CN105842782B - 一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，其特征在于，包括：衬底；设置于所述衬底上的电路层；所述电路层上设置有包含石墨烯光电器件的光器件层；所述光器件层与所述电路层之间电性互联，并能将光器件层中传输的光信号转换成电信号传输至电路层，同时接收电路层传输过来的电信号，转换成光信号后继续在光器件层中进行传输。本发明采用石墨烯光电器件与现有的常规集成电路工艺基本兼容，只需在现有的常规集成电路工艺的基础上进行简单的扩展，就可以实现比较完整的、低成本、兼容性好的单片光电集成。

Description

一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路

技术领域

本发明涉及一种单片光电集成电路，更具体地，涉及一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路。

背景技术

随着集成电路技术的发展，器件特征尺寸的不断减小，集成规模越来越大，信息处理能力不断增强，以至于我们可以在单个芯片上实现更多功能，形成所谓片上系统(Systemon a Chip,SoC)。与SoC紧密相关的片上和片间互联是系统的重要组成部分。伴随互联速度的极大提高，与互联相关的成本，诸如芯片面积、能量消耗等，也已经相当可观，电互联已经成为进一步提高系统性能的瓶颈。另一方面，光互联具有功耗低、速度快、不受电磁干扰等优点，使其有望成为电互联的替代。典型的光互联包括发送端的光调制、接收端的光探测，以及发送端与接收端之间的光传输(通过波导、光纤等光媒体)。对于SoC而言，为了实现芯片与外界的高性能光互联，需要将光的部分，包含光电转换和部分光传输媒体等，集成到芯片上，芯片内部、芯片与芯片之间直接通过光传输媒体互联。

然而，目前主流的集成电路制造工艺仍缺少对光电集成的工艺支持，而现有的光电集成方案仍存在成本过高、与常规集成电路工艺不兼容等的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种单片光电集成电路方案，在现有的集成电路技术和微电子技术扩展对光电集成支持的基础上,引入石墨烯光电器件，解决现有的光电集成方案仍存在成本过高、与常规集成电路工艺不兼容等的问题。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，包括：衬底；设置于所述衬底上的电路层；所述电路层上设置有包含石墨烯光电器件的光器件层；所述光器件层与所述电路层之间电性互联，并能将光器件层中传输的光信号转换成电信号传输至电路层，同时接收电路层传输过来的电信号，转换成光信号后继续在光器件层中进行传输。

进一步的，所述电路层包含的电路器件含有场效应器件和双极型器件中的一种或两种。

进一步的，所述电路层包含的电路器件含有电阻、电容、可变电容、电感和耦合电感中的一种或几种。

进一步的，所述电路层中电路器件之间的互联为设置成叠层的多个互联层，每个互联层含有一条或多条导电线，上下互联层之间通过导电孔连接。

进一步的，所述衬底为体硅、绝缘体上硅。

进一步的，所述光器件层含有光波导和基于光波导的光电器件。

进一步的，所述光波导采用低温制造工艺的低损耗光波导材料。

进一步的，所述光波导材料为氢化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅。

本发明的优点在于：所述石墨烯光电器件与现有的常规集成电路工艺基本兼容，也就是说，只需在现有的常规集成电路工艺的基础上进行简单的扩展，就可以实现比较完整的、低成本、兼容性好的单片光电集成。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的制造过程结构示意图，所示为在衬底上形成电路层。

图2为本发明一较佳实施例的制造过程结构示意图，所示为在电路层上形成包含石墨烯光电器件的光器件层。

图3为本发明一较佳实施例的制造过程结构示意图，所示为在电路层与光器件层之间形成互联。

图4为本发明所实现的一个片上光互联实施例示意图。

图5为本发明所实现的一个片间光互联实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明，通过参考下文的描述，将获得对本发明的更完整的理解。

图1-3是根据本发明的一个实施例的制造过程结构示意图。

首先，如图1所示，提供衬底101，并在衬底101上制造电路层102。

所述衬底101可以为体硅、绝缘体上的硅或任何可用于制造集成电路的衬底材料。

所述电路层102包含至少一个电路器件103和连接电路器件的互联层104。所述电路器件103可以为有源器件、无源器件，或两者都包含；常见的有源器件包括场效应器件和双极型器件，所述电路器件103包含场效应器件和双极型器件中的一种或两种；常见的无源器件包括电阻、电容和电感，所述电路器件103包含电阻、电容和电感中的一种或几种。

所述互联层104为一层或多层结构，每层含一条或多条金属线105，上层与下层金属线105之间以及金属线105与电路器件103之间通过金属孔106相连接。上层与下层金属线105之间以及金属线105与电路器件103之间为诸如氧化物(如氧化硅等)层的绝缘材料107。

然后，如图2所示，在所述电路层102上制造包含石墨烯光电器件201的光器件层202。具体步骤如下：在互联层104上继续生长一定厚度的绝缘材料107，并进行平坦化处理以保证后续制作的光波导204有比较平整的下表面；在绝缘材料107表面上生长光波导材料，并进行光刻和刻蚀形成所需要的光波导204；再次生长一定厚度的绝缘材料107，并再次进行平坦化处理，形成比较平坦的光波导204上表面。采用转移的方式，在光波导204之上放置石墨烯材料203，并进行光刻和刻蚀形成所需要的图形。

