[發明專利]生長在硅上的異質材料與硅光子電路的鍵合

在審

• 申請號: 201410806944.8
• 申請日: 2014-12-22
• 公開（公告）號: CN104882368A
• 公開（公告）日: 2015-09-02
• 發明（設計）人: 約翰·E·鮑威爾斯;喬克·波維頓
• 申請（專利權）人: 加州大學董事會
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20;H01L29/06
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 吳開磊

政府資助

本發明是根據國防高級研究計劃署授予的合同號HR0011-12-C-0006在政府支持下進行的。政府對本發明具有一定的權利。

相關申請的引用

本申請要求2013年12月20日提交的題目為“生長在硅上的異質材料與硅光子電路的鍵合(Bonding?of?Heterogeneous?Material?Grown?on?Silicon?to?Silicon?Photonic?Circuits)”的美國臨時申請號61/919,417的優先權，該申請結合于此作為參考。要求了優先權。

技術領域

本公開涉及集成電路制造，具體地涉及光電集成電路的制造。

背景技術

傳統上，數據通信或“Datacom”依靠銅導線來點到點地傳送數據。例如，銅通信總線可以提供家用PC中的處理器與數據存儲中介(介質)之間或者數據中心的服務器之間的通信。經由傳統的銅通信總線進行的通信被充分了解，并且得益于以下事實，即端點和通信中介兩者均為電氣器件。

光學通信系統提供了更大的帶寬和速度的保證。然而，光學通信系統受限于光通信系統與電氣器件之間所需的接口。特別地，光學部件和電氣部件的耦合通常導致電氣和光學耦合損耗和/或信號失真。通過將光學器件集成于集成電路上，這就是所謂的光子集成電路(PIC)，已經解決了這些和其它的障礙。即，在允許與傳統半導體器件集成的半導體襯底上形成光學部件/器件。

多年來，半導體材料硅(Si)已成為集成電路技術的主要成分。然而，由于硅的間接帶隙，這使得光的產生變復雜，有源光電器件的制造依賴于不同種類的半導體材料，本文中稱為III-V型半導體。這些半導體材料包括III族元素鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)與V族元素氮(N)、磷(P)、砷(As)和銻(Sb)的組合，并且包括這樣的組合，諸如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、氮化鎵(GaN)和砷化鋁鎵(AlGaAs)。III-V型半導體的特點是直接帶隙，這允許制造有源光電器件，諸如激光器、光探測器和發光二極管。

用于將III-V型半導體與傳統的硅集成電路集成的傳統方法傾向于遵循兩種方法。在第一種方法中，將III-V型半導體材料直接沉積在硅襯底或處理后的硅層上。然而，硅與III-V型半導體材料之間的晶格常數差異導致硅/III-V界面附近產生致命的缺陷(例如，位錯)。為了克服這些缺陷，可在硅/III-V界面之間沉積緩沖層。然而，雖然已經取得了進展來減小緩沖層的厚度，薄層仍然可以代表隨機有損缺陷的來源，所述缺陷負面地影響有源III-V族器件與無源硅部件(例如，電子線路、波導等)之間的耦合。在第二種方法中，在具有相同或相似晶格常數的天然III-V型襯底上生長III-V型半導體材料，然后將III-V型半導體材料轉移到硅襯底。然而，該方法是昂貴的，因為生產III-V型半導體襯底的成本遠遠大于生產硅襯底的成本。另外，經處理的有源III-V器件的設置要求器件和與之耦合的無源部件(例如，波導等)之間的精確對準。

發明內容

根據本發明的一個實施例，描述了一種制造異質半導體晶片的方法，包括在具有半導體襯底的第一晶片上沉積III-V型半導體外延層。然后將第一晶片鍵合至具有形成于半導體襯底上的圖案化硅層的第二晶片，其中，III-V型半導體外延層被鍵合至第二晶片的圖案化硅層。去除與第一晶片相關聯的半導體襯底以暴露III-V型半導體外延層。

根據另一實施例，異質晶片包括第一晶片和第二晶片。第一晶片由半導體襯底和圖案化硅層構成，其中，圖案化硅層形成在半導體襯底上。第二晶片由半導體襯底和III-V型半導體外延層構成。第二晶片鍵合至第一晶片，使得III-V型半導體外延層鍵合至圖案化硅層。

附圖說明

圖1A-1E是橫截面圖，示出了根據本發明實施例的經由沉積在硅晶片上并鍵合至另一硅襯底晶片的III-V型半導體外延的異質集成的光子集成電路的制造。

圖2A-2B是橫截面圖，另外詳細地示出了根據本發明實施例的具有硅襯底和III-V外延層的晶片與另一硅晶片的鍵合。

具體實施方式