CN114864753B - 一种三层堆叠结构晶圆的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三层堆叠结构晶圆的制备方法及其应用。该三层堆叠结构晶圆可在晶圆层面集成信号调制层、光学导波层及光电转换层的三层堆叠结构。本发明通过在同一晶圆上集成三种异质材料的方法，可以有效规避传统方法在利用光学导波层进行信号调制时易产生的高插损和高加工难度的固有缺陷。通过将信号调制和光电转换分别转移至对应层进行处理，可充分利用各层材料特性以实现低调制插损且高光学增益的有源/无源集成光电器件芯片。

Description

一种三层堆叠结构晶圆的制备方法及应用
技术领域
本发明属于半导体工艺与材料领域，特别涉及一种基于异质集成的三层堆叠结构晶圆的制备方法及应用，基于该晶圆可制备包含多种功能的无源/有源光电器件的半导体晶圆平台，该平台可用于宽波长范围内的自由空间/链路空间通信，自由空间/链路传感与生物医疗感知等应用。
背景技术
摩尔定律自1965年被提出以来经历了几十年的发展，其受限于光学衍射极限以及现有半导体加工工艺与备选材料的趋势愈发明显。硅基光子集成电路（photonicintegrated circuits，PIC）自二十一世纪初期以来迅猛发展，其中心思想在于将传统光学分立器件通过片上集成的方式构建为如同微电子芯片（microelectronic chips）一般的微系统以实现不同光功能的单片集合功效。特别地，利用互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）工艺链及其变种工艺链实现PIC芯片的制备技术在近年来成为了主流。得益于精细线宽制程的帮助，PIC被主要应用在通信、传感以及近年开始兴起的模拟运算领域。
特别地，这些PIC必须操作在预定信道波长规划（即O波段（原始的；I260nm≤λ≤I360nm）；E波段（扩展的，I360nm≤λ≤ I460nm）；S波段（短的；I430nm≤λ≤ I530nm）；C波段（常规的；I530nm≤λ≤I565nm）；以及L波段（长的；I565nm≤λ≤1625nm）上，因为不同的波长光信号通常是从多个远程且分立的发射机提供的。信道波长规划是由国际电信联盟在ITU-T G .694 .1“SpectralGrids for WDM applications: DWDM Frequency Grid”中定义的。此外，其扩充定义还包括了U波段（超长的，I625nm≤λ≤1675nm）以及以2000nm为中心波长的下一代通讯波段。进一步地，随着PIC在传感以及空间通信领域的发展，其波长可扩展范围被进一步延伸至中红外波段（Mid-infrared，MIR，2-20μm。）
传统PIC制程最早基于平面光波电路，该类平台主要利用离子注入或者扩散的方式选择掺杂玻璃晶圆（如石英、氧化物、非线性晶体等）来构成折射率的突变区域以形成光场局域模式。该类平台的优势在于极低的光波传输损耗，然而其导波区域折射率变化（芯层/衬底折射率对比度）一般不超过5%，这使得芯片尺寸一般在cm级别。
备选地，可以采用砷化镓（GaAs）、砷化铝镓（AlGaAs）和磷化铟镓砷（InGaAsP）来用于850nm、1300nm和1550nm PIC。其半导体带隙可通过引入配方控制或者外部掺杂的手段进行微调。进一步地，可以通过开发采用铟（In）、镓（Ga）、铝（Al）、砷（As）和磷（P）的其他第三和三元半导体材料来跨可见和近紫外区采用PIC。由外延生长的半导体异质结构组成的PIC内的任何波导器件的功能是由其波段结构并且更特别地由（一个或多个）波导芯层、（一个或多个）覆层和衬底的带隙波长预先确定的。因此，功能不同的器件通常由不同的、但兼容的半导体材料制成，尽管通过有针对性的设计一些结构可以提供具有反向偏置极性的光放大和光电检测。然而，衬底和波导设计的选择对PIC的设计和制造两者有着深远的影响。由于其芯层/衬底折射率对比度较小，其器件大小与芯片尺寸仍存在局限性。
特别地，近几十年以来随着绝缘层上半导体材料（如绝缘层上硅Silicon-on-insulator, SOI）的制备工艺愈发成熟，科研与工程人员可以在高芯层/衬底折射率对比度的材料体系中设计更为紧凑的PIC。在半导体材料中的自由载流子效应可以被用来实现远超传统热光开关速率的高速信号调制，且该类PIC的加工也可得益于传统CMOS成熟工艺。然而，基于该原理实现的信号调制往往会引入比例很大的额外的光能量损耗，此外，其调制线性度受限于半导体结的非线性响应性质。并且，传统CMOS材料均为间接带隙半导体结构，这导致诸如激光器、光放大器等有源增益器件无法有效在该类材料平台上发展。近年来，随着分子束溅射技术的发展，半导体上异质材料（如Ge-on-Si，InP-on-Si等）可提供光接收器、光增益器件的单片集成解决方案。然而，此方法受限于由晶格失配的影响产生的缺陷层，从而导致其接收器的漏电流较高以及器件稳定性较低，同时该方法引入的晶格缺陷对于光增益器件而言同时也是致命的。进一步地，该类绝缘层上半导体的制备方法需要引入离子剪刀与晶圆键合技术，下面对这两项技术进行简要阐述。
一般地，离子剪刀（ion-cut）技术泛指利用高能量、大注入量的离子（如H+、H2 +，He等）束，通过电磁线圈加速的方式轰击至材料内部以构成缺陷富集层。在适当的退火条件下，缺陷富集层中的离子会自发聚集成为气体分子并贮存在由离子轰击造成的晶格缺陷当中，当聚集的气体分子达到一定数量时其内部产生的应力会使得材料中的晶格缺陷进一步扩大从而形成鳞片状的剥离（splitting）现象。通过将离子轰击后的半导体材料转移至给定衬底结构（一般地，多采用晶圆键合（wafer bonding）技术），可以实现大范围的半导体材料薄膜制备（其他如绝缘层上化合物半导体III/V-OI，II/IV-OI，绝缘层上四族半导体GOI，GeSnOI，SiCOI，SiGeSnOI，绝缘层上铌酸锂晶体LNOI等）。该方法的优点在于其薄膜厚度可控，但其退火过程容易引入额外的热应力从而造成晶圆破裂。
一般地，晶圆键合被广泛应用在用来形成半导体器件的多种半导体过程应用中。存在多种晶圆键合方法，包括粘合剂键合(adhesive bonding)、阳极键合(anodicbonding)、直接键合(direct wafer bonding)及金属焊接键合(metal solder bonding)等。
