基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构、制备方法及光器件

1.本发明涉及光学器件技术领域，更具体地，涉及一种基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构、制备方法及光器件。


背景技术：

2.铌酸锂材料因其高电光效应一直备受研究人员的关注，最近高性能薄膜铌酸锂调制器的出现将绝缘体上铌酸锂平台(lnoi)带入研究人员的视野，基于薄膜铌酸锂(tfln)的大规模光子集成电路(pic)正在成为实现高速和高容量光互连的有前途的技术。由于ln材料缺乏在电信波长下有效产生和检测光的能力，为了实现实用的铌酸锂光学i/o芯片，必须结合电泵浦光源及探测器。
3.目前在薄膜铌酸锂上集成有源器件的主要方式有微转移印刷、端面对接耦合以及晶圆键合的方式。其中，微转移印刷技术需要高对准精度的flip-chip设备，由于设备的套刻误差会造成器件之间的耦合效率较低，且单个器件的放置存在耗时长、成本高的问题。端面对接耦合技术相对比较简单，但缺点在于必须将不同尺寸或材料的两个器件对准到亚微米精度，以在器件封装时实现有效耦合，存在费时及效率低的缺点，对于大批量制造来说不是最佳选择。通过晶圆键合的方式在铌酸锂光子芯片上集成iii-v材料是一种非常有效的技术，可以使用单个芯片到晶圆键合步骤在同一芯片上集成有源器件(例如激光器和放大器)以及探测器，其中iii-v层提供高效的光生成、放大和检测，高折射率对比度lnoi允许以低占用空间实现光学功能。但是目前通过晶圆键合技术在铌酸锂光子芯片上集成iii-v材料仍然存在集成度及耦合效率低的问题。


技术实现要素：

4.本发明为克服上述现有技术中通过晶圆键合技术在铌酸锂光子芯片上集成iii-v材料存在集成度及耦合效率低的缺陷，提供一种基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构、制备方法及光器件。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构，包括薄膜铌酸锂光子芯片，所述薄膜铌酸锂光子芯片上通过异质集成晶圆键合技术集成有iii-v有源波导层；所述薄膜铌酸锂光子芯片上设置有铌酸锂波导层，所述铌酸锂波导层的输出端与所述iii-v有源波导层的输入端垂直倏逝波耦合；所述iii-v有源波导层上覆盖有n型金属电极和p型金属电极。
7.本技术方案中，通过对所述n型金属电极和p型金属电极施加反向电压，对输入到薄膜铌酸锂光子芯片上的光进行探测，产生光电流输出。其中，通过异质集成晶圆键合技术将iii-v有源波导层集成到铌酸锂光子芯片上，实现了薄膜铌酸锂片上光探测的功能；铌酸锂波导层的输出端与所述iii-v有源波导层的输入端垂直倏逝波耦合，实现iii-v有源波导层与铌酸锂波导层之间的高效率耦合。
8.作为优选方案，所述iii-v有源波导层包括从下至上依次设置的n型金属层、多量
子阱层、p型包层和p型金属层。
9.作为优选方案，所述iii-v有源波导层为双层级联锥形波导结构。
10.作为优选方案，所述铌酸锂波导层包括依次连接的光栅耦合器、铌酸锂直波导和铌酸锂锥形波导，所述光栅耦合器与外部单模光纤耦合；所述iii-v有源波导层还包括iii-v族锥形波导，所述铌酸锂锥形波导与所述iii-v族锥形波导组成iii-v/ln光模斑转换器且保持模式匹配。
11.其中，铌酸锂波导层的输出端通过iii-v/ln模斑转换器与所述iii-v有源波导层的输入端垂直倏逝波耦合，实现iii-v有源波导层与铌酸锂波导层之间的高效率耦合。
12.作为优选方案，所述iii-v有源波导层与所述薄膜铌酸锂光子芯片之间设置有氧化硅层及bcb固化层。
13.进一步地，本发明还提出一种基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构的制备方法，用于制备上述任一技术方案提出的片上耦合结构。其中包括以下步骤：
14.s1、在薄膜铌酸锂光子芯片上制备光栅耦合器、铌酸锂直波导和铌酸锂锥形波导；
15.s2、利用薄膜沉积技术在所述s1步骤得到的薄膜铌酸锂光子芯片上沉积氧化硅层，然后利用化学机械抛光技术将氧化硅层抛光平整至厚度不大于50nm；
16.s3、在所述s2步骤得到的薄膜铌酸锂光子芯片上旋涂厚度小于70nm的bcb固化层后，将iii-v有源波导层利用异质集成晶圆键合技术键合到薄膜铌酸锂光子芯片上；其中，所述薄膜铌酸锂光子芯片的输出端与所述iii-v有源波导层的输入端垂直倏逝波耦合，所述铌酸锂锥形波导与所述iii-v有源波导层中的iii-v族锥形波导模式匹配；
