CN111474745B - 一种基于多材料体系的光电单片集成系统 - Google Patents

一种基于多材料体系的光电单片集成系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多材料体系的光电单片集成系统，该系统磷化铟‑硅激光器、硅无源光子器件、氮化硅无源光子器件、氮化硅‑铌酸锂电光调制器、锗‑硅探测器和电子电路集成在同一衬底上，用于减少了光电系统的尺寸，减少电、光互联距离，从而极大的减少寄生参数对集成系统的不利的影响；避免了光路模块和电路模块间的封装，降低了封装成本。发挥铌酸锂材料优异的电光性能、氮化硅材料低损耗、低偏振敏感度、高工艺容忍度与硅材料高折射率的优势，实现性能优异的单片光电集成系统。

Description

一种基于多材料体系的光电单片集成系统
技术领域
本发明涉及单片光电异质集成技术领域，具体地，涉及一种基于多材料体系的光电单片集成系统。
背景技术
光电系统融合光的传输优势与电的处理优势，可以实现高速的信号传输与处理。光电系统的集成可以通过混合集成技术或者异质集成技术实现。混合集成是通过封装技术进行光电子器件与电子器件的整合。相比于混合集成，光电单片集成技术通过将光电子器件与电子与电子电路集成在同一衬底上，大幅降低系统体积、功耗、寄生参数和封装成本，最终实现高速、高效信号传输与处理。半导体集成技术的飞速发展大大加速了光电集成技术的发展。近年来，基于多材料体系的半导体集成技术逐渐的受到国内外研究关注，即使用不同的材料集成不同的光电子器件，发挥各种材料的优势，提升器件和系统的性能。未来的研究将越来越趋向基于多材料体系平台，实现异质光电子器件、电子器件的多功能单片集成。
在现有技术中，单片光电集成技术中最为成熟的是硅基单片集成技术与磷化铟单片集成技术。然而这两种材料平台的缺陷在于：硅基单片集成难以集成光源等有源器件，硅基调制器的损耗较大、半波电压高；磷化铟单片集成成本较高、难以大规模集成。基于铌酸锂、氮化硅、磷化铟、硅、锗材料的光电集成技术是实现高性能、多功能光电集成系统的理想途径。它使得铌酸锂、氮化硅、磷化铟、硅、锗材料实现结合，再此基础上制备的光电集成系统将具备多功能、高性能的优势。铌酸锂材料具有优异的电光性能，适合制备低驱动电压、大带宽的电光调制器；磷化铟材料折射率高，具有较强的光约束能力，而且磷化铟材料是直接间隙半导体材料可以制备光源、放大器等有源光子器件；硅和氮化硅具有低成本、低损耗、CMOS兼容工艺等优点，适合制备高密度无源光子器件。利用单片集成技术将铌酸锂、氮化硅、磷化铟、硅、锗整合在同一衬底上，将大大降低光电集成系统的封装难度与成本、提升集成的密度与规模。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提出一种基于多材料体系的光电单片集成系统，该系统能够发挥铌酸锂材料优异的电光性能、氮化硅材料低损耗、低偏振敏感度、高工艺容忍度与硅材料高折射率的优势、磷化铟材料直接间隙的优势，可以集成激光器、电光调制器、无源光子器件、探测器等光电子器件与驱动电路与放大器电路等电子电路，实现性能优异的单片光电集成系统。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种基于多材料体系的光电单片集成系统，包括：晶圆基底以及集成于晶圆基底上的器件；
所述晶圆基底包括自下而上设置的：硅衬底层、铌酸锂薄膜层、氮化硅薄膜层和硅薄膜层；其中：所述硅薄膜层表面通过外延生长工艺附着分别形成磷化铟薄膜层和锗薄膜层；所述硅衬底层与所述铌酸锂薄膜层之间、所述铌酸锂薄膜层与所述氮化硅薄膜层之间、所述氮化硅薄膜层与所述硅薄膜层之间以及所述硅薄膜层与所述磷化铟薄膜层之间分别设有二氧化硅绝缘层；
所述器件包括磷化铟-硅激光器、硅无源光子器件、氮化硅无源光子器件、氮化硅-铌酸锂电光调制器以及锗-硅探测器和电子电路；其中：
所述氮化硅-铌酸锂电光调制器集成于氮化硅薄膜层-铌酸锂薄膜层上；
所述氮化硅无源光子器件集成于所述氮化硅薄膜层上；
所述硅无源光子器件与电子电路集成于所述硅薄膜层上；
所述磷化铟-硅激光器集成于所述磷化铟薄膜层-硅薄膜层上；
所述锗-硅探测器集成于所述锗薄膜层-硅薄膜层上，由硅上锗混合波导组成；
所述硅无源光子器件通过硅波导与磷化铟-硅激光器相连、通过硅波导进行彼此间互连、通过第一层间耦合器与氮化硅无源光子器件相连以及通过硅波导与锗-硅探测器相连；
