阅读说明：本技术 基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构 (Laser and silicon optical waveguide coupling structure based on flip bonding ) 是由 王艳 王东辰 徐鹏霄 尤国庆 唐光华 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构,该结构包括激光器芯片,其上设有对准标记；硅光芯片,其上设有波导、端面耦合器以及用于放置激光器芯片的刻蚀槽；以及连接激光器芯片与硅光芯片的金属键合层。本发明能够实现半导体激光器芯片与硅光波导芯片的高效率耦合,能够解决硅基光子学中实用化光源的问题；本发明在硅光波导芯片上直接刻蚀激光器放置槽,通过控制刻蚀深度提高耦合精度；采用倒装键合的方式进行激光器与硅光波导的无源耦合,具有易于控制、高精度、高耦合效率、集成化、一体化的特点。(The invention discloses a laser and silicon optical waveguide coupling structure based on flip bonding, which comprises a laser chip, wherein an alignment mark is arranged on the laser chip; the silicon optical chip is provided with a waveguide, an end face coupler and an etching groove for placing a laser chip; and the metal bonding layer is used for connecting the laser chip and the silicon optical chip. The invention can realize the high-efficiency coupling of the semiconductor laser chip and the silicon optical waveguide chip and can solve the problem of practical light source in silicon-based photonics; according to the invention, the laser placing groove is directly etched on the silicon optical waveguide chip, and the coupling precision is improved by controlling the etching depth; the passive coupling of the laser and the silicon optical waveguide is carried out by adopting a flip bonding mode, and the passive coupling has the characteristics of easiness in control, high precision, high coupling efficiency, integration and integration.)

基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构

技术领域

本发明涉及硅基光子集成技术，具体涉及一种基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构。

背景技术

随着对光通信中高速数据传输、数据处理、高性能计算和芯片间与芯片内光网络的需求不断增加，光子信号传输与基于光子集成电路的光子信号处理因其具有互连延迟低，带宽大，没有电磁干扰，功耗低的优点而被广泛应用。而SOI由于其低成本、低损耗以及可与标准CMOS工艺兼容的优势，成为光子信号处理最适合的材料，并且，SOI波导的紧密光约束也增强了它的光子信号处理能力，因此硅基光子集成技术已经引起了广泛关注。

然而体硅材料作为间接带隙半导体，发光效率极低，而电抽运的实用化激光光源仍是硅光子集成回路的瓶颈。为此，研究者们在半导体激光器与硅光波导耦合方面付出了不懈的努力，目前主要有异质外延和Ⅲ-Ⅴ/Si混合集成两种方案。但是外延生长的Ge/Si激光器无法在室温下连续激射，而且阈值电流过大、可靠性不足，Ⅲ-Ⅴ/Si异质外延材料激射寿命无法满足实用化需求。因此，半导体激光器与硅光波导高效率耦合是目前亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于倒装键合的半导体激光器与硅光波导耦合结构，以期解决上述硅基光子集成电路中实用化光源的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构，该结构包括：

激光器芯片，在其背面设有用于对准的第一标记；

硅光芯片，其上设有硅光波导、端面耦合器，以及用于放置激光器芯片的刻蚀槽；所述刻蚀槽侧边设有用于对准的第二标记，与第一标记匹配；

倒装键合层，用于连接激光器芯片与硅光芯片。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)基于倒装键合技术，实现了激光器与硅光波导的高精度、高效率耦合，解决了硅基光子集成电路中光源的问题；(2)利用刻蚀技术在硅光芯片上刻蚀出激光器放置槽，可以精确控制耦合精度，实现硅光芯片、激光器芯片一体化结构；(3)通过金属键合层，将倒置的激光器正面电极引出，实现激光器的高品质发光。

附图说明

图1为本发明基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构中激光器的结构图，(a)为激光器主视图，(b)为激光器侧视图，(c)为激光器顶视图。

图2为本发明基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构中硅光芯片的结构图，(a)为硅光芯片主视图，(b)为激光器侧视图，(c)为硅光芯片顶视图。

