CN117410377A - 集成波导型utc-pd的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器 - Google Patents
集成波导型utc-pd的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117410377A CN117410377A CN202311353669.4A CN202311353669A CN117410377A CN 117410377 A CN117410377 A CN 117410377A CN 202311353669 A CN202311353669 A CN 202311353669A CN 117410377 A CN117410377 A CN 117410377A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- silicon
- utc
- groove
- gap
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 219
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 219
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 219
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title abstract description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 68
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 59
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims abstract description 28
- UMIVXZPTRXBADB-UHFFFAOYSA-N benzocyclobutene Chemical group C1=CC=C2CCC2=C1 UMIVXZPTRXBADB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 40
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 52
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 14
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 12
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 12
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 12
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 22
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 12
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 2
- 238000001534 heteroepitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000233 ultraviolet lithography Methods 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
- G02B6/421—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical component consisting of a short length of fibre, e.g. fibre stub
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4295—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with semiconductor devices activated by light through the light guide, e.g. thyristors, phototransistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明涉及硅基光电异质集成技术领域，具体公开了一种集成波导型UTC‑PD的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器，方法包括：提供一集成有硅波导的硅基底，在所述硅基底上的预设区域形成预设尺寸的凹槽；在硅基底上，所述硅波导的出射光在所述凹槽槽口所在的正投影空间中传播；将波导型UTC‑PD器件装配至所述凹槽内，使得硅波导在高度方向的中心与波导型UTC‑PD器件的稀释波导层在高度方向的中心之间的连线与所述硅基底的上表面平行；采用满足目标折射率要求的材料形成夹层，以填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC‑PD器件的侧壁之间的间隙；本方案，可提高光信号的耦合效率，确保了光信号传输过程中的总功率。
