激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法，激光器与硅光芯片集成结构包括：激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导；硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导将所述激光器芯片发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。本发明专利技术制备的激光器与硅光芯片集成结构中激光器中的第一波导与硅光芯片中的第二波导通过倏逝波耦合的方式将激光器发出的光耦合至所述硅光芯片内，相比于现有技术中的端面耦合，本发明专利技术的耦合方式对倒装焊过程中的对准精度要求更低，即使在对准有误差的实际工艺条件下，仍然具有较高的耦合效率。

Integrated structure of laser and silicon optical chip and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法
本专利技术属于混合集成
，特别是涉及一种激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法。
技术介绍
激光器是硅光芯片的光源，由于硅材料本身不能发光，因此如何将激光器(譬如，三五族激光器)与硅光芯片集成是研发光收发模块的关键。目前的激光器与硅光芯片的集成技术主要由三种：一是单片集成，即直接将激光器通过外延的方式生在在硅基；二是异质集成，即通过激光器芯片对硅光芯片键合的方式将三五族材料与硅光芯片进行异质集成，然后制备激光器；三是混合集成，即首先制备好激光器，然后通过倒装焊接或外接激光器的方式将激光器与硅光芯片进行集成。然而，现有的激光器与硅光芯片集成技术存在对准精度要求高及耦合效率低等问题
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法，用于解决现有技术中的激光器与硅光芯片集成技术存在的对准精度要求高及耦合效率低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种激光器与硅光芯片集成结构，所述激光器与硅光芯片集成结构包括：激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导；硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导将所述激光器芯片发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一波导包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；所述第二波导包括第一氮化硅波导、第二氮化硅波导及硅波导；其中，所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；其中，所述第一氮化硅波导位于所述第一波导的下方，且所述第一氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导位于所述第一氮化硅波导的下方，且所述第二氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述硅波导位于所述第二氮化硅波导的下方，且所述硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第二氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合。作为本专利技术的一种优选方案，各所述第一倒锥形波导部远离所述矩形波导部一端的宽度为10nm～1000nm，各所述第一倒锥形波导部与所述矩形波导部一体连接一端的宽度为100nm～10μm，各所述第一倒锥形波导部的长度为10μm～1000μm；各所述第二倒锥形波导部远离所述矩形波导部一端的宽度为10nm～1000nm，各所述第二倒锥形波导部与所述矩形波导部一体连接一端的宽度为100nm～10μm，各所述第二倒锥形波导部的长度为10μm～1000μm。作为本专利技术的一种优选方案，所述硅光芯片还包括：第一衬底；埋氧层，位于所述第一衬底的表面；所述硅波导位于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面；第一介质层，位于所述埋氧层的表面，并覆盖所述硅波导；所述第二氮化硅波导位于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面；第二介质层，位于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面，并覆盖所述第二氮化硅波导；所述第一氮化硅波导位于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面；第三介质层，位于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面，且覆盖所述第一氮化硅波导。作为本专利技术的一种优选方案，所述激光芯片还包括：第二衬底；第一掺杂类型三五族材料层，位于所述第二衬底的表面；第一光学限制层，位于所述第一掺杂类型三五族材料层远离所述第二衬底的表面；所述第一波导位于所述第一光学限制层远离所述第一掺杂类型三五族材料层的表面；第二光学限制层，位于所述第一波导远离所述第一光学限制层的表面；所述第二光学限制层包括键合部及凸台部，所述凸台部的厚度大于所述键合部的厚度；第二掺杂类型三五族材料层，位于所述第二光学限制层的凸台部表面；所述激光芯片倒装焊接于所述硅光芯片的表面，且所述第二光学限制层的键合部与所述第三介质层的表面相接触。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一波导包括三五族材料波导、多重量子阱材料波导或量子点材料波导，所述第一衬底包括硅衬底，所述第二衬底包括三五族材料衬底。作为本专利技术的一种优选方案，所述激光器与所述硅光芯片集成结构还包括：第一焊盘，位于所述第二掺杂类型三五族材料层远离所述第二光学限制层的表面；第二焊盘，位于所述第一衬底形成有所述硅波导的表面；焊球，位于所述第一焊盘与所述第二焊盘之间，以将所述激光器芯片与所述硅光芯片焊接在一起。本专利技术还提供一种激光器与硅光芯片集成结构的制备方法，所述激光器与硅光芯片集成结构的制备方法包括如下步骤：制备激光芯片，所述激光芯片包括第一波导；制备硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导；将所述激光芯片倒装焊接于所述硅光芯片上，以使得所述激光器芯片发出的光经由所述第二波导及所述第一波导以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。作为本专利技术的一种优选方案，制备所述硅光芯片包括如下步骤：提供SOI衬底，所述SOI衬底包括由下至上依次叠置的第一衬底、埋氧层及外延硅层；所述第一衬底包括硅衬底；刻蚀所述外延硅层以于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面形成硅波导；于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面形成第一介质层，所述第一介质层覆盖所述硅波导；于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面形成第二氮化硅波导；于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述第二氮化硅波导；于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面形成第一氮化硅波导；于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面形成第三介质层，所述第三介质层覆盖所述第一氮化硅波导；依次刻蚀去除部分所述第三介质层、所述第二介质层、所述第一介质层及所述埋氧层，以露出部分所述第一衬底；其中，所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；所述第一氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第二氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合。作为本专利技术的一种优选方案，制备所述激光芯片包括如下步骤：提供第二衬底；于所述第二衬底上形成第一掺杂类型三五族材料层；于所述第一掺杂类型三五族材料层远离所述第二衬底的表面形成第一光学限制层；于所述第一光学限制层远离所述第一掺杂类型三五族材料层的表面形成第一波导，所述第一波导包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导共同构成第二波导；于所述第一波导远离所述第一光学限制层的表面形成第二光学限制层；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，包括：/n激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导；/n硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导将所述激光器芯片发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，包括：
激光器芯片，所述激光器芯片包括第一波导；
硅光芯片，所述硅光芯片包括第二波导，所述第二波导及所述第一波导将所述激光器芯片发出的光以倏逝波耦合的方式耦合至所述硅光芯片内。