特别地，直接晶圆键合是指在没有任何中间黏着剂或外力的情况下将两个分离的晶圆表面接触并键合的过程。目前直接晶圆键合在微电子产业里拥有多种应用。半导体过程应用的实例包括衬底工程 (substrate engineering)、集成电路制造 (fabrication ofintegrated circuits)、微机电系统(micro-electromechanical-systems，MEMS)的包装和封装以及纯微电子组件的许多加工过的层的堆叠(3D integration)。其优点在于直接利用了半导体材料（典型的如Si-Si键合）界面上的悬挂键，因而便于形成垂直方向上的半导体结（junciton）结构。然而，直接键合的缺点在于其对与晶圆表面态的严苛要求。一般地，要求表面晶圆粗糙度（roughness mean square，RMS）小于0.5nm。
特别地，粘合剂键合指在待键合的晶圆表面通过旋涂、沉积、溅射、蒸镀或生长等方式形成介质层，晶圆之间的结合则通过介质层中材料的分子力进行键合。一般地、粘合剂键合中使用的介质包括但不限于氧化物（如氧化硅SiO2，氧化铝Al2O3，氧化铪HfO2等）、非晶态半导体（如非晶硅a-Si,非晶锗a-Ge等）、涂覆玻璃（spin-on-glass，SOG）以及聚合物材料等（如苯丙环丁烯BCB等）。该类键合方式可使得键合晶圆组合之间的界面具有良好的电绝缘性，然而其缺点在于介质层界面缺陷易导致器件失效。
进一步地，一种经过改善的PIC制备工艺则基于化合物半导体晶圆（III-V族以及II-VI族二元、三元及四元合金及其量子结构）与绝缘层上半导体之间的光电互联。其制备方法可基于直接或者粘合剂键合，同时可引入量子结构实现光学增益与光信号探测的功能。然而，在实现信号调制模块时需要引入不同禁带带隙的晶圆，因而需要考虑多种结构的化合物半导体晶圆与绝缘层上半导体之间的键合工艺。一种方式可通过对量子结构进行微扰（如quantum well intermixing）实现对禁带带隙的微调，然而对量子结构的破坏亦会使得器件可靠性降低。也可通过将化合物半导体晶圆预先进行分割并逐个键合至绝缘层上半导体，然而为了保证各部分功能区域之间互不干扰，在实际生产中必须牺牲大量晶圆面积来保证键合区域的独立性，这同时又容易引入过低的良率。
进一步地，绝缘层上光学晶体（如绝缘层上铌酸锂，LNOI等）亦可用于PIC制备工艺。以LNOI为例，其制备方法与SOI相似，相比较于SOI的非线性信号调制机制而言，LNOI的光学信号调制依赖于铌酸锂晶体的电光效应，因此可大幅简化其驱动电路的设计。然而，铌酸锂的刻蚀会引入额外金属离子，因此无法在现有CMOS基础上进行改进。同时，由于铌酸锂的干法刻蚀难以实现光滑平整的波导界面，因此其大密度高精度的PIC集成依旧难以实现。
综上，为了解决现有各类PIC集成工艺中的短板效应，亟需寻找一种足够优秀的折衷方案用以实现高密度、低能耗、较低加工难度的PIC材料平台。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本公开的目的在于提供一种三层堆叠结构晶圆的制备方法及应用，基于该晶圆可制备包含多种功能的无源/有源光电器件的半导体晶圆平台。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种三层堆叠结构晶圆的制备方法，所述三层堆叠结构晶圆由衬底晶圆、中间层晶圆和顶层晶圆/切片经过两次堆叠而成；
所述衬底晶圆具有信号调制层，所述中间层晶圆具有光学导波层，所述顶层晶圆/切片具有光电转换层；
第一次堆叠，将衬底晶圆与中间层晶圆结合并减薄得到光学波导晶圆；
第二次堆叠，将光学波导晶圆与顶层晶圆/切片结合并减薄得到最终的三层堆叠结构晶圆。
进一步地，所述信号调制层、光学导波层、光电转换层两两之间互为异质材料，具体地：
所述信号调制层包含有可作为调制器使用的材料体系中的一种或多种；
所述光学导波层包含以下的一种或多种：III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料、IV族半导体材料、氮化物或氧化物材料、铅盐类材料、石英、非线性晶体以及光学玻璃；
所述光电转换层包含以下的一种或多种：III-V族半导体材料及其一元或多元合金、II-VI族半导体材料及其一元或多元合金，IV族半导体材料及其一元或多元合金、以及基于上述材料体系实现的量子结构。
进一步地，所述信号调制层在衬底晶圆的顶层；所述光学导波层在中间层晶圆的顶层；
第一次堆叠过程中，对衬底晶圆和中间层晶圆的顶层进行表面悬挂键预处理，之后进行结合，将与衬底晶圆结合后的中间层晶圆进行减薄，保留光学导波层并进行后处理，得到光学波导晶圆。
进一步地，所述光电转换层在顶层晶圆/切片的顶层；所述光电转换层具有对光电信号间的转换和/或光信号的增益功能；
第二次堆叠过程中，首先对光学波导晶圆的顶层进行图案定义与刻蚀，形成平坦的介质层，再对介质层表面进行悬挂键预处理，之后与顶层晶圆/切片进行结合，将与光学波导晶圆结合后的顶层晶圆/切片进行减薄，保留光电转换层，得到最终的三层堆叠结构晶圆。
进一步地，在三层堆叠结构晶圆的顶层进行图案定义与刻蚀，在刻蚀后的三层堆叠结构晶圆的顶层形成保护层，并进行金属电极形成与封装。
进一步地，所述光电转换层由N型接触层、量子结构层、P型接触层依次堆叠形成，此时PN结或PIN结的电场指向垂直于顶层表面，通过调整量子结构层的厚度及组分，能够使光电转换层同时具有对光信号的产生、放大及接收功能；或者，所述光电转换层由模式匹配层和量子结构层堆叠而成，其中模式匹配层中需要形成P型接触和N型接触，此时PN结或PIN结的电场指向平行于顶层表面，通过共同调整模式匹配层和量子结构层的厚度及组分，能够使光电转换层同时具有对光信号的产生、放大及接收功能。
进一步地，所述光电转换层的材料为III-V族化合物半导体及其量子结构，厚度为0.1‒1.5微米；
所述光学导波层的材料为硅，厚度为0.2‒0.5微米；
所述信号调制层的材料为铌酸锂，厚度为0.1‒10微米；
所述三层堆叠结构晶圆的承载层为单晶硅层，或者单晶硅层与氧化硅层的结合，厚度为325‒825微米。
本发明制备的三层堆叠结构晶圆，可基于信号调制层、光学导波层及光电转换层之间的组合实现调制器/发射器/放大器/接收器功能。
对于本公开演示的调制器而言，实现载体为信号调制层，在电场分布的TM模式下，通过电光效应实现相位调制。其良好的调制线性度可以大幅简化外围驱动电路的设计与功耗，同时适用于大规模阵列集成。
对于本公开演示的发射器/放大器/接收器而言，实现载体为光电转换层，通过对三层堆叠结构的超模式波导中电场分布的调控，实现发射器/放大器/接收器功能。可通过优化光电转换层中的材料层结构及其包含的量子结构，使其适用于大规模光电信号处理。
本发明的有益效果是：本发明通过在同一晶圆上集成三种异质材料的方法，可以有效规避传统方法在利用光学导波层进行信号调制时易产生的高插损和高加工难度的固有缺陷。通过将信号调制和光电转换分别转移至对应层进行处理，可充分利用各层材料特性以实现高性能、高集成度的集成光电器件芯片。
