[發(fā)明專利]一種硅基光電子單片式異質(zhì)集成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011630305.2
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112764158B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 齊志強(qiáng);王晨晟;張智杰;吳新建;龍瀚凌
• 申請（專利權(quán)）人: 華中光電技術(shù)研究所（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一七研究所）
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/13;G02B6/136;G02B6/132
• 代理公司: 武漢藍(lán)寶石專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42242
• 代理人: 劉璐

本發(fā)明提供了一種硅基光電子單片式異質(zhì)集成方法，涉及硅基光子集成技術(shù)領(lǐng)域。基于硅基光電子平臺將III?V化合物半導(dǎo)體和硅基光電子器件進(jìn)行單片式集成，可應(yīng)用于光電微系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明針對光電微系統(tǒng)小型化、集成化和多功能化發(fā)展趨勢對單片集成不同材料體系有源和無源半導(dǎo)體光子器件的迫切需求，提出了一種基于硅基的單片式異質(zhì)集成方法，利用該方法可以實(shí)現(xiàn)基于同一硅片平臺上激光器、調(diào)制器和探測器等有源光電器件和分束器、耦合器和光學(xué)微腔等無源光電器件的異質(zhì)集成。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及硅基光子集成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基光電子單片式異質(zhì)集成方法。

背景技術(shù)

光子集成技術(shù)是通過將激光器、探測器、光波導(dǎo)、調(diào)制器、光開關(guān)、分路器和耦合器等光子器件制備在同一個基片上，實(shí)現(xiàn)提高速度、壓縮尺寸和擴(kuò)展功能等目的。

光子集成器件包含有源器件(激光器、探測器、放大器、調(diào)制器等)和無源器件(光波導(dǎo)、耦合器等)等多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件，材料類型包含InP族化合物半導(dǎo)體、Si單質(zhì)半導(dǎo)體、絕緣體上硅(SOI)和二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN_x)等不同材料，其線度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微電子器件的線度。因此，目前光子集成的集成度遠(yuǎn)低于微電子器件，光子器件集成的難度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的微電子芯片。

硅材料在微電子芯片中應(yīng)用廣泛，同時(shí)硅也是很好的光無源材料，基于硅材料已經(jīng)制作出很多性能優(yōu)良的無源波導(dǎo)、調(diào)制器和探測器等光電器件。并且，硅有成熟的CMOS工藝，目前硅工藝精度可以達(dá)到7nm，因此借助于CMOS工藝，可以大規(guī)模制備低成本的光子集成芯片，便于與微電子芯片實(shí)現(xiàn)光電集成。但是由于硅是非直接躍遷帶隙材料，部分硅基有源光電器件(尤其硅基激光器)還無法產(chǎn)業(yè)化，性能更無法超越基于InP材料的半導(dǎo)體激光器，因此硅基光子芯片和基于InP的半導(dǎo)體激光器的結(jié)合還是目前最有希望獲得產(chǎn)業(yè)化的一種方案。

硅光子單片異質(zhì)集成是通過硅基CMOS制造工藝，將多個相同或不同功能的異質(zhì)材料光子器件集成在同一個硅晶圓上的一體化技術(shù)，利用各自材料優(yōu)勢在單芯片上集成多功能器件，實(shí)現(xiàn)光電片上子系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢。隨著光電子微系統(tǒng)不斷小型化、集成化和多功能化的發(fā)展趨勢，對異質(zhì)集成技術(shù)提出了巨大的需求。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的硅基光電子單片式異質(zhì)集成方法。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種硅基光電子單片式異質(zhì)集成方法，包括：

S1，選取SOI基片，在所述SOI基片的頂層硅上制作無源光器件；其中，SOI基片由從下至上設(shè)置的背面硅、埋氧層和頂層硅構(gòu)成；

S2，在所述SOI基片的預(yù)留位置上刻蝕用于放置有源芯片的深孔，在刻蝕的深孔底部的硅材料表面生長焊料金屬層；

S3，將預(yù)先制備的有源芯片鍵合到深孔中的焊料金屬層，有源芯片有源層與頂層硅處于同一個水平面；

S4，在鍵合有源芯片后的深孔縫隙選擇性生長二氧化硅，生長的二氧化硅頂部與埋氧層處于同一個水平面；

S5，在所述頂層硅和無源光器件之間的縫隙處選擇性生長非晶硅層，非晶硅層厚度與所述頂層硅厚度一致；

S6，在所述有源芯片和非晶硅層上制作互連光波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)有源芯片和無源光器件的光互連；

S7，在所述有源芯片的光波導(dǎo)上方制作電極接觸孔，在接觸孔內(nèi)沉積金屬電極。

其中，在步驟S3之前，所述方法還包括：

制備有源芯片：選取III-V有源光電器件外延片，襯底采用高摻雜襯底，摻雜類型與SOI背面硅保持一致；將外延片背面襯底減薄，外延片厚度＝深孔深度-a*金錫焊料厚度，a＝[0.25，0.9]，背面襯底減薄后制作背面金屬電極，利用解離或者劃片機(jī)分割獲得有源芯片。