并且，在第一方向上的两端部的宽度不同，其中，在第一方向L1上，锥形波导132的较宽的端部132a与第一矩形波导131连接。此外，第二光波导结构13还具有宽度较窄的第二矩形波导133，该第二矩形波导133与锥形波导132的较窄的端部连接。

图2b是本申请实施例1中第一光波导结构12和第二光波导结构13在平行于衬底10的表面的平面中的一个平面示意图。

在本实施例中，如图2b所示，第一光波导结构12在L1方向上具有反锥形结构121，其中，该反锥形结构121位于第一光波导结构12在L1方向上的靠近第二光波导结构13的一侧。

如图2b所示，反锥形结构121在横向上可以被包在第二光波导结构13中，例如，反锥形结构121可以被包在锥形波导132和第二矩形波导133中。其中，反锥形结构121在第二方向L2上的宽度可以为：反锥形结构121的朝向第一矩形波导131的一端宽度最窄，沿着L1方向越远离第一矩形波导131的位置宽度逐渐增加。

光在从SiO2波导进入硅波导中时，SiO2波导与硅波导的模场存在较大的差异，会增加耦合的损耗。而在本申请，由于第一光波导结构12具有反锥形结构121，这种反锥形结构121能够增加第一光波导结构12中的模场，因而，光在从第二光波导结构13进入第一光波导结构12时，能够实现模场的匹配，减小耦合损耗。

此外，在本实施例中，如图2b所示，第一光波导结构12在L1方向上还可以具有矩形结构122，其中，该矩形结构122在L1方向上比反锥形结构121更远离第一矩形波导131的一侧。

此外，在本实施例中，第一光波导结构12的厚度可以在L1方向的各处保持相同或者不同。

如图1所示，硅基单片集成光器件100可以具有：硅基光耦合结构1，激光器2，以及硅光芯片3。

如图1所示，激光器2可以形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底10的衬底硅101的第二凹槽部17表面，硅光芯片3可以形成于该绝缘体上的硅(SOI)衬底10的顶层硅102中。

在本实施例中，激光器2例如可以是边发射激光器，其中，激光器2可以通过外延III-V、Ge(Sn)等直接带隙材料堆栈制备。激光器2的发光层21与第一光波导结构12的高度相同，即，激光器2的发光层21与第一光波导结构12在纵向上的位置相同。此外，激光器2的发光层21在横向上朝向第二光波导结构13，并且，发光层21在横向上可以被外包层15覆盖，由此，发光层21发射的光可以经由外包层15耦合到第二光波导结构13中。

在本实施例中，硅光芯片3的受光部(未图示)在横向上可以朝向第一光波导结构12，并且，该受光部的上表面可以被外包层15覆盖。由此，耦合到第一光波导结构12中的光可以被耦合到硅光芯片3中。

如图1所示，在本实施例中，激光器2的发光层21发出的光耦合到第二光波导结构13，并传输到第一光波导结构12，进而被导入硅光芯片3。可见，尽管激光器2的厚度较厚，但是，本申请将激光器2形成在SOI衬底10的衬底硅101的第二凹槽部17表面，能够使激光器2成为下沉式激光器，从而在纵向上能够与第一光波导结构12对齐，可以有效降低激光器2的发光层21与硅光芯片3间的高度差，降低耦合难度。

需要说明的是，在图1中，硅基单片集成光器件100中具有激光器2和硅光芯片3这二者，本实施例可以不限于此，例如，硅基单片集成光器件100除了具有硅基光耦合结构1之外，也可以仅具有激光器2和硅光芯片3中的任一者。此外，在本实施例中，激光器2和硅光芯片3仅是举例，本实施例可以不限于此，例如，激光器2和硅光芯片3可以是其它的光器件。

实施例2

实施例2提供一种硅基光耦合结构的制造方法，用于制造实施例1所述的硅基光耦合结构。

图3是本实施例的硅基光耦合结构的制造方法的一个示意图，如图3所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：

步骤301、在绝缘体上的硅(SOI)衬底10的顶层硅102中形成第一光波导结构12，例如，通过光刻和刻蚀形成第一光波导结构12；并且，形成在纵向和横向上覆盖所述第一光波导结构的外包层15，例如，沉积SiO2材料以形成外包层15；

步骤302、从外包层15刻蚀至绝缘体上的硅衬底10的衬底硅101，以形成在横向上与第一光波导结构12连接的第二光波导结构13，该第二光波导结构13在横向的第一方向上延伸，并且在第二光波导结构13在横向的第二方向的两侧形成有贯通槽14，衬底硅101表面暴露于贯通槽14，例如，利用光刻和刻蚀工艺，从外包层15开始向下刻蚀，形成贯通槽14，直到露出衬底硅101，停止刻蚀；以及