附图说明
图1是本公开提供的实施例中三层堆叠结构晶圆的制备方法流程图；
图2（a）是本公开提供的实施例中三层堆叠结构晶圆第一备选方案W00-a结构图；
图2（b）是本公开提供的实施例中三层堆叠结构晶圆第二备选方案W00-b结构图；
图3（a）是本公开提供的实施例中中间层晶圆W02的层结构图；
图3（b）是本公开提供的实施例中衬底晶圆W01的层结构图；
图3（c）是本公开提供的实施例中中间层晶圆W02经过等离子表面活化处理后的层结构图；
图3（d）是本公开提供的实施例中衬底晶圆W01经过等离子表面活化处理后的层结构图；
图4（a）是本公开提供的实施例中光学波导晶圆W41经过步骤S04处理后的层结构图；
图4（b）是本公开提供的实施例中光学波导晶圆W41经过步骤S05处理后的层结构图；
图4（c）是本公开提供的实施例中光学波导晶圆W41经过步骤S06处理后的层结构图；
图4（d）是本公开提供的实施例中光学波导晶圆W41经过步骤S06处理并填充介质层的层结构图；
图5是本公开提供的实施例中顶层晶圆/切片第一备选方案W03-a和顶层晶圆/切片第二备选方案W03-b的层结构图；
图6（a1）和图6（a2）分别是本公开提供的实施例中三层堆叠结构晶圆第一备选方案W00-a的晶圆正面俯视图和层结构图；
图6（b1）和图6（b2）分别是本公开提供的实施例中三层堆叠结构晶圆第二备选方案W00-b的晶圆正面俯视图和层结构图；
图7（a）是本公开提供的实施例中光学波导晶圆W41经过步骤S08处理与顶层晶圆/切片W03结合后的层结构图；
图7（b）是本公开提供的实施例中光学波导晶圆W41经过步骤S09处理与顶层晶圆/切片W03结合后的层结构图；
图7（c）是本公开提供的实施例中光学波导晶圆W41经过步骤S10处理与顶层晶圆/切片W03结合后的层结构图；
图7（d）是本公开提供的实施例中光学波导晶圆W41经过步骤S10处理与顶层晶圆/切片W03结合并引入保护层I02的层结构图；
图8（a）是本公开提供的实施例中基于光学导波层L02和信号调制层L03构造的调制器结构示意图；
图8（b）是本公开提供的实施例中基于信号调制层L03、光学导波层L02和光电转换层L01构造的发射器/放大器/接收器结构示意图；
标记符号说明：
光电转换层L01；光学导波层L02；信号调制层L03；衬底绝缘层L04；衬底结构层L05；N型接触层L011；量子结构层L012；P型接触层L013；牺牲层L014；牺牲层衬底L015；模式匹配层L016；承载层L41；三层堆叠结构晶圆W00；三层堆叠结构晶圆第一备选方案W00-a；三层堆叠结构晶圆第二备选方案W00-b；衬底晶圆W01；中间层晶圆W02；顶层晶圆/切片W03；顶层晶圆/切片第一备选方案W03-a；顶层晶圆/切片第二备选方案W03-b；光学波导晶圆W41；界面B01；介质层I01；保护层I02；缺陷富集层X01；光学波导模式M01；信号调制层模式M02；三层堆叠结构波导模式M03；第一波导WG1-1；第二波导WG1-2；调制层第一超模式过渡波导SWG1-1；调制层第二超模式过渡波导SWG1-2；调制层超模式波导SWG2；光电转换层第一超模式过渡波导SWG3-1；光电转换层第二超模式过渡波导SWG3-2；光电转换层超模式波导SWG4；完全刻蚀部分P01、部分刻蚀部分P02、光电转换层刻蚀部分P03。
具体实施方式
虽然讨论了具体配置和布置，但是应当理解，这仅仅是为示例目的。本领域技术人员将认识到，能够使用其它配置和布置，而不脱离本公开的精神和范围。对本领域技术人员将明显的是，也能够将本公开采用于各种其它应用中。
应当注意，申请文件中对“一个实施例”、“实施例”、“范例实施例”、“一些实施例”等的引用指示描述的实施例可以包含特定特征、结构、或特性，但是每一个实施例可以不必包含该特定特征、结构、或特性。此外，该短语不必然指相同的实施例。此外，当联系实施例描述特定特征、结构或特性时，不管是否明确描述，与其它实施例相联系来实现该特征、结构或特性都在本领域技术人员的知识范围内。
通常，至少部分根据上下文中的使用来理解术语学。例如，于此使用的术语“一个或多个”，至少部分取决于上下文，可以用于在单数的意义上描述任何特征、结构、或特性，或可以用于在复数的意义上描述特征、结构或特性的组合。类似地，诸如“一”、“一个”、或“所述”的术语再次可以被理解为传达单数使用或传达复数使用，至少部分取决于上下文。另外，术语“基于”可以被理解为不必然意图传达排它的因素集，而是可以容许不必然清楚描述的附加因素的存在，再次，至少部分取决于上下文。
将易于理解的是，本公开中的“在……上”、“在……以上”、以及“在……之上”的意思应当被以最宽的方式解释，使得“在……上”不仅意指“直接在……(某物)上”，而且也包含“在……(某物)上”且其间具有中间特征或层，并且“在……以上”或“在……之上”不仅意指“在……(某物)以上”或“在……(某物)之上”的意思，而且也能够包含“在……(某物)以上”或“在……(某物)之上”，而其间没有中间特征或层(即，直接在某物上)的意思。
此外，空间上的相对术语，诸如“在……之下”、“在……以下”、“下部的”、“在……以上”、“上部的”等于此可以用于易于描述，以描述如图中示例的一个元件或特征与别的元件(单个或多个)或特征(单个或多个)的关系。除图中描绘的取向之外，空间上的相对术语还意图涵盖使用或操作中的器件的不同取向。装置可以另外地取向(旋转90度或以其它取向)并且可以同样地相应解释于此使用的空间上的相对描述符。
如于此使用的，术语“衬底”指一种材料，随后的材料层要增加到该材料上。能够对衬底自身进行构图。能够对增加到衬底顶上的材料进行构图，或者增加到衬底顶上的材料能够保持未被构图。此外，衬底能够包含宽广系列的半导体材料，诸如硅、锗、砷化镓、磷化铟等。替代地，衬底能够由诸如玻璃、塑料、或蓝宝石晶片的非导电材料构成。
如于此使用的，术语“层”指包含具有厚度的区域的材料部分。层能够在下覆或上覆结构的整个之上延伸，或可以具有比下覆或上覆结构的广度小的广度。此外，层能够是同质或异质连续结构的区域，该区域的厚度小于该连续结构的厚度。例如，层能够位于连续结构的顶部表面和底部表面之间的水平平面的任何对之间，位于连续结构的顶部表面和底部表面处的水平平面的任何对之间。层能够水平地、垂直地、和/或沿着锥形表面延伸。衬底能够是层，能够在其中包含一个或更多层，和/或能够在其上、其以上、和/或其以下具有一个或更多层。层能够包含多个层。例如，互连层能够包含一个或更多导体和接触层(其中，形成了互连线、和/或过孔接触部)和一个或更多电介质层。
