VCSEL激光器与硅基光子集成电路中光栅结构的耦合方法技术

本发明专利技术公开了一种能偏折垂直腔面发光激光器的光线的VCSEL激光器与硅基光子集成电路中光栅结构的耦合方法，其特征是在硅基耦合光栅结构的表面制作光学中介件，或在VCSEL激光器裸片出光面制作光学中介件；本发明专利技术基于半导体加工工艺中常见的光刻技术，采用的flip‑chip工艺，能与CMOS技术兼容，在稳定性，重复性和加工效率上都可适应规模化制造的要求，进而降低PIC的生产成本；用灰度光刻技术在硅基耦合光栅或VCSEL裸片的表面制作具有偏折光线效果的楔形结构，使VCSEL发出的激光能够通过光栅结构被有效耦合到PIC中；获得的结构中VCSEL的电学连接有好的对称性，避免注入VCSEL激光器的电流的分布，及热效应造成的温升不对称，有利于VCSEL激光器保持工作状态。

Coupling method of grating structure in VCSEL laser and silicon based photonic integrated circuit

The invention discloses a coupling method of grating structure VCSEL laser and silicon photonic integrated circuit capable of deflection of vertical cavity surface emitting laser light in, which is characterized in the fabrication of optical surface silicon intermediary coupling grating structure, or in the VCSEL laser die out surface optical intermediary; the invention of lithography the common technologies of semiconductor processing technology based on flip technology using chip, compatible with CMOS technology in stability, repeatability and the processing efficiency can adapt to large-scale manufacturing requirements, and reduce the production cost of PIC; with the wedge of light deflection effect in silicon coupling grating or bare VCSEL surface the film made of gray lithography, laser from the VCSEL can be effectively coupled to the PIC through the grating structure; electrical VCSEL in the structure of the connection has good symmetry The utility model avoids the distribution of the current injected into the VCSEL laser and the temperature rise asymmetry caused by the thermal effect, and is favorable for the VCSEL laser to maintain the working state.

