耦合结构、用于形成耦合结构的方法和光芯片与流程

本申请涉及半导体领域，更具体地涉及用于形成耦合结构的方法、耦合结构和光芯片。

背景技术：

1、光芯片在通信、传感等领域已发挥重要作用，成为后摩尔时代最重要的集成化解决方案之一。波导是光芯片最基本的组成单元。为了提高集成度，一般光芯片所使用的材料如硅、氮化硅、薄膜铌酸锂等均具有较高的折射率，因此，光芯片的波导模场较小，一般在百纳米量级。

2、光芯片在应用中与外界系统或其他芯片进行互连，这种互连绝大多数使用的是光纤。普通单模光纤的模场直径约为9μm，与芯片波导模场差异非常大，很难做到高效率耦合。一般与芯片耦合采用特殊的小模场光纤，模场直径在3μm左右，与芯片波导模场仍然存在一定差距。光子芯片上的耦合器是芯片核心器件之一，其功能是将外界的光耦合到芯片之中。光子芯片耦合器目前分为两种，一种是光栅耦合器，一种是基于倒锥的端面耦合器。其中，光栅耦合器可支持晶圆级测试，对精度的容忍度较高，方便操作，但是由于其原理限制，耦合效率基本上在3db以上。端面耦合器一般采用倒锥构型，目的是将光子芯片上波导中所传输的光模场放大，使其方便与外界的光纤进行耦合，端面耦合器的插损可以做到1.5db以下，但是在耦合时候对对准精度要求极高，成为降低光子芯片光学封装成本的重大阻碍。

技术实现思路

1、以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

2、为了解决上述问题，本申请的示例性实施例提供了一种耦合结构，包括：衬底；第一波导，形成在所述衬底上；透明材料层，形成在所述第一波导上；以及第二波导，位于所述透明材料层中并且是部分所述透明材料层通过改性而形成。

3、较佳地，所述改性基于激光直写或离子注入。

4、较佳地，所述第一波导在所述衬底上的投影与所述第二波导在所述衬底上的投影至少部分地重叠。

5、较佳地，所述第一波导具有第一长度、第一宽度和第一高度，所述第二波导具有第二长度、第二宽度和第二高度，其中以下各项中的至少一者：所述第一长度大于所述第二长度；所述第一宽度小于所述第二宽度；以及所述第一高度小于所述第二高度。

6、较佳地，所述第二波导从所述透明材料层的边缘沿着所述第一波导的长度方向延伸。

7、较佳地，所述第一波导与所述第二波导之间具有基本上均匀的间距。

8、较佳地，所述耦合结构还包括形成在所述衬底上的光芯片结构，并且所述第二波导用于将光耦合到所述光芯片结构中。

9、较佳地，所述第一波导的折射率大于所述第二波导的折射率。

10、根据本申请的另一示例性实施例，提供了一种用于形成耦合结构的方法，包括：提供半导体结构，所述半导体结构包括衬底、形成在所述衬底上的耦合波导以及形成在所述耦合波导上的透明材料层；以及对部分所述透明材料层进行改性，以在所述透明材料层中形成植入波导。

11、较佳地，所述改性基于激光直写或离子注入。

12、较佳地，所述耦合波导在所述衬底上的投影与所述植入波导在所述衬底上的投影至少部分地重叠。

13、较佳地，所述半导体结构还包括形成在所述衬底上的多个光芯片结构，并且多个所述耦合波导位于所述多个光芯片结构之间，多个所述耦合波导中的每个耦合波导用于将光耦合到所述多个光芯片结构中的相应光芯片结构中。

14、较佳地，对部分所述透明材料层进行改性的步骤包括：将激光焦点调节到所述透明材料层边缘的特定高度处或者调节到光芯片结构与耦合波导之间的透明材料层内的特定高度处，打开激光束并且使所述激光焦点相对于所述半导体结构沿着耦合波导的长度方向平移，以直写植入波导。

15、较佳地，在所述植入波导延伸到所述耦合波导的正上方后，停止所述激光束并且保持所述激光焦点相对于所述半导体结构继续平移。

16、较佳地，沿切割平面将所述半导体结构分割成多个芯片区域，以使得所述芯片区域包含一个耦合波导和与该耦合波导相关联的光芯片结构，其中所述切割平面横穿至少部分所述植入波导。

17、较佳地，所述耦合波导具有第一长度、第一宽度和第一高度，所述植入波导具有第二长度、第二宽度和第二高度，其中以下各项中的至少一者：所述第一长度大于所述第二长度；所述第一宽度小于所述第二宽度；以及所述第一高度小于所述第二高度。

18、较佳地，所述耦合波导的折射率大于所述植入波导的折射率。

19、根据本申请的又一示例性实施例，提供了一种光芯片，封装有或包括如上所述的耦合结构。

20、通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。

技术特征：

1.一种耦合结构，包括：

2.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述改性基于激光直写或离子注入。

3.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述第一波导在所述衬底上的投影与所述第二波导在所述衬底上的投影至少部分地重叠。

4.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述第一波导具有第一长度、第一宽度和第一高度，所述第二波导具有第二长度、第二宽度和第二高度，其中以下各项中的至少一者：

5.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述第二波导从所述透明材料层的边缘沿着所述第一波导的长度方向延伸。

6.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述第一波导与所述第二波导之间具有基本上均匀的间距。

7.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述耦合结构还包括形成在所述衬底上的光芯片结构，并且所述第二波导用于将光耦合到所述光芯片结构中。

8.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述第一波导的折射率大于所述第二波导的折射率。

9.一种用于形成耦合结构的方法，包括：

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述改性基于激光直写或离子注入。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述耦合波导在所述衬底上的投影与所述植入波导在所述衬底上的投影至少部分地重叠。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述半导体结构还包括形成在所述衬底上的多个光芯片结构，并且多个所述耦合波导位于所述多个光芯片结构之间，多个所述耦合波导中的每个耦合波导用于将光耦合到所述多个光芯片结构中的相应光芯片结构中。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，对部分所述透明材料层进行改性的步骤包括：

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述植入波导延伸到所述耦合波导的正上方后，停止所述激光束并且保持所述激光焦点相对于所述半导体结构继续平移。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，沿切割平面将所述半导体结构分割成多个芯片区域，以使得所述芯片区域包含一个耦合波导和与该耦合波导相关联的光芯片结构，其中所述切割平面横穿至少部分所述植入波导。

16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述耦合波导具有第一长度、第一宽度和第一高度，所述植入波导具有第二长度、第二宽度和第二高度，其中以下各项中的至少一者：

17.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述耦合波导的折射率大于所述植入波导的折射率。

18.一种光芯片，封装有或包括如权利要求1至8中任一项所述的耦合结构。

技术总结本申请涉及耦合结构、用于形成耦合结构的方法和光芯片。该耦合结构包括：衬底；第一波导，形成在衬底上；透明材料层，形成在第一波导上；以及第二波导，位于所述透明材料层中并且是部分所述透明材料层通过改性而形成。技术研发人员：储蔚,杨丰赫受保护的技术使用者：张江国家实验室技术研发日：技术公布日：2024/6/5