图3为本发明基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构主视图。

图4为本发明基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构顶视图。

其中：

1-激光器衬底；

2-激光器有源层；

3-硅光波导；

4-激光器正面电极；

5-金属键合层；

6-硅光芯片衬底；

7-刻蚀槽；

8-激光器背面用于对准的第一标记；

9-硅光芯片正面用于对准的第二标记；

10-端面耦合器；

11-激光器芯片背面电极；

12-激光器脊波导；

13-硅光芯片SiO₂覆盖层；

14-硅光芯片SiO₂介质层。

具体实施方式

如图1～图4，本发明提供一种基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构，该结构包括：

激光器芯片，在其背面设有用于对准的第一标记；

硅光芯片，其上设有低损耗的硅光波导，用于与激光器模场匹配的端面耦合器，以及用于放置激光器芯片的刻蚀槽；所述刻蚀槽侧边设有用于对准的第二标记，与第一标记配合；

倒装键合层，用于连接激光器芯片与硅光芯片。

进一步的，端面耦合器靠近刻蚀槽，与硅光波导相连；硅光芯片波导宽度300nm-1200nm，端面耦合器尖端宽度100nm-300nm。

进一步的，刻蚀槽采用刻蚀工艺形成，刻蚀槽刻蚀长度与刻蚀宽度分别与激光器长度、宽度适配，刻蚀深度10μm-30μm。

进一步的，所述激光器芯片使用倒装键合方式与硅光芯片连接到一起。

进一步的，所述倒装键合层为金属键合层。

下面结合附图以及实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

一种基于倒装键合的激光器与硅光波导耦合结构如图3所示，包括：激光器芯片、硅光芯片、金属键合层5。激光器芯片如图1所示，在激光器的背面制作对准标记；硅光芯片如图2所示，其上设有波导3、端面耦合器10以及用于放置激光器芯片的刻蚀槽7，端面耦合器靠近刻蚀槽，连接激光器出光口与硅光波导；金属键合层5用于连接激光器芯片与硅光芯片。

硅光芯片上设有用于放置激光器芯片的刻蚀槽7，刻蚀槽采用刻蚀工艺形成。刻蚀长度与刻蚀宽度分别与激光器长度、宽度适配，刻蚀深度10μm-30μm。

硅光芯片上设有低损耗的硅光波导3以及用于与激光器模场匹配的端面耦合器10。波导宽度300nm-1200nm；端面耦合器尖端宽度100nm-300nm。端面耦合器10靠近刻蚀槽7，与硅光波导3相连。

使用倒装键合方式将激光器芯片与硅光芯片连接到一起。

倒装键合层为金属键合层5。

激光器芯片背面与硅光芯片正面分别制作对准标记8、9用于对准。

本发明中的激光器芯片、硅光芯片具体结构可以有多种，本实施例示例性的给出如下结构：

如图1所示，激光器芯片由下至上包括激光器衬底1、激光器有源层2以及激光器正面电极4，激光器正面设置有激光器脊波导12，激光器背面设有用于对准的第一标记8。

如图2所示，硅光芯片由下至上包括硅光芯片衬底6、硅光芯片SiO₂介质层14、硅光芯片SiO₂覆盖层13，硅光芯片正面刻蚀有用于放置激光器芯片的刻蚀槽7，硅光芯片SiO₂覆盖层13与硅光芯片SiO₂介质层14之间设置有硅光波导3，端面耦合器连接硅光波导3和激光器出光口，且尖端指向激光器出光口。刻蚀槽7侧边的硅光芯片表面设有用于对准的第二标记9，用于与第一标记8对准。

如图3所示，倒装键合层5，用于连接激光器芯片与硅光芯片。耦合后，激光器芯片背面电极11朝上。

本实施例还公开了一种上述耦合结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在SOI衬底上制备波导3、端面耦合器10等硅光子器件，作为硅光芯片；

步骤2：在端面耦合器10旁边，使用刻蚀工艺，刻蚀出激光器放置槽7，深度等于激光器有源区高度与硅光芯片硅波导高度差与金属键合层厚度之和，使激光器有源区高度与硅光芯片硅波导高度匹配，刻蚀长度与刻蚀宽度分别与激光器长度、宽度适配；

步骤3：使用倒装键合，将激光器芯片与硅光芯片集成，使用对准标记8、9进行对准，键合方式为金属键合。