一种多层波导结构

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多层波导结构。

背景技术

硅光子学技术允许使用近红外(NIR)光进行高速数据通信和传感。

硅光子学的主要挑战之一是来自激光单元的光的耦合，即，通常需要在不同的封装中进行光的耦合。硅光子学面临的另一个挑战是传播损耗。线性损耗主要由波导侧壁的粗糙度引起，非线性损耗主要归因于双光子吸收(TPA)和自由载流子吸收(FCA)等效应。

氮化硅(SiN)被开发作为一种替代波导材料以解决上述的传播损耗问题。氮化硅具有较低的折射率，因此在波导侧壁附近携带的能量较少，从而显着降低了线性损耗。此外，氮化硅的非线性损耗也能得到极大的缓解，例如，在硅波导中，将传输功率限制为最大约40mW可以实现没有显着的非线性损耗，而在氮化硅波导中，传输功率可以大于1W。

现有技术中，发展了硅波导和氮化硅波导的双波导层堆栈结构，其中，低损耗的氮化硅波导用于光传输，在将信号分成多个通道后使用硅波导，对硅波导中传输的光进行相移处理。

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。

发明内容

本申请的发明人发现：对于高功率的光电器件(例如，激光器)而言，如何同时实现坚固的封装和低损耗的光传输，是一个需要解决的问题，高功率的光电器件例如使用在激光雷达(Lidar)、光学相控阵(optical phased arrays)、3D传感(3D sensing)、光学收发器(optical transceivers)等装置中。

为了解决上述问题，本申请实施例提供一种多层波导结构，在该多层波导结构中，硅波导、氮化硅波导和III-V族增益材料堆栈被集成在衬底上，因此，能够同时实现坚固的封装和低损耗的光传输。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种多层波导结构，所述多层波导结构设置于衬底，所述多层波导结构包括：

硅波导；

氮化硅波导；以及

III-V族增益材料堆栈。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，在垂直于所述衬底表面的纵向上，所述硅波导、所述氮化硅波导和所述III-V族增益材料堆栈两两之间的间隔距离为0～10微米。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述多层波导结构还包括：

光电探测器结构，其与所述硅波导耦合。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述多层波导结构还包括：

相移单元，其位于所述硅波导和/或所述氮化硅波导和/或III-V族增益材料堆栈的纵向的一侧。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，用于所述硅波导和/或所述III-V族增益材料堆栈的所述相移单元包括金属加热器或半导体加热器。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，用于所述氮化硅波导的所述相移单元包括金属加热器。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述硅波导或所述III-V族增益材料堆栈具有PIN二极管结构或PN二极管结构，所述硅波导或所述III-V族增益材料堆栈与电极连接，通过等离子体色散效应实现相移。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述衬底为绝缘体上的硅(SOI)，所述硅波导由所述绝缘体上的硅的顶层硅形成。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述硅波导、所述氮化硅波导以及所述III-V族增益材料堆栈的两两之间采用如下的任意结构进行耦合：利用光斑尺寸转换器进行耦合；利用光栅结构进行耦合；利用金属反射镜进行耦合。

本申请的有益效果在于：将硅波导、氮化硅波导和III-V族增益材料堆栈集成在衬底上，因此，能够同时实现坚固的封装和低损耗的光传输。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例1的多层波导结构的一个断面示意图；

图2是本申请实施例1的多层波导结构的另一个断面示意图；

图3是耦合结构的一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请实施例的说明中，“横向”是指平行于衬底表面的方向，“纵向”是指垂直于衬底表面的方向。

实施例1

本申请实施例1提供一种多层波导结构。

图1是该多层波导结构的一个断面示意图。如图1所示，多层波导结构100设置于衬底1，多层波导结构100包括：硅波导2，氮化硅波导3和III-V族增益材料堆栈4。

根据本申请的实施例1，在该多层波导结构中，硅波导、氮化硅波导和III-V族增益材料堆栈被集成在衬底上，因此，能够同时实现坚固的封装和低损耗的光传输。

在本实施例中，衬底1可以是半导体制造领域常用的衬底，例如，硅晶圆，绝缘体上的硅(SOI)晶圆等。

在本实施例中，以衬底1是SOI为例进行说明。其中，硅波导2可以由SOI的顶层硅(top silicon)形成，由此，可以利用SOI的晶体质量较高的顶层硅形成光学性质均匀的硅波导2，并且，利用顶层硅下方的埋氧层(buried oxide layer)作为硅波导2的下包覆层，从而在硅波导2与埋氧层的界面形成全反射界面。

