硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件及其制造方法与流程

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及其制造方法，以及硅基单片集成光器件及其制造方法。

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。

技术实现要素：

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。

本申请的发明人发现：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片集成光器件的一个截面示意图。

如图1所示，硅基光耦合结构1包括：

形成于绝缘体上的硅(soi)衬底10的顶层硅11中的第一光栅结构12和第一光波导结构13，第一光栅结构12的条形刻痕121分布于横向上，并且，第一光栅结构12和第一光波导结构13在横向上连接；

位于第一光栅结构12的上方的第二光栅结构14，第二光栅结构14的条形刻痕141分布于横向上，并且，第二光栅结构14与第一光栅结构12在纵向上对置；

与第二光栅结构14在横向上连接的第二光波导结构15；以及

覆盖第一光栅结构12、第一光波导结构13、第二光栅结构14以及第二光波导结构15的外包层16。

在本实施例中，外包层16的材料的折射率低于第一光栅结构12的材料、第一光波导结构13的材料、第二光栅结构14的材料以及第二光波导结构15的材料的折射率。

根据本实施例，第一光栅结构12和第二光栅结构14在纵向上对置，能够进行光场的纵向耦合，由此，能够在高度不同的光器件之间实现光场的耦合；此外，外包层16的材料的折射率较低，第一光栅结构12的材料、第一光波导结构13的材料、第二光栅结构14的材料以及第二光波导结构15的材料的折射率较高，由此，光能够在第一光栅结构12和第一光波导结构13中进行全反射，也能够在第二光栅结构14以及第二光波导结构15中进行全反射，避免光在该硅基光耦合结构1中传播时发生光泄露。

在本实施例中，如图1所示，绝缘体上的硅(soi)衬底10可以具有衬底硅101，埋氧层102以及顶层硅11。埋氧层102的材料为氧化硅，其折射率低于顶层硅11，由此，避免在第一光栅结构12和第一光波导结构13中传播的光从埋氧层102泄露。

在本实施例中，第一光栅结构12和第一光波导结构13可以通过对顶层硅11进行图形化来形成。

如图1所示，在本实施例中，第一光栅结构12的条形刻痕121位于顶层硅11的上表面，并且，第一光栅结构12的条形刻痕121在纵向上不穿透顶层硅11，也就是说，在第一光栅结构12中，条形刻痕121形成在顶层硅11的上表面，由此，接收从上侧传播的光，并且，条形刻痕121下方的顶层硅在横向上连接，由此，耦合到条形刻痕121的光可以通过条形刻痕121的下方的顶层硅在横向上传播。

在本实施例中，第二光栅结构14的条形刻痕141位于第二光栅结构14的下表面，并且，第二光栅结构14的条形刻痕141在纵向上不穿透该第二光栅结构，也就是说，在第二光栅结构14中，条形刻痕141形成在第二光栅结构14的下表面，由此，能够向下侧传播光，并且，条形刻痕141上方的第二光栅结构14的部分在横向上连接，由此，第二光波导结构15可以将光传播到该在横向上连接的部分，并通过条形刻痕141向下传播。

在本实施例中，第一光栅结构12的横向的中心与第二光栅结构14的横向的中心在横向上位置相同，由此，能够提高第一光栅结构12与第二光栅结构14之间的光耦合的效率。

在本实施例中，第二光栅结构14的材料和第二光波导结构15的材料可以为氮化硅(sin)、氮氧化硅(sion)、多晶硅(polysilicon)或者非晶硅(amorphoussilicon)。外包层16的材料可以为二氧化硅(sio2)。

如图1所示，第二光栅结构14和第二光波导结构15可以下横向和纵向上被外包层16完全覆盖。第一光栅结构12和第一光波导结构13的上表面和横向上可以被外包层16覆盖，第一光栅结构12和第一光波导结构13的下表面可以被埋氧层102覆盖。

在本实施例中，第一光栅结构12和第二光栅结构14在纵向上的距离可以由该硅基光耦合结构1需要进行光耦合的器件的高度差来决定，由此，可以在具有高度差的器件之间进行光场的耦合。

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的顶层硅11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11中。

在本实施例中，激光器2例如可以是边发射激光器。激光器2的发光层21与第二光波导结构15高度相同，并在横向上朝向第二光波导结构15，并且，发光层21在横向上可以被外包层16覆盖，由此，发光层21发射的光可以经由外包层16耦合到第二光波导结构15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13，并且，该受光部的上表面可以被外包层16覆盖。由此，耦合到第一光波导结构13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发出的光通过第二光栅结构14向下发射，经过第二光栅结构14与第一光栅结构12之间的外包层16传播的光被耦合到第一光栅结构12中，并被耦合到第一光波导结构13中，进而被导入硅光芯片3。可见，本申请实施例的硅基光耦合结构1可以改变光的传播方向，实现大高度差下光场的高效耦合。

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2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2所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：

步骤201、在绝缘体上的硅(soi)衬底10的顶层硅11中形成第一光栅结构12和第一光波导结构13，第一光栅结构12的条形刻痕121分布于横向上，并且，第一光栅结构12和第一光波导结构13在横向上连接；