如于此使用的，术语结构的“正面”指用以形成器件或随后将用以形成器件的结构的表面。
如于此使用的，术语结构的“半导体”指代但不限于具有落在导体和绝缘体的电导率值之间的电导率值的材料。该材料可以是单质材料或化合物材料。半导体可以包括但不限于单质、二元合金、三元合金和四元合金。使用一个或多个半导体形成的结构可以包括单个半导体材料、两个或更多半导体材料、单组成的半导体合金、两个或更多分立组成的半导体合金、以及从第一半导体合金缓变至第二半导体合金的半导体合金。半导体可以是未掺杂（本征）的、p型掺杂的、n型掺杂的、掺杂从一种类型的第一掺杂水平到相同类型的第二掺杂水平缓变的、以及掺杂从一种类型的第一掺杂水平到不同类型的第二掺杂水平缓变的中的一种。
进一步地，半导体可以包括但不限于IV族半导体，诸如在碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）之间的那些。
进一步地，半导体可以包括但不限于III-V族半导体，诸如在铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、氮（N）、磷（P）、砷（As）和锡（Sb）之间的那些。
进一步地，半导体可以包括但不限于II-VI族半导体，诸如在锌（Zn）、镉（Cd）、汞（Hg）、硫（S）、硒（Se）、碲（Te）和氧（O）之间的那些。
如于此使用的，术语结构的“金属”指代但不限于，作为容易失去外壳电子的结果而具有良好电导率和热导率的材料（单质、化合物和合金）。这可以包括但不限于金、铬、铝、银、铂、镍、铜、铑、钯、钨以及这样的材料的组合。
如于此使用的，术语结构的“量子结构”指代但不限于在一个或多个轴上具有物理尺寸的半导体结构，其中所述物理尺寸足够小使得电子和空穴的性质受量子力学和量子电性质支配。这可以包括但不限于：量子点，其是足够小使得其激子被约束在所有三个空间维度中的半导体材料的纳米晶体；量子阱，其中激子被约束在一个维度以使得它们可以在平面层中移动；以及量子线，其中激子被约束在两个维度中。“量子结构”可以包括但不限于分立量子结构（诸如胶状量子点）、分立量子线（诸如纳米管）、半导体结构内的量子结构（诸如纳米线内的量子点）、另一量子结构内的量子结构（诸如量子阱内的量子点或另一量子点内的量子点）亦或者是量子结构之间的串联和并联组合。
如于此使用的，术语结构的“光波导”、“介质波导”或“波导”指代但不限于，支持预定波长范围内的光信号的传播且沿着传播方向不变的介质媒介或媒介的组合。光波导可以以下各项中至少一个：包括至少芯和覆层（例如光纤）、形成为载体的一部分、形成在衬底内（例如平面光波电路、光子集成电路、集成光器件）的隔离结构和光波导。这包括但不限于由压型玻璃、压型掺杂石英、压型硫系玻璃和聚合物形成的柔性光波导。这进一步包括但不限于形成在以下各项内的光波导：AlGaAs-GaAs材料系统、InGaAs-InP材料系统、绝缘体上石英、硅上石英、掺杂硅、离子注入硅、硅上聚合物、硅上氮氧化硅、硅上聚合物、绝缘体上硅（SOI）和聚合物上聚合物。
如于此使用的，术语结构的“超模式波导”指代但不限于，支持预定波长范围内光信号传播且沿着传播方向不变的介质媒介或媒介组合。进一步地，超模式波导可以由前述“光波导”结构中的任意两种或三种结构堆叠构成，光模式分布在多层结构并可通过改变层结构和层上图案（包括但不限于采用在单层或多层材料上形成的脊型渐变结构或者光栅结构）的方式通过倏逝波耦合实现多层之间的波导模式传递。超模式波导可以是一下各项材料系统中至少两个的组合：AlGaAs-GaAs材料系统、InGaAs-InP材料系统、绝缘体上石英、硅上石英、掺杂硅、离子注入硅、硅上聚合物、硅上氮氧化硅、硅上聚合物、绝缘体上硅（SOI）和聚合物上聚合物。
如于此使用的，术语结构的“发射器”（Emitter）指代可将经过调制或未经过调制的电信号转换成从该模块输出的光信号的设备。这包括但不限于分立激光器或LED、集成激光器或LED、具有电-光信号调制的激光器或LED、基于量子结构的激光器或LED和基于MUX/DEMUX语段中描述的滤波器结构的激光器或LED等。
如于此使用的，术语结构的“放大器”（Amplifier）指代将经过调制或未经过调制的光信号能量经由该模块进行增幅的设备。这包括但不限于分立光纤放大器（fiberamplifier）、分立半导体光学放大器（semiconductor optical amplifier）、集成半导体光学放大器以及基于超模式波导和/或基于MUX/DEMUX语段中描述的滤波器结构的集成半导体光学放大器等。
如于此使用的，术语结构的“调制器”（Modulator）指代将经过调制的电信号印加到经过该模块的光信号，进而改变原始光信号的相位、幅度或偏振信息的设备。这类设备所基于的调制原理包括但不限于基于热光效应、电光效应、自由载流子效应、二阶及二阶以上非线性效应、双光子或多光子效应以及局域等离子激元调制效应等。
如于此使用的，术语结构的“接收器”（Detector）指代将接收到的光信号转换成电信号的设备。这包括但不限于分立光电检测器、集成光电检测器、具有电放大的光电检测器、具有电增益和逻辑生成电路的光电检测器、p-n光电二极管、p-i-n光电二极管、雪崩光电二极管、基于量子结构的p-n光电二极管、基于量子结构的p-i-n光电二极管、基于量子结构的雪崩光电二极管和金属-半导体-金属光电检测器。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
下面介绍本公开的实施例，在该实施例中，将介绍一种基于异质材料集成的三层堆叠结构晶圆的制备方法，材料体系包括三种不同目的的层结构，即信号调制层L03、光学导波层L02及光电转换层L01。
在实施例中，信号调制层L03包含有可作为调制器使用的材料体系中的一种或多种。
在实施例中，光学导波层L02包含以下的一种或多种：III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料、IV族半导体材料、氮化物或氧化物材料、铅盐类材料、石英、非线性晶体以及光学玻璃等。
在实施例中，光电转换层L01包含以下的一种或多种：III-V族半导体材料及其一元或多元合金、II-VI族半导体材料及其一元或多元合金，IV族半导体材料及其一元或多元合金、以及基于上述材料体系实现的量子结构。
优选地，在实施例中信号调制层L03材料体系选为铌酸锂晶体。
优选地，在实施例中光学导波层L02材料体系选为硅。