2.根据权利要求1所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，
所述第一波导包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；
所述第二波导包括第一氮化硅波导、第二氮化硅波导及硅波导；其中，所述第一氮化硅波导、所述第二氮化硅波导及所述硅波导均包括依次一体连接的第一倒锥形波导部、矩形波导部及第二倒锥形波导部；其中，所述第一氮化硅波导位于所述第一波导的下方，且所述第一氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述第二氮化硅波导位于所述第一氮化硅波导的下方，且所述第二氮化硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第一氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合；所述硅波导位于所述第二氮化硅波导的下方，且所述硅波导的第一倒锥形波导部的正投影与所述第二氮化硅波导的第二倒锥形波导部的正投影部分重合。


3.根据权利要求2所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，各所述第一倒锥形波导部远离所述矩形波导部一端的宽度为10nm～1000nm，各所述第一倒锥形波导部与所述矩形波导部一体连接一端的宽度为100nm～10μm，各所述第一倒锥形波导部的长度为10μm～1000μm；各所述第二倒锥形波导部远离所述矩形波导部一端的宽度为10nm～1000nm，各所述第二倒锥形波导部与所述矩形波导部一体连接一端的宽度为100nm～10μm，各所述第二倒锥形波导部的长度为10μm～1000μm。


4.根据权利要求2所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，所述硅光芯片还包括：
第一衬底；
埋氧层，位于所述第一衬底的表面；所述硅波导位于所述埋氧层远离所述第一衬底的表面；
第一介质层，位于所述埋氧层的表面，并覆盖所述硅波导；所述第二氮化硅波导位于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面；
第二介质层，位于所述第一介质层远离所述埋氧层的表面，并覆盖所述第二氮化硅波导；所述第一氮化硅波导位于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面；
第三介质层，位于所述第二介质层远离所述第一介质层的表面，且覆盖所述第一氮化硅波导。


5.根据权利要求4所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，所述激光芯片还包括：
第二衬底；
第一掺杂类型三五族材料层，位于所述第二衬底的表面；
第一光学限制层，位于所述第一掺杂类型三五族材料层远离所述第二衬底的表面；所述第一波导位于所述第一光学限制层远离所述第一掺杂类型三五族材料层的表面；
第二光学限制层，位于所述第一波导远离所述第一光学限制层的表面；所述第二光学限制层包括键合部及凸台部，所述凸台部的厚度大于所述键合部的厚度；
第二掺杂类型三五族材料层，位于所述第二光学限制层的凸台部表面；
所述激光芯片倒装焊接于所述硅光芯片的表面，且所述第二光学限制层的键合部与所述第三介质层的表面相接触。


6.根据权利要求5所述的激光器与硅光芯片集成结构，其特征在于，所述第一波导包括三五族材料波导、多重量子阱材料波导或量子点材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡艳，余明斌，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31