所述氮化硅无源光子器件通过氮化硅波导进行彼此间互连以及通过第二层间耦合器与氮化硅-铌酸锂电光调制器进行互连；
所述氮化硅-铌酸锂电光调制器和所述锗-硅探测器分别通过金属线与电子电路相连。
优选地，所述氮化硅-铌酸锂电光调制器通过铌酸锂上氮化硅混合波导制备得到。
优选地，所述磷化铟-硅激光器通过硅上磷化铟混合波导制备得到。
优选地，所述第一层间耦合器通过刻蚀硅波导得到，使得光模场在硅波导与氮化硅波导中相互转移。
优选地，所述第二层间耦合器通过刻蚀氮化硅波导得到，使得光模场在氮化硅波导与铌酸锂薄膜中相互转移。
优选地，所述氮化硅无源光子器件包括：定向耦合器或者多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪以及延时线；其中：
所述马赫-曾德干涉仪与波分复用器相连；
所述波分复用器与定向耦合器或者多模干涉仪相连；
所述定向耦合器或者多模干涉仪与延时线相连。
优选地，所述硅无源光子器件包括：定向耦合器或者多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪以及微环；其中：
所述马赫-曾德干涉仪与波分复用器相连；
所述波分复用器与定向耦合器或者多模干涉仪相连；
所述定向耦合器或者多模干涉仪与微环相连。
优选地，所述电子电路包括：放大器电路、驱动电路、模数转换器电路、数模转换器电路以及数字处理电路；其中：
所述放大器电路通过金属线与模数转换器电路进行互连；
所述模数转换器电路通过金属线与数字处理电路进行互连；
所述数字处理电路通过金属线与数模转换器电路进行互连；
所述数模转换器电路通过金属线与驱动电路进行互连。
优选地，所述氮化硅-铌酸锂电光调制器通过金属线与驱动电路进行互连；
所述锗-硅探测器通过金属线与放大器电路进行互连；
所述电子电路通过金属线与外部的电子设备进行互连。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下有效果：
本发明提供的基于多材料体系的光电单片集成系统，通过将激光器、电光调制器、无源光子器件、探测器、放大器电路、驱动电路、模数转换器电路、数模转换器电路和数字处理电路集成在同一硅衬底上，形成光电单片集成系统，其优势在于减少了光电系统的尺寸；减少电、光互联距离，从而极大的减少寄生参数对集成系统的不利的影响；避免了光路模块和电路模块间的封装，降低了封装成本。
本发明提供的基于多材料体系的光电单片集成系统，发挥了铌酸锂材料优异的电光性能、氮化硅材料低损耗、低偏振敏感度、高工艺容忍度、硅材料高折射率和磷化铟是直接间隙半导体的优势，提升了光电系统具备的性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例所提供的基于多材料体系的光电单片集成系统的晶圆基底截面图；
图2为本发明实施例所提供的基于多材料体系的光电单片集成系统的互连示意图；其中：
(a)为光电子器件与电子电路间的互连示意图；
(b)为电子电路互连示意图；
图3为本发明实施例所提供的基于多材料体系的光电单片集成系统的截面图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种基于多材料体系的光电单片集成系统，包括：硅衬底层、铌酸锂薄膜层、氮化硅薄膜层和硅薄膜层、磷化铟薄膜层、锗薄膜层。所述硅衬底层与铌酸锂薄膜层之间、铌酸锂薄膜层与氮化硅薄膜层之间、氮化硅薄膜层与硅薄膜层之间、硅薄膜层与磷化铟层之间分别设有二氧化硅绝缘层，作为隔离层；所述铌酸锂薄膜层-氮化硅薄膜层集成氮化硅-铌酸锂电光调制器；所述氮化硅薄膜层集成氮化硅无源光子器件；所述硅薄膜层集成硅无源光子器件与电子电路；所述磷化铟薄膜层通过外延生长附着在硅薄膜层表面集成磷化铟-硅激光器；所述锗薄膜层通过外延生长附着在硅薄膜层表面集成锗-硅探测器。
所述氮化硅无源光子器件包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪及延时线；其中：马赫-曾德干涉仪与波分复用器相连；波分复用器与定向耦合器或者多模干涉仪相连；定向耦合器或者多模干涉仪与延时线相连。
所述硅无源光子器件定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪以及微环；其中：马赫-曾德干涉仪与波分复用器相连；波分复用器与定向耦合器或者多模干涉仪相连；定向耦合器或者多模干涉仪与微环相连。