优选地，在实施例中光电转换层L01材料体系选为III-V族化合物半导体及其量子结构。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种三层堆叠结构晶圆的制备方法流程图，该方法包括如下步骤：
S00：开始。一般地，在该阶段同时应确定在实施例中的层组合及其附属层结构所形成的最终三层堆叠结构晶圆W00。如图2（a）和图2（b）所示，本公开提供了两种三层堆叠结构晶圆的备选方案，即三层堆叠结构晶圆第一备选方案W00-a和三层堆叠结构晶圆第二备选方案W00-b。
具体地，方案W00-a包含：光电转换层L01、光学导波层L02、信号调制层L03、衬底绝缘层L04及衬底结构层L05。
具体地，方案W00-b包含：光电转换层L01、光学导波层L02及信号调制层L03。
具体地，由于层结构构造需考虑晶圆在生产工艺线中的热预算（thermalbudget）。在进行层材料选择与匹配过程当中，需仔细考虑各层之间的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）以及其导热系数（coefficient of thermalconductivity， CTC）。
具体地，在实施例所提供的所有备选方案中，各个层材料的热膨胀系数及导热系数如表1所示：
表1
材料 热膨胀系数CTE 导热系数CTC
硅 2.6 × 10<sup>-6</sup> K<sup>-1</sup> 2.3 W cm<sup>-1</sup> °C<sup>-1</sup>
铌酸锂晶体（x轴‒c轴） 14.4‒7.5 × 10<sup>-6</sup> K<sup>-1</sup> 4.19‒4.61 W cm<sup>-1</sup> °C<sup>-1</sup>
氧化硅 0.5 × 10<sup>-6</sup> K<sup>-1</sup> 1.3 W cm<sup>-1</sup> °C<sup>-1</sup>
III-V族化合物半导体（以InP为例） 4.5× 10<sup>-6</sup> K<sup>-1</sup> 0.68 W cm<sup>-1</sup> °C<sup>-1</sup>
具体地，由于铌酸锂作为信号调制层L03的功能材料，其CTE与光学导波层L02的功能材料硅之间的CTE对比度可达到288%‒554%，这将导致在层结构堆叠过程当中热预算的快速失效，最终使得晶圆报废。
具体地，在晶圆处理过程当中，随着层结构的增加，其各层之间的热膨胀系数的差异将使得晶圆不可避免地引入额外的热应力。过高的热应力不仅会造成器件可靠性降低，也会大幅增加在生产过程当中晶圆因热应力累加而产生崩裂的可能性，这对于保障最终晶圆结构的良率而言十分关键。为防止在晶圆加工流程中热预算的快速消耗，需对各层结构的厚度进行仔细调整与优化。在实施例中，可采取将信号调制层L03材料转移至与光学导波层L02热膨胀系数近似的材料体系的方式来补偿CTE差异带来的热应力。需要注意的是，本实施例中所示各层参数可根据具体应用场景及需求灵活变化，应明确在充分理解该本实施例的基础上工程人员可对各参数进行具体优化调整，此类变化亦包含在该公开保护范围之内。
进一步地，在实施例中经优选后的层厚度方案如表2所示：
表2
记号 层材料 层厚度
L01 III-V族化合物半导体及其量子结构 0.1‒1.5微米（备选地，在本实施例采用的W00-a中为0.5微米）
L02 硅 0.2‒0.5微米（优选地，在本实施例采用的W00-a中为0.22微米）
L03 铌酸锂 0.1‒10微米（备选地，在本实施例采用的W00-a中为0.34微米）
L04 氧化硅 1‒10微米（优选地，在本实施例采用的W00-a中为2微米）
L05 单晶硅（优选地，在本实施例采用的W00-a中为本征硅） 325‒825微米（优选地，在本实施例采用的W00-a中为725微米）
进一步地，所述信号调制层L03、衬底绝缘层L04及衬底结构层L05组成衬底晶圆W01，如图3（b）所示。进一步地，衬底绝缘层L04及衬底结构层L05共同构成承载层L41，在某些特殊情况下，衬底绝缘层L04及衬底结构层L05可以为同一种材料。特别地，对于由铌酸锂构成的衬底晶圆W01，其具体实现方法已在其他公开中详细阐述，因而在本公开中对于衬底晶圆W01的制备方法不再赘述。
S01：提供衬底晶圆W01，其中信号调制层L03已经集成在衬底晶圆W01上。
补充地，截至本公开申请之日，实施例所选用的衬底晶圆W01其可提供尺寸为2‒6英寸。本公开并未指定衬底晶圆W01的具体尺寸，但应明白在不违背本公开中心思想的基础上，衬底晶圆W01的尺寸可依据具体应用场景与生产设备实际情况自由放大或缩小。
S02：提供中间层晶圆W02。
特别地，中间层晶圆W02可以是顶层为具有给定厚度的光学导波层L02的多层晶圆结构。
特别地，中间层晶圆W02可以是由光学导波层L02材料独立构成的单层晶圆结构。
S03：在对中间层晶圆W02与衬底晶圆W01的顶层表面进行预处理之后，将中间层晶圆W02与衬底晶圆W01结合。
进一步地，遍及本全文上下的术语结构的“结合”、“键合”、“粘合”指代晶圆/晶圆切片、晶圆/晶圆、晶圆切片/晶圆切片之间通过层结构介质或悬挂键/共价键结构实现层结构一体化的过程。
优选地，对实施例而言，可采用直接键合的方式，利用中间层晶圆W02与衬底晶圆W01的顶层分子疏水/亲水层结构实现二者之间的结合。
进一步地，直接键合具有差异较大的热膨胀系数的加工过的晶圆或一般晶圆需要低温键合过程以克服晶圆翘曲，同时对于典型硅晶圆键合而言其温度冗余并不能够满足其与异种材料键合的晶圆膨胀/翘曲匹配，热膨胀系数失配将导致晶圆去键合(debonding)。为尽量提高热预算，一种成熟工艺采用将晶圆放置于离子腔室内进行表面态活性化的方法来提高键合强度。该方法优势在于通过等离子轰击形成表面分子悬挂键，从而在后续低温（一般地，该温度小于或等于200℃）或者室温条件下的贴合状态中实现等同于高温处理后的晶圆键合强度。
具体地，等离子体活化键合方法包含使用氧气或惰性气体（如氮气、氩气等常见半导体工艺气体）等离子体的表面活化、使用去离子水的表面清洁、随后的初步键合、以及最后的热处理以键合两个晶圆。等离子体活化键合依赖于羟基中的氧键合和范德华力，以在热处理之前实现初步键合。在热处理期间，在缩合反应(condensation reaction)中去除水分子，在晶圆的正面之间形成共价键，以实现稳定的键合。
备选地，当中间层晶圆W02存在多层结构时，需对中间层晶圆W02进行如下预处理：
1. 需用常用半导体清洗工艺对晶圆进行1‒10分钟的清洗，包括但不限于等离子清洗、采用浸润或超声波下浸润的去离子水、RCA、SC1\SC2或有机溶剂对晶圆进行清洗；
2. 需对中间层晶圆W02的顶层表面进行等离子活化处理。