步骤303、通过贯通槽14刻蚀第二光波导结构13和至少部分第一光波导结构12下方的衬底硅101，以在衬底硅10中形成第一凹槽部11。

在本实施例中，第二光波导结构13的材料的折射率低于第一光波导结构12的材料的折射率。

在本实施例中，步骤303可以包括如下的步骤：

步骤3031、使用各向同性刻蚀法刻蚀衬底硅101，使第二光波导结构13和至少部分第一光波导结构12悬空。

其中，步骤3031的各向同性刻蚀法例如是各向同性干法刻蚀，可以采用六氟化硫(SF6)作为刻蚀气体。

此外，在本实施例中，步骤303还可以在步骤3031之后，进一步包括如下的步骤：

步骤3032、使用各向异性刻蚀法继续刻蚀衬底硅101，以增加第一凹槽部11的深度。

其中，步骤3032的各向异性刻蚀法例如是各向异性干法刻蚀，可以采用六氟化硫(SF6)和八氟环丁烷(C4F8)的混合气体作为刻蚀气体。此外，步骤3032德克士深度例如可以是100微米。

在本实施例中，图3所示的硅基光耦合结构的制造方法可以被包含于硅基单片集成光器件的制造方法中，用于制造实施例1所述的硅基单片集成光器件100。

图4是本实施例的硅基单片集成光器件的制造方法的一个示意图。如图4所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：

步骤401、在绝缘体上的硅(SOI)衬底10的顶层硅102中形成第一光波导结构12，并形成在纵向和横向上覆盖第一光波导结构12的外包层15，该步骤401可以参考上述步骤301；

步骤402、在绝缘体上的硅(SOI)衬底10中定义沟槽区域，并刻蚀沟槽区域至沟槽区域下方的衬底硅被刻蚀预定厚度，该预定厚度例如是2微米，以形成第二凹槽部17；

步骤403、在第二凹槽部17的底面上形成激光器2，激光器2的发光层21与第一光波导结构12在纵向上位置相同，例如，在第二凹槽部17的底面的硅上外延III-V族材料以及Ge(Sn)等有源区材料堆栈，并制备激光器2；

步骤404、从激光器2与第一光波导结构12之间的外包层15向下刻蚀至绝缘体上的硅衬底10的衬底硅101，以形成在横向上连接于第一光波导结构12和激光器2之间的第二光波导结构13，第二光波导结构13在横向的第一方向上延伸，并且在第二光波导结构13在横向的第二方向的两侧形成有贯通槽14，步骤404的具体实施方式可以参考步骤302；以及

步骤405、通过贯通槽14刻蚀第二光波导结构13和至少部分第一光波导结构12下方的衬底硅101，以在衬底硅101中形成第一凹槽部11，步骤404的具体实施方式可以参考步骤303。

在图4的实施方式中，第二光波导结构13的材料的折射率低于第一光波导结构12的材料的折射率。

此外，在本实施例中，在步骤403形成了激光器2之后，还可以补充沉积外包层15，从而使激光器覆盖于外包层15中，并且，在激光器3和第一光波导结构12之间填充外包层15，便于在步骤404中形成第二光波导结构13.

此外，在本实施例中，在形成第一光波导结构12之前，也可以先形成硅光芯片3，并且，该硅光芯片可以被覆盖于外包层15。

根据本实施例，根据本实施例，第一光波导结构12和第二光波导结构13能够形成为悬空的结构，从而避免光从衬底泄漏，提高了光场耦合的效率；此外，第二光波导结构13的两侧形成有贯通槽14，能够避免光从第二光波导结构13的侧面泄漏；此外，将激光器2形成在SOI衬底10的衬底硅101的第二凹槽部17表面，能够使激光器2成为下沉式激光器，从而在纵向上能够与第一光波导结构12对齐，可以有效降低激光器2的发光层21与硅光芯片3间的高度差，降低耦合难度。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims

1.一种硅基光耦合结构，其特征在于，所述硅基光耦合结构包括：

第一凹槽部，其形成于绝缘体上的硅衬底的衬底硅中；

第一光波导结构，其形成于所述绝缘体上的硅衬底的顶层硅中；

贯通槽，其形成于所述第二光波导结构在横向的第二方向的两侧，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述贯通槽与所述第一凹槽部连通，

2.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其特征在于，所述硅基光耦合结构还具有：

3.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其特征在于，第二光波导结构具有：

矩形波导，其在横向上为矩形，沿所述第一方向延伸；

4.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其特征在于，

所述第二光波导结构的材料是氧化硅。

5.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其特征在于，

所述第一光波导结构在靠近所述第二光波导结构的一侧具有反锥形结构。

6.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其特征在于，

7.一种硅基单片集成光器件，其特征在于，所述硅基单片集成光器件具有：

如权利要求1～6中任一项所述的硅基光耦合结构；以及

形成于所述绝缘体上的硅衬底的衬底硅的第二凹槽部的底面上的激光器，和/或形成于所述绝缘体上的硅衬底的所述顶层硅中的硅光芯片，

其中，

所述硅光芯片的受光部在横向上朝向所述第一光波导结构，所述受光部被外包层覆盖。