Description
技术领域
本发明涉及光电二极管集成技术领域，具体涉及集成波导型UTC-PD的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器。
背景技术
单行载流子光电二极管（Uni-traveling-carrier photodiodes, UTC-PD）是一种仅采用电子作为有效载流子的光电器件，得益于电子较高的输运速率，UTC-PD具有带宽高、饱和电流大等优势，被认为是下一代高速无线通信***中信号发射的关键器件。
基于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料制备的UTC-PD通常采用台面型和波导型器件结构，台面型器件可以通过减小有源区面积和吸收层厚度大幅提升器件3dB带宽，但会导致器件响应电流迅速降低，因此需要权衡器件带宽和响应电流两者关系。而波导型UTC-PD器件吸收层很薄，但横向尺寸较长，在保证电子渡越时间较短的情况下，光信号吸收率较高，可以在保证器件具有较大带宽的同时具有较大的光电流，有效解决了器件3dB带宽和响应电流的trade-off关系。
目前，研究人员已经开发出载波频率数百GHz的通信链路，信号发射端一般由激光器，信号放大器，光学组合器，信号调制器，信号发射器等组成，其中信号发射器一般采用UTC-PD。然而，这些分立器件构成的发射端***存在结构复杂、体积庞大、功耗较高等问题，将***芯片化有望解决这些问题。针对分立器件集成化已开展了大量研究，硅基外腔激光器、光学组合器、调制器等相继被设计和制备出来，并已进行初步应用。然而，载波信号发射器件--UTC-PD由于器件结构较为复杂，硅基异质集成难度较高。
硅基异质集成主要是指以硅材料为衬底集成异质材料（器件）所形成的集成电路技术，采用该技术可以充分发挥材料性能优势，以实现器件效能最大化，目前主要有单片异质外延生长、外延层转移和小芯片微米级组装三种技术方案。化合物半导体器件硅基异质集成研究属于硅基光电子领域的热点研究课题，但由于最近几年才兴起，仍处于起步阶段。
目前，进行化合物半导体器件硅基异质集成的常用方法是：首先在硅基衬底上将无源器件和波导结构制备完成，然后通过硅基异质外延或键合的方式将化合物半导体材料与硅基衬底结合，通过特定器件工艺完成器件制备。然而，硅基异质外延对设备要求较高，且工艺复杂，材料生长存在晶格匹配问题导致材料质量不高。而异质键合的方法材料利用率较低，化合物半导体器件***材料去除的过程中可能会影响其它硅基器件。同时，采用异质键合的方法，化合物半导体器件位于硅基衬底上方，将硅波导中的光信号耦合至器件中需要制备倏逝波耦合等结构，结构及工艺较为复杂。
综上所述，现有技术方案中UTC-PD集成方案存在工艺或结构复杂、集成器件良率低的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种集成波导型UTC-PD的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器，解决相关技术中存在的UTC-PD集成方案存在工艺或结构复杂、集成器件良率低的技术问题。
第一方面，根据本发明实施例提供一种集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的制备方法，包括：
提供一集成有硅波导的硅基底，在所述硅基底上的预设区域形成预设尺寸的凹槽；在硅基底上，所述硅波导的出射光在所述凹槽槽口所在的正投影空间中传播；
将波导型UTC-PD装配至所述凹槽内，使得硅波导在高度方向的中心与波导型UTC-PD的稀释波导层在高度方向的中心之间的连线与所述硅基底的上表面平行；
采用满足目标折射率要求的材料形成夹层，以填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙；
其中，靠近硅波导一侧的部分间隙中填充的材料的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和。
优选地，所述满足目标折射率要求的材料为折射率大于1的材料；
所述满足目标折射率要求的材料为苯并环丁烯。
优选地，所述采用满足目标折射率要求的材料形成夹层，以填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙，包括：
