[发明专利]具有III–V族增益材料和集成散热器的电光器件

说明书

具有两个晶片组件的电光器件及其制造方法。第一晶片组件包括硅衬底及其顶部上的覆层。覆层包括在其中形成的空腔，其中该空腔填充有电绝缘的散热片，该散热片的导热率大于覆层的导热率。第二晶片组件包括III‑V族半导体增益材料的堆叠，设计用于给定辐射的光学放大。第二晶片组件被接合到第一晶片组件上，从而使III‑V族半导体增益材料的叠层与散热片热连通。另外，对于所述给定辐射，散热片的折射率低于硅衬底的折射率和III‑V族半导体增益材料叠层的平均折射率。

技术领域

本发明总体涉及包括(例如作为激光器、光检测器或半导体光学放大器的一部分的)III-V族半导体增益材料的堆叠的电光器件领域以及硅光子芯片及其制造方法。特别地，本发明针对集成了散热片和/或散热器的电光器件。

背景技术

本发明尤其涉及用于将散热器嵌入具有集成的电泵浦激光器的硅光子芯片中的器件和方法。需要在硅光子平台中集成III-V族半导体增益材料(例如用于以数据通信和/或电信波长发射的光源)，以获取高带宽的光学互连。

例如，基于横向电流注入(LCI)的III–V激光源特别有吸引力，因为其阈值电流和占位面积小，并且有可能将其嵌入CMOS制造的芯片的线路后端(可与其他CMOS组件一起集成)。LCI激光器较薄的堆叠高度，尤其使得可以在比其垂直电流注入的同类产品更小的节点处集成。更一般而言，人们可能希望在光子平台中集成几种类型的III–V族堆叠(用于激光、检测或放大目的)。

现有技术通过用具有高导热率的材料涂覆激光器来解决硅上的III-V激光器的热管理问题，该材料既不是CMOS兼容的，也不是与在硅芯片的线路后端嵌入激光器兼容的。

因此，在本领域中需要解决前述问题。

发明内容

根据第一方面，本发明体现为一种电光器件，其包括两个晶片组件。第一晶片组件包括硅衬底和在硅衬底顶部上的覆层。覆层包括在其中形成的空腔。该空腔填充有电绝缘的散热片，该散热片还具有比所述覆层的导热率大的导热率。第二晶片组件包括III-V族半导体增益材料的堆叠，设计用于给定辐射(波长范围)的光学放大。第二晶片组件被接合到第一晶片组件上，以便使III-V族半导体增益材料堆叠与散热片热连通。此外，对于所述给定辐射(波长范围)，散热片的折射率低于硅衬底的折射率，且低于III–V族半导体增益材料堆叠的平均折射率。

根据以上解决方案，散热片被集成在所述硅平台内，这使得能够从III-V族器件进行有效的热传递，进而允许在运行中对由器件的有源组件产生的热量进行热管理。然而，散热片的集成并不以增加电光器件的尺寸为代价。确切来说，散热片代替了否则将存在的覆层材料体积部分，使得散热片的集成基本上不影响器件的厚度。

所述空腔至少部分地延伸穿过覆层。覆层中的空腔最好还向上延伸到硅衬底。因此，填充空腔的散热片与硅衬底接触。这样，相对于所述集成的III–V族组件和散热片而言尺寸比较大的硅衬底，可以充当散热器。

为了提高散热效率，最好将III-V族半导体增益材料堆叠构造得与散热片相对。即，所得的结构化III-V族堆叠与散热片相对，以便(至少部分地)面对后者。

在优选实施例中，散热片的导热率比覆层的导热率至少大十倍。实际上，可以嵌入一个非常高效的导热体，除此之外导热体就电阻率和折射率而言可以满足所有要求。在这一方面，对于大于200nm的波长，散热片的折射率优选小于3.1，或者甚至小于2.5。

优选地，第一晶片组件是绝缘体上硅晶片，并且所述覆层包括：第一氧化物层，其对应于绝缘体上硅晶片的掩埋氧化物；以及在第一氧化物层之上的第二氧化物层。为了光学耦合的目的，确实可能需要第二氧化物层。尽管如此，空腔可以延伸穿过第二氧化物层并且至少部分地延伸穿过第一氧化物层，以使散热片靠近硅衬底并且在可能的情况下与之直接接触。