硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件及其制造方法技术

本申请提供一种硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件及其制造方法。该硅基光耦合结构包括：形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的第一光栅结构和第一光波导结构，所述第一光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第一光栅结构和所述第一光波导结构在横向上连接；位于所述第一光栅结构的上方的第二光栅结构，所述第二光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第二光栅结构与所述第一光栅结构在纵向上对置；与所述第二光栅结构在横向上连接的第二光波导结构；以及覆盖所述第一光栅结构、所述第一光波导结构、所述第二光栅结构以及所述第二光波导结构的外包层。

【技术实现步骤摘要】
硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件及其制造方法
本申请涉及半导体
，尤其涉及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。
技术介绍
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
技术介绍
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。
技术实现思路
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。本申请的专利技术人发现：现有的硅基单片集成激光器与硅光芯片高度差较大，二者的光场难以耦合，这一问题限制了硅基单片集成激光器与硅光芯片的结合。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在纵向上对置的两个光栅，通过这两个光栅实现光场的纵向耦合，由此，能够在高度不同的光器件之间实现光场的耦合。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：形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的第一光栅结构和第一光波导结构，所述第一光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第一光栅结构和所述第一光波导结构在横向上连接；位于所述第一光栅结构的上方的第二光栅结构，所述第二光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第二光栅结构与所述第一光栅结构在纵向上对置；与所述第二光栅结构在横向上连接的第二光波导结构；以及覆盖所述第一光栅结构、所述第一光波导结构、所述第二光栅结构以及所述第二光波导结构的外包层，其中，所述外包层的材料的折射率低于所述第一光栅结构的材料、所述第一光波导结构的材料、所述第二光栅结构的材料以及所述第二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，提供一种硅基单片集成光器件，具有：实施例上述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)衬底的所述顶层硅表面的激光器，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二光波导结构高度相同，并在横向上朝向所述第二光波导结构，所述发光层被所述外包层覆盖，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栅结构和第一光波导结构，所述第一光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第一光栅结构和所述第一光波导结构在横向上连接；形成覆盖所述第一光栅结构和所述第一光波导结构的第一外包层；在所述第一外包层表面形成第二光栅结构和第二光波导结构，所述第二光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第二光栅结构与所述第一光栅结构在纵向上对置，所述第二光波导结构与所述第二光栅结构在横向上连接；以及形成覆盖所述第二光栅结构以及所述第二光波导结构的第二外包层，其中，所述第一外包层和所述第二外包层的材料的折射率低于所述第一光栅结构的材料、所述第一光波导结构的材料、所述第二光栅结构的材料以及所述第二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，提供一种硅基单片集成光器件的制造方法，所述方法具有上述方面所述的硅基光耦合结构的制造方法，所述方法还具有：在形成所述第二外包层之后，刻蚀所述第二外包层的一部分区域直至露出绝缘体上的硅(SOI)衬底的所述顶层硅，并在所述顶层硅表面外延生长激光器材料堆栈，并制备激光器，以及形成第三外包层覆盖所述激光器的发光层，其中，所述激光器的发光层与所述第二光波导结构高度相同，并在横向上朝向所述第二光波导结构；和/或在形成所述第一光栅结构和所述第一光波导结构之前，在所述顶层硅中形成硅光芯片，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，所述受光部被所述第一外包层覆盖。本申请的有益效果在于：硅基光耦合结构具有在纵向上对置的两个光栅，通过这两个光栅实现光场的纵向耦合，由此，能够在高度不同的光器件之间实现光场的耦合。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2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3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；图4的(a)至图4的(d)是该实施2的实例中各步骤对应的器件截面图。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，从衬底的顶层硅指向第一光栅结构的方向称为“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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基光耦合结构，包括：/n形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的第一光栅结构和第一光波导结构，所述第一光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第一光栅结构和所述第一光波导结构在横向上连接；/n位于所述第一光栅结构的上方的第二光栅结构，所述第二光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第二光栅结构与所述第一光栅结构在纵向上对置；/n与所述第二光栅结构在横向上连接的第二光波导结构；以及/n覆盖所述第一光栅结构、所述第一光波导结构、所述第二光栅结构以及所述第二光波导结构的外包层，/n其中，所述外包层的材料的折射率低于所述第一光栅结构的材料、所述第一光波导结构的材料、所述第二光栅结构的材料以及所述第二光波导结构的材料的折射率。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅基光耦合结构，包括：
形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的第一光栅结构和第一光波导结构，所述第一光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第一光栅结构和所述第一光波导结构在横向上连接；
位于所述第一光栅结构的上方的第二光栅结构，所述第二光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第二光栅结构与所述第一光栅结构在纵向上对置；
与所述第二光栅结构在横向上连接的第二光波导结构；以及
覆盖所述第一光栅结构、所述第一光波导结构、所述第二光栅结构以及所述第二光波导结构的外包层，
其中，所述外包层的材料的折射率低于所述第一光栅结构的材料、所述第一光波导结构的材料、所述第二光栅结构的材料以及所述第二光波导结构的材料的折射率。


2.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其中，
所述第一光栅结构的条形刻痕位于所述顶层硅的上表面，并且，所述第一光栅结构的条形刻痕在纵向上不穿透所述顶层硅。


3.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其中，
所述第二光栅结构的条形刻痕位于所述第二光栅结构的下表面，并且，所述第二光栅结构的条形刻痕在纵向上不穿透所述第二光栅结构。


4.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其中，
所述第二光栅结构的材料和所述第二光波导结构的材料为氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、多晶硅(PolySilicon)或者非晶硅(AmorphousSilicon)。


5.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其中，
所述外包层的材料为二氧化硅(SiO2)。


6.如权利要求1所述的硅基光耦合结构，其中，
所述第一光栅结构的横向的中心与所述第二光栅结构的横向的中心在横向上位置相同。


7.一种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(SOI)衬底的所述顶层硅表面的激光器，和/或形成于所述绝缘体上的硅(SOI)衬底的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪巍，方青，涂芝娟，曾友宏，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