优选地，当中间层晶圆W02为单层结构时，需对中间层晶圆W02进行如下预处理：
1. 如图3（a）所示，由于中间层晶圆W02为单层结构，为保证机械强度其厚度一般需大于数百微米，且晶圆尺寸越大所需要的厚度越高。优选地，在本实施例中的单层晶圆结构为单晶硅晶圆。一般地，大尺寸单晶硅的薄膜转移很难通过多层结构实现。这一方面是因为硅单晶本身的价格低廉，另一方面是为形成硅薄膜不可避免地需要长时间的湿法/干法刻蚀，这同样会引入晶圆崩裂的风险。优选地，我们采用离子剪刀技术来引入光学导波层L02，该技术的具体实验已由其他公开详细阐述，在本公开中不做赘述。因此，在本步骤中，需确定离子剪刀引入缺陷富集层X01的位置。一般地，缺陷富集层X01的厚度需比指定的光学导波层L02多30‒80%，以保证光学导波层L02的晶格质量。
2. 如图3（c）所示，对经过离子剪刀处理的中间层晶圆W02的顶层表面进行等离子活化处理，等离子活化后的界面B01的亲疏水性需与衬底晶圆W01保持一致。
优选地，对衬底晶圆W01进行如下预处理：
1. 需用常用半导体清洗工艺对晶圆进行1‒10分钟的清洗，包括但不限于等离子清洗、采用浸润或超声波下浸润的去离子水、RCA、SC1\SC2或有机溶剂对晶圆进行清洗；
2. 如图3（d）所示，需对晶圆的顶层表面进行等离子活化处理，等离子活化后的界面B01的亲疏水性需与中间层晶圆W02保持一致。
进一步地，将经过顶层表面处理的中间层晶圆W02和衬底晶圆W01在特定氛围中进行对准键合操作。特别地，该氛围包括真空、氮气、氩气以及其他惰性气体氛围。在键合完成后，在相同氛围内经退火处理以加固两晶圆之间的共价键结合力。
S04：将与衬底晶圆W01结合后的中间层晶圆W02进行减薄处理，得到未经修复的光学波导晶圆W41。
优选地，减薄由对S03中经离子剪刀处理过的中间层晶圆W02与衬底晶圆W01的结合体进行高温退火实现。如图4（a）所示，减薄处理后得到未经修复的光学波导晶圆W41。
S05：通过化学机械研磨（chemical and mechanical polishing，CMP）与退火（annealing）提升光学导波层L02半导体薄膜晶格质量与表面平坦度。
具体地，由离子剪刀技术制备而成的半导体薄膜表面粗糙度极高（典型值为RMS=10~30 nm），并不适合光学波导或集成电路的制备。因而必须采用合适的研磨方式来对表面平整度进行修复。
具体地，通过采用含有氧化硅、氧化铝、金刚石等纳米颗粒材料的非中性悬浮液作为研磨液材料，以硬质研磨盘、软质研磨盘的顺序对光学波导晶圆W41表面进行研磨以除去缺陷富集层X01，并使得光学导波层L02到达指定厚度。
进一步地，由于离子剪刀技术会在远离缺陷富集层X01的位置形成少量轰击造成的缺陷，在完成化学机械研磨步骤后仍需通过退火的方式以修复晶圆中的晶格缺陷。这部分内容已在其他公开中详细阐述，故本公开不做赘述。
优选地，经减薄和退火处理后的光学波导晶圆W41的最终结构如图4（b）所示。
需特别注意地是，如无特殊说明，预处理后的键合界面B01将在后文省略。
S06：对光学导波层L02半导体薄膜进行图案定义与刻蚀并为下一次键合做预处理。
具体地，通过干法刻蚀的方式，可对光学导波层L02进行图案定义以形成必要的光学结构。该光学结构可作为发射器、调制器、接收器以及波导的一部分或一个与多个整体。刻蚀部分可包括完全刻蚀部分P01以及部分刻蚀部分P02，如图4（c）所示。
进一步地，图案定义后的光学波导晶圆W41可直接用于再次键合。
优选地，在刻蚀结束后，亦可选择通过沉积、溅射或蒸镀的方式填充其他材料（如氧化硅）作为承载光电转换层L01的介质层I01。其优点在于键合强度更高，可集成高密度的光电器件。然而，介质层I01在形成过程中会不可避免地形成台阶状起伏，这十分不利于后续再次键合的过程。
优选地，可通过引入第二次CMP的方式将介质层I01平坦化，如图4（d）所示。须注意的是在本过程中，需精细控制CMP的各参数以保证在平坦化过程中不会破坏原有的光学导波层L02上已被定义的图案。
S07：提供顶层晶圆/切片W03。
进一步地，如图5所示，本实施例提供两种备选顶层晶圆/切片W03的层结构方案：顶层晶圆/切片第一备选方案W03-a和顶层晶圆/切片第二备选方案W03-b。
具体地，顶层晶圆/切片第一备选方案W03-a包含：N型接触层L015、量子结构层L014、P型接触层L013、牺牲层L012和牺牲层衬底L011。其中，N型接触层L015、量子结构层L014和P型接触层L013构成光电转换层L01。
具体地，顶层晶圆/切片第二备选方案W03-b包含：模式匹配层L016、量子结构层L014、牺牲层L012和牺牲层衬底L011。其中，模式匹配层L016和量子结构层L014构成光电转换层L01。特别地，P型接触层L013和N型接触层L015可在后端工艺中通过扩散/离子注入的方式嵌入模式匹配层L016中。
其中，牺牲层衬底L011可选为InP，牺牲层L012可选为InGaAsP，量子结构层L014可选为基于InGaAsP的多层量子阱（multi-quantum well，MQW）结构。
S08：将光学波导晶圆W41与顶层晶圆/切片W03结合。
进一步地，为保证光学波导晶圆W41与顶层晶圆/切片W03之间的电气良绝缘性，需保证光学波导晶圆W41上的介质层仍包裹住光学导波层L02所构成的光学器件结构。
优选地，对光学波导晶圆W41需进行如下预处理：
1. 需用常用半导体清洗工艺对晶圆进行1‒10分钟的清洗，包括但不限于等离子清洗、采用浸润或超声波下浸润的去离子水、RCA、SC1\SC2或有机溶剂对晶圆进行清洗；
2.需对晶圆的顶层表面进行等离子活化处理，等离子活化后需保证顶层界面亲疏水性需与顶层晶圆/切片W03保持一致。
优选地，对顶层晶圆/切片W03需进行如下预处理：
1. 需用常用半导体清洗工艺对晶圆进行1‒10分钟的清洗，包括但不限于等离子清洗、采用浸润或超声波下浸润的去离子水、RCA、SC1\SC2或有机溶剂对晶圆进行清洗；
2.需对晶圆的顶层表面进行等离子活化处理，等离子活化后需保证顶层界面亲疏水性需与光学波导晶圆W41保持一致。
进一步地，将经过顶层表面处理的光学波导晶圆W41和顶层晶圆/切片W03在特定氛围中进行对准键合操作。特别地，该氛围包括真空、氮气、氩气以及其他惰性气体氛围。在键合完成后，在相同氛围内经退火处理以加固两晶圆之间的共价键结合力，键合后的晶圆层结构如图7（a）所示。
特别地，对于III-V族化合物半导体而言，受限于其晶体生长方法，截至本公开发表之日所能实现的最大三五组化合物半导体的晶圆尺寸为2‒6英寸。因此在执行步骤S08时，应灵活依据晶圆大小适时调整结合方案。
