一种硅光子芯片光耦合结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种硅光子芯片光耦合结构及其制造方法，该硅光子芯片光耦合结构包括硅衬底；所述硅衬底的器件层上设置有硅光子芯片功能结构区域，所述硅光子芯片功能结构区域上设置有光波导区域和光耦合区；所述光耦合区上设置有倒脊形沟槽，光耦合区从硅衬底的端面向光波导区域延伸；沿所述倒脊形沟槽内壁设置有一层隔离层，所述倒脊形沟槽内且位于隔离层的上方设置有倒脊形光波导，所述倒脊形光波导层的端面与光纤对接，另一端与器件层光波导区域对接。通过本发明专利技术的结构和方法获得的硅光子芯片光耦合结构可实现硅光子芯片与单模光纤或激光器芯片的低损耗、无畸变高效率耦合，且传输损耗低。输损耗低。输损耗低。

【技术实现步骤摘要】
一种硅光子芯片光耦合结构及其制造方法


[0001]本专利技术涉及光学器件
，尤其是涉及一种硅光子芯片光耦合结构 及其制造方法。

技术介绍

[0002]硅光子技术是基于与微电子集成技术一样的材料，即硅材料，利用现有 与CMOS兼容的工艺进行光子器件的开发和集成的新技术，同时也可与电子器 件集成在一起，实现光电子器件集成，综合微电子技术的超大规模集成等优 势和硅光子技术的超高速率、超低功耗等优势，是目前研究和开发的热点之 一。硅光子技术的应用除电信通信和数据通信之外，还包括生物传感、非线 性光学、激光雷达系统、光学陀螺仪，射频集成光电子学，集成无线电收发 器、新型光源、激光降噪、气体传感器、高速微波信号处理等。
[0003]在硅光子器件的应用过程中不可避免的要实现硅光子芯片与单模光纤的 对准耦合。目前常用的硅光子芯片光耦合方法和结构主要有垂直光栅耦合和 端面耦合。垂直光栅耦合基于布拉格光栅，实现硅光子芯片与光纤近乎90
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耦合；端面耦合则是在硅光子芯片耦合处制作模斑适配器以实现两者的光耦 合。垂直耦合光损耗至少在3dB左右，进一步减小光损耗，技术难度很大， 且垂直耦合所需空间结构较大，且是偏振敏感的。垂直光栅耦合无论是光纤 垂直还是水平放置，或者是反射垂直光栅耦合，光耦合效率很难提升到50％ 以上，且对光刻精度要求很高。端面耦合，分立式光学镜组耦合，耦合效率 相对较高，但封装体积较大，不便于光芯片集成，且可靠性降低；采用异质 材料做模斑适配器，需要制作尖端光波导，对光刻精度要求较高，且耦合效 率难以提高；多层脊波导或者3D波导，可以提高耦合效率，但目前已有的结 构均是通过大面积刻蚀所形成，该大面积几乎占据晶圆99％的区域，制造时间 久，且刻蚀后的表面和侧壁粗糙度难以控制，导致光传输损耗较大。如中国 专利申请号为2009801361983，名称为用于在硅光子芯片与光纤有效耦合的方 法和设备，即为3D波导结构。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种硅光子芯片光耦合结构及其制造方法，解决现 有光耦合结构制造成本高，光传输损耗大的问题。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术解决其技术问题所 采用的技术方案是：一种硅光子芯片光耦合结构，用于传输连续光，包括硅 衬底；所述硅衬底的器件层上设置有硅光子芯片功能结构区域，所述硅光子 芯片功能结构区域上设置有光波导区域和光耦合区；所述光耦合区上设置有 倒脊形沟槽，光耦合区从硅衬底的端面向光波导区域延伸；沿所述倒脊形沟 槽内壁设置有一层隔离层，所述倒脊形沟槽内且位于隔离层的上方设置有倒 脊形光波导层，所述倒脊形光波导层的端面与光纤对接用于接收光波导，另 一端与器件层光波导区域对接用于传输光波导。
[0006]优选的，所述隔离层的材料为低应力氧化硅，所述倒脊形光波导层的材 料为多晶
硅。
[0007]具体的，所述倒脊形沟槽从硅衬底的表面向下至少设置有两层沟槽，从 上到下依次为第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽和第二沟槽的端面宽度不 小于光纤的芯径，所述第一沟槽的另一端与器件层光波导区域对接，与器件 层光波导区域连接处的宽度等于器件层光波导的宽度；所述第二沟槽的长度 不大于第一沟槽的长度，第二沟槽靠近器件层光波导区域一端的宽度大于第 一沟槽靠近光波导区域一端的宽度。
[0008]优选的，所述倒脊形沟槽从硅衬底的表面向下设置有三层以上沟槽，从 上到下依次为第一沟槽、第二沟槽
……
第N沟槽，其中下一层沟槽的长度不 大于上一层沟槽的长度，从第二沟槽至第N沟槽靠近器件层光波导区域一端 的宽度逐层递增。
[0009]进一步的，所述倒脊形沟槽为光纤的芯径的1
‑
1.5倍。
[0010]所述硅衬底上还设置有覆盖在倒脊形光波导层及硅光子芯片功能结构区 域表面的上包层，上下包层的作用是为了将光波局限在倒脊形波导层内传播。
[0011]优选的，所述上包层的材料为低应力氧化硅。
[0012]优选的，所述倒脊形沟槽的宽度从硅衬底的端面向器件层光波导区域逐 渐变窄。
[0013]本专利技术还公开了一种硅光子芯片光耦合结构的制造方法，包括以下步骤：
[0014]1)通过干法氧化在硅衬底上形成一层氧化硅层；
