[發明專利]光電芯片及其混合集成方法

有效

• 申請號: 202010505301.5
• 申請日: 2020-06-05
• 公開（公告）號: CN111722316B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 鄒衛文;李俊燕;錢娜;張林博;秦睿恒
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/13;G02B6/136;G02B6/42
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種光電芯片及其混合集成方法，所述的光電芯片包括由下至上依次設置的硅襯底，射頻芯片，二氧化硅層，BCB層，硅鍺層，鈮酸鋰波導層及金屬電極層，金屬通孔走線貫穿于自射頻芯片到金屬電極。本發明實現了光電芯片的一體化，減少了鏈路損耗和串擾電平，將信號劣化到最小；同時利用二氧化硅與LN的頻率溫度系數相反的特性，有效的實現了溫度補償效應，提高了系統的穩定性。該系統的電極結構采用DC直電極與射頻叉指電極配合的結構，有效的降低了射頻反射損耗。此外，該芯片架構可采用成熟的半導體工藝技術實現，這對于光電系統走向小體積、低功耗、實用化具有重要意義。

技術領域

本發明涉及微波光子器件，特別是一種光電芯片及其混合集成方法。

背景技術

隨著高速率數據通信技術的發展，對大容量、高頻譜效率、低時延、高能效的通信設備要求越來越高。由于電子技術存在時間抖動大、速率慢、帶寬窄等瓶頸，進一步提升性能面臨很大的問題。而光子本身具有低抖動、低時延、寬帶等優點，故光電系統應運而生。光電系統有望解決系統的能耗和容量問題，在傳感、計算、生物、醫藥、農業等領域將有著廣泛的應用前景。光電系統由光器件和電器件兩部分組成。其中光器件主要包括激光器、探測器和調制器，電器件包括光電調制器驅動電路、光電探測后端跨阻放大等。

在早期摸索階段，光器件和電器件都采用單獨的分立模塊，帶來體積大、性能不穩定、損耗大等問題，而光電子集成芯片技術具有低功耗、高速率、高可靠性、小體積等突出的優點。故只有集成才能夠支撐未來信息系統對速率帶寬、能耗體積以及智能可調控等發展需求。

從器件層面講，集成電路的器件特征尺寸不斷縮小，電芯片逐漸由單一功能走向多功能，光芯片性能日趨完善，如薄膜鈮酸鋰調制器、鍺硅光電探測器的成功制備，因此有望將光電系統采用異質異構的方式，將多種芯片實現混合封裝，從而減小系統的體積、提高系統的穩定性、降低損耗，從而為光電系統廣泛的實用化、應用于更多的場景奠定夯實的基礎。

發明內容

本發明的目的在于針對現有的技術不足，提出一種光電芯片及其混合集成方法。實現了光電芯片的一體化，減少了鏈路損耗和串擾電平，將信號劣化到最小；同時利用二氧化硅與LN的頻率溫度系數相反的特性，有效的實現了溫度補償效應，提高了系統的穩定性。該系統的電極結構采用DC直電極與射頻叉指電極配合的結構，有效的降低了射頻反射損耗。此外，該芯片架構可采用成熟的半導體工藝技術實現，這對于光電系統走向小體積、低功耗、實用化具有重要意義。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種光電芯片，其特點在于包括由下至上依次設置的硅襯底、二氧化硅層、鍵合介質層、鈮酸鋰波導層和金屬電極層，所述的硅襯底為芯片基底，挖設射頻芯片埋置槽；在所述的芯片埋置槽內設置包括金屬地和射頻芯片；所述的二氧化硅層用于保護射頻芯片、TSV(Through Silicon Via，硅通孔)以及RDL(Redistribution Layer，重新布線層)，同時與鈮酸鋰材料形成溫補效應；所述的鍵合介質層用于包絡硅鍺層，同時粘結二氧化硅層與鈮酸鋰波導層；所述的硅鍺層用于光信號的分束和聚合，同時將聚合后的光信號轉化為電信號；所述的鈮酸鋰波導層用于通過、調制光信號；所述的金屬電極層中的直流電極用于為射頻芯片供電，所述的射頻電極使所述的鈮酸鋰波導產生折射率差。

上述光電芯片的混合集成方法，包括下列步驟：

1)在所述的硅襯底上，挖N個埋置槽，然后在每個槽內鋪所述的金屬地，然后放置射頻芯片；在所述的射頻芯片周邊的硅襯底的上表面周圍走RDL線，實現射頻芯片之間的互聯(在射頻芯片上涂布一層絕緣保護層，再以曝光顯影的方式定義新的導線，然后再利用電鍍技術制作新的金屬線路，以連接原來鋁墊和新的凸塊或者金墊，達到線路重新分布的目的)；預留電極通孔，通過熱氧化法生長二氧化硅，在二氧化硅內形成TSV并在二氧化硅表面形成RDL，然后采用化學機械研磨方法進行表面平坦化處理；