本發(fā)明涉及硅基光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于混合集成的片上光源結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著電路集成度和工作頻率的提高，芯片上互連線的寄生效應(yīng)如寄生電容、延遲時(shí)間、信號(hào)串?dāng)_等問(wèn)題變得十分顯著。在功耗受限情況下，芯片的性能功耗比變得特別尖銳。當(dāng)集成電路工作頻率迅速提高至ghz級(jí)別甚至更高時(shí)，常規(guī)電互連無(wú)法高效地傳輸信號(hào)。而光互連作為一種新的互連方式，具有傳輸帶寬高、信號(hào)間延遲低、光損耗低、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，并應(yīng)用于片上光網(wǎng)絡(luò)(opticalnetworkonchip)。

由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，帶間載流子復(fù)合發(fā)光效率要比直接帶隙ⅲ-ⅴ族化合物材料(如gaas、inp等)的發(fā)光效率低三個(gè)數(shù)量級(jí)，這限制了硅基材料作為光發(fā)射器的應(yīng)用，通過(guò)能帶工程實(shí)現(xiàn)的硅基發(fā)光效率較低，實(shí)現(xiàn)困難，因此需要外部集成光源。片上系統(tǒng)光源有片上光源和片外光源之分。目前，片上系統(tǒng)多采用片外光源，通過(guò)光纖或光波導(dǎo)與片上系統(tǒng)進(jìn)行耦合，但通過(guò)光纖引入光源，光柵和光纖耦合需要傾斜一定的角度，耦合相對(duì)困難。相較而言，片上集成光源相對(duì)于片外集成光源，具有損耗低，集成度高的特點(diǎn)。片上混合集成激光器光源的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但難點(diǎn)在于如何進(jìn)行耦合對(duì)準(zhǔn)，以及光源的密閉封裝。

另外，作為片上光網(wǎng)絡(luò)的主要器件，制備硅基激光器的主要方法分為異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)和材料鍵合。異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)通過(guò)能帶工程等手段對(duì)硅基材料進(jìn)行改性，實(shí)現(xiàn)硅基材料的發(fā)光，但由于硅基材料非直接帶隙結(jié)構(gòu)的限制，難以獲得穩(wěn)定的室溫高效率激子復(fù)合發(fā)光，很難與硅微電子電路實(shí)現(xiàn)集成。材料鍵合的方法可以將具有直接帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料(如ⅲ-ⅴ族化合物材料)經(jīng)過(guò)處理以成鍵的方式粘貼到硅片上。特別是近年發(fā)展起來(lái)的低溫直接鍵合技術(shù)，解決了材料熱膨脹系數(shù)非共容性的問(wèn)題，使發(fā)光器件與微電子器件的硅基光電混合集成成為可能，并且大大降低了光電損耗，這對(duì)光傳播通過(guò)鍵合界面的低閾值面發(fā)射硅基激光器具有重要意義，但由于工藝的兼容性和成品率問(wèn)題，用材料鍵合方法制備激光器尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的基于混合集成的片上光源結(jié)構(gòu)及其制備方法，能夠?qū)崿F(xiàn)集成度高、損耗小、安裝簡(jiǎn)單、光路調(diào)整靈活的片上光源。

本發(fā)明提供一種基于混合集成的片上光源結(jié)構(gòu)，包括載板、載板互連線、激光器、準(zhǔn)直透鏡、光隔離器和密閉蓋板，其中，激光器通過(guò)所述載板互連線獲得供電并連接到載板；激光器發(fā)射的光依次通過(guò)準(zhǔn)直透鏡、光隔離器、密閉蓋板下部，以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光柵；光隔離器出射的光線與光子芯片表面垂直，且所述光柵所在位置的截面與光子芯片表面垂直。

可選的，上述載板表面與光子芯片表面垂直，所述密閉蓋板下部靠近準(zhǔn)直隔離模塊一側(cè)的內(nèi)表面與載板表面成銳角夾角，用于實(shí)現(xiàn)光線以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光柵。

可選的，上述載板表面與光子芯片表面成銳角夾角，所述密閉蓋板下部靠近準(zhǔn)直隔離模塊一側(cè)的內(nèi)表面與載板表面垂直，用于實(shí)現(xiàn)光線以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光柵。

