[发明专利]光波导与光敏芯片的异质集成光耦合结构和制备方法

说明书

本公开提供一种光波导与光敏芯片的异质集成光耦合结构和制备方法，光波导与光敏芯片的异质集成光耦合结构包括：硅光芯片，包括：第一衬底，第一衬底上设置有凹槽；光波导，设置在第一衬底上，适用于接收输入的光信号；模斑转换器，设置在第一衬底上，模斑转换器的入光口与光波导连接，出光口与凹槽相邻设置，模斑转换器适用于扩大光信号的模场；微反射镜，设置在凹槽内，适用于对模斑转换器输出的光信号进行反射；光敏芯片，设置在凹槽上方，光敏芯片适用于吸收微反射镜反射后的光信号并转换为电信号输出；光刻胶键合层，设置在硅光芯片和光敏芯片之间，以将光敏芯片粘合在硅光芯片上，光刻胶键合层上位于光敏芯片的光敏区域开设有窗口。

技术领域

本公开涉及硅光芯片的异质集成技术领域，更具体地，涉及一种光波导与光敏芯片的异质集成光耦合结构和制备方法。

背景技术

异质集成芯片是将不同功能的芯片通过封装和半导体制造工艺限制集成在硅晶圆上，将成熟的硅技术应用到集成光子、集成功率器件、集成微机电系统和传感器等各种不同领域。

通常的异质集成芯片的耦合方式包括：光栅耦合、端面耦合和倏逝波耦合等。应用较多的为光栅耦合方式，光栅耦合方式是在光波导层刻蚀周期性的光栅结构，将来自光纤或者自由空间的光束通过衍射方式耦合进或者耦合出高折射率波导，光栅耦合器主要优势在于位置比较灵活，可位于芯片中的任意位置，可用于晶圆级的在线测试，其耦合的对准容差较大，便于封装，缺陷在于耦合效率不高，带宽较小。端面耦合器是位于光芯片边缘的耦合器，端面耦合形式通常是倒锥形端面耦合器，再通过与锥形光纤配合得到较高的耦合效率，缺陷在于端面耦合器位置必须位于芯片边缘，无法进行在线测试，对准容差小。倏逝波耦合方式则避免了载流子输运速率与量子效率相互制约的问题，同时避免了载流子沿光波传输方向分布不均的问题，但是缺陷在于设计和制作较为复杂。

目前，对于异质集成芯片的光耦合方式无法实现在设计和制作简单的同时达到耦合效率高、对准容差大、探测能力强。

发明内容

为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开实施例提供一种光波导与光敏芯片的异质集成光耦合结构和制备方法，能够在实现简化结构设计和降低制作难度的同时实现提高耦合效率、对准容差大以及提高探测微弱信号的能力。

本公开的实施例提供了一种光波导与光敏芯片的异质集成光耦合结构，包括：硅光芯片，包括：第一衬底，上述第一衬底上设置有凹槽；光波导，设置在上述第一衬底上，上述光波导适用于接收输入的光信号；模斑转换器，设置在上述第一衬底上，上述模斑转换器的入光口与上述光波导连接，出光口与上述凹槽相邻设置，上述模斑转换器适用于扩大光信号的模场；微反射镜，设置在上述凹槽内，上述微反射镜适用于对上述模斑转换器输出的光信号进行反射；光敏芯片，设置在上述凹槽上方，上述光敏芯片适用于吸收上述微反射镜反射后的光信号并转换为电信号输出；以及光刻胶键合层，设置在上述硅光芯片和上述光敏芯片之间，以将上述光敏芯片粘合在上述硅光芯片上，其中，上述光刻胶键合层上位于上述光敏芯片的光敏区域开设有窗口。

根据本公开的一些实施例，上述光敏芯片包括：第二衬底；吸收层，设置在上述第二衬底上，上述吸收层适用于吸收上述微反射镜反射后的光信号并转换为上述电信号；以及接触层，设置在上述吸收层上，上述接触层适用于输出上述电信号。

根据本公开的一些实施例，上述光敏芯片还包括：汇聚透镜，设置在上述光敏芯片底部，上述汇聚透镜适用于汇聚经上述微反射镜反射的上述光信号。

根据本公开的一些实施例，上述硅光芯片还包括：第一二氧化硅埋氧化层，设置在上述第一衬底上，其中，上述光波导和上述模斑转换器设置在上述第一二氧化硅埋氧化层上；以及第二二氧化硅埋氧化层，设置在上述光波导和上述模斑转换器上；其中，上述第一二氧化硅埋氧化层和上述第二二氧化硅埋氧化层被构造成包覆上述光波导和上述模斑转换器以限制上述输入的光信号在上述光波导中传输。

根据本公开的一些实施例，上述硅光芯片还包括：至少一个硅柱，设置在上述凹槽底部，上述硅柱适用于支撑上述微反射镜。