将液态的苯并环丁烯填充所述所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙，形成芯片中间结构，使得靠近硅波导一侧的凹槽部分中填充的苯并环丁烯的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和；
将所述芯片中间结构加热至目标温度，使得液态的苯并环丁烯固化，形成所述夹层；
所述目标温度不低于200℃。
优选地，在将波导型UTC-PD装配至所述凹槽之前，所述方法，还包括：
对波导型UTC-PD的衬底进行减薄处理。
优选地，靠近硅波导一侧的UTC-PD的稀释波导层与硅波导的靠近波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙的宽度为0.5μm-1μm。
优选地，所述稀释波导层朝向所述硅波导一侧端面的尺寸不小于硅波导朝向稀释波导层一侧端面的尺寸。
第二方面，根据本发明实施例提供一种集成有波导型UTC-PD的硅基芯片，包括：
集成有硅波导的硅基底；
在所述硅基底上的预设区域形成预设尺寸的凹槽；在硅基底上，所述硅波导所在的平面与所述凹槽槽口所在的平面有交叉；
波导型UTC-PD，装配至所述凹槽内；其中，所述硅波导在高度方向的中心与波导型UTC-PD的稀释波导层在高度方向的中心之间的连线与所述硅基底的上表面平行；
夹层，采用满足目标折射率要求的材料构成，用于填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙；
其中，靠近硅波导一侧的部分间隙中填充的材料的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和。
优选地，所述满足目标折射率要求的材料为折射率大于1的材料；
所述满足目标折射率要求的材料为苯并环丁烯。
优选地，靠近硅波导一侧的部分UTC-PD的稀释波导层与波导型UTC-PD器件的侧壁间凹槽的间隙为0.5μm-1μm。
第三方面，根据本发明实施例提供一种光纤信号处理器，包括采用上述任意一项所述的硅基芯片。
本发明实施例提供的集成有波导型UTC-PD的硅基芯片及其制备方法，在硅基底上设置有凹槽，并在凹槽中装配有波导型UTC-PD，同时，在波导型UTC-PD的靠近硅波导一侧的侧壁与凹槽对应侧壁之间的间隙填充足量的夹层材料，使得靠近硅波导一侧的部分间隙中填充的材料的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和，而夹层材料的折射率大于空气的折射率，如此，可提高光信号的耦合效率，确保了光信号传输过程中的总功率。
本方案，工艺或者结构不复杂，而且对波导型UTC-PD与凹槽侧壁之间的间隙的要求不高，完全是现有工艺流程可以做到的范围，如0.5μm-1μm，因此，在很大程度上也确保了硅基芯片良率高的效果。
综上，本方案提高的方案，有效克服了UTC-PD集成方案存在工艺或结构复杂、集成器件良率低的问题，同时有效确保了光信号的耦合效率及传输过程中的功率。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的制备方法的流程图；
图2为集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的制备方法中步骤S16包含的子步骤的示意图；
图3为本发明提供的有一种集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的制备方法的流程图；
图4 为本发明提供的集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的俯视图；
图5 为本发明提供的集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的截面图；
图6a为对比例中间隙的间距为0.5μm，硅波导与稀释波导中光信号传输截面图；
图6b为对比例中间隙的间距为0.5μm，稀释波导中光信号传输光场强度分布图；
图6c为对比例中间隙的间距为1μm，硅波导与稀释波导中光信号传输截面图；
图6d为对比例中间隙的间距为1μm，稀释波导中光信号传输光场强度分布图；
图7a为对比例中间隙的间距为0.5μm时， 硅波导和稀释波导之间的间隙中加入BCB材料后硅波导与稀释波导中光信号传输截面图；
图7b对比例中间隙的间距为0.5μm时， 硅波导和稀释波导之间的间隙中加入BCB材料后稀释波导中光信号传输光场强度分布图；
图7c为对比例中间隙的间距为1μm时， 硅波导和稀释波导之间的间隙中加入BCB材料后，硅波导与稀释波导中光信号传输截面图；
图7d为对比例中间隙的间距为1μm时， 硅波导和稀释波导之间的间隙中加入BCB材料后，稀释波导中光信号传输光场强度分布图。
实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了解决现有技术方案中UTC-PD集成方案中出现的一些问题，如集成工艺复杂，或者集成工艺所采用的设备复杂导致集成器件结构复杂或者良率低等技术问题，本发明实施例提供一种新型的硅基片上异质集成波导型UTC-PD的方法。