【技术实现步骤摘要】
VCSEL激光器与硅基光子集成电路中光栅结构的耦合方法
本专利技术涉及一种将VCSEL激光器耦合到硅基光子集成电路中的光学中介件，具体地说是涉及VCSEL激光器与硅基光子集成电路中光栅结构的耦合方法。
技术介绍
超级计算机和数据中心的发展对微处理器的工作速度以及处理器间通讯的速度和带宽都提出了越来越高的需求。基于晶体管技术的微处理器和相应的处理器间的电互联通讯方式面对这种日益增长的信息处理及互联速度和带宽的需求变得越来越难以为继，发展光子集成电路（PIC）被提上日程。硅基光子集成技术是突破上述信息处理瓶颈的可能途径之一。得益于成熟高效，成本较低并适合大规模生产的硅基集成电路的CMOS工艺（即将NMOS器件和PMOS器件同时制作在同一硅衬底上,制作CMOS集成电路），硅基光子集成电路所需的诸多被动（passive）和主动（active）器件，包括光波导，光栅耦合器，调制器等都能够被很好的制造和实现。然而，由于硅本身是一种间接带隙半导体难以实现直接发光，片上光源问题成为了硅基光子集成技术发展的核心障碍之一。目前，直接在硅上生长光增益介质（例如磷化铟InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料）进而实现将激光器整合入半导体芯片（Laser-on-chip）仍然存在诸多难以克服的问题；将已生长好的Ⅲ-Ⅴ族材料键合（bonding）到衬底（指已经制作有光波导，耦合光栅，分束器等各种集成光学器件的SOI衬底）上并通过后续的光刻，刻蚀等工序用来制造激光器，即所谓的异质集成，也面临着可靠性、产率以及与CMOS工艺兼容性的问题。较之于以上方式，一种更现实的选择是直接把已经制备好的Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器裸片（baredie）键合到衬底上，并通过边缘耦合（edge-coupling）或光栅耦合（grating-coupling）的方式把光引入PIC中，也就是所谓的杂化集成。其中，边缘耦合方式要求键合对准精度达到亚微米水平，并且需要光学转接板（opticalinterposer）；而光栅耦合对键合精度相对较低（2.5m左右的对准误差导致的损耗仅为1dB）。不同于需要切割成条状或者片状芯片才可以使用的传统侧发光激光器，垂直腔面发光激光器（VCSEL）发光垂直于晶圆表面，因此可以在一个晶圆上生长更多的激光器，而且仅需要检测晶圆就可以达到监测激光器的目的，也同时具有圆形的光斑和比较小的发散角。更重要的是，VCSEL激光器的工艺简单可靠，产品的功耗低、尺寸小、成本低，适合于规模化生产，已经在超级计算机和数据中心的光互联中得到了应用。因此近年来VCSEL与光栅耦合器的杂化集成受到了业界的极大关注。倒焊芯片工艺（flip-chip）是高端器件及高密度封装领域中经常采用的封装方法。然而，flip-chip键合到衬底的VCSEL裸片通常和衬底面平行，这意味着采用光栅耦合方式时，直接从VCSEL发出的光将几乎完全垂直的入射到光栅面。在这种情况下，光栅耦合会引入大量的损耗。并且，即便在垂直耦合条件下，被引入的光仍然需要通过位于光栅两侧的一对能够进行相位补偿的波导后才能再汇合到一起进入后续器件中，这使得整个系统变得更为复杂。因此，通过调控VCSEL出射光入射到光栅面的角度，实现光从VCSEL到光栅的高效耦合，是VCSEL激光器片上杂化集成的一个核心技术问题。爱尔兰Tyndall研究所的PO’Brein研究小组发展了一种把VCSEL裸片倾斜键合到衬底的方法（Flip-chipintegrationoftiltedVCSELsontoasiliconphotonicintegratedcircuit,OpticsExpress,24(15),16258,2016）。在这种方法中，用作VCSEL和衬底的焊盘（solderpad）电学连接的焊锡球（solderball）呈非对称分布，因而flip-chip后的VCSEL裸片将和衬底成一定角度，故VCSEL发出的光能够倾斜入射到光栅面，提高耦合效率。但是这种方法需要对焊盘的位置进行特别的设计，并对焊盘的浸润面积的大小加以控制，因此技术难度大。由于与业界常用的flip-chip工艺存在明显差异，不利于其推广。同时电学连接的非对称性意味着注入VCSEL激光器的电流的分布，及其热效应造成的温升都变得不对称，最终可能导致VCSEL的工作状态偏离理想设计状态。此外，非对称结构的机械稳定性也存疑。比利时根特大学微系统研究中心和光子学研究组的研究人员发展了一种通过准分子激光剥蚀在SU8光刻胶上制作上述楔形结构的方法，并运用于VCSEL激光的光栅耦合（Flip-chipassemblyofVCSELstosilicongratingcouplersvialaserfabricatedSU8prisms,OpticsExpress,23(22),28264,2015）。但这种准分子激光剥蚀方法只能逐个制作楔形结构，加工耗时较长，此外还需要使用特殊的LIFT技术来实现VCSEL的电学连接。因此该技术在稳定性，重复性和加工效率上都难以满足规模化制造的需求。裸片（die）既是在foundry（加工厂）生产出来的芯片，即是晶圆经过切割测试后没有经过封装的芯片，这种裸片上只有用于封装的压焊点（pad），是不能直接应用于实际电路当中的。光刻掩膜版是一块石英版，包含了对于整个硅片来说确定工艺层所需的完整管芯阵列。在半导体制造的整个流程中，其中一部分就是从版图到wafer制造中间的一个过程，即光掩膜或称光罩(mask)制造。这一部分是流程衔接的关键部分，是流程中造价最高的一部分，也是限制最小线宽的瓶颈之一。光掩膜除了应用于芯片制造外，还广泛的应用与像LCD，PCB等方面。常见的光掩膜的种类有四种，铬版(chrome)、干版，凸版、液体凸版。主要分两个组成部分，基板和不透光材料。基板通常是高纯度，低反射率，低热膨胀系数的石英玻璃。掩膜版的制造工艺是关系到集成电路的质量和集成度的重要工序。SU8光刻胶是一种基于环氧SU8树脂的环氧型的、近紫外光、负光刻胶。其专门用于在非常厚的底层上需要高深宽比的应用。其对烘温、时间、曝光及显影时间等工艺参数的改变非常敏感。光刻胶的去除用热丙酮泡、超生清洗、反应离子刻蚀和高温灰化法相结合，能达到较好的效果。灰度光刻是指使用灰度掩膜板进行的光刻。不同于半导体加工中常用的光掩膜（主要分两个组成部分，基板和不透光的掩膜材料）灰度掩膜板中所使用的掩膜材料其透光率是可以从不透明到完全透明渐变的，因此能够直接加工出面形轮廓连续变化的结构。flip-chip工艺又称倒焊芯片工艺，是指在I/Opad上沉积锡铅球，然后将芯片翻转加热利用熔融的锡铅球与基板相结合的封装技术。该技术替换常规打线接合，当前主要应用于高时脉的CPU、GPU(GraphicProcessorUnit)及Chipset等产品。Flipchip封装的芯片结构和I/O端（锡球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整个芯片表面，能够实现极高封装密度和加工速度，是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能偏折垂直腔面发光激光器的光线的VCSEL激光器与硅基光子集成电路中光栅结构的耦合方法。本专利技术是采用如下技术方案实现其专利技术目的的，一种VCSEL激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种VCSEL激光器与硅基光子集成电路中光栅结构的耦合方法，其特征是它包括以下步骤：⑴准备已制作好的具有功能器件或结构的PIC的晶圆；⑵准备具有待曝光结构及相应对准标记的灰度光刻掩膜版；⑶在PIC晶圆表面涂覆光刻胶；⑷采用灰度光刻法曝光，显影并定影，去除焊盘区域上的光刻胶，而使焊盘区域则不被光刻胶覆盖，制作出覆盖耦合光栅表面的楔形结构；⑸准备已制作好的VCSEL激光器裸片；⑹使用flip‑chip工艺将VCSEL激光器裸片出光面朝下键合到覆盖有楔形结构的耦合光栅上方，即得到能使VCSEL激光器的光耦合到光栅中并最终进入硅基光子集成电路中的光学中介件。

【技术特征摘要】
1.一种VCSEL激光器与硅基光子集成电路中光栅结构的耦合方法，其特征是它包括以下步骤：⑴准备已制作好的具有功能器件或结构的PIC的晶圆；⑵准备具有待曝光结构及相应对准标记的灰度光刻掩膜版；⑶在PIC晶圆表面涂覆光刻胶；⑷采用灰度光刻法曝光，显影并定影，去除焊盘区域上的光刻胶，而使焊盘区域则不被光刻胶覆盖，制作出覆盖耦合光栅表面的楔形结构；⑸准备已制作好的VCSEL激光器裸片；⑹使用flip-chip工艺将VCSEL激光器裸片出光面朝下键合到覆盖有楔形结构的耦合光栅上方，即得到能使VCSEL激光器的光耦合到光栅中并最终进入硅基光子集成电路中的光学中介件。2.一种VCSEL激光器与硅基光子集成电路中光栅结构的耦合方法，其特征是它包括以下步骤：⑴准备已制作好的VC...

【专利技术属性】
技术研发人员：田野，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43