17.s4、在所述s3步骤得到的铌酸锂光子芯片的iii-v有源波导层上覆盖设置n型金属电极和p型金属电极。
18.进一步地，本发明还提出一种光学器件，具体地，为一种光学探测器，其中包括薄膜铌酸锂光子芯片，所述薄膜铌酸锂光子芯片上集成有上述任一技术方案提出的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构。
19.其中，所述薄膜铌酸锂光子芯片上通过异质集成晶圆键合技术集成有iii-v族光探测器；所述薄膜铌酸锂光子芯片上设置有由铌酸锂波导制备的光栅耦合器、铌酸锂直波导和铌酸锂锥形波导，所述铌酸锂锥形波导与所述iii-v族光探测器底部设置的iii-v族锥形波导组成iii-v/ln光模斑转换器且保持模式匹配；所述iii-v族光探测器上覆盖设置有n型金属电极和p型金属电极，用于施加反向电压，对输入到薄膜铌酸锂光子芯片上的光进行探测，产生光电流输出。
20.作为优选方案，所述iii-v族光探测器为多量子阱结构，包括从下至上依次设置的n型区、本征区和p型区；其中，n型区包括n型金属层，所述本征区包括多量子阱层，所述p型区包括p型包层和p型金属层。
21.作为优选方案，所述iii-v族光探测器与所述铌酸锂光子芯片之间设置有氧化硅层及bcb固化层。
22.作为优选方案，所述铌酸锂光子芯片包括从下至上依次设置的硅衬底、二氧化硅层、铌酸锂波导层和氧化硅层；所述铌酸锂波导层包括光栅耦合器、铌酸锂直波导和铌酸锂锥形波导。
23.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过异质集成晶圆键合
技术将iii-v有源波导层集成到铌酸锂光子芯片上，实现了薄膜铌酸锂平台片上光探测的功能。iii-v有源波导层通过iii-v/ln模斑转换器以垂直倏逝波耦合的方式与铌酸锂光子芯片光学互连，并实现iii-v有源波导层与铌酸锂波导之间的高效率耦合。晶圆键合采用小尺寸的iii-v有源波导层到大尺寸铌酸锂光子芯片的键合方式，具有高集成度、节约成本、有利于量产化的特点，有利于实现高性能的片上集成光探测器。
附图说明
24.图1为实施例1的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构的结构示意图。
25.图2为实施例1的iii-v有源波导层的结构示意图。
26.图3为实施例2的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构的制备方法的流程图。
27.图4为实施例3的基于异质集成薄膜铌酸锂片上光电探测器的结构示意图。
28.图5为实施例3的基于异质集成薄膜铌酸锂片上光电探测器的截面图。
29.图6为实施例3的片上波长响应示意图。
30.其中，100-铌酸锂光子芯片，110-铌酸锂波导层，111-光栅耦合器，112-铌酸锂直波导、113-铌酸锂锥形波导，120-硅衬底，130-二氧化硅层，200-iii-v有源波导层，201-n型金属层，202-多量子阱层，203-p型包层，204-p型金属层，205
‑ⅲ‑ⅴ
族锥形波导，300-n型金属电极，400-p型金属电极，500-氧化硅层，600-bcb固化层。
具体实施方式
31.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
32.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
33.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
34.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
35.实施例1
36.本实施例提出一种基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构，如图1所示，为本实施例的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构的结构示意图。
37.本实施例提出的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构中，包括薄膜铌酸锂光子芯片100，所述薄膜铌酸锂光子芯片100上通过异质集成晶圆键合技术集成有iii-v有源波导层200。
38.其中，本实施例的薄膜铌酸锂光子芯片100上设置有铌酸锂波导层110，所述铌酸锂波导层110的输出端与所述iii-v有源波导层200的输入端垂直倏逝波耦合。
39.所述iii-v有源波导层200上覆盖有n型金属电极300和p型金属电极400，用于对片上耦合结构施加反向电压，实现对输入到薄膜铌酸锂光子芯片100上的光进行探测，产生光电流输出。
40.本实施例中，通过异质集成晶圆键合技术将iii-v有源波导层200集成到薄膜铌酸锂光子芯片100上，实现了铌酸锂片上光探测的功能。iii-v有源波导层200以垂直倏逝波耦合的方式与薄膜铌酸锂光子芯片100光学互连，实现iii-v有源波导层200与铌酸锂波导之
间的高效率耦合。晶圆键合采用小尺寸的iii-v有源波导层200到大尺寸薄膜铌酸锂光子芯片100的键合方式，具有高集成度、节约成本、有利于量产化的特点，有利于实现高性能的片上集成光探测器。
41.在一可选实施例中，所述iii-v有源波导层200包括从下至上依次设置的n型金属层201、多量子阱层202、p型包层203和p型金属层204。
42.如图2所示，为本实施例的iii-v有源波导层200的结构示意图。
43.所述iii-v有源波导层200为双层级联锥形波导结构。其中，iii-v有源波导层200的多量子阱层202吸收层用于对入射的光进行探测，产生电子空穴对，在反向偏压的作用下，电子空穴分别向两级移动，产生光电流。
44.在一可选实施例中，所述铌酸锂波导层110包括依次连接的光栅耦合器111、铌酸锂直波导112和铌酸锂锥形波导113，所述光栅耦合器111与外部单模光纤耦合；所述iii-v有源波导层200还包括iii-v族锥形波导205，所述铌酸锂锥形波导112与所述
ⅲ‑ⅴ
族锥形波导205组成iii-v/ln光模斑转换器且保持模式匹配。
45.本实施例中，iii-v/ln光模斑转换器由铌酸锂锥形波导113与iii-v族锥形波导205组成，其中，iii-v族锥形波导205为n型金属层201波导，所述iii-v族锥形波导205与iii-v有源波导层200中的n型金属层201为一体化波导层。
46.在一具体实施过程中，外部单模光纤输入的入射光由光栅耦合器110耦合到铌酸锂直波导111及铌酸锂锥形波导113中，铌酸锂锥形波导113将光信号耦合至iii-v族锥形波导205，进而耦合到iii-v有源波导层200中的n型金属层201中；然后通过iii-v有源波导层200，光逐渐耦合到多量子阱层202中，多量子阱层202接收到光子以后发生受激辐射，产生电子空穴对，并在反向偏压的作用下，电子空穴分别向两级移动，产生光电流，从而实现对入射光的探测。
47.进一步地，在一可选实施例中，所述光栅耦合器111为铌酸锂一维耦合光栅，实现薄膜铌酸锂光子芯片100与外部单模光纤的高效率耦合。
48.进一步地，在一可选实施例中，所述iii-v有源波导层200与所述铌酸锂光子芯片100之间设置有氧化硅层500及bcb固化层600。
49.本实施例中，iii-v有源波导层200通过异质集成晶圆键合技术集成在铌酸锂光子芯片100上，其中，异质集成键合方式采用粘合剂键合的方式，具体地，使用bcb(苯并环丁烯)作为中间层，通过bcb固化将iii-v有源波导层200与薄膜铌酸锂光子芯片100集成，具有高集成度、节约成本、有利于量产化的特点。
50.实施例2
51.本实施例提出一种基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构的制备方法，用于制备实施例1提出的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构。
52.如图3所示，为本实施例的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构的制备方法的流程图。
53.本实施例提出的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构的制备方法中，包括以下步骤：
54.s1、在铌酸锂光子芯片100上制备光栅耦合器111、铌酸锂直波导112和铌酸锂锥形波导113。
55.s2、利用薄膜沉积技术在所述s1步骤得到的薄膜铌酸锂光子芯片100上沉积氧化硅层500，然后利用化学机械抛光技术将氧化硅层500抛光平整至厚度不大于50nm。
56.s3、在所述s2步骤得到的薄膜铌酸锂光子芯片100上旋涂厚度小于70nm的bcb固化层600后，将iii-v有源波导层200利用异质集成晶圆键合技术键合到所述薄膜铌酸锂光子芯片100上，其中，所述薄膜铌酸锂光子芯片100的输出端与所述iii-v有源波导层200的输入端垂直倏逝波耦合，所述铌酸锂锥形波导113与所述iii-v有源波导层200中的iii-v族锥形波导205模式匹配。
57.s4、在所述s3步骤得到的铌酸锂光子芯片100的iii-v有源波导层200上覆盖设置n型金属电极300和p型金属电极400。
58.在一可选实施例中，所述薄膜铌酸锂光子芯片100包括从下至上依次设置的硅衬底120和二氧化硅层130，所述s1步骤中在所述薄膜铌酸锂光子芯片100中的二氧化硅层130上制备光栅耦合器111、铌酸锂直波导112和铌酸锂锥形波导113，得到铌酸锂波导层110。
59.本实施例中，采用异质集成晶圆键合技术将iii-v有源波导层200集成到薄膜铌酸锂光子芯片100上，所得到的薄膜铌酸锂光子芯片100具有铌酸锂片上光探测的功能。此外，本实施例的iii-v有源波导层200作为iii-v/ln模斑转换器与铌酸锂波导层110垂直倏逝波耦合，实现iii-v有源波导层200与铌酸锂波导之间的高效率耦合。
60.实施例3
61.本实施例提出一种光学器件，具体地，本实施例提出的光学器件为基于异质集成薄膜铌酸锂片上光电探测器。如图4、5所示，为本实施例的基于异质集成薄膜铌酸锂片上光电探测器的结构示意图(图4中省略了n型金属电极300、p型金属电极400、bcb固化层600的表示)。
62.本实施例提出的光学器件中，包括薄膜铌酸锂光子芯片100，所述薄膜铌酸锂光子芯片100上集成有实施例1提出的基于异质集成薄膜铌酸锂片上耦合结构。
63.其中，所述薄膜铌酸锂光子芯片100上通过异质集成晶圆键合技术集成有iii-v族光探测器。
64.所述薄膜铌酸锂光子芯片100上设置有光栅耦合器111、铌酸锂直波导112和铌酸锂锥形波导113，所述铌酸锂锥形波导113与所述iii-v族光探测器底部设置的iii-v族锥形波导205组成iii-v/ln光模斑转换器且保持模式匹配。
65.所述iii-v族光探测器上覆盖设置有n型金属电极300和p型金属电极400，用于施加反向电压，对输入到薄膜铌酸锂光子芯片上的光进行探测，产生光电流输出。
66.在一具体实施过程中，光栅耦合器111与外部单模光纤连接，外部单模光纤输入的入射光由光栅耦合器111耦合并通过铌酸锂直波导112传输到光模斑转换器的铌酸锂锥形波导113中，铌酸锂锥形波导113将光信号耦合至iii-v族光探测器中。同时，iii-v族光探测器对输入的光进行探测，通过对n型金属电极300和p型金属电极400施加反向电压，在反向偏压的作用下，电子空穴分别向两级移动，产生光电流，从而实现光的探测。
67.如图6所示，为本实施例的基于异质集成薄膜铌酸锂片上光电探测器的片上波长响应示意图。由图可知，采用本实施例提出的基于异质集成薄膜铌酸锂片上光电探测器，在施加5v反向电压的情况下，对1550nm和1560nm的输入波长光的波导耦合效应分别能够达到0.52a/w和0.48a/w。
68.本实施例中，通过异质集成晶圆键合技术将iii-v族光探测器集成到薄膜铌酸锂光子芯片100上，实现了铌酸锂片上光探测的功能。其中，iii-v族光探测器与铌酸锂锥形波导113垂直倏逝波耦合，实现iii-v族光探测器与铌酸锂波导之间的高效率耦合，具有高集成度、节约成本、有利于量产化的特点。
69.在一可选实施例中，所述iii-v族光探测器为多量子阱结构，包括从下至上依次设置的n型区、本征区和p型区；其中，n型区包括n型金属层201，所述本征区包括多量子阱层202，所述p型区包括p型包层203和p型金属层204。
70.其中，iii-v族光探测器的多量子阱层202接收到光子以后发生受激辐射，产生电子空穴对，在反向偏压的作用下，电子空穴分别向两级移动，产生光电流。
71.在一可选实施例中，所述薄膜铌酸锂光子芯片100之间设置有氧化硅层500及bcb固化层600。
72.进一步地，在一可选实施例中，所述薄膜铌酸锂光子芯片100包括从下至上依次设置的硅衬底120、二氧化硅层130、铌酸锂波导层110和氧化硅层140；所述铌酸锂波导层110包括由铌酸锂波导制备的光栅耦合器111、铌酸锂直波导112和铌酸锂锥形波导113。
73.相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
74.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
75.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。