所述电子电路包括放大电路、驱动电路、模数转换电路、数模转换电路以及数字处理电路；其中：所述放大器电路通过金属线与模数转换器电路进行互连；所述模数转换器电路通过金属线与数字处理电路进行互连；所述数字处理电路通过金属线与数模转换器电路进行互连；所述数模转换器电路通过金属线与驱动电路进行互连。
本发明实施例所提供的基于多材料体系的单片光电集成系统，其中各部件之间的互连形式包括：电互连与光互连。所述电互连包括：所述氮化硅-铌酸锂电光调制器通过金属线与驱动电路进行电互连；所述锗-硅探测器通过金属线与放大电路进行电互连；放大电路、驱动电路、模数转换电路、数模转换电路通过金属线进行电互连。所述光互连包括：所述氮化硅-铌酸锂电光调制器与氮化硅无源光子器件通过层间耦合器进行光互连；所述的氮化硅无源光子器件与氮化硅无源光子器件通过氮化硅波导进行光互连；所述氮化硅无源光子器件与硅无源光子器件通过层间耦合器进行光互连；所述硅无源光子器件与硅无源光子器件通过硅波导进行互连；所述的硅无源光子器件与磷化铟-硅激光器通过层间耦合器进行互连；所述硅无源光子器件与锗-硅探测器通过硅波导进行光互连。
下面结合附图对本发明实施例所提供的技术方案进行详细说明。
如图1所示，为本发明实施例所提供的晶圆基底截面图，所述晶圆基底包括：自下而上设置的硅衬底1、铌酸锂薄膜层3、氮化硅薄膜层4、硅薄膜层5。所述硅衬底层1与铌酸锂薄膜层3、铌酸锂薄膜层3与氮化硅薄膜层4、氮化硅薄膜层4与硅薄膜层5之间设置有二氧化硅绝缘层2，作为隔离层；所述铌酸锂薄膜层-氮化硅薄膜层集成氮化硅-铌酸锂电光调制器；所述氮化硅薄膜层集成氮化硅无源光子器件；所述硅薄膜层集成硅无源光子器件与电子电路。所述硅薄膜层通过外延生长工艺，制备形成磷化铟薄膜层和锗薄膜层，分别用于集成磷化铟-硅激光器和锗-硅探测器，所述硅薄膜层和磷化铟薄膜层之间设有二氧化硅绝缘层。所述氮化硅无源光子器件包括定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环与延时线；所述硅无源光子器件定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环；所述电子电路包括放大电路、驱动电路、模数转换电路、数模转换电路和数字处理电路。
如图2所示，为光电单片集成系统的互连示意图。图2中(a)为光电子器件与电子电路间的互连示意图，包括磷化铟-硅激光器6、硅无源光子器件7与氮化硅无源光子器件8，氮化硅-铌酸锂电光调制器9、锗-硅探测器10和电子电路11，所述硅无源光子器件7通过硅波导与磷化铟-硅激光器6相连；所述硅无源光子器件通过硅波导进行互连；所述硅无源光子器件7通过层间耦合器与氮化硅无源光子器件8相连；所述氮化硅无源光子器件8通过氮化硅波导进行互连；所述氮化硅无源光子器件8通过层间耦合器与氮化硅-铌酸锂电光调制器9进行互连；所述硅无源光子器件7通过硅波导与锗-硅探测器10相连；所述氮化硅-铌酸锂电光调制器9通过金属线与电子电路11相连；所述锗-硅探测器10通过金属线与电子电路11相连。图2中(b)为电子电路互连示意图，包括驱动电路12、数模转换器电路13、数字信号处理电路14、模数转换器电路15、放大器电路16，所述放大器电路16通过金属线与模数转换器电路15进行互连；所述模数转换器电路15通过金属线与数字处理电路14进行互连；所述数字处理电路通过金属线与数模转换器电路13进行互连；所述数模转换器电路13与驱动电路12通过金属线进行互连。
如图3所示，为光电单片集成系统的截面图，包括：磷化铟-硅激光器6、硅无源光子器件7与氮化硅无源光子器件8，氮化硅-铌酸锂电光调制器9、锗-硅探测器10、驱动电路12、放大器电路16、电子电路的外部电极17。所述氮化硅-铌酸锂电光调制器9与驱动电路12通过金属线进行互连；所述锗-硅探测器10与放大器电路16通过金属线进行互连；所述电子电路的外部电极17可以通过金属线与外部的电子设备进行互连。
本发明上述实施例所提供的基于多材料体系的光电单片集成系统，将磷化铟-硅激光器、硅无源光子器件、氮化硅无源光子器件、氮化硅-铌酸锂电光调制器、锗-硅探测器和电子电路集成在同一衬底上，用于减少了光电系统的尺寸；减少电、光互联距离，从而极大的减少寄生参数对集成系统的不利的影响；避免了光路模块和电路模块间的封装，降低了封装成本。发挥铌酸锂材料优异的电光性能、氮化硅材料低损耗、低偏振敏感度、高工艺容忍度与硅材料高折射率的优势，实现性能优异的单片光电集成系统。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，包括：晶圆基底以及集成于晶圆基底上的器件；