可選的，上述載板互連線通過(guò)金屬絲與光子芯片表面的焊盤(pán)相連，用于獲得所述激光器的直流供電。

可選的，上述載板互連線采用斜坡過(guò)渡型電互連線。

可選的，上述載板互連線從載板底面通過(guò)焊接或者倒裝芯片裝配與光子芯片互連。

可選的，上述片上光源結(jié)構(gòu)與光子芯片之間還包括一層折射率匹配材料，用于使光以完全偏振角入射。

可選的，上述激光器為氣體激光器、液體激光器或固體激光器。

可選的，上述密閉蓋板由透光材料制成。

本發(fā)明提供一種制備基于混合集成的片上光源結(jié)構(gòu)的方法，其中包括如下步驟：

步驟一：對(duì)硅基底進(jìn)行第一深槽刻蝕；

步驟二：在硅基底表面產(chǎn)生鈍化絕緣層；

步驟三：在第一深槽表面形成金屬互連層；

步驟四：對(duì)硅基底進(jìn)行第二和第三深槽刻蝕；

步驟五：在所述金屬互連層表面進(jìn)行光器件貼片和互連線連接；

步驟六：在所述第二和第三深槽處進(jìn)行微光器件貼片；

步驟七：劃片；

步驟八：進(jìn)行蓋板密閉。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于混合集成的片上光源結(jié)構(gòu)及其制備方法，采用混合集成技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)片上光源集成，光源距離芯片距離短，集成度高，損耗小、克服了光路折彎以及匹配的復(fù)雜性和高損耗。同時(shí)，采用垂直安裝，不需要像光纖耦合那樣傾斜一定的角度，安裝簡(jiǎn)單便捷。另外，使用該片上光源，可以通過(guò)光學(xué)密閉蓋板靈活進(jìn)行光路的調(diào)整。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明片上光源耦合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明片上光源結(jié)構(gòu)中的電學(xué)互連使用斜坡過(guò)渡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明片上光源結(jié)構(gòu)中的電學(xué)互連從底面與光子芯片互連的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明片上光源結(jié)構(gòu)中應(yīng)用載板斜坡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5a-5h為本發(fā)明片上光源結(jié)構(gòu)的硅載板實(shí)現(xiàn)工藝示意圖；

圖6為本發(fā)明片上光源結(jié)構(gòu)的硅載板實(shí)現(xiàn)工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供一種基于混合集成的片上光源結(jié)構(gòu)，圖1示出了片上光源耦合結(jié)構(gòu)的示意圖。1為載板，為硅，陶瓷或其他材料。101為載板的互連線，將激光器電極連接到載板的側(cè)面。102為激光器，包括氣體激光器、液體激光器、固體激光器，特別的，可以是半導(dǎo)體激光器、染料激光器、光纖激光器等，其激勵(lì)方式可以是光激勵(lì)、電激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核激勵(lì)等。103為透鏡，用于對(duì)激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，例如凸透鏡等。104為光隔離器，用于允許透鏡至光隔離器之間的單向光通過(guò)，隔離回波反射的光。例如塊狀光隔離器、全光纖型光隔離器、集成光波導(dǎo)光隔離器及與偏振無(wú)關(guān)的光隔離器等等。2為密閉的蓋板，由透光材料制成，比如玻璃、樹(shù)脂等。3為光源結(jié)構(gòu)和光柵耦合的折射率匹配材料，用于使光以完全偏振角入射端面，減少反射回波損失，其材質(zhì)可以是固體或液體等。4是光子芯片。401是光柵，可以由平行刻痕構(gòu)成。402為焊盤(pán)，激光器的直流供電由101與402通過(guò)5金屬絲互連。403為光柵上表面覆蓋的材料，例如sio2、si3n4等。

特別地，由于光柵具有一定的最佳出入射角度。為實(shí)現(xiàn)激光器和光路角度匹配，蓋板的下部?jī)?nèi)表面制作為與水平線之間具有一定角度的斜面，用于實(shí)現(xiàn)光路角度的匹配。比如光柵的最佳入射角為10度，為了實(shí)現(xiàn)從片上光源出射的光線與光子芯片表面垂直、以及光柵位置的垂直，蓋板下部?jī)?nèi)表面制作為與水平線之間具有30.9度的斜面，用于實(shí)現(xiàn)片上光源與光柵的最佳角度的耦合。