本发明实施例提供的集成有波导型UTC-PD的硅基芯片及其制备方法，在硅基底的预设区域设置有预设尺寸大小的凹槽，该凹槽用于在集成过程中容纳UTC-PD的衬底及部分稀释波导层，且通过工艺控制使得硅波导高度方向的中心与波导型UTC-PD的稀释波导层高度方向的中心距离硅基底上表面的距离相同，同时设置波导型UTC-PD靠近硅波导一侧端面的尺寸大于硅波导靠近凹槽一侧端面的尺寸，从而使得经由硅波导传输的光信号最大概率被传输至UTC-PD的稀释波导层。除此之外，在UTC-PD与凹槽的侧壁之间填充高折射率的材料，从而解决由于间隙中有空气导致光信号的总功率较低的技术问题。如下，阐述具体的实施过程：
实施例1
本发明实施例提供一种集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的制备方法，以在硅基底上集成波导型UTC-PD进而形成硅基芯片，具体地，参见图1所示，本发明实施例提供的集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的制备方法，包括如下步骤：
步骤S12、提供一集成有硅波导的硅基底，在所述硅基底上的预设区域形成预设尺寸的凹槽；在硅基底上，所述硅波导的出射光在所述凹槽槽口所在的正投影空间中传播；
在本发明实施例中，在制备之前，首先在硅基底的目标区域制备硅波导，具体地，可根据具体的工艺需求采用相应的制备硅波导的方法，如，外延生长、直接集成等。同样，对于目标区域，同样根据实际需求进行选定，作为一个可选实施例，可设置目标区域位于硅基底宽度方向的中间部分目标长度，一来有利于工艺实施，后续形成的器件结构也相对比较均匀。
作为本发明实施例的一个可选实施例，形成凹槽的过程可包括如下步骤：
1）硅基衬底光刻。采用光刻胶涂布设备在硅基底上均匀地旋涂一层AZ 5214正性光刻胶，AZ 5214正性光刻胶的厚度可约为1.5μm，基于预先设定好的光刻标记，通过紫外光刻、显影等工艺流程暴露出对应的刻蚀区域。在此指出，预先设定的光刻标记可位于硅基底上。
2）硅基衬底刻蚀。基于暴露出对应的刻蚀区域，采用深反应离子束刻蚀（DRIE）设备进行深硅刻蚀，在此指出，在深反应离子束刻蚀过程中，允许的刻蚀深度的误差±1μm，同时，刻蚀出的凹槽的下表面的宽度大于上表面的宽度，凹槽底部粗糙度需要控制在100nm以内，刻蚀底部边缘无沟槽（trench）。作为一个优选实施例，设定凹槽的深度为UTC-PD器件衬底减薄后的厚度加上稀释波导厚度的一半减去硅波导厚度的一半，在此指出，集成的UTC-PD即为衬底减薄后的UTC-PD。
3）光刻胶及刻蚀Polymer去除。采用光刻胶干法去除设备去除硅基底其余区域（非刻蚀区域）的保护性光刻胶及刻蚀过程中可能产生的Polymer，为了确保去除干净，可通过将硅基底在65℃的EKC 525中浸泡30min后，在IPA中漂洗3min，取出烘干。
在本发明实施例中，设定凹槽的底面积要大于UTC-PD器件的底面积，从而使得UTC-PD器件能集成于凹槽底部。同时，为了使得硅波导与UTC-PD器件的稀释波导层耦合连接，设置所述硅波导所在的平面与所述凹槽槽口所在的平面有交叉。
步骤S14、将波导型UTC-PD装配至所述凹槽内，使得硅波导在高度方向的中心与波导型UTC-PD的稀释波导层在高度方向的中心之间的连线与所述硅基底的上表面平行；
在本发明实施例中，可通过倒装焊或其它类似设备将波导型UTC-PD装配至凹槽内；优选地，在装配过程中，依靠设备的显微视觉***进行位置对准和调整，使得稀释波导端面尽可能靠近硅波导端面。具体的，在装配过程中将硅基底放置在特制的夹具中固定，通过倒装焊设备吸取波导型UTC-PD，通过显微观察***将器件准确放置在凹槽内的区域。
为了确保硅波导传输的光信号的耦合效率，设置硅波导在高度方向的中心与UTC-PD的稀释波导层在高度方向的中心所构成的直线与所述硅基底的上表面平行。作为一个具体实施例，如果硅基底放置在水平面上且硅基底的上表面与水平面平行，那么经由硅波导在高度方向的中心与波导型UTC-PD的稀释波导层在高度方向的中心的直线同样与水平面平行，如此确保硅波导中传输的光信号的耦合效率最大。
步骤S16、采用满足目标折射率要求的材料形成夹层，以填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙；
其中，靠近硅波导一侧的部分间隙中填充的材料的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和。
在本发明实施例中，为了解决由于硅波导与UTC-PD的稀释波导层中有间隙导致光信号耦合效率不高的问题，本发明通过填充折射率满足一定要求的材料形成夹层有效克服了这一问题。其中，折射率满足一定要求，为构成夹层所使用的材料的折射率比空气的折射率高。
在此指出，在本发明实施例中，对夹层的高度有一定的要求，该要求至少包括：UTC-PD器件的靠近硅波导一侧的端面与凹槽侧壁之间的间隙中的填充夹层的厚度不低于硅波导上表面的高度。