所述晶圆基底包括自下而上设置的：硅衬底层、铌酸锂薄膜层、氮化硅薄膜层和硅薄膜层；其中：所述硅薄膜层表面通过外延生长工艺附着分别形成磷化铟薄膜层和锗薄膜层；所述硅衬底层与所述铌酸锂薄膜层之间、所述铌酸锂薄膜层与所述氮化硅薄膜层之间、所述氮化硅薄膜层与所述硅薄膜层之间以及所述硅薄膜层与所述磷化铟薄膜层之间分别设有二氧化硅绝缘层；
所述器件包括磷化铟-硅激光器、硅无源光子器件、氮化硅无源光子器件、氮化硅-铌酸锂电光调制器以及锗-硅探测器和电子电路；其中：
所述氮化硅-铌酸锂电光调制器集成于氮化硅薄膜层-铌酸锂薄膜层上；
所述氮化硅无源光子器件集成于所述氮化硅薄膜层上；
所述硅无源光子器件与电子电路集成于所述硅薄膜层上；
所述磷化铟-硅激光器集成于所述磷化铟薄膜层-硅薄膜层上；
所述锗-硅探测器集成于所述锗薄膜层-硅薄膜层上，由硅上锗混合波导组成；
所述硅无源光子器件通过硅波导与磷化铟-硅激光器相连、通过硅波导进行彼此间互连、通过第一层间耦合器与氮化硅无源光子器件相连以及通过硅波导与锗-硅探测器相连；
所述氮化硅无源光子器件通过氮化硅波导进行彼此间互连以及通过第二层间耦合器与氮化硅-铌酸锂电光调制器进行互连；
所述氮化硅-铌酸锂电光调制器和所述锗-硅探测器分别通过金属线与电子电路相连。
2.根据权利要求1所述的基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，所述氮化硅-铌酸锂电光调制器通过铌酸锂上氮化硅混合波导制备得到。
3.根据权利要求1所述的基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，所述磷化铟-硅激光器通过硅上磷化铟混合波导制备得到。
4.根据权利要求1所述的基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，所述第一层间耦合器通过刻蚀硅波导得到，使得光模场在硅波导与氮化硅波导中相互转移。
5.根据权利要求1所述的基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，所述第二层间耦合器通过刻蚀氮化硅波导得到，使得光模场在氮化硅波导与铌酸锂薄膜中相互转移。
6.根据权利要求1所述的基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，所述氮化硅无源光子器件包括：定向耦合器或者多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪以及延时线；其中：
所述马赫-曾德干涉仪与波分复用器相连；
所述波分复用器与定向耦合器或者多模干涉仪相连；
所述定向耦合器或者多模干涉仪与延时线相连。
7.根据权利要求1所述的基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，所述硅无源光子器件包括：定向耦合器或者多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪以及微环；其中：
所述马赫-曾德干涉仪与波分复用器相连；
所述波分复用器与定向耦合器或者多模干涉仪相连；
所述定向耦合器或者多模干涉仪与微环相连。
8.根据权利要求1所述的基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，所述电子电路包括：放大器电路、驱动电路、模数转换器电路、数模转换器电路以及数字处理电路；其中：
所述放大器电路通过金属线与模数转换器电路进行互连；
所述模数转换器电路通过金属线与数字处理电路进行互连；
所述数字处理电路通过金属线与数模转换器电路进行互连；
所述数模转换器电路通过金属线与驱动电路进行互连。
9.根据权利要求8所述的基于多材料体系的光电单片集成系统，其特征在于，所述氮化硅-铌酸锂电光调制器通过金属线与驱动电路进行互连；
所述锗-硅探测器通过金属线与放大器电路进行互连；
所述电子电路通过金属线与外部的电子设备进行互连。
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