对于采用两层或多层石墨烯材料的光电器件，首先需要生长一定厚度的绝缘材料，然后放置石墨烯材料203，并进行光刻和刻蚀形成所需要的图形。

所述光波导材料为低损耗、低温加工材料，如氢化非晶硅、氮化硅和氮氧化硅等。所述石墨烯材料可以是通过机械剥离、化学沉积或生长的若干工艺来制造。图中所述的光波导和石墨烯器件结构，以及制造工艺步骤，仅用于帮助理解本发明的内容，并不是对光波导和石墨烯器件结构，以及制造工艺步骤的具体限定。

最后，如图3所示，形成所述电路层102与所述光器件层202的互联301。原理上，该互联与所述电路层102中的所述互联层104相类似。

图4-5是根据本发明所实现的光互联两种实施例的结构示意图。

图4所示为一个片上光互联实施例结构示意图。图中所示的光互联包括：用于电光调制的石墨烯波导光调制器401，用于光电探测的石墨烯波导光探测器402，以及连接石墨烯波导光调制器401和石墨烯波导光探测器402的光波导204。光源405可以采用片外激光器产生并经过光栅耦合或者是侧边耦合注入光波导204，或采用固定在片上的微型激光器产生并直接耦合注入光波导204。由电路产生的调制电信号通过石墨烯波导光调制器401调制光波导403中的光，被调制的光通过光波导204传输到石墨烯波导光探测器402，产生对应的探测电信号并送到电路进行处理，从而形成完整片上光通信。此处所述的光波导结构，石墨烯光电器件结构，以及片上光互联形式等，仅用于帮助理解本发明的内容，并不是对光波导结构，石墨烯光电器件结构，以及片上光互联形式等的具体限定。

图5所示为一个片间光互联实施例结构示意图。图中所示的光互联包括：芯片501上的电光调制的石墨烯波导光调制器401和光波导503，芯片502上的用于光电探测石墨烯波导光探测器402和光波导504，以及芯片501与芯片502之间的光通路505。光源405可以采用片外激光器产生并经过光栅耦合或者是侧边耦合注入光波导505，或采用固定在片上的微型激光器产生并直接耦合注入光波导505。由电路产生的调制电信号通过石墨烯波导光调制器401调制光波导503中的光，被调制的光通过芯片501与芯片502之间的光通路505从光波导503传输到光波导504，再送到石墨烯波导光探测器402，产生对应的探测电信号并送到电路进行处理，形成完整片间光通信。所述光通路505有多种实现方式，其中一种方式是光波导503中的光通过与光波导相连的光栅耦合到光纤，经过光纤的传输，通过与光波导504相连的光栅耦合到光波导504。此处所述的光波导结构，石墨烯光电器件结构，片间光通路方式，以及片间光互联形式等，仅用于帮助理解本发明的内容，并不是对光波导结构，石墨烯光电器件结构，片间光通路方式，以及片间光互联形式等的具体限定。

以上所描述的实施例仅用于帮助理解本发明的内容，但并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，其特征在于，包括：

衬底；

设置于所述衬底上的电路层；

所述电路层上设置有包含石墨烯光电器件的光器件层；

所述光器件层与所述电路层之间电性互联，并能将光器件层中传输的光信号转换成电信号传输至电路层，同时接收电路层传输过来的电信号，转换成光信号后继续在光器件层中进行传输；所述电路层包含的电路器件含有场效应器件和双极型器件中的一种或两种；

电路层包含至少一个电路器件和连接电路器件的互联层，在所述电路层上制造包含石墨烯光电器件的光器件层具体步骤如下：在互联层上继续生长一定厚度的绝缘材料，并进行平坦化处理以保证后续制作的光波导有比较平整的下表面；在绝缘材料表面上生长光波导材料，并进行光刻和刻蚀形成所需要的光波导；再次生长一定厚度的绝缘材料，并再次进行平坦化处理，形成比较平坦的光波导上表面；采用转移的方式，在光波导之上放置石墨烯材料，并进行光刻和刻蚀形成所需要的图形；

电路层与光器件层的互联：包括用于电光调制的石墨烯波导光调制器，用于光电探测的石墨烯波导光探测器，以及连接石墨烯波导光调制器和石墨烯波导光探测器的光波导；光源采用片外激光器产生并经过光栅耦合或者是侧边耦合注入光波导，或采用固定在片上的微型激光器产生并直接耦合注入光波导；由电路产生的调制电信号通过石墨烯波导光调制器调制光波导中的光，被调制的光通过光波导传输到石墨烯波导光探测器，产生对应的探测电信号并送到电路进行处理，从而形成完整片上光通信。

2.根据权利要求1所述的一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，其特征在于，所述电路层包含的电路器件含有电阻、电容、可变电容、电感和耦合电感中的一种或几种。

3.根据权利要求1或2中任意一项所述的一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，其特征在于，所述电路层中电路器件之间的互联为设置成叠层的多个互联层，每个互联层含有一条或多条导电线，上下互联层之间通过导电孔连接。

4.根据权利要求1所述的一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，其特征在于，所述衬底为体硅或绝缘体上硅。

5.根据权利要求1所述的一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，其特征在于，所述光器件层含有光波导和基于光波导的光电器件。

6.根据权利要求5所述的一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，其特征在于，所述光波导采用低温制造工艺的低损耗光波导材料。

7.根据权利要求6所述的一种采用石墨烯光电器件的单片光电集成电路，其特征在于，所述光波导材料为氢化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅。