一种多层硅光子三维光连接结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种多层硅光子三维光连接结构，属于半导体光信号传输技术领域。该多层硅光子包括从下至上的SOI晶圆衬底、晶圆埋氧层、反射层、n层光波导层和波导的包层，所述n层光波导层通过多层硅光子三维光连接结构实现光在两波导层之间的传输，三维光连接结构包括2n‑1个波导光栅，相邻波导层的波导光栅刻蚀面相向。该三维光连接结构由波导光栅构成，通过成对设置正向与倒置两波导光栅实现光在两波导层之间的传输，可有效解决45°反射镜放置困难或层间高度差小，工艺难度大的问题。

A three-dimensional optical connection structure of multilayer silicon photons

【技术实现步骤摘要】
一种多层硅光子三维光连接结构
本技术涉及一种多层硅光子三维光连接结构，属于半导体光信号传输

技术介绍
目前，光通信承载了全球通信数据容量的90%以上，其中硅光子器件具有成本低廉、信息传输速率高、制备工艺与CMOS工艺兼容等特点，就单元硅光子器件而言，目前已经研制出的高探测灵敏度的锗硅探测器、高速率硅基调制器、硅基阵列波导光栅、硅基光波导阵列光开关等具有极大的潜力和优势，其设计和制备工艺已经成熟，硅基光子器件的大规模集成可构建光通信系统，促进信息技术的进一步发展。单片集成是指将不同或相同功能的硅光子元件在同一片晶圆上构成阵列化、模块化的单个芯片，是目前比较常见的硅基光子集成。常见的单片集成芯片波导层数目为1，这样设计的优势在于便于制备、降低成本、易于控制性能，但是，随着单元器件的增多，光路逐渐趋于复杂，芯片损耗逐渐增大，同时，芯片面积也增大，无法满足光通信系统日趋增长的集成化需求。为减小占空比，多维集成成为目前的研究热点。多维集成是基于多波导层的一种集成方式，这种集成方式可以降低芯片的占空比，提高硅光子元器件性能的一致性，便于批量生产。为实现波导层之间的光传输，目前主要方式为：在各波导层放置45°反射镜，但放置45°反射镜的角度设置要求很高，若该反射镜的放置偏离45°，将严重影响光在层间的传输，增大芯片损耗；另一种方式是通过不同层间的锥形波导耦合，但这种方式只适用于层间高度差小的器件。因此，对工艺要求极高或层间高度限制大的三维光连接结构不利于广泛应用。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题及不足，本技术提供一种多层硅光子三维光连接结构。本技术通过设置三维光连接结构，该三维光连接结构由波导光栅构成，通过成对设置正向与倒置两波导光栅实现光在两波导层之间的传输，可有效解决45°反射镜放置困难或层间高度差小，工艺难度大的问题，本技术通过以下技术方案实现。如图1和2所示，一种多层硅光子三维光连接结构，该多层硅光子包括从下至上的SOI晶圆衬底111、晶圆埋氧层112、反射层113、n层光波导层和波导的包层114，所述n层光波导层通过多层硅光子三维光连接结构实现光在两波导层之间的传输，三维光连接结构包括2n-1个波导光栅，最下方的第一光波导层1输入端连接正向的第一波导光栅12，其余n-1层光波导层均设置两个波导光栅，相邻波导层的波导光栅刻蚀面相向，即第一波导光栅12上方设有倒置的第二波导光栅Ⅰ21，第二波导光栅Ⅰ21通过第二光波导结构22连接正向的第二波导光栅Ⅱ23，如果超过2层，第二波导光栅Ⅱ23上方设有倒置的第三波导光栅Ⅰ31，第三波导光栅Ⅰ31通过第三光波导结构32与正向的第三波导光栅Ⅱ33连接，依此类推，直至倒置的第n波导光栅Ⅰ41通过第n光波导结构42与正向的第n波导光栅结构Ⅱ43连接。所述波导光栅条形刻痕均未穿透该光波导层；各层各波导光栅均为切趾光栅，切趾函数的选择需能降低衍射光谱的旁瓣。通常波导光栅齿的角度设置范围在8°至10°之间，因为当入射光与垂直方向存在8°至10°的倾角时，有利于减少光经过光栅后的二阶反射，减少光在层间传输的损耗。同时，为了适应不同的通信波长，可以调整波导光栅的结构参数，例如周期、占空比、波导厚度等。所述各层各波导光栅底部均设有一个反射层113。所述反射层113为两种不同折射率材料的多层交叉结构，通过调整每层材料厚度使反射层符合薄膜衍射增强条件，调整反射层到波导光栅间的垂直距离使反射光与平行衍射光的相位匹配。通常，每层厚度在50nm~200nm之间。反射层113的位置根据波导光栅的位置设定，位于各波导光栅的条形刻痕朝向的反方向，距离波导光栅0.5µm~1µm。所述反射层113为两种不同折射率材料为氮化硅（SiN）和二氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiN）和多晶硅（PolySilicon）或多晶硅（PolySilicon）和氮氧化硅（SiON）。所述n层光波导层材料可以选择硅（Si）、多晶硅（PolySilicon）、氮化硅（SiN）或氮氧化硅（SiON），各材料的制备工艺各不相同。本基于多层硅光子三维光连接结构工作原理为：入射光入射到第n波导光栅Ⅱ43的上表面，经过第n波导光栅Ⅱ43的衍射并干涉后，变为一束平行表面的光束，通过第n波导结构42进入第n波导光栅Ⅰ41，经过第n波导光栅Ⅰ41的衍射并干涉后，变成一束带有一定角度的纵向光束，经过层间材料SiO2入射到第n-1波导光栅Ⅱ的上表面，改变光的传播方向，实现光在层间的传输。最终，光将入射到第一波导光栅12，经由第一波导光栅12衍射并干涉后进入第一波导结构11，最后从该芯片输出。在各波导光栅发生衍射并干涉时，部分光会被波导光栅衍射到光栅另一侧，反射层将这部分光反射回光栅后经光栅衍射也将成为一束平行于表面的光束或带有一定角度的纵向光束，由于反射层的设计，各层间的传输效率可以达到90%左右。因此，在通过该三维光连接结构改变光的传播方向，实现器件层间光传输的同时，光连接结构的损耗较低，不明显增大器件的总体损耗。所述基于多层硅光子三维光连接结构工艺流程图如图3至图5所示，基于半导体CMOS制备工艺，主要集成工艺如下：步骤一：制备表面氧化的硅片；取一硅片作为衬底，在硅片上沉积一层二氧化硅（SiO2）材料作为埋氧层（BOX），如图3-1至3-2或图4-1至4-2或图5-1至5-2所示；步骤二：在含包层的硅片上制备三维光连接结构的反射层，反射层材料以氮化硅（SiN）和二氧化硅（SiO2）为例；（201）在埋氧层上交叉重叠沉积氮化硅（SiN）和二氧化硅（SiO2）材料，形成初步的反射层结构，如图3-3或4-3或5-3所示；（203）通过一次光刻/刻蚀工艺，得到所需反射层，通过PECVD工艺沉积一层二氧化硅（SiO2）材料作为包层，如图3-4至3-5或图4-4至4-5或图5-4至5-5所示；步骤三：制备基于硅（Si）材料的三维光连接结构的第一波导层；（301）另取一硅片A，在硅片上沉积一层二氧化硅（SiO2）材料，如图3-6；（302）通过注氢智能剥离技术将硅片A反向键合到上述含反射层的晶圆上。即在硅片A中注入氢离子后进行与上述晶圆的亲水性键合，对晶片进行热处理，解理出多余的硅片，保留晶圆上硅片厚度为220nm或所需其他厚度，对硅层上表面进行抛光，如图3-7至3-8；（303）通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第一波导光栅和第一波导结构，再沉积一层二氧化硅（SiO2）材料作为包层，如图3-9至3-10所示；步骤四：制备基于多晶硅（PolySilicon）材料的三维光连接结构的第一波导层；（401）在含反射层的晶圆上沉积一层α-Si，在560℃下退火10小时形成多晶硅层，如图4-6所示；（402）通过两次光刻/刻蚀工艺，制备出第一波导光栅和第一波导结构，再沉积一层二氧化硅（SiO2）材料作为包层，如图4-7至4-8所示；步骤五：制备基于氮化硅（SiN）材料的三维光连接结构的第一波导层；（5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层硅光子三维光连接结构，该多层硅光子包括从下至上的SOI晶圆衬底（111）、晶圆埋氧层（112）、反射层（113）、n层光波导层和波导的包层（114），其特征在于：所述n层光波导层通过多层硅光子三维光连接结构实现光在两波导层之间的传输，三维光连接结构包括2n-1个波导光栅，最下方的第一光波导层（1）输入端连接正向的第一波导光栅（12），其余n-1层光波导层均设置两个波导光栅，相邻波导层的波导光栅刻蚀面相向，即第一波导光栅（12）上方设有倒置的第二波导光栅Ⅰ（21），第二波导光栅Ⅰ（21）通过第二光波导结构（22）连接正向的第二波导光栅Ⅱ（23），第二波导光栅Ⅱ（23）上方设有倒置的第三波导光栅Ⅰ（31），依此类推，直至倒置的第n波导光栅Ⅰ（41）通过第n光波导结构（42）与正向的第n波导光栅结构Ⅱ（43）连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种多层硅光子三维光连接结构，该多层硅光子包括从下至上的SOI晶圆衬底（111）、晶圆埋氧层（112）、反射层（113）、n层光波导层和波导的包层（114），其特征在于：所述n层光波导层通过多层硅光子三维光连接结构实现光在两波导层之间的传输，三维光连接结构包括2n-1个波导光栅，最下方的第一光波导层（1）输入端连接正向的第一波导光栅（12），其余n-1层光波导层均设置两个波导光栅，相邻波导层的波导光栅刻蚀面相向，即第一波导光栅（12）上方设有倒置的第二波导光栅Ⅰ（21），第二波导光栅Ⅰ（21）通过第二光波导结构（22）连接正向的第二波导光栅Ⅱ（23），第二波导光栅Ⅱ（23）上方设有倒置的第三波导光栅Ⅰ（31），依此类推，直至倒置的第n波导光栅Ⅰ（41）通过第n光波导结构（42）与正向的第n波导光栅结构Ⅱ（43）连接。


2.根据权利要求1所述的多层硅光子三维光连接结构，其特征在于：所述波导光栅条形刻痕均...

【专利技术属性】
技术研发人员：方青，陈晓铃，顾苗苗，胡鹤鸣，张馨丹，张志群，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：新型
国别省市：云南;53