[发明专利]一种基于竖直硅光微环的三维光学倒装集成结构及方法

说明书

本发明提供了一种基于竖直硅光微环的三维光学倒装集成结构及方法，涉及硅光芯片集成技术领域，通过竖直微环作为光学耦合器件，将两个不同材料的集成光学芯片，无接触地进行耦合，能够解决集成光学芯片制备过程中使用不同材料系统时存在的晶格匹配度限制问题、以及因激光器与硅芯片直接接触导致的温度高的问题；该集成结构从下到上依次包括：底层硅光芯片衬底；底层平整化层以及嵌设于底层平整化层内的底层硅波导；与硅波导正交设置的氮化硅竖直微管；顶层集成芯片，包括与硅波导平行且位置正对的光波导；氮化硅竖直微管内设有竖直微环耦合器，竖直微环耦合器与光波导以及硅波导分别耦合连接。本发明提供的技术方案适用于硅光芯片集成的过程中。

技术领域

本发明涉及硅光芯片集成技术领域，尤其涉及一种基于竖直硅光微环的三维光学倒装集成结构及方法。

背景技术

光子集成技术被广泛认为将是下一代高端光电智能芯片制造产业发展的核心方向之一。硅基光子集成方案，因其使用的是硅、氮化硅、氧化硅、锗等CMOS通用材料系统，而且制备方式与传统CMOS工艺匹配。在过去的20年时间里，硅光技术已经完成了从学术研究到工业产品的演进，开始在光通讯模块、芯片级光互连网络、光电生化一体化传感器、激光雷达等领域获得越来越广泛的应用。

由于硅晶格结构和物理特性决定了它不是一个合适的光源和电光调制器件的材料平台。如果希望生产单片集成的一体化的光学芯片，必须将合适的激光光源与硅光芯片集成在一起。学术界和产业界对此进行了大量的研究，目前将激光器引入到硅光芯片上的单片混合集成方法主要可以分为两类：一类是直接生长法(direct growth)，即通过外延生长的方法，直接构造III-V族材料(如磷化铟或砷化镓等)晶体结构，并通过光刻工艺生产出片上激光器。另一类是通过晶片键合(wafer bonding)技术，在硅光芯片上键合上已经预先处理过的III-V族晶片，再通过减薄、光刻等步骤，在硅光波导上方形成激光器。直接的外延生长法的缺点包括需要通过缓冲层来解决晶格不匹配带来的材料缺陷，占用硅基晶圆面积较大；限于稳定定性的要求，片上的激光器尺寸不能太大，激光器本身的性能必须做出一些妥协，不能达到最优设计指标；III-V族有源光电器件的生长过程与CMOS标准工艺不匹配等。晶片键合是一种相对成熟的三维光学集成方案，但是，它也有其局限性。一是晶片键合依然受到不同材料间晶格不匹配的影响，不能确保每个器件达到最优设计指标；二是激光器与硅芯片(包含硅光及其下的CMOS电路)直接接触，而激光器工作时产生的热量会直接传导到硅芯片中，从而提高集成芯片的整体工作温度，影响各组件的性能。

因此，有必要研究一种基于与CMOS工艺匹配的竖直光学耦合器件的三维光学倒装集成结构及方法，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于竖直硅光微环的三维光学倒装集成结构及方法，通过竖直微环作为光学耦合器件，将两个不同材料的集成光学芯片，无接触地进行耦合，能够解决不同材料系统集成光学芯片时存在的晶格匹配度限制问题、以及因激光器与硅芯片直接接触导致的集成光学芯片工作温度高的问题。

一方面，本发明提供一种基于竖直硅光微环的三维光学倒装集成结构，所述集成结构从下到上依次包括：

底层硅光芯片衬底；

底层平整化层以及嵌设于所述底层平整化层内的底层硅波导；

与所述底层硅波导正交设置的氮化硅竖直微管；

顶层平整化层以及嵌设在所述顶层平整化层内的顶层光波导，所述顶层光波导与所述底层硅波导平行且位置正对；以及

顶层光芯片衬底；

所述氮化硅竖直微管内设有竖直微环耦合器，所述竖直微环耦合器与所述顶层光波导以及所述底层硅波导分别耦合连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述竖直微环耦合器与所述顶层光波导以及所述底层硅波导之间均具有间隙。