進(jìn)一步地，如圖2所示，1為載板。101為載板的電互連線，將激光器電極連接到載板的側(cè)面，該電學(xué)互連使用斜坡過(guò)渡。102為激光器，包括氣體激光器、液體激光器、固體激光器，特別的，可以是半導(dǎo)體激光器、染料激光器、光纖激光器等。103為透鏡，104為光隔離器。2為密閉的蓋板。3為光源結(jié)構(gòu)和光柵耦合的折射率匹配材料。4是光子芯片。401是光柵。402為焊盤(pán)，激光器的直流供電由101與402通過(guò)5金屬絲互連。403為光柵上表面覆蓋的材料。

進(jìn)一步地，如圖3所示，1為載板。101為載板的電互連線，將激光器電極連接到載板的側(cè)面，該電學(xué)互連從底面通過(guò)焊接或者倒裝芯片(flip-chip)裝配與光子芯片互連。102為激光器，包括氣體激光器、液體激光器、固體激光器，特別的，可以是半導(dǎo)體激光器、染料激光器、光纖激光器等，103為透鏡，104為光隔離器。2為密閉的蓋板。3為光源結(jié)構(gòu)和光柵耦合的折射率匹配材料。4是光子芯片。401是光柵。403為光柵上表面覆蓋的材料。

進(jìn)一步地，如圖4所示，1為載板。1為載板，為硅，陶瓷或其他材料。101為載板的互連線，將激光器電極連接到載板的側(cè)面。102為激光器，包括氣體激光器、液體激光器、固體激光器，特別的，可以是半導(dǎo)體激光器、染料激光器、光纖激光器等，其激勵(lì)方式可以是光激勵(lì)、電激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核激勵(lì)等。103為透鏡，用于對(duì)激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，例如凸透鏡等。104為光隔離器，用于允許透鏡至光隔離器之間的單向光通過(guò)，隔離回波反射的光。例如塊狀光隔離器、全光纖型光隔離器、集成光波導(dǎo)光隔離器及與偏振無(wú)關(guān)的光隔離器等等。2為密閉的蓋板，由透光材料制成，比如玻璃、樹(shù)脂等。3為光源結(jié)構(gòu)和光柵耦合的折射率匹配材料，用于使光以完全偏振角入射端面，減少反射回波損失，其材質(zhì)可以是固體或液體等。4是光子芯片。401是光柵，可以由平行刻痕構(gòu)成。402為焊盤(pán)，激光器的直流供電由101與402通過(guò)5金屬絲互連。403為光柵上表面覆蓋的材料，例如sio2、si3n4等。通過(guò)控制載板1的斜坡，比如10°，實(shí)現(xiàn)激光器102和光柵401光路角度的匹配，而蓋板2不再需要制作斜面，匹配光路，從而實(shí)現(xiàn)片上光源與光柵的最佳角度的耦合。

進(jìn)一步地，如圖5a-5h所示，圖5a示出了對(duì)硅基底進(jìn)行深槽刻蝕的示意圖。圖5b示出了已經(jīng)被深槽刻蝕的硅基底表面鈍化絕緣材料的示意圖，其中絕緣材料可以是sio2、si3n4等。圖5c示出了在硅基底表面耦合金屬互連的示意圖。圖5d示出了刻蝕槽的示意圖。圖5e示出了在硅基底表面進(jìn)行光器件貼片并進(jìn)行互連線連接的示意圖，可選的，該片上光源的光器件為激光器。圖5f示出了在硅基底表面進(jìn)行微光器件貼片的示意圖，如準(zhǔn)直透鏡、光隔離器等。圖5g示出了劃片過(guò)程的示意圖。圖5h示出了對(duì)片上光源進(jìn)行蓋板密閉的示意圖。

進(jìn)一步地，圖6示出了本發(fā)明片上光源的硅載板實(shí)現(xiàn)工藝流程圖。其中，s101為硅深槽刻蝕，s102為鈍化絕緣層，s103為金屬互連，s104為刻蝕槽，s105為光器件貼片打線，s106為微光器件貼片，s107為劃片，s108為蓋板密閉。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于混合集成的片上光源及其制備方法，采用混合集成技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)片上光源集成，光源距離芯片距離短，集成度高，損耗小、克服了光路折彎以及匹配的復(fù)雜性和高損耗。同時(shí)，采用垂直安裝，不需要像光纖耦合那樣傾斜一定的角度，安裝簡(jiǎn)單便捷。另外，使用該片上光源，可以通過(guò)光學(xué)密閉蓋板靈活進(jìn)行光路的調(diào)整。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。