[0015]2)通过等离子体化学气相沉积法在步骤1)的氧化硅层上沉积一层低应 力氧化硅层；
[0016]3)通过掩膜光刻定义光耦合区的倒脊形光波导的上层脊形区形状，然后 通过干法等离子体刻蚀工艺向下刻蚀并形成倒脊形光波导的第一沟槽；
[0017]4)通过掩膜光刻，定义光耦合区的倒脊形光波导的第二层脊形区形状， 然后通过干法等离子体刻蚀工艺向下刻蚀并形成倒脊形光波导的第二沟槽； 以与第二沟槽相同的方法刻蚀第三沟槽至第N沟槽；
[0018]5)干法氧化以平整和光滑上述工艺形成的倒脊形沟槽；然后通过等离子 体沉积法硅衬底表面和倒脊形沟槽内沉积一层低应力氧化硅层；
[0019]6)通过掩膜光刻去除第一沟槽台阶与器件层光波导区域对接位置处的低 应力氧化硅层；
[0020]7)在硅衬底表面通过外延工艺生长多晶硅，直到填满整个倒脊形沟槽；
[0021]8)高温退火，调整外延多晶硅的性质，降低缺陷以达到低传输损耗；
[0022]9)通过化学机械抛光(CMP)平整硅衬底，CMP后露出洁净的器件层；
[0023]10)制造硅光功能结构，在光耦合区最终形成多层倒脊形光耦合结构， 并在其上通过等离子体沉积法在硅光子芯片功能结构区域表面上沉积一层低 应力氧化硅层，以形成上包层。
[0024]为提高倒脊形沟槽侧壁的光滑度，所述步骤5)还包括在干法氧化后，通 过稀释后的氢氟酸HF去掉沟槽的干法氧化层，然后再干法氧化，直到所形成 的倒脊形沟槽侧壁光滑。
[0025]为提高晶圆表面平整度，所述步骤9)可先通过掩模光刻，以保护光耦合 区的外延多晶硅，然后通过各向同性化学腐蚀多晶硅，实现晶圆表面各区域 高度一致，再通过CMP平整硅衬底。
[0026]本专利技术的有益效果：本专利技术的光耦合结构采用倒脊形结构设计，然后通 过氧化和等离子体沉积一层氧化硅作为隔离层，然后在多层倒脊形沟槽内外 延生长多晶硅进行填充，以作为与硅光子芯片对准耦合的模斑适配结构，可 实现硅光子芯片与单模光纤或激光器芯片的低损耗、无畸变高效率耦合，且 传输损耗低。
[0027]以下将结合附图和实施例，对本专利技术进行较为详细的说明。
附图说明
[0028]图1为本专利技术采用两层沟槽的立体结构示意图。
[0029]图2为本专利技术采用三层沟槽的立体结构示意图。
[0030]图3为本专利技术具有三层沟槽的局部纵向剖视图。
[0031]图4为图3中A
‑
A的剖视图。
[0032]图5为图3中B
‑
B的剖视图。
[0033]图6为图3中C
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅光子芯片光耦合结构，用于硅光子芯片与单模光纤或激光器芯片的对准耦合，包括硅衬底(1)；所述硅衬底(1)的器件层上设置有硅光子芯片功能结构区域(11)，所述硅光子芯片功能结构区域(11)上设置有光波导区域(13)和光耦合区(12)；其特征在于：所述光耦合区(12)上设置有倒脊形沟槽(2)，光耦合区(12)从硅衬底(1)的端面向光波导区域(13)延伸；沿所述倒脊形沟槽(2)内壁设置有一层隔离层(3)，所述倒脊形沟槽(2)内且位于隔离层(3)的上方设置有倒脊形光波导层(4)，所述倒脊形光波导层(4)的端面与光纤或激光器芯片对接，另一端与光波导区域(13)对接。2.如权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于：所述隔离层(3)的材料为低应力氧化硅，所述倒脊形光波导层(4)的材料为多晶硅。3.如权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于：所述倒脊形沟槽(2)从硅衬底(1)的表面向下至少设置有两层沟槽，从上到下依次为第一沟槽(21)和第二沟槽(22)，所述第一沟槽(21)和第二沟槽(22)的端面宽度不小于光纤的芯径或激光器芯片的波导宽度，所述第一沟槽(21)的另一端与光波导区域(13)对接，与光波导区域(13)连接处的宽度等于器件层光波导的宽度；所述第二沟槽(22)的长度不大于第一沟槽(21)的长度，第二沟槽(22)靠近光波导区域(13)一端的宽度大于第一沟槽(21)靠近光波导区域(13)一端的宽度。4.如权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于：所述倒脊形沟槽(2)从硅衬底(1)的表面向下设置有三层以上沟槽，从上到下依次为第一沟槽(21)、第二沟槽(22)
……
第N沟槽(2N)，其中下一层沟槽的长度不大于上一层沟槽的长度，从第二沟槽(22)至第N沟槽(2N)靠近器件层光波导区域(11)一端的宽度逐层递增。5.如权利要求3或4所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于：所述倒脊形沟槽(2)的深度为光纤的芯径的1
‑
1.5倍。6.如权利要求1所述的硅光子芯片光耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑煜，徐良，冯晋荃，彭艳亮，李昌勋，刘建哲，
申请(专利权)人：黄山博蓝特半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：