在本实施例的多层波导结构100中，硅波导2可以设置在需要进行对光进行相位移动(phase shift)的部位，和/或需要对光有较高限制要求的部位。氮化硅波导3用于光信号的传输，尤其是大功率光信号的传输，能够降低传输损耗。

在本实施例中，III-V族增益材料堆栈4的材料可以是铟磷(InP)，此外，III-V族增益材料堆栈4也可以是量子阱等。III-V族增益材料堆栈4可以用于形成光放大器或激光源等结构。

III-V族增益材料堆栈4可以形成在硅波导2和/或氮化硅波导3上，例如，可以通过沉积来形成于衬底，或者，通过管芯级键合或晶片级键合来形成于衬底。

如图1所示，在垂直于衬底表面的纵向上，硅波导1、氮化硅波导2和III-V族增益材料堆栈两两之间的间隔距离为0～10微米。

如图1所示，多层波导结构100还包括：光电探测器结构5。光电探测器结构5可以与硅波导2耦合。其中，光电探测器结构5可以是基于锗(Ge)材料的光电探测器，或者，可以基于其它材料，本申请对于光电探测器结构5的材料和具体结构不做限定。通过设置光电探测器结构5，可以将硅波导2传播的光信号输入到光电探测器结构5，从而进行光信号的检测。

如图1所示，多层波导结构100还包括：相移单元6。相移单元6位于硅波导2和/或氮化硅波导3和/或III-V族增益材料堆栈4的纵向的一侧。例如，相移单元6可以设置在硅波导2、氮化硅波导3和III-V族增益材料堆栈4的上侧。

用于硅波导2和/或III-V族增益材料堆栈4的相移单元6可以是金属加热器或半导体加热器，由此，可以通过金属或半导体的热效应使得硅波导2和/或III-V族增益材料堆栈4中的光信号发生相移。

又例如，用于氮化硅波导3的相移单元6可以包括金属加热器，由此，可以通过金属的热效应使得氮化硅波导3中的光信号发生相移。

此外，在本实施例中，硅波导2和/或III-V族增益材料堆栈4可以具有PIN二极管结构或PN二极管结构，并且，硅波导3和/或III-V族增益材料堆栈4可以与电极连接，通过等离子体色散效应实现相移。例如，电极被施加不同电压的情况下，硅波导2和/或III-V族增益材料堆栈4中传输的光信号可以产生不同程度的相位移动。

下面结合附图，说明本申请的多层波导结构100的具体实施方式。

如图1所示，可以通过对SOI的顶层硅进行刻蚀，形成硅波导2。硅波导2可以被部分刻蚀，以形成硅光栅结构21。硅波导2可以被氧化硅(例如，二氧化硅SiO

氮化硅波导3设置在硅波导2的上侧，即，氮化硅波导3比硅波导2更远离衬底1。氮化硅波导3可以被部分刻蚀，以形成氮化硅光栅结构31。硅光栅结构21和氮化硅光栅结构31位置对应(例如，二者在纵向上对置)，由此，光信号在硅光栅结构21和氮化硅光栅结构31之间发生耦合，从而使得光信号在氮化硅波导3和硅波导2之间传递。

光电探测器结构5例如是锗(Ge)材料制作的光电二极管，其具有p掺杂区和n掺杂区。光电探测器结构5可以和硅波导2耦合，从而对硅波导2传输的光信号进行检测。光电探测器结构5产生的电信号可以经由纵向设置的过孔金属(via metal)7传递到后道工艺(BEOL)金属层8中，并通过该后道工艺金属层8输出。后道工艺金属层8可以形成布线图形。

III-V族增益材料堆栈4可以与氮化硅波导3耦合(例如，在纵向上耦合)，由此，能够将III-V族增益材料堆栈4产生的光信号耦合进氮化硅波导3中，并通过氮化硅波导3进行传播。

