光电子集成芯片及其制作方法与流程

1.本发明涉及集成光子技术领域，尤其涉及一种光电子集成芯片及其制作方法。


背景技术：

2.光子器件与电子器件集成在同一硅片上的光电子集成技术可以有效解决微电子芯片所面临的诸多难题，延续摩尔定律。硅发光是一个延续了半个世纪的世界难题，目前硅基片上集成光源主要有三种技术路线，第一种是单片集成技术，即在soi上直接外延生长增益材料(量子阱或量子点)，目前虽然有诸多进展，但仍没有实质性的突破。第二种是异质集成技术(heterogeneous integration)，该技术方案是将尚未加工的
ⅲ‑ⅴ
族发光材料键合到硅光芯片上，去除基底后再进行刻蚀和加工，使
ⅲ‑ⅴ
波导与硅光波导形成疏逝波耦合，该技术集成度较高，可批量制作，目前工业界有intel应用此技术，学术界主要有john bowers组处于领先。该方案尚存两方面问题，一是
ⅲ‑ⅴ
工艺与cmos工艺难以兼容，技术门槛很高；二是散热问题，soi中的氧化硅box层是隔热的，
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芯片散热不良，因而做出来的激光器性能受限。第三种是混合集成技术(hybrid integration)，将制作完好的
ⅲ‑ⅴ
芯片与硅光芯片进行端面对接耦合，该方案门槛相对前述两种较低，散热性好，且可分别独自优化增益芯片和硅光芯片，整体性能最好，但耦合容差小，对准精度要求高。
3.综上，混合集成技术在上述三种技术中，技术门槛最低，性能较好，但存在端面耦合公差小的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种光电子集成芯片及其制作方法，以解决现有技术中通过混合集成技术在硅基片上集成光源，存在端面耦合公差小的问题。
5.本发明第一方面，提供了一种光电子集成芯片，包括：
6.增益芯片和硅光芯片模斑变换器；
7.其中，所述增益芯片包括无源波导部分和有源波导部分；在所述无源波导部分的无源导波区的下方生长有第一薄膜层，所述有源波导部分的量子阱增益区的下方生长有第二薄膜层；
8.所述硅光芯片模斑变换器的硅波导上方生长有第三薄膜层；
9.所述无源波导部分所支持的te基模大于第一阈值的模场；所述有源波导部分所支持的te基模大于第二阈值的模场；所述硅光芯片模斑变换器所支持的te基模大于第三阈值的模场。
10.可选地，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层的禁带宽度对应1.05um的吸收波长，所述第三薄膜层为氮氧化硅薄膜层或氮化硅薄膜层。
11.可选地，所述第一薄膜层、所述第二薄膜层和所述第三薄膜层中至少之一的厚度在0.05um-0.15um之间。
12.可选地，所述增益芯片的一侧镀有高反膜；和/或所述增益芯片的另一侧镀有增透
膜。
13.可选地，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层的折射率与所述无源波导区的折射率相同。
14.可选地，所述无源波导部分中无源波导区的厚度为0.2～0.4um，所述第一薄膜层的厚度为0.05～0.09um，波导间距为1～1.3um，上包层厚度为1.5～1.7um，波导尖端宽度为0.6～0.9um，无源波导折射率为3.2～3.3um。
15.可选地，所述第二薄膜层的厚度为0.05～0.09um。
16.可选地，所述硅光芯片模斑变换器中氧化硅包层厚度为5～8um，所述第三薄膜层的底面距离硅波导底面的高度为1.65～1.75um，所述第三薄膜层的厚度为0.13～0.15um，所述第三薄膜层的折射率为1.500～1.650um，硅波导第一尖端宽度为0.13～0.16um，硅波导第二尖端宽度为0.22～0.25um，硅波导第一尖端长度为150～230um，硅波导第二尖端长度为45～60um，硅波导第三尖端宽度为0.4～0.55um。
17.本发明第二方面，提供了一种光电子集成芯片的制作方法，包括：
18.制作增益芯片：由inp基底开始依次外延生长第一inp层、第一薄膜层和第二薄膜层、第二inp层以及量子阱层，其中，第一薄膜层和第二薄膜层处于同一层级，第一薄膜层和第二薄膜层共同构成一层，在第一薄膜层的正上方刻蚀掉与第一薄膜层面积相同的量子阱层和部分厚度的第二inp层，再次外延生长无源波导层结构，刻蚀掉量子阱层上方的无源波导层结构，形成无源波导与量子阱增益区的butt-joint结构，在最外延生长一层inp覆盖芯片，得到增益芯片；
