[实用新型]硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件

说明书

本申请提供一种硅基光耦合结构、硅基单片集成光器件。该硅基光耦合结构包括：形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的第一光栅结构和第一光波导结构，所述第一光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第一光栅结构和所述第一光波导结构在横向上连接；位于所述第一光栅结构的上方的第二光栅结构，所述第二光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第二光栅结构与所述第一光栅结构在纵向上对置；与所述第二光栅结构在横向上连接的第二光波导结构；以及覆盖所述第一光栅结构、所述第一光波导结构、所述第二光栅结构以及所述第二光波导结构的外包层。

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅基光耦合结构，以及硅基单片集成光器件。

背景技术

硅光子实用化面临的一大技术难题在于光源，由于硅是间接带隙材料，发光效率低，带边吸收系数低，难以实现硅发光器件。

利用耦合器将外部光源的光引入芯片和采用Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器是目前最主流的引入光源的方法。

除去以上方法，以英特尔(Intel)为首研究的全硅拉曼激光器和以美国麻省理工学院、美国加州大学为首研究的硅上锗、III-V量子点单片集成激光器也在近年取得了一系列突破，激光器性能逐步达到实用要求，为未来实现完全CMOS工艺兼容的硅基光互连提供了技术储备。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

硅基单片集成激光器需要在硅或绝缘体上硅上外延生长锗、III-V等直接带隙材料，因为材料体系与材料高度差异，实现激光器与硅光芯片的高效光场耦合极具挑战，是目前硅基单片集成激光器实用化面对的重要挑战之一。

本申请的发明人发现：现有的硅基单片集成激光器与硅光芯片高度差较大，二者的光场难以耦合，这一问题限制了硅基单片集成激光器与硅光芯片的结合。

本申请实施例提供一种硅基光耦合结构及其制造方法，以及硅基单片集成光器件及其制造方法，该硅基光耦合结构具有在纵向上对置的两个光栅，通过这两个光栅实现光场的纵向耦合，由此，能够在高度不同的光器件之间实现光场的耦合。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种硅基光耦合结构，包括：

形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的第一光栅结构和第一光波导结构，所述第一光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第一光栅结构和所述第一光波导结构在横向上连接；

位于所述第一光栅结构的上方的第二光栅结构，所述第二光栅结构的条形刻痕分布于横向上，并且，所述第二光栅结构与所述第一光栅结构在纵向上对置；

与所述第二光栅结构在横向上连接的第二光波导结构；以及

覆盖所述第一光栅结构、所述第一光波导结构、所述第二光栅结构以及所述第二光波导结构的外包层，其中，所述外包层的材料的折射率低于所述第一光栅结构的材料、所述第一光波导结构的材料、所述第二光栅结构的材料以及所述第二光波导结构的材料的折射率。

根据本申请实施例的另一方面，提供一种硅基单片集成光器件，具有：

实施例上述方面所述的硅基光耦合结构；以及

形成于所述绝缘体上的硅(SOI)衬底的所述顶层硅表面的激光器，和/或形成于所述绝缘体上的硅(SOI)衬底的所述顶层硅中的硅光芯片，其中，所述激光器的发光层与所述第二光波导结构高度相同，并在横向上朝向所述第二光波导结构，所述发光层被所述外包层覆盖，所述硅光芯片的受光部在横向上朝向所述第一光波导结构，所述受光部被所述外包层覆盖。