[發明專利]PIN二極管中的高效散熱

有效

• 申請號: 201910567986.3
• 申請日: 2019-06-27
• 公開（公告）號: CN111384007B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: E·J·諾伯格;N·達爾凡德;G·A·菲什
• 申請（專利權）人: 瞻博網絡公司
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L29/868;H01L21/48
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 酆迅

本公開的實施例涉及PIN二極管中的高效散熱。可以用熱傳導通孔來減少集成在絕緣體上半導體襯底上的p?i?n二極管的熱阻抗，該熱傳導的通孔使熱量跨熱屏障分流，該熱屏障諸如例如通常封裝p?i?n二極管的厚的頂氧化物包層。在各種實施例中，一個或多個熱傳導通孔從本征二極管層的頂表面延伸至連接至二極管的摻雜的頂層的金屬結構，和/或從該金屬結構向下至少延伸至襯底的半導體器件層。

技術領域

本公開總體上涉及光子集成電路(PIC)中實施的p-i-n(PIN)二極管，并且具體地涉及用于使PIN二極管中生成的熱量高效地消散的結構。

背景技術

芯片集成激光二極管傾向于在有源增益介質中生成大量熱量。由于激光二極管的輸出功率和可靠性隨著有源增益介質的溫度升高而降低，因此，它們受限于使結構散熱的能力，即，將熱量從有源增益介質傳遞出去的能力。集成激光二極管通常被實施為n型化合物半導體層、本征化合物半導體層和p型化合物半導體層的堆疊，其中本征層提供有源增益介質，并且集成激光二極管可以被置放在絕緣體上半導體(SOI)襯底上。在各種傳統實施方式中，封裝p-i-n堆疊的厚的頂氧化物構成了阻止熱量從本征層高效地橫向消散出去的實質熱屏障。在這些結構中，熱量主要從本征層穿過下面的二極管層到達襯底以及穿過上方的二極管層到達接觸頂二極管層的頂側金屬層消散，從該頂二極管層，熱量可以下沉穿過凸塊或者電觸點和/或向下穿過厚的頂氧化物返回到襯底。通過這些路徑的熱傳遞是有限的，使得激光二極管的熱阻抗對于許多應用中所需的激光輸出功率和操作可靠性是不足夠的。

發明內容

在本公開的第一方面，提出了一種器件，包括：絕緣體上半導體襯底，絕緣體上半導體襯底包括半導體柄、置放在半導體柄的頂部之上的掩埋氧化物層和置放在掩埋氧化物層的頂部之上的半導體器件層；頂氧化物包層，頂氧化物包層置放在半導體器件層上；p-i-n二極管，p-i-n二極管嵌入在頂包層中，p-i-n二極管包括摻雜的頂層、本征層和摻雜的底層；金屬結構，金屬結構嵌入在頂氧化物包層中并且電連接至摻雜的頂層；以及一個或多個熱通孔，一個或多個熱通孔從金屬結構延伸穿過頂氧化物包層、至少到達半導體器件層，但是不延伸穿過掩埋氧化物層到達半導體柄。

在本公開的第二方面，提出了一種器件，包括：絕緣體上半導體襯底，絕緣體上半導體襯底包括半導體柄、置放在半導體柄的頂部之上的掩埋氧化物層和置放在掩埋氧化物層的頂部之上的半導體器件層；頂氧化物包層，頂氧化物包層置放在半導體器件層上；p-i-n二極管，p-i-n二極管嵌入在頂包層中，p-i-n二極管包括摻雜的頂層、本征層和摻雜的底層；金屬結構，金屬結構嵌入在頂氧化物包層中并且電連接至摻雜的頂層；以及一個或多個熱通孔，一個或多個熱通孔從本征層的頂表面延伸至金屬結構。

在本公開的第三方面，提出了一種方法，包括：在絕緣體上半導體襯底上形成嵌入在頂氧化物包層內的p-i-n二極管，p-i-n二極管包括摻雜的頂層和底層以及其間的本征層；蝕刻一個或多個第一電通路孔，一個或多個第一電通路孔向下延伸至摻雜的底層的頂表面；蝕刻一個或多個熱通路孔，一個或多個熱通路孔包括向下至少延伸至絕緣體上半導體襯底的半導體器件層的一個或多個第一熱通路孔或者向下延伸至本征層的頂表面的一個或多個第二熱通路孔中的至少一個；蝕刻第二電通路孔，第二電通路孔向下延伸至摻雜的頂層的頂表面；以及將一種或者多種電傳導材料填充在第一電通路孔和第二電通路孔中，以形成相應的第一電通孔和第二電通孔，并且將一種或者多種熱傳導材料填充在一個或多個熱通路孔中，以形成一個或多個熱通孔。

附圖說明

本文結合附圖描述了各種示例實施例，其中：

圖1是根據各種實施例的示例集成PIN二極管器件的截面側視圖，該視圖圖示了從PIN二極管的有源層出去的熱消散路徑；

圖2A和圖2B是根據各種實施例的示例集成PIN二極管器件的截面側視圖，在該示例集成PIN二極管器件中，由熱通孔來增強熱消散，該熱通孔將熱量從連接至頂二極管層的金屬結構分流到襯底；