19.制作硅光芯片模斑变换器：将soi基底上层硅层刻蚀成硅波导，然后生长一层氧化硅，并磨平，在氧化硅层上依次生长第三薄膜层和氧化硅覆盖层，得到硅光芯片模斑变换器；
20.将增益芯片与硅光芯片模斑变换器端面对接耦合。
21.可选地，还包括在增益芯片的一侧镀高反膜，另一侧镀增透膜。
22.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，解决了现有技术中通过混合集成技术在硅基片上集成光源，存在端面耦合公差小的问题，不仅可以实现高效率耦合而且对接公差也大幅增大，该公差已经能够满足自动贴片机的精度，可实现无源端面对接耦合。
附图说明
23.在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
24.图1示出了根据本公开示例性实施例的增益芯片结构图；
25.图2示出了根据本公开示例性实施例的硅光芯片模斑变换器结构图；
26.图3a示出了增益芯片波导支持的te基模模场分布图；
27.图3b示出了硅光芯片模斑变换器支持的te基模模场分布图；
28.图4示出了增益芯片的制作流程图；
29.图5示出了硅光芯片模斑变换器的制作流程图。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
31.应当理解，本公开的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本公开的范围在此方面不受限制。
32.本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
33.需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
34.本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
35.本发明实施例提供了一种光电子集成芯片，包括：增益芯片和硅光芯片模斑变换器。增益芯片的结构如图1所示，硅光芯片模斑变换器的结构如图2所示。增益芯片包括无源波导部分和有源波导部分，在无源波导部分的无源导波区的下方生长有第一薄膜层，有源波导部分的量子阱增益区的下方生长有第二薄膜层，硅光芯片模斑变换器的硅波导上方生长有第三薄膜层，无源波导部分所支持的te基模大于第一阈值的模场，有源波导部分所支持的te基模大于第二阈值的模场，硅光芯片模斑变换器所支持的te基模大于第三阈值的模场。
36.具体的，如图1所示，在量子阱增益区和无源波导区下方生长一层厚度为ht的薄膜层，在本实施例中，第一薄膜层和第二薄膜层采用相同的材料，第一薄膜层和第二薄膜层的禁带宽度对应1.05um的吸收波长，即第一薄膜层和第二薄膜层均为q1.05材料薄膜层，折射率为3.2525，第一薄膜层和第二薄膜层的厚度相同，均为ht，该薄膜与无源波导组成的复合结构可以支持薄膜厚度ht值以及薄膜距离无源波导距离hg可以调节te基模的大小。模场的大小与ht与hg以及薄膜折射率相关，通过lumerical公司mode solution软件可以计算出这个结构所支持的te基模大小。可通过选择合理的参数使得该层薄膜与无源波导组成的复合结构支持较大模场的te基模，在本实施例中采用表1所示的参数，增益芯片将输出模斑扩大到6um，无源波导部分所支持的te基模为的6um直径模场，有源波导部分所支持的te基模为6um直径模场。量子阱区有源波导通过现有技术的butt-joint工艺(对接接头焊接工艺)与无源波导连接起来，可实现te模场的高效耦合。
37.硅光芯片的模斑变换器结构如图2所示，基本结构是在硅波导taper上方一定高度生长一层第三薄膜层，在本实施例中，第三薄膜层为氮氧化硅薄膜。通过调整结构参数(如表2所示的参数)，该结构te基模与图1中增益芯片(
ⅲ‑ⅴ
芯片)te基模可达到高度相似，实
现很高的匹配度。采用表2所示的参数，该第三薄膜层与硅波导taper的尖端组成的复合结构所支持的te基模为6um直径的模场，同样具备较大模场。
38.作为具体的一个实施案例，增益芯片(
ⅲ‑ⅴ