如图1所示，加热器7可以由金属形成。该加热器7可以沿横向延伸，该加热器的横向两端可以通过过孔金属(via metal)7和后道工艺(BEOL)金属层8连接到外部，由此，该加热器7可以被施加电压并发热。

在本实施例中，金属可以用于接触，例如，过孔金属(via metal)7用于纵向接触；金属还可以用于布线，例如，后道工艺(BEOL)金属层8用于横向布线；金属还可以用于加热，例如，加热器7为金属材料。

图2是本申请实施例1的多层波导结构的另一个断面示意图。

如图2所示，可以通过对SOI的顶层硅进行刻蚀，形成硅波导2。硅波导2可以被部分刻蚀，以形成硅光栅结构21。硅波导2可以被氧化硅(例如，二氧化硅SiO

氮化硅波导3设置在硅波导2的上侧，即，氮化硅波导3比硅波导2更远离衬底1。氮化硅波导3可以被部分刻蚀，以形成氮化硅光栅结构31。硅光栅结构21和氮化硅光栅结构31位置对应(例如，二者在纵向上对置)，由此，光信号在硅光栅结构21和氮化硅光栅结构31之间发生耦合，从而使得光信号在氮化硅波导3和硅波导2之间传递。

光电探测器结构5例如是锗(Ge)材料制作的光电二极管，其具有p掺杂区和n掺杂区。光电探测器结构5可以和硅波导2耦合，从而对硅波导2传输的光信号进行检测。光电探测器结构5产生的电信号可以经由纵向设置的过孔金属(via metal)7传递到后道工艺(BEOL)金属层8中，并通过该后道工艺金属层8输出。后道工艺金属层8可以形成布线图形。

III-V族增益材料堆栈4可以与氮化硅波导3在横向上对置，即，二者的纵向间隔为0。由此，能够将III-V族增益材料堆栈4产生的光信号在横向上耦合进氮化硅波导3中，并通过氮化硅波导3进行传播。

如图2所示，加热器6可以由金属形成。该加热器6可以沿横向延伸，该加热器的横向两端可以通过过孔金属(via metal)7和后道工艺(BEOL)金属层8连接到外部，由此，该加热器6可以被施加电压并发热。加热器6可以包括加热器61和加热器62，其中，加热器61可以位于氮化硅波导3的上侧，用于对氮化硅波导4中的光信号进行相移处理；加热器62可以位于III-V族增益材料堆栈4的上侧，用于对III-V族增益材料堆栈4及其下方的硅波导2进行加热，从而对III-V族增益材料堆栈4及硅波导2中的光信号进行相移处理。

在本实施例中，金属可以用于接触，例如，过孔金属(via metal)7用于纵向接触；金属还可以用于布线，例如，后道工艺(BEOL)金属层8用于横向布线；金属还可以用于加热，例如，加热器7为金属材料。

在本实施例中，硅波导2、氮化硅波导3以及III-V族增益材料堆栈4的两两之间可以采用如下的任意结构进行耦合：利用光斑尺寸转换器进行耦合；利用光栅结构进行耦合；利用金属反射镜进行耦合。

图3是耦合结构的一个示意图。

如图3的a和a-1所示，硅波导2与氮化硅波导3或III-V族增益材料堆栈4之间利用光斑尺寸转换器9进行耦合。其中，图3的a是断面示意图，a-1是a的俯视图。

如图3的b所示，硅波导2与氮化硅波导3或III-V族增益材料堆栈4之间利用光栅结构进行耦合，该光栅结构例如包括硅光栅结构21和氮化硅光栅结构31。图3的b是断面示意图。

如图3的c所示，硅波导2与氮化硅波导3或III-V族增益材料堆栈4之间利用反射镜30进行耦合，反射镜30可以是金属材料，并且，反射镜30可以为至少一对，该一对反射镜30可以沿纵向分布，并且，该一对反射镜30中的两个反射镜30的反射面可以彼此平行。图3的c是断面示意图。

根据本申请的实施例1，在多层波导结构中，硅波导、氮化硅波导和III-V族增益材料堆栈被集成在衬底上，因此，能够同时实现坚固的封装和低损耗的光传输。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。