在本发明实施例中，满足目标折射率要求的材料为折射率大于1的材料；作为一个优选实施例，本发明实施例中采用的满足目标折射率要求的材料为苯并环丁烯。
在本发明实施例中，参见图2所示，步骤S16中，所述采用满足目标折射率要求的材料形成夹层，以填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙，包括：
步骤S161、将液态的苯并环丁烯填充所述所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙，形成芯片中间结构，使得靠近硅波导一侧的凹槽部分中填充的苯并环丁烯的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和；
在本发明实施例中，在凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙填充液态状的苯并环丁烯时，要确保靠近硅波导一侧的部分凹槽中填充的苯并环丁烯的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和，作为一种可选实施例，采用微流控或类似设备对器件与硅基衬底间隙进行BCB材料填充，在填充液态状的苯并环丁烯将器件倾斜放置，使得器件靠近硅波导一侧的硅基底的高度低于远离硅波导一侧的硅基底的高度，从而使得进行液态状的苯并环丁烯填充时，先填充靠近硅波导一侧的部分凹槽，从而使得对硅波导和稀释波导之间的凹槽进行冗余填充，从而使得靠近硅波导一侧的部分凹槽中填充的苯并环丁烯的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和。
步骤S162、将所述芯片中间结构加热至目标温度，使得液态的苯并环丁烯固化，形成所述夹层；
所述目标温度不低于200℃。
在本发明实施例中，苯并环丁烯（BCB）在常温下呈液态，而在加热至一定温度，如200℃以上形成高活性可聚合中间体，并发生固化，从而将硅波导和UTC-PD的稀释波导层连接起来，一来起到器件固定的作用，二来作为连接材料的夹层的折射率大于空气的折射率，光信号经由硅波导传输后继续经由夹层传输至UTC-PD的稀释波导层，因而在一定程度上提升了光信号的传输效率。
在本发明实施例中，在间隙中填充足量的苯并环丁烯（BCB）之后，将填充好BCB材料的芯片中间结构放入真空干燥箱内，温度设置为200℃，固化时间30min，待BCB材料完全固化后取出。
在本发明实施例中，参见图3所示，在将波导型UTC-PD装配至所述凹槽之前，所述方法，还包括：
步骤S13、对波导型UTC-PD的衬底进行减薄处理。
在本发明实施例中，在将波导型UTC-PD装配至所述凹槽之前，需要制备单颗的波导型UTC-PD，制备过程至少包括波导型UTC-PD衬底减薄处理。在一个具体实施例中，针对仅包括一波导型UTC-PD的晶圆，可以采用磨抛设备将波导型UTC-PD薄至100-200μm；而针对包含多个波导型UTC-PD的晶圆，首先将制备完毕的包含多个波导型UTC-PD的晶圆减薄至100-200μm，然后通过划片设备沿晶圆划片道进行划片，获得单个波导型UTC-PD。
在本发明实施例中，靠近硅波导一侧的波导型UTC-PD的稀释波导层与硅波导的靠近波导型UTC-PD一侧的侧壁之间的间隙的宽度为0.5μm-1μm。
基于工艺的限制，很难做到硅波导靠近波导型UTC-PD的端面与波导型UTC-PD的靠近硅波导的稀释波导层之间的间隙的宽度为达到小于0.5μm，现在技术方案中，能做到0.5μm已经是很理想的范围，而二者之间的间隙的存在，导致光信号耦合效率降低，本方案设置该宽度范围，一来现有工艺水平可以做到，二来，该宽度范围使得器件也较为整齐，不至于因凹槽宽度过大导致器件结构尺寸偏大。
在本发明实施例中，所述稀释波导层朝向所述硅波导一侧端面的尺寸不小于硅波导朝向稀释波导层一侧端面的尺寸。
在本发明实施例中，光信号经过硅波导传输后通过硅波导与波导型UTC-PD的稀释波导层之间的夹层部分耦合至波导型UTC-PD的稀释波导层，为了确保光信号耦合效率，设定稀释波导层朝向所述硅波导一侧端面的尺寸不小于硅波导朝向稀释波导层一侧端面的尺寸。为了便于工艺控制，可设置释波导层朝向所述硅波导一侧端面的尺寸大于硅波导朝向稀释波导层一侧端面的尺寸。
实施例2
本发明实施例还提供一种硅基片上异质集成波导型UTC-PD的硅基芯片，参见图4-图5所示，包括：
集成有硅波导41的硅基底42；
在所述硅基底上的预设区域形成预设尺寸的凹槽；在硅基底上，所述硅波导的出射光在所述凹槽槽口所在的正投影空间中传播；
波导型UTC-PD 43，装配至所述凹槽内；其中，所述硅波导在高度方向的中心与波导型UTC-PD的稀释波导层431在高度方向的中心所构成的直线与所述硅基底41的上表面平行；波导型UTC-PD 43包含稀释波导层431、器件层432和InP衬底433。
夹层44，采用满足目标折射率要求的材料构成，用于至少部分填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙；所述至少部分，指，至少填充硅波导与波导型UTC-PD之间的间隙；