芯片)结构具体参数与硅光芯片模斑变换器结构参数分别参见表1和表2。无源波导部分中无源波导区的厚度hp为0.3um，第一薄膜层和第二薄膜层的厚度ht为0.07um，波导间距hg为1.115um，上包层厚度hc为1.6um，波导尖端宽度wt为0.8um，无源波导折射率np为3.2525。硅光芯片模斑变换器中氧化硅包层厚度h为6um，该第三薄膜层的底面距离硅波导底面的高度w0为1.75um，该第三薄膜层的厚度h0为0.14um，该第三薄膜层的折射率n为1.60，硅波导第一尖端宽度w1为0.15um，硅波导第二尖端宽度w2为0.24um，硅波导第一尖端长度l1为200um，硅波导第二尖端长度l2为50um，硅波导第三尖端宽度w3为0.45um。第三薄膜层为氮氧化硅薄膜层。
39.表1
40.参数名意义取值hp无源波导区厚度0.3umht第一薄膜层和第二薄膜层厚度0.07umhg波导间距1.115umhc上包层厚度1.6umwt波导尖端宽度0.8umnp无源波导折射率3.2525
41.表2
[0042][0043][0044]
图3a为采用表1所示的参数数据的增益芯片波导支持的te基模模场分布图，图3b
为采用表2所示的参数数据的硅光芯片模斑变换器支持的te基模模场分布图，对比图3a和图3b，两个模场分布形式相似，容易实现较高的匹配度，实现高耦合效率。
[0045]
通过现有软件lumeirical mode solution的计算，应用表1和表2的参数形成的
ⅲ‑ⅴ
芯片和硅光模斑变换器模式匹配度可达97％，匹配度1db公差水平方向上可达2um，垂直方向可达1um。一般的
ⅲ‑ⅴ
芯片与硅光芯片端面耦合1db公差无论是水平还是垂直方向，一般都小于0.5um，且模斑匹配度也达不到本发明实施例的水平。
[0046]
通过上述实施例，增益芯片与硅光芯片进行协同设计，两者采用类似的结构(即薄膜)扩大波导的te基模，能够将输出模斑扩大到6um的增益芯片结构，同时提出一种相应的硅光芯片端面耦合结构，不仅可增大端面耦合位置公差，而且可实现高效率模场匹配。通常的端面耦合方案1db位置公差小于0.5um，一般的贴片机难以满足这个精度，而该端面耦合方案1db位置公差在垂直方向可略大于1um，水平方向则接近2um(该数据通过现有软件lumeircal计算得到)，能够满足贴片机的精度，实现无源对接耦合。
[0047]
只要能实现无源波导部分、有源波导部分及硅光芯片模斑变换器可以支持较大模场的te基模，上述第一薄膜层、第二薄膜层或者第三薄膜层可以选用多种材料，在一些可选实施例中，上述第一薄膜层、第二薄膜层可以是q1.05材料薄膜层，第三薄膜层可以是氮氧化硅薄膜层或氮化硅薄膜层。
[0048]
只要能实现无源波导部分、有源波导部分及硅光芯片模斑变换器可以支持较大模场的te基模，上述第一薄膜层、该第二薄膜层和该第三薄膜层可以选用合适的厚度范围，在一些可选实施例中，上述第一薄膜层、该第二薄膜层和该第三薄膜层的厚度在0.05um-0.15um之间。
[0049]
如图1所示，在一些可选实施例中，上述增益芯片的一侧镀有高反膜，作为激光器的一个反射镜。在另一些可选实施例中，增益芯片的另一侧镀有增透膜，用于跟硅基光子器件制作的可调谐滤波器耦合，形成可调谐外腔激光器。
[0050]
在一些可选实施例中，第一薄膜层和第二薄膜层的折射率与该无源波导区的折射率相同，折射率相同使得工艺制作更简单，不需要调2种折射率。
[0051]
本实施例还提供了一种光电子集成芯片的制作方法，包括：
[0052]
制作增益芯片：如图4所示，由a中的inp基底开始依次外延生长第一inp层、第一薄膜层和第二薄膜层、第二inp层以及量子阱层，其中，第一薄膜层和第二薄膜层处于同一层级，第一薄膜层和第二薄膜层共同构成一层，第一薄膜层和第二薄膜层均采用q1.05材料，且第一薄膜层与第二薄膜层厚度相同，形成b所示结构；在第一薄膜层的正上方刻蚀掉与第一薄膜层面积相同的量子阱层和部分厚度的第二inp层，形成c所示结构；再次外延生长无源波导层结构，无源波导层也采用q1.05材料，形成d所示结构；刻蚀掉量子阱层上方的无源波导层结构，形成无源波导与量子阱增益区的butt-joint结构，如e所示结构；在最外延生长一层inp覆盖芯片，得到增益芯片，如f所示。
[0053]
还包括在增益芯片的一侧镀高反膜，另一侧镀增透膜。
[0054]
制作硅光芯片模斑变换器：如图5所示，将a所示soi基底上层硅层刻蚀成硅波导，形成b所示结构；然后生长一层氧化硅，并磨平，氧化硅完全覆盖soi基底和硅波导，形成c所示结构；在氧化硅层上依次生长第三薄膜层和氧化硅覆盖层，得到硅光芯片模斑变换器，如d所示。
[0055]
将增益芯片与硅光芯片模斑变换器端面对接耦合。
[0056]
综上所述，本发明实施例提出了一种混合集成技术，增益芯片设计方案及与之相对应的硅光芯片模斑变换器，不仅可以实现高效率耦合而且对接公差也大幅增大。该公差已经能够满足自动贴片机的精度，可实现无源端面对接耦合。