具体地，图6（a1）及图6（a2）分别表示步骤S08处理后得到的最终三层堆叠结构晶圆第一备选方案W00-a正面俯视结构和层结构。需明确，在本方案中，介质层I01被省略以凸显顶层晶圆/切片W03在光学波导晶圆W41上的堆叠方式。需明确，在该示意图中，光学导波层L02已集成了光学器件结构。在本方案中，顶层晶圆/切片W03可通过微纳结构转印的方式被结合至光学波导晶圆W41上指定位置。其优点在于可以灵活布置最终三层堆叠结构晶圆W00中的光学器件功能区，并且可以灵活调整顶层晶圆/切片W03中量子结构层L012内部的量子结构。然而对于该方案而言，其弊端在于需在结合过程中保证极高的对准精度以及高一致性的键合强度的要求十分苛刻。
具体地，晶圆切片/晶圆之间的键合过程相比较晶圆/晶圆之间的键合过程而言需要额外考虑晶圆切片与另一晶圆上功能区的对准与键合强度。由于直接键合工艺需要在键合后通过退火的方式触发缩合反应以保证键合强度，然而在宏观上缩合反应的晶圆分布并不均匀，因此不可避免地在键合过程中会出现部分晶圆切片去键合的现象。此外，切割晶圆切片的过程极易引入新的颗粒污染物，这会导致键合过程中出现局域气泡（void）或者造成去键合（debonding）从而影响整体良率。特别地，对于III-IV化合物半导体晶圆而言，其脆性远大于IV族半导体材料，因而在极易在切割时发生崩裂或者在切割结束后进行超声波清洗时发生崩裂。因而在工艺复杂度上，采用晶圆切片/晶圆键合的方案其良率提升空间有限，一种更为简单易行的方法则为晶圆/晶圆键合。
优选地，图6（b1）及图6（b2）分别表示步骤S08处理后得到的最终三层堆叠结构晶圆第二备选方案W00-b的正面俯视结构和层结构。该方案采用晶圆/晶圆结合。需明确，在本方案中，介质层I01被省略以凸显顶层晶圆/切片W03在光学波导晶圆W41上的堆叠方式。需明确，在该示意图中，光学导波层L02已集成了光学器件结构。需明确，此方案虽在晶圆尺寸上做出了妥协，但应理解在本公开中所采用三层堆叠结构晶圆W00中的顶层晶圆的具体尺寸并不局限于前述尺寸限制。
S09：将与光学波导晶圆W41结合后的顶层晶圆/切片W03进行减薄处理，得到三层堆叠结构晶圆W00。
具体地，可通过湿法刻蚀的方式除去牺牲层衬底L011及牺牲层L012，所得到的三层堆叠结构晶圆W00如图7（b）所示。
S10：对光电转换层L01半导体薄膜进行图案定义与刻蚀。根据具体实施例要求，其刻蚀方法可包括全部刻蚀或部分刻蚀，这两种方式由光电转换层刻蚀部分P03表示。随后在刻蚀后的光电转换层L01上形成保护层I02；
具体地，可通过干法刻蚀的方式对光电转换层L01进行图案转移，其示意图为图7（c）。
优选地，对于备选方案W03-a而言，可通过干法刻蚀的方式将经过图案定义的P型接触层L013和量子结构层L012移除，保留N型接触层L011用于后续电极定义。
备选地，对于备选方案W03-b而言，可通过干法刻蚀的方式将经过图案定义的模式匹配层L016和量子结构层L012移除，并额外定义P/N掺杂区域以实现横向PN/PIN结半导体结构。
优选地，在经图案定义后的三层堆叠结构晶圆W00上通过沉积、溅射或蒸镀的方式填充保护层I02（如氧化硅），其填充后的层结构如图7（d）所示。
S11：对三层堆叠结构晶圆W00执行后端金属电极成型工艺与封装。
具体地，通过在保护层I02与介质层I01上进行图案定义与干法/湿法刻蚀的方式，形成可让金属电极与指定功能区域具有良接触的空腔结构。
具体地，金属电极的形成可通过沉积、溅射、蒸镀或电镀实现，其图案定义可通过剥离或刻蚀形成。
应了解，在形成金属电极过程中，工程人员可根据实际场景与具体指标灵活布置金属电极的大小、材料及其附属集成电路（如在光学导波层中增加掺杂步骤以实现电阻、电容、电感、场效应晶体管、双极性晶体管等电学器件。）。在不违背本公开的中心思想的前提下，以上变动均可认为包含在该实施例的演示范围内。
S12：结束流程。
在图8（a）和图8（b）所演示的实例当中，介绍了基于三层堆叠结构晶圆W00可实现的光电器件类型及其具体实现方法。
具体地，如图8（a）所示，该实例演示了一种基于光学导波层L02和信号调制层L03构造的调制器结构。
具体地，光信号经由光学导波层L02和信号调制层L03构成的第一波导WG1-1（可选地，在本实例中该波导的宽度为0.55微米）经由调制层第一超模式过渡波导SWG1-1输入至调制层超模式波导SWG2（可选地，在本实例中该超模式波导的宽度为0.35微米）。在调制层超模式波导SWG2中，光信号可由印加在信号调制层L03上的电场经由本实例中信号调制层L03所选用铌酸锂的线性电光效应进行相位信号的调制。经过调制的光信号通过调制层第二超模式过渡波导SWG1-2输出至第二波导WG1-2。
具体地，第一波导WG1-1与第二波导WG1-2中的截面电场分布由光学波导模式M01所演示，所展示的模式类型为TE00。
一般地，第一波导WG1-1与第二波导WG1-2亦可在其他区域中构成诸如S型、L型或U型弯曲波导、N×N端口方向耦合器、Y型分支、M×N 端口MMI以及M×N星型耦合器等无源光学结构。
本实例中的第一波导WG1-1与第二波导WG1-2为条形波导（channel waveguide）结构。一般地、亦可构成脊型波导（rib waveguide）、槽波导（slot waveguide）以及基于布拉格光栅结构、超晶格结构或光子晶体实现的光波导。
本实例中的调制层超模式波导SWG2的光学导波层L02部分为条形波导结构。一般地、亦可构成脊型波导、槽波导以及基于布拉格光栅结构、超晶格结构或光子晶体实现的光波导。
具体地，在条形波导的结构下，调制层超模式波导SWG2中的截面电场分布由信号调制层模式M02所演示，所展示的模式类型为TM00。由于外加电场在光学导波层L02和信号调制层L03的界面处强度最高，因此应尽可能将调制层超模式波导SWG2中的截面电场分布中心微调至界面处。在本实例中，通过缩小调制层超模式波导SWG2中光学导波层L02部分波导结构的宽度，可限制TE模式的产生。需注意，其他波导结构例如槽波导和光子晶体波导等亦可以实现类似效果。在不违反本公开中心思想的前提下，将认为这类改变仍可归于该实例演示的效果之内。
具体地，如图8（b）所示，该实例演示了一种基于信号调制层L03、光学导波层L02和光电转换层L01构造的发射器/放大器/接收器结构。
进一步地，该实例的实施可通过精细设计光电转换层L01厚度以及光学导波层L02所构成的光学波导宽度来实现。其电场分布可由三层堆叠结构波导模式M03所演示。需注意，其他波导结构例如槽波导和光子晶体波导等亦可以实现类似效果。在不违反本公开中心思想的前提下，将认为这类改变仍可归于该实例演示的效果之内。
具体地，光信号经由光学导波层L02和信号调制层L03构成的第一波导WG1-1（可选地，在本实例中该波导的宽度为0.55微米）经由信号调制层L03、光学导波层L02和光电转换层L01构成的光电转换层第一超模式过渡波导SWG3-1输入至光电转换层超模式波导SWG4（可选地，在本实例中该超模式波导中光学导波层L02部分的宽度为0.35微米）依据其应用进行相应处理：
作为放大器，在光电转换层超模式波导SWG4中，光信号模式通过光电转换层第一超模式过渡波导SWG3-1将波导模式中心强度过渡至光电转换层超模式波导SWG4中光电转换层L01的量子结构层L012以尽可能提高放大效率。经过放大的光信号通过光电转换层第二超模式过渡波导SWG3-2输出至第二波导WG1-2。
作为发射器，需在第一波导WG1-1和第二波导WG1-2上或之外形成谐振腔结构，其实现方法在术语“发射器”中亦做出了定义。在光电转换层超模式波导SWG4中，光信号模式通过光电转换层第一超模式过渡波导SWG3-1将波导模式中心强度过渡至光电转换层超模式波导SWG4中光电转换层L01的量子结构层L012以尽可能提高电能-光能转换效率。经过谐振腔选择产生的光信号通过光电转换层第二超模式过渡波导SWG3-2输出至第二波导WG1-2。
作为接收器，在光电转换层超模式波导SWG4中，光信号模式通过光电转换层第一超模式过渡波导SWG3-1将波导模式中心强度过渡至光电转换层超模式波导SWG4中光电转换层L01的量子结构层L012以尽可能提高光能-电能效率。由于接收器属于终端（terminal）器件的一种，故在此实例中无需光电转换层第二超模式过渡波导SWG3-2及第二波导WG1-2。
特别地，对于调制层第一超模式过渡波导SWG1-1、调制层第二超模式过渡波导SWG1-2、光电转换层第一超模式过渡波导SWG3-1及光电转换层第二超模式过渡波导SWG3-2而言，本实例中所述结构均为单段线性渐变结构。需注意该渐变结构可包含以下变动：具有多段线性渐变结构的组合、具有单段或多段非线性渐变结构的组合、具有多段线性/非线性渐变结构的组合、具有单段或多段光栅结构的组合及包含具有抑制反射作用的上述组合的集合。
特定实施例的前述描述将如此揭露本公开的总体特性，以致其他人通过应用本领域技术人员的知识，在没有不适当的试验的情况下，能够容易地修改和/或适应该特定实施例的各种应用，而不脱离本公开的总体概念。因此，基于于此陈述的教导和指导，意图该适应和修改在公开的实施例的等同的意义和范围内。将理解，于此的措词和术语是用于描述目的，而不是限制，使得本说明书的术语或措词应由本领域技术人员基于该教导和指导来进行解释。
以上已经借助于示例实施特定功能及其关系的功能构建块描述了本公开的实施例。为描述方便，于此任意限定了和这些功能构建块的边界。能够限定替代边界，只要适合地执行了其指定功能及关系就行。
发明内容和摘要部分可以阐述由发明人(一个或多个)设想的本公开的一个或多个但不是全部示范性实施例，并且从而不是意在以任何方式限制本公开和所附权利要求。
本公开的广度和范围不应受到任何上述示范性实施例的限制，而仅仅应当被根据以下权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种三层堆叠结构晶圆的制备方法，其特征在于，所述三层堆叠结构晶圆由衬底晶圆、中间层晶圆和顶层晶圆/切片经过两次堆叠而成；
所述衬底晶圆具有信号调制层、衬底绝缘层和衬底结构层，所述信号调制层的材料为铌酸锂，所述衬底结构层的材料为硅；所述中间层晶圆具有光学导波层；所述顶层晶圆/切片具有光电转换层；
第一次堆叠，将衬底晶圆与中间层晶圆结合并减薄得到光学波导晶圆；
第二次堆叠，将光学波导晶圆与顶层晶圆/切片结合并减薄得到最终的三层堆叠结构晶圆；
所述信号调制层在衬底晶圆的顶层；所述光学导波层在中间层晶圆的顶层；
第一次堆叠过程中，对衬底晶圆和中间层晶圆的顶层进行表面悬挂键预处理，之后进行结合，将与衬底晶圆结合后的中间层晶圆通过离子剪刀进行减薄，保留光学导波层并进行后处理，得到光学波导晶圆；
所述光电转换层在顶层晶圆/切片的顶层；所述光电转换层具有对光电信号间的转换和/或光信号的增益功能；
所述光电转换层由N型接触层、量子结构层、P型接触层依次堆叠形成，此时PN结或PIN结的电场指向垂直于顶层表面，通过调整量子结构层的厚度及组分，能够使光电转换层同时具有对光信号的产生、放大及接收功能；
或者，所述光电转换层由模式匹配层和量子结构层堆叠而成，其中模式匹配层中需要形成P型接触和N型接触，此时PN结或PIN结的电场指向平行于顶层表面，通过共同调整模式匹配层和量子结构层的厚度及组分，能够使光电转换层同时具有对光信号的产生、放大及接收功能；
第二次堆叠过程中，首先对光学波导晶圆的顶层进行图案定义与刻蚀，形成平坦的介质层，再对介质层表面进行悬挂键预处理，之后与顶层晶圆/切片进行结合，将与光学波导晶圆结合后的顶层晶圆/切片进行减薄，保留光电转换层，得到最终的三层堆叠结构晶圆；
所述光电转换层的材料为III-V族化合物半导体及其量子结构，厚度为0.1‒1.5微米；
所述光学导波层的材料为硅，厚度为0.2‒0.5微米；
所述信号调制层的厚度为0.1‒10微米。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号调制层、光学导波层、光电转换层两两之间互为异质材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在三层堆叠结构晶圆的顶层进行图案定义与刻蚀，在刻蚀后的三层堆叠结构晶圆的顶层形成保护层，并进行金属电极形成与封装。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三层堆叠结构晶圆的承载层为单晶硅层，或者单晶硅层与氧化硅层的结合，厚度为325‒825微米。
5.一种权利要求1-4中任一项所述方法制备的三层堆叠结构晶圆的应用，其特征在于，基于信号调制层、光学导波层及光电转换层之间的组合实现调制器/发射器/放大器/接收器功能。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，对于调制器功能，实现载体为信号调制层，在电场分布的TM模式下，通过电光效应实现相位调制。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，对于发射器/放大器/接收器功能，实现载体为光电转换层，通过对三层堆叠结构的超模式波导中电场分布的调控，实现发射器/放大器/接收器功能。
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