其中，靠近硅波导一侧的部分间隙中填充的材料的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和。其中，间隙的宽度为ω。
在本发明实施例中，波导型UTC-PD还包括光学匹配层434，位于稀释波导层431与器件层432之间。而硅基底42包括硅衬底422和SiO2层421。
在本发明实施例中，所述满足目标折射率要求的材料为折射率大于1的材料；
所述满足目标折射率要求的材料为苯并环丁烯。
在本发明实施例中，靠近硅波导一侧的部分波导型UTC-PD的稀释波导层与波导型UTC-PD的侧壁间间隙的宽度为0.5μm-1μm。
在本发明实施例中，稀释波导层由多层InGaAsP层和多层InP层彼此间隔形成，作为一个具体实施例，如当由四层InGaAsP层和四层InP层构成时，稀释波导层自下而上由InGaAsP层、InP层、InGaAsP层、InP层、InGaAsP层、InP层、InGaAsP层、InP层构成，其中，每层的厚度根据实际需求进行设定。
在此指出，本发明实施例中的硅基片上异质集成波导型UTC-PD的硅基芯片是上一个实施例中提供的硅基片上异质集成波导型UTC-PD的方法对应的硅基芯片，在硅基片上异质集成波导型UTC-PD的方法实施例中公开的内容在对应的硅基芯片结构实施例中同样适用，在此不予赘述。
如下，列举具体对比例来解释本发明实施例提供的硅基芯片的技术效果：
通过Lumerical FDTD仿真了波导型UTC-PD的靠近硅波导一侧的稀释波导层与硅波导的靠近波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙的宽度为0.5μm和1μm的光信号传输效率。
如图6a-6b所示，当波导型UTC-PD的靠近硅波导一侧的稀释波导层与硅波导的靠近波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙的宽度为0.5μm时，硅波导中光信号形成了较为强烈的驻波，传输至稀释波导中的光信号最大场强为0.36，传输的光信号总功率为0.46；参见图6c、6d所示，而间隙进一步增大，当靠近硅波导一侧的稀释波导层与硅波导的靠近波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙的宽度为1μm时，硅波导中的驻波强度基本不变，而传输至稀释波导层的最大场强下降至0.28，传输的总功率也下降至0.295。
如下图7a-7d所示，通过FDTD仿真了波导型UTC-PD的靠近硅波导一侧的稀释波导层与硅波导的靠近波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙的宽度为0.5μm和1μm时，在凹槽中加入BCB夹层后的光信号传输效率。参见图7a、7b所示，当间隙的宽度为0.5μm，在加入BCB夹层后，光信号在硅波导中仍然形成了驻波，但最大电场强度已由未加入前的2.05降低至1.64，同时，由图7a, 7c中可以明显看到光信号被有效传输至稀释波导中。由图7b, 7d可以看到，在加入BCB层后，硅波导和稀释波导层的间隙的宽度为0.5μm和1μm时，光信号在稀释波导中的强度相较于未加入BCB层均提升了0.1左右，凹槽宽度0.5μm，传输的光信号的总功率提高至0.62，当间隙的宽度为1μm，传输的光信号的总功率分别提高至0.44。
对比分析可以得出，当间隙的宽度为1μm，不填充BCB材料时，传输的光信号的总功率为0.295，而填充BCB材料的夹层后，传输的光信号的总功率提高至0.44，相当于未填充BCB夹层前的0.5μm的间距。而当间隙的宽度为0.5μm时，未填充BCB夹层时，传输的光信号的总功率为0.46，而在填充BCB夹层后，传输的光信号的总功率提高至0.62。
在此指出，图6a-6d，以及图7a-7d中介绍的光信号的总功率以及稀释波导中的光信号最大场强均为相对总功率和相对场强，具体的，可以是针对入射光的总功率为1的相对功率，同样也可以是入射光在稀释波导中的光信号的场强为1的相对最大场强。
综上所述，本发明实施例提供的硅基芯片，在硅波导与波导型UTC-PD的稀释波导层之间的填充折射率满足一定要求的夹层材料，有效提高了光信号的耦合效率，确保了光信号的传输功率。
实施例3
本发明实施例还提供一种光纤信号处理器，用于对光信号进行处理，在光纤信号处理器中包括采用本发明实施例提供的硅基片上异质集成波导型UTC-PD的方法制备的硅基芯片。
本发明实施例提供的光纤信号处理器，在很大程度上提高了入射光的光信号耦合效率，进一步确保了光纤信号处理器的功率。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.集成有波导型UTC-PD的硅基芯片的制备方法，其特征在于，包括：
提供一集成有硅波导的硅基底，在所述硅基底上的预设区域形成预设尺寸的凹槽；在硅基底上，所述硅波导的出射光在所述凹槽槽口所在的正投影空间中传播；