[0057]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

技术特征：
1.一种光电子集成芯片，其特征在于，包括：增益芯片和硅光芯片模斑变换器；其中，所述增益芯片包括无源波导部分和有源波导部分；在所述无源波导部分的无源导波区的下方生长有第一薄膜层，所述有源波导部分的量子阱增益区的下方生长有第二薄膜层；所述硅光芯片模斑变换器的硅波导上方生长有第三薄膜层；所述无源波导部分所支持的te基模大于第一阈值的模场；所述有源波导部分所支持的te基模大于第二阈值的模场；所述硅光芯片模斑变换器所支持的te基模大于第三阈值的模场。2.根据权利要求1所述的光电子集成芯片，其特征在于，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层的禁带宽度对应1.05um的吸收波长，所述第三薄膜层为氮氧化硅薄膜层或氮化硅薄膜层。3.根据权利要求1所述的光电子集成芯片，其特征在于，所述第一薄膜层、所述第二薄膜层和所述第三薄膜层中至少之一的厚度在0.05um-0.15um之间。4.根据权利要求1所述的光电子集成芯片，其特征在于，所述增益芯片的一侧镀有高反膜；和/或所述增益芯片的另一侧镀有增透膜。5.根据权利要求1所述的光电子集成芯片，其特征在于，所述第一薄膜层和所述第二薄膜层的折射率与所述无源波导区的折射率相同。6.根据权利要求1所述的光电子集成芯片，其特征在于，所述无源波导部分中无源波导区的厚度为0.2～0.4um，所述第一薄膜层的厚度为0.05～0.09um，波导间距为1～1.3um，上包层厚度为1.5～1.7um，波导尖端宽度为0.6～0.9um，无源波导折射率为3.2～3.3um。7.根据权利要求1所述的光电子集成芯片，其特征在于，所述第二薄膜层的厚度为0.05～0.09um。8.根据权利要求1至7中任一所述的光电子集成芯片，其特征在于，所述硅光芯片模斑变换器中氧化硅包层厚度为5～8um，所述第三薄膜层的底面距离硅波导底面的高度为1.65～1.75um，所述第三薄膜层的厚度为0.13～0.15um，所述第三薄膜层的折射率为1.500～1.650um，硅波导第一尖端宽度为0.13～0.16um，硅波导第二尖端宽度为0.22～0.25um，硅波导第一尖端长度为150～230um，硅波导第二尖端长度为45～60um，硅波导第三尖端宽度为0.4～0.55um。9.一种光电子集成芯片的制作方法，其特征在于，包括：制作增益芯片：由inp基底开始依次外延生长第一inp层、第一薄膜层和第二薄膜层、第二inp层以及量子阱层，其中，第一薄膜层和第二薄膜层处于同一层级，第一薄膜层和第二薄膜层共同构成一层，在第一薄膜层的正上方刻蚀掉与第一薄膜层面积相同的量子阱层和部分厚度的第二inp层，再次外延生长无源波导层结构，刻蚀掉量子阱层上方的无源波导层结构，形成无源波导与量子阱增益区的butt-joint结构，在最外延生长一层inp覆盖芯片，得到增益芯片；制作硅光芯片模斑变换器：将soi基底上层硅层刻蚀成硅波导，然后生长一层氧化硅，并磨平，在氧化硅层上依次生长第三薄膜层和氧化硅覆盖层，得到硅光芯片模斑变换器；将增益芯片与硅光芯片模斑变换器端面对接耦合。
10.根据权利要求9所述的光电子集成芯片的制作方法，其特征在于，还包括在增益芯片的一侧镀高反膜，另一侧镀增透膜。

技术总结
本发明提供了一种光电子集成芯片及其制作方法，光电子集成芯片包括：增益芯片和硅光芯片模斑变换器；增益芯片包括无源波导部分和有源波导部分；在无源波导部分的无源导波区的下方生长有第一薄膜层，有源波导部分的量子阱增益区的下方生长有第二薄膜层；硅光芯片模斑变换器的硅波导上方生长有第三薄膜层；无源波导部分所支持的TE基模大于第一阈值的模场；有源波导部分所支持的TE基模大于第二阈值的模场；硅光芯片模斑变换器所支持的TE基模大于第三阈值的模场。解决了现有技术通过混合集成技术在硅基片上集成光源端面耦合公差小的问题，不仅可以实现高效率耦合而且对接公差也大幅增大，该公差能够满足自动贴片机的精度，可实现无源端面对接耦合。现无源端面对接耦合。现无源端面对接耦合。


技术研发人员：刘祖文 金里 朱继光 冯俊波 曹睿
受保护的技术使用者：联合微电子中心有限责任公司
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8