步骤202、形成覆盖第一光栅结构12和第一光波导结构13的第一外包层；

步骤203、在第一外包层表面形成第二光栅结构14和第二光波导结构15，第二光栅结构14的条形刻痕141分布于横向上，并且，第二光栅结构14与第一光栅结构12在纵向上对置，第二光波导结构15与第二光栅结构14在横向上连接；以及

步骤204、形成覆盖第二光栅结构14以及第二光波导结构15的第二外包层。

在本实施中，步骤202中形成的第一外包层和步骤204形成的第二外包层可以构成实施例1中的外包层16的一部分。

在本实施例中，第一外包层和第二外包层的材料的折射率低于第一光栅结构12的材料、第一光波导结构13的材料、第二光栅结构14的材料以及第二光波导结构15的材料的折射率。

在本实施例中，第一光栅结构12的横向的中心与第二光栅结构14的横向的中心在横向上位置相同。

在本实施例中，图2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3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3所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：

步骤301、在形成第一光栅结构12和第一光波导结构13之前，在顶层硅12中形成硅光芯片3，硅光芯片3的受光部在横向上朝向第一光波导13结构，该受光部被第一外包层覆盖；

步骤201、在绝缘体上的硅(soi)衬底10的顶层硅11中形成第一光栅结构12和第一光波导结构13，第一光栅结构12的条形刻痕121分布于横向上，并且，第一光栅结构12和第一光波导结构13在横向上连接；

步骤202、形成覆盖第一光栅结构12和第一光波导结构13的第一外包层；

步骤203、在第一外包层表面形成第二光栅结构14和第二光波导结构15，第二光栅结构14的条形刻痕141分布于横向上，并且，第二光栅结构14与第一光栅结构12在纵向上对置，第二光波导结构15与第二光栅结构14在横向上连接；

步骤204、形成覆盖第二光栅结构14以及第二光波导结构15的第二外包层；以及

步骤302、在形成第二外包层之后，刻蚀该第二外包层的一部分区域直至露出绝缘体上的硅(soi)衬底10的顶层硅11，并在顶层硅11表面形成外延激光器材料堆栈，并制备激光器2，以及形成第三外包层覆盖激光器2的发光层21，其中，发光层21与第二光波导结构15高度相同，并在横向上朝向第二光波导结构15，第三外包层也填充发光层21与第二光波导结构15之间的区域。

在本实施中，步骤202中形成的第一外包层、步骤204形成的第二外包层、以及步骤302形成的第三外包层可以构成实施例1中的外包层16的一部分。

需要说明的是，在图3的方法中，上述步骤301和步骤302可以二者都存在，也可以具有步骤301和步骤302中的一者。

下面，结合一个具体的实例来说明本申请的硅基单片集成光器件的制造方法。

图4是该实例中各步骤对应的器件截面图，如图4所示，在该实例中，硅基单片集成光器件的制造方法包括如下步骤：

步骤401、如图4的(a)所示，通过光刻和刻蚀等工艺，在绝缘体上的硅(soi)衬底10的顶层硅11中形成第一光栅结构12和第一光波导结构13，第一光栅结构12的条形刻痕121分布于横向上，并且，第一光栅结构12和第一光波导结构13在横向上连接；然后，形成覆盖第一光栅结构12和第一光波导结构13的第一外包层161，第一外包层161为二氧化硅；

步骤402、如图4的(b)所示，在第一外包层161的上表面刻蚀出与第二光栅结构14的条形刻痕141形状对应的齿状凸起图形142；

步骤403、如图4的(c)所示，在齿状凸起图形142上表面及其附近沉积氮化硅材料，刻蚀该氮化硅材料以形成第二光栅结构14和第二光波导结构15，采用化学机械抛光磨平第二光栅结构14和第二光波导结构15上表面；然后，形成覆盖第二光栅结构14以及第二光波导结构15的第二外包层162；以及

步骤404、如图4的(d)所示，在形成第二外包层162之后，刻蚀该第二外包层162的一部分区域直至露出绝缘体上的硅(soi)衬底10的顶层硅11，并在顶层硅11表面外延生长激光器材料堆栈(例如，iii-v材料)，并制备边发射激光器2；然后，形成第三外包层163覆盖激光器2的发光层21，其中，发光层21与第二光波导结构15高度相同，并在横向上朝向第二光波导结构15，第三外包层163也填充发光层21与第二光波导结构15之间的区域。

根据本实施例，第一光栅结构12和第二光栅结构14在纵向上对置，能够进行光场的纵向耦合，由此，能够在高度不同的光器件之间实现光场的耦合；此外，外包层16的材料的折射率较低，第一光栅结构12的材料、第一光波导结构13的材料、第二光栅结构14的材料以及第二光波导结构15的材料的折射率较高，由此，光能够在第一光栅结构12和第一光波导结构13中进行全反射，也能够在第二光栅结构14以及第二光波导结构15中进行全反射，避免光在该硅基光耦合结构1中传播时发生光泄露。

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。