将波导型UTC-PD装配至所述凹槽内，使得硅波导在高度方向的中心与波导型UTC-PD的稀释波导层在高度方向的中心之间的连线与所述硅基底的上表面平行；
采用满足目标折射率要求的材料形成夹层，以填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙；
其中，靠近硅波导一侧的部分间隙中填充的材料的高度不低于所述凹槽的深度与硅波导的高度之和。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述满足目标折射率要求的材料为折射率大于1的材料；
所述满足目标折射率要求的材料为苯并环丁烯。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用满足目标折射率要求的材料形成夹层，以填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙，包括：
将液态的苯并环丁烯填充所述所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙，形成芯片中间结构，使得靠近硅波导一侧的凹槽部分中填充的苯并环丁烯的高度不低于所述凹槽的深度和硅波导的高度之和；
将所述芯片中间结构加热至目标温度，使得液态的苯并环丁烯固化，形成所述夹层；
所述目标温度不低于200℃。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在将波导型UTC-PD装配至所述凹槽之前，所述方法，还包括：
对波导型UTC-PD的衬底进行减薄处理。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，靠近硅波导一侧的UTC-PD的稀释波导层与硅波导的靠近波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙的宽度为0.5μm-1μm。
6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述稀释波导层朝向所述硅波导一侧端面的尺寸不小于硅波导朝向稀释波导层一侧端面的尺寸。
7.一种集成有波导型UTC-PD的硅基芯片，其特征在于，包括：
集成有硅波导的硅基底；
在所述硅基底上的预设区域形成预设尺寸的凹槽；在硅基底上，所述硅波导的出射光在所述凹槽槽口所在的正投影空间中传播；
波导型UTC-PD，装配至所述凹槽内；其中，所述硅波导在高度方向的中心与UTC-PD的稀释波导层在高度方向的中心之间的连线与所述硅基底的上表面平行；
夹层，采用满足目标折射率要求的材料构成，用于填充所述凹槽的侧壁与波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙；
其中，靠近硅波导一侧的部分间隙中填充的材料的高度不低于所述凹槽的深度。
8.根据权利要求7所述的集成有波导型UTC-PD的硅基芯片，其特征在于，所述满足目标折射率要求的材料为折射率大于1的材料；
所述满足目标折射率要求的材料为苯并环丁烯。
9.根据权利要求7或8所述的集成有波导型UTC-PD的硅基芯片，其特征在于，靠近硅波导一侧的部分UTC-PD的稀释波导层与硅波导的靠近波导型UTC-PD的侧壁之间的间隙的宽度为0.5μm-1μm。
10.一种光纤信号处理器，其特征在于，包括采用权利要求7至9中任意一项所述的硅基芯片。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311353669.4A CN117410377A (zh) | 2023-10-19 | 2023-10-19 | 集成波导型utc-pd的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311353669.4A CN117410377A (zh) | 2023-10-19 | 2023-10-19 | 集成波导型utc-pd的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117410377A true CN117410377A (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=89488421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311353669.4A Pending CN117410377A (zh) | 2023-10-19 | 2023-10-19 | 集成波导型utc-pd的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117410377A (zh) |
-
2023
- 2023-10-19 CN CN202311353669.4A patent/CN117410377A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11137544B2 (en) | Method and system for grating couplers incorporating perturbed waveguides | |
| US7738753B2 (en) | CMOS compatible integrated dielectric optical waveguide coupler and fabrication | |
| CN109143466B (zh) | 一种混合集成硅光芯片、光器件及芯片制作方法 | |
| EP3358383B1 (en) | Simultaneous processing of multiple photonic device layers | |
| US20110255823A1 (en) | Slotted optical waveguide with electro-optic material | |
| CN113540063A (zh) | 兼容锗硅探测器和薄膜铌酸锂调制器的硅光集成芯片 | |
| US11934007B2 (en) | Assembly of an active semiconductor component and of a silicon-based passive optical component | |
| US9618709B2 (en) | Hybrid integration of edge-coupled chips | |
| Yin et al. | High-responsivity 40 Gbit/s InGaAs/InP PIN photodetectors integrated on silicon-on-insulator waveguide circuits | |
| CN117410377A (zh) | 集成波导型utc-pd的硅基芯片及其制备方法、光纤信号处理器 | |
| US20240111107A1 (en) | Methods for fabrication of optical structures on photonic glass layer substrates | |
| Mitze et al. | CWDM transmitter module based on hybrid integration | |
| CN114153030B (zh) | 多层介质光波导结构及其制造方法 | |
| CN117055152A (zh) | 基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片及方法 | |
| Wang et al. | Monolithic waveguide group IV multiple-quantum-well photodetectors and modulators on 300-mm Si substrates for 2-μm wavelength optoelectronic integrated circuit | |
| Shiraishi et al. | Cost-effective optical transceiver subassembly with lens-integrated high-k, low-Tg glass for optical interconnection | |
| CN117310873B (zh) | 硅基片上异质集成iii-v族有源器件及其制备方法 | |
| CN109683354A (zh) | 一种中红外波段调制器及其制备方法 | |
| US20240255696A1 (en) | Systems and methods for integration of thin film optical materials in silicon photonics | |
| US20240111106A1 (en) | Photonic glass layer substrate with embedded optical structures for communicating with an electro optical integrated circuit | |
| TW202422156A (zh) | 在光子玻璃層基板上製造光學結構的方法 | |
| CN117080290A (zh) | 一种基于微环结构的肖特基结多通道光电探测器 | |
| Chiaretti | Towards the industrial deployment of the Silicon Photonics technology | |
| CN117038773A (zh) | 一种基于微环结构的多通道光电探测器 | |
| CN117908186A (zh) | 一种单片集成高速调制硅基光芯片及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |