CN115440760A - 半导体结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例公开了一种半导体结构及其制作方法，所述半导体结构包括：第一衬底；驱动电路，位于所述第一衬底上，包括并列设置的调制器驱动电路和激光器驱动电路；隔离层，位于所述驱动电路上；光器件结构，位于所述隔离层上，包括位于所述调制器驱动电路上的调制器结构和位于所述激光器驱动电路上的激光器结构；第一连接结构，至少贯穿所述隔离层，包括将所述调制器结构与所述调制器驱动电路电连接的多个第一导电柱和将所述激光器结构与所述激光器驱动电路电连接的多个第二导电柱。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种半导体结构及其制作方法。
背景技术
硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、绝缘体上硅等)，利用现有互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种结合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。
光调制器结构作为硅基光子学的核心有源器件，通过电极和光波导的相互作用，实现光信号的调制。然而，基于载流子色散效应实现的纯硅光调制器结构的带宽上限约为80GHz，现阶段很难有提升的空间。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提出一种半导体结构及其制作方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种半导体结构，包括：
第一衬底；
驱动电路，位于所述第一衬底上，包括并列设置的调制器驱动电路和激光器驱动电路；
隔离层，位于所述驱动电路上；
光器件结构，位于所述隔离层上，包括位于所述调制器驱动电路上的调制器结构和位于所述激光器驱动电路上的激光器结构；
第一连接结构，至少贯穿所述隔离层，包括将所述调制器结构与所述调制器驱动电路电连接的多个第一导电柱和将所述激光器结构与所述激光器驱动电路电连接的多个第二导电柱。
上述方案中，所述光器件结构还包括：位于所述隔离层和所述光器件结构之间的介质层；所述介质层包括对应所述调制器结构的第一区域和对应所述激光器结构的第二区域；
所述调制器结构包括：沿所述第一衬底厚度方向依次堆叠设置的第一波导层、铌酸锂层和第二衬底；所述铌酸锂层、所述激光器结构均位于所述介质层顶面；所述第一波导层位于所述介质层中且跨越所述第一区域和所述第二区域；所述激光器结构发射的光通过所述第一波导层耦合到所述调制器结构。
上述方案中，所述驱动电路还包括与所述调制器驱动电路并列设置的跨阻放大电路(TIA，Trans Impedance Amplifier)；
所述光器件结构还包括位于跨阻放大电路上的光电探测器；
所述第一连接结构还包括将所述光电探测器与所述跨阻放大电路电连接的多个第三导电柱。
上述方案中，所述半导体结构还包括：第二连接结构；所述第二连接结构贯穿所述第一衬底，包括分别将所述调制器驱动电路与第一外部器件连接的多个第四导电柱、将所述激光器驱动电路与第二外部器件连接的多个第五导电柱及将所述跨阻放大电路与第三外部器件连接的多个第六导电柱。
上述方案中，所述半导体结构还包括：位于所述介质层中的第二波导层；
所述介质层还包括对应所述调制器结构的第三区域；所述光电探测器和所述第二波导层均位于所述第三区域中，所述第一波导层还延伸至所述第三区域中；所述调制器结构发出的光通过所述第一波导层耦合到所述第二波导层中，并经所述第二波导层耦合到所述光电探测器中。
上述方案中，所述半导体结构还包括：第一电极层、第二电极层和第三电极层；
所述第一电极层位于所述第一区域中，所述第一电极层的顶面与所述铌酸锂层连接，所述第一电极层的底面与所述第一导电柱连接；
所述第二电极层位于所述第二区域中，所述第二电极层的顶面与所述激光器结构连接，所述第二电极层的底面与所述第二导电柱连接；
所述第三电极层位于所述第三区域中，所述第三电极层与所述光电探测器和所述第二导电柱连接。
上述方案中，所述第一波导层的材料和第二波导层的材料相同；所述第一波导层的材料和第二波导层的材料均包括硅或氮化硅。
上述方案中，所述半导体结构还包括电阻层，所述电阻层位于所述介质层中，用于对所述第一波导层和/或所述第二波导层加热；或者，所述电阻层用于对调制器结构终端进行电阻匹配。
上述方案中，所述铌酸锂层为平板状；
或者，
所述铌酸锂层包括平板部分和对应所述第一波导层的凸出部分；所述介质层中还包括用于容置所述凸出部分对应的凹槽。
上述方案中，所述半导体结构还包括：半导体层，所述半导体层位于所述驱动电路和所述隔离层之间，所述半导体层的电阻率高于预设值。
上述方案中，所述第一波导层包括两个线状部分和两个块状部分；两个线状部分均包括中间段和位于所述中间段两边的端部段，两个线状部分的中间段间的间距大于两个线状部分的端部段间的间距，两个块状部分分别将两边中一边的两个线状部分的端部段连接。
上述方案中，所述线状部分的中间段的线宽均为由两端向中部减小。
根据本公开的另一个方面，提供了一种半导体结构的制作方法，所述方法包括：
在第一衬底上形成驱动电路；所述驱动电路包括并列设置的调制器驱动电路和激光器驱动电路；
在所述驱动电路上形成隔离层；
形成至少贯穿所述隔离层的第一连接结构；所述第一连接结构包括将调制器结构与所述调制器驱动电路电连接的多个第一导电柱和将激光器结构与所述激光器驱动电路电连接的多个第二导电柱；
在所述隔离层上形成光器件结构；所述光器件结构包括位于所述调制器驱动电路上的所述调制器结构和位于所述激光器驱动电路上的所述激光器结构。
上述方案中，所述方法还包括：
在所述隔离结构上形成介质层；所述介质层包括对应所述调制器结构第一区域和对应所述激光器结构的第二区域；
所述调制器结构包括：第一波导层、铌酸锂层和第二衬底；形成所述调制器结构，包括：
在所述介质层中形成所述第一波导层；所述第一波导层跨越所述第一区域和所述第二区域；
在第二衬底上形成铌酸锂层；
将所述第二衬底与所述第一衬底键合，使得所述铌酸锂层位于所述介质层顶面；
形成所述激光器结构，包括：
在所述介质层的顶面形成所述激光器结构；所述激光器结构发射的光通过所述第一波导层耦合到所述调制器结构。
上述方案中，所述驱动电路还包括与所述调制器驱动电路并列设置的跨阻放大电路；
所述光器件结构还包括光电探测器，形成所述光电探测器包括：
在所述跨阻放大电路上形成所述光电探测器；
形成所述第一连接结构，还包括：
形成多个第三导电柱，所述第三导电柱将所述光电探测器与所述跨阻放大电路电连接。
上述方案中，所述方法还包括：形成贯穿所述第一衬底的第二连接结构；所述第二连接结构包括分别将所述调制器驱动电路与第一外部器件连接的多个第四导电柱、将所述激光器驱动电路与第二外部器件连接的多个第五导电柱及将所述跨阻放大电路与第三外部器件连接的多个第六导电柱。
上述方案中，所述方法还包括：
在所述介质层中形成第二波导层；所述介质层还包括对应所述调制器结构的第三区域；所述光电探测器和所述第二波导层均位于所述第三区域中，所述第一波导层还延伸至所述第三区域中；所述调制器结构发出的光通过所述第一波导层耦合到所述第二波导层中，并经所述第二波导层耦合到所述光电探测器中。
上述方案中，所述方法还包括：
在所述第一区域中形成第一电极层；所述第一电极层的顶面与所述铌酸锂层连接，所述第一电极层的底面与所述第一导电柱连接；
在所述第二区域中形成第二电极层；所述第二电极层的顶面与所述激光器结构连接，所述第二电极层的底面与所述第二导电柱连接；
在所述第三区域中形成第三电极层；所述第三电极层与所述光电探测器和所述第二导电柱连接。
上述方案中，所述方法还包括：
在所述介质层中形成电阻层；所述电阻层用于对所述第一波导层和/或所述第二波导层加热；或者，所述电阻层用于对调制器结构终端进行电阻匹配。
本公开实施例提供了一种半导体结构及其制作方法，所述半导体结构包括：第一衬底；驱动电路，位于所述第一衬底上，包括并列设置的调制器驱动电路和激光器驱动电路；隔离层，位于所述驱动电路上；光器件结构，位于所述隔离层上，包括位于所述调制器驱动电路上的调制器结构和位于所述激光器驱动电路上的激光器结构；第一连接结构，至少贯穿所述隔离层，包括将所述调制器结构与所述调制器驱动电路电连接的多个第一导电柱和将所述激光器结构与所述激光器驱动电路电连接的多个第二导电柱。本公开实施例中，一方面，将激光器驱动电路、调制器驱动电路、激光器结构、调制器结构进行三维集成，使得激光器驱动电路、调制器驱动电路、激光器结构、调制器结构均位于第一衬底上，不仅可以提高器件的集成度，还可以提高信号的传输速率和带宽；另一方面，所述调制器结构与所述调制器驱动电路通过多个第一导电柱电连接，所述激光器结构与所述激光器驱动电路通过多个第二导电柱电连接，这样有利于减少信号的损耗，提高信号的质量。
附图说明
图1为本公开实施例提供的一种半导体结构的剖面结构示意图一；
图2为本公开实施例提供的一种半导体结构的剖面结构示意图二；
图3为本公开实施例提供的一种半导体结构的俯视结构示意图；
图4为本公开实施例提供的一种第一波导层和第二波导层重叠的结构示意图；
图5为本公开实施例提供的一种半导体结构的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本公开的技术方案进一步详细阐述。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方法，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻的理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体的描述本公开。根据下面说明和权利要求书，本公开的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本公开实施例的目的。
可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示其“在”某物“上”且其间没有居间特征或层(即直接在某物上)的含义，而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义。
此外，为了便于描述，可以在本文中使用诸如“在……上”、“在……之上”、“在……上方”、“上”“上部”等的空间相对术语来描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了在附图中所描绘的取向之外，空间相对术语旨在涵盖设备在使用或操作中的不同取向。装置可以以其它方式定向(旋转 90度或处于其它取向)并且同样可以相应地解释本文使用的空间相对描述词。
在本公开实施例中，术语“衬底”是指在其上添加后续材料层的材料。衬底本身可以被图案化。被添加在衬底顶部的材料可以被图案化或者可以保持未被图案化。此外，衬底可以包括多种半导体材料，例如硅、硅锗、锗、砷化嫁、磷化锢等。替代地，衬底可以由非导电材料制成，例如玻璃、塑料或蓝宝石晶圆。
在本公开实施例中，术语“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可以在下方或上方结构的整体之上延伸，或者可以具有小于下方或上方结构范围的范围。此外，层可以是厚度小于连续结构厚度的均质或非均质连续结构的区域。例如，层可位于连续结构的顶表面和底表面之间，或者层可在连续结构顶表面和底表面处的任何水平面对之间。层可以水平、垂直和/或沿倾斜表面延伸。层可以包括多个子层。例如，互连层可包括一个或多个导体和接触子层(其中形成互连线和/或过孔触点)、以及一个或多个电介质子层。
在本公开实施例中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
基于载流子色散效应实现的纯硅光调制器结构的带宽上限约为80GHz，现阶段很难有提升的空间。铌酸锂薄膜调制器结构理论带宽可以达到500GHz，发展前景十分诱人，可有效解决带宽受限的问题。
然而，相关技术中，铌酸锂薄膜调制器结构与调制器驱动电路集成方式局限于金丝打线，会引入额外的高频损耗和信号质量下降；并且铌酸锂薄膜调制器结构在与其它光芯片(例如，光电探测器)集成时，存在性能劣化、工艺兼容性差，难以大规模生产等问题；另外，激光器结构未与铌酸锂薄膜调制器结构集成。
有鉴于此，本公开实施例提供一种半导体结构。
图1为本公开实施例提供的一种半导体结构的剖面结构示意图。如图1所示，本公开实施例提供的半导体结构包括：
第一衬底101；
驱动电路，位于所述第一衬底101上，包括并列设置的调制器驱动电路102 和激光器驱动电路103；
隔离层104，位于所述驱动电路上；
光器件结构，位于所述隔离层104上，包括位于所述调制器驱动电路102 上的调制器结构和位于所述激光器驱动电路103上的激光器结构105；
第一连接结构，至少贯穿所述隔离层104，包括将所述调制器结构与所述调制器驱动电路102电连接的多个第一导电柱106和将所述激光器结构105与所述激光器驱动电路103电连接的多个第二导电柱107。
这里，第一衬底101可以是半导体衬底；具体包括至少一个单质半导体材料(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底等)、至少一个III-V化合物半导体材料(例如为氮化镓(GaN)衬底、砷化镓(GaAs)衬底、磷化铟(InP)衬底等)、至少一个II-VI化合物半导体材料、至少一个有机半导体材料或者在本领域已知的其他半导体材料。
这里，调制器驱动电路102用于驱动调制器结构，激光器驱动电路103用于驱动激光器结构105。
这里，所述隔离层104的材料包括但不限于二氧化硅。
在一些具体示例中，第一导电柱106和第二导电柱107均可以为金属铜过孔(Through Silicon Via，TSV)。这里，金属铜过孔具有3dB带宽≥110GHz互连特性。
这里，第一导电柱106和第二导电柱107的形成过程均可以是先形成过孔，再在过孔中填充导电材料。在一些具体示例中，填充在通孔中的材料包括但不限于铜、钨。
可以理解的是，相关技术方案中，调制器结构与调制器驱动电路102集成方式局限于金丝打线，会引入额外的高频损耗和信号质量下降，而本公开实施例中，通过在调制器结构与调制器驱动电路之间设置第一导电柱106，调制器结构与调制器驱动电路之间通过第一导电柱106实现互连，有利于缩短调制器结构与调制器驱动电路之间电调制信号的传输距离，提升调制器结构的响应速率，并且有利于减少高频信号的损耗，提高信号的质量。
在一些具体示例中，可以在其他工艺平台中在第三衬底上形成激光器结构 105，再将第一衬底与第三衬底通过倒装键合(Flip Chip)连接，激光器结构提供的光信号通过后文中提到的第一波导层耦合输出至调制器结构，实现了发射端光源与调制器结构的集成。
在一些实施例中，所述光器件结构还包括：位于所述隔离层104和所述光器件结构之间的介质层108；所述介质层108包括对应所述调制器结构的第一区域和对应所述激光器结构105的第二区域；
所述调制器结构包括：沿所述第一衬底101厚度方向依次堆叠设置的第一波导层109、铌酸锂层110和第二衬底111；所述铌酸锂层110、所述激光器结构105均位于所述介质层108顶面；所述第一波导层109位于所述介质层108 中且跨越所述第一区域和所述第二区域；所述激光器结构105发射的光通过所述第一波导层109耦合到所述调制器结构。
这里，所述第二衬底111的材料可以是半导体衬底；具体包括至少一个单质半导体材料(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底等)、至少一个III-V化合物半导体材料(例如为氮化镓(GaN)衬底、砷化镓(GaAs)衬底、磷化铟(InP) 衬底等)、至少一个II-VI化合物半导体材料、至少一个有机半导体材料或者在本领域已知的其他半导体材料。第一衬底101和第二衬底111的材料可以相同或者不同。示例性的，第二衬底111为石英衬底。
在一些具体示例中，所述介质层108的材料包括但不限于二氧化硅。
在一些具体示例中，第一波导层109可以与铌酸锂层110接触，也可以与铌酸锂层110不接触。
在一些具体示例中，所述铌酸锂层110用于作为调制器结构中的电光调制层，所述铌酸锂层110具体可以包括铌酸锂薄膜。
在一些具体示例中，可以在其他工艺平台中在第一衬底101上形成铌酸锂层110后，再将第一衬底101与第二衬底111通过倒装键合(Flip Chip)连接，使得铌酸锂层110覆盖部分第一波导层109和第一电极层119。这里，铌酸锂层110通过倒装贴片技术，实现与第一衬底101的混合集成，具有较高的工艺容忍度。
可以理解的是，本公开实施例中，将铌酸锂薄膜作为电光调制层，铌酸锂因其在整个电信通信波段透明，具有很强的电光效应等优点。相较于硅光调制器结构，铌酸锂薄膜调制器结构的理论带宽可以达到500GHz，有利于提高调制器结构的带宽。
在一些实施例中，如图1所示，所述铌酸锂层110为平板状；
或者，
如图2所示，所述铌酸锂层110包括平板部分132和对应所述第一波导层 109的凸出部分133；所述介质层108中还包括用于容置所述凸出部分133对应的凹槽。
在一些具体示例中，凸出部分133的侧壁覆盖凹槽的侧壁，即凸出部分133 与凹槽的侧壁接触，如图2所示，凸出部分133与凹槽相互嵌合。在另一些具体示例中，凸出部分133的侧壁与凹槽的侧壁之间设置有间隙(图2中未示出)，即凸出部分133的侧壁与凹槽的侧壁未接触。
在一些具体示例中，凸出部分133的截面形状包括但不限于矩形、梯形。
可以理解的是，一方面，凸出部分133和凹槽可用作对准标记，例如，将凸出部分133的中心与凹槽的中心对准后，键合第一衬底101和第二衬底111，可以提高第一衬底101和第二衬底111之间的对准精度；另一方面，当铌酸锂层110包括平板部分132和对应所述第一波导层109的凸出部分133时，介质层108中的凹槽容纳凸出部分133，这样使得铌酸锂层110与介质层108贴合的更紧，降低第二衬底111发生脱落的概率，提高半导体结构的整体稳定性。
当铌酸锂层110仅包括平板部分时，不需要对铌酸锂层110进行刻蚀处理，这样可以使得工艺难度较小，工艺步骤减少，从而可以减小工艺成本。
图3为本公开实施例提供的一种半导体结构的俯视结构示意图。在一些实施例中，如图3所示，所述第一波导层包括两个线状部分124和两个块状部分 125；两个线状部分124均包括中间段和位于所述中间段两边的端部段，两个线状部分124的中间段间的间距大于两个线状部分124的端部段间的间距，两个块状部分125分别将两边中一边的两个线状部分124的端部段连接。
在一些实施例中，所述线状部分124的中间段的线宽均为由两端向中部减小。
这里，第一波导层的两个块状部分125可以分别为光分束器和光合束器，两个线状部分124构成双路波导结构。沿光信号传输的方向，光分束器将输入光进行分光后分别通过两个线状部分124耦合进入铌酸锂层110，经铌酸锂层110调制后的光再耦合进入两个线状部分124，通过光合束器进行干涉后输出，而后文中介绍的第一电极层119可以为第一波导层109提供电调制信号。
这里，光分束器、光合束器、位于光分束器和光合束器之间的双路波导结构以及铌酸锂层110构成马赫曾德尔干涉仪(MZI，Mach-Zehnder interferometer)结构。光分束器用于将输入光信号等分成两束光信号，两束光信号分别进入马赫增德尔干涉仪结构的两臂(即，双路波导结构)，然后两束光信号分别耦合进入到铌酸锂层110中，光在铌酸锂层110内传输时受到电调制信号的影响因而光的相位受到调制，之后这两束光信号再耦合进入到双路波导结构中，然后再通过光合束器进行干涉，最后输出光便是受到调制的光信号。
在一些具体示例中，分束器包括：1×2分束器或2×2分束器。这里，1× 2分束器具有1个输入端和2个输出端，2×2分束器具有2个输入端和2个输出端。如图3所示，为2×2分束器，分束器的两个输出端分别与双路波导结构的两个输入端连接。
在一些具体示例中，合束器包括：2×1合束器或2×2合束器。这里，2× 1合束器具有2个输入端和1个输出端，2×2合束器具有2个输入端和2个输出端。如图3所示，为2×2合束器，双路波导结构的两个输出端与合束器的两个输入端连接。
在一些实施例中，如图1以及图2所示，所述驱动电路还包括与所述调制器驱动电路102并列设置的跨阻放大电路112；
所述光器件结构还包括位于跨阻放大电路112上的光电探测器；
所述第一连接结构还包括将所述光电探测器与所述跨阻放大电路112电连接的多个第三导电柱114。
如图1以及图2所示，光电探测器包括：硅层113，位于所述隔离层104 上；锗吸收层126，位于硅层113上；N型掺杂结构127和P型掺杂结构128，位于隔离层104上；硅层113和锗吸收层126位于N型掺杂结构127和P型掺杂结构128之间；两个第三电极层121，两个第三电极层121分别位于N型掺杂结构127和P型掺杂结构128上；两个第三导电柱114，两个第三导电柱114 分别和两个第三电极层121电连接。
这里，两个第三电极层121也可以分别位于所述N型掺杂结构127和P型掺杂结构128的侧边。
在一些实施例中，所述半导体结构还包括：位于所述介质层108中的第二波导层118；
所述介质层108还包括对应所述调制器结构的第三区域；所述光电探测器和所述第二波导层118均位于所述第三区域中，所述第一波导层109还延伸至所述第三区域中；所述调制器结构发出的光通过所述第一波导层109耦合到所述第二波导层118中，并经所述第二波导层118耦合到所述光电探测器中。
这里，光信号输入第二波导层118后可以耦合至锗吸收层126，通过光电探测器将光信号转换为电信号，其中，利用跨阻放大电路112可将微弱的光信号进行放大。
在一些实施例中，所述第一波导层109的材料和第二波导层118的材料相同；所述第一波导层109的材料和第二波导层118的材料均包括硅或氮化硅。
可以理解的是，氮化硅的折射率为1.98，硅的折射率为3.4，使用硅作为第一波导层109和第二波导层118，对光信号的束缚性更好，这样使得第一波导层109和第二波导层118的尺寸更小。
在一些具体示例中，所述光电探测器位于介质层108中。
在一些具体示例中，如图4所示，第一波导层109和第二波导层118在第一衬底101上的正投影至少部分重叠。
在一些具体示例中，当第一波导层109的材料和第二波导层118的材料均包括氮化硅时，所述第一波导层109在垂直于第一衬底101的方向的厚度范围为300nm～500nm，所述第二波导层118在垂直于第一衬底101的方向的厚度范围为100nm～300nm，所述第一波导层109与第二波导层118具有重叠区，所述重叠区构成绝缘耦合过渡区，且重叠区的长度H范围为10um～150um。
可以理解的是，氮化硅和铌酸锂都是支撑400nm～2000nm光透明波段的材料，因此本公开实施例中调制器结构和光电探测器也将支撑400nm～2000nm光收发器。
在一些具体示例中，当第一波导层109的材料和第二波导层118的材料均包括硅时，所述第一波导层109在垂直于第一衬底101的方向的厚度范围为 150nm～300nm，所述第二波导层118在垂直于第一衬底101的方向的厚度范围为100nm～200nm，所述第一波导层109与第二波导层118具有重叠区，所述重叠区构成绝缘耦合过渡区，且重叠区的长度H范围为30um～200um。
这里，在第三区域中，第二波导层118可以位于第一波导层109的下方，光信号输入第一波导层109后可以耦合至第二波导层118，光信号输入第二波导层118后再耦合至光电探测器。
在一些实施例中，所述半导体结构还包括：半导体层123，所述半导体层 123位于所述驱动电路和所述隔离层104之间，所述半导体层123的电阻率高于预设值。
在一些具体示例中，所述预设值为750Ω·cm。需要说明的是，上述所提供的预设值只是示例性的示范，并不用于限定本公开实施例中预设值的具体值。
可以理解的是，本公开实施例中通过在隔离层104与驱动电路之间设置高电阻率的半导体层可以降低微波信号，有利于提高信号质量。
这里，所述半导体层123包括但不限于硅。
这里，半导体层123、隔离层104可以为绝缘体上硅SOI中的一部分，绝缘体上硅包括三部分：硅顶层、绝缘二氧化硅中间层、硅衬底层。本公开实施例中，半导体层123可以是绝缘体上硅中的硅衬底层，隔离层104可以是绝缘体上硅中的绝缘二氧化硅中间层，而绝缘体上硅中的硅顶层可以用于形成光电探测器中的硅层113。
在一些具体示例中，第一导电柱106、第二导电柱107、第三导电柱114除了贯穿隔离层104外，第一导电柱106、第二导电柱107、第三导电柱114还贯穿半导体层123以及部分介质层108。
在一些实施例中，如图1以及图2所示，所述半导体结构还包括：第二连接结构；所述第二连接结构贯穿所述第一衬底101，包括分别将所述调制器驱动电路102与第一外部器件连接的多个第四导电柱115、将所述激光器驱动电路103与第二外部器件连接的多个第五导电柱116及将所述跨阻放大电路112 与第三外部器件连接的多个第六导电柱117。
这里，第四导电柱115、第五导电柱116、第六导电柱117均可以通过在第一衬底101中形成穿硅通孔，再在穿硅通孔中填充导电材料形成。
可以理解的是，本公开实施例中，光电探测器、调制器结构、激光器结构 105所对应的信号类型不同，具体的光电探测器和调制器结构对应高频信号，而激光器结构105对应低频信号，因此光电探测器、调制器结构、激光器结构 105所需要的电压类型不同。本公开实施例通过设置第一外部器件、第二外部器件、第三外部器件，从而可以分别对探测器、调制器结构、激光器结构105 供电，从而可以满足探测器、调制器结构、激光器结构105各自不同的需求。
可以理解的是，本公开实施例中通过TSV技术实现外部器件与调制器结构、激光器结构105、光电探测器的电连接，从而使得半导体结构的集成度增大，半导体结构的面积缩小，有利于器件小型化发展。
在一些实施例中，所述半导体结构还包括：第一电极层119、第二电极层 120和第三电极层121；
所述第一电极层119位于所述第一区域中，所述第一电极层119的顶面与所述铌酸锂层110连接，所述第一电极层119的底面与所述第一导电柱106连接；
所述第二电极层120位于所述第二区域中，所述第二电极层120的顶面与所述激光器结构105连接，所述第二电极层120的底面与所述第二导电柱107 连接；
所述第三电极层121位于所述第三区域中，所述第三电极层121与所述光电探测器和所述第二导电柱107连接。
这里，第一电极层119的上表面与介质层108的上表面齐平，第二电极层 120的上表面与介质层108的上表面齐平，这样使得铌酸锂层110覆盖介质层 108的上表面和第一电极层119的上表面，从而使得铌酸锂层110和第一电极层119直接接触，第一电极层119为第一波导层109提供电调制信号。
这里，第一电极层119、第二电极层120、第三电极层121均可以通过硅光 CMOS工艺制备而成。
这里，第一电极层119、第二电极层120、第三电极层121既可以采用单端驱动也可以采用差分驱动方式。
这里，通过合理设置铌酸锂层110和第一电极层119的位置可以实现高效率调制。例如，铌酸锂层110的中心位于第一电极层119的电极间距的中心。
在一些具体示例中，第一电极层119、第二电极层120、第三电极层121的材料均包括但不限于铜、铝。
这里，第一电极层119可以作为调制器结构的行波电极，用于为第一波导层109提供电调制信号。
本公开实施例中，调制器驱动电路102通过第一导电柱106将高频电信号传输到上层的第一电极层119中，由于铌酸锂层110具有良好的线性泡克尔斯 (Pockels)效应，通过高频电信号电场的变化，使得第一波导层109和铌酸锂层110内光的相位发生变化，从而实现电信号到光信号的转换，完成电光调制。
本公开实施例中，将调制器结构、激光器结构105、光电探测器、第一波导层109、第二波导层118、第一导电柱106、第二导电柱107、第三导电柱114、第一电极层119、第二电极层120、第三电极层121均设置在第一衬底上，具有较高的工艺容忍度，可与现有的CMOS工艺兼容，且对调制器结构的性能影响较小，有利于大规模生产。
在一些具体示例中，所述半导体结构还包括第一焊球129、第二焊球130、第三焊球131；第一焊球129位于调制器驱动电路102与第一导电柱106之间，通过第一焊球129使得调制器驱动电路102与第一导电柱106电连接；第二焊球130位于激光器驱动电路103与第二导电柱107之间，通过第二焊球130使得激光器驱动电路103与第二导电柱107电连接；第三焊球131位于跨阻放大电路112与第三导电柱114之间，通过第三焊球131使得跨阻放大电路112与第三导电柱114电连接。
在一些具体示例中，所述第一焊球129、第二焊球130、第三焊球131的材料可以相同也可以不同。第一焊球129、第二焊球130、第三焊球131的材料均包括但不限于具有导电性能的金属或金属合金，例如，可以为银、铜或含有铜、银的合金等。
在一些实施例中，所述半导体结构还包括电阻层122，所述电阻层122位于所述介质层108中，用于对所述第一波导层109和/或所述第二波导层118加热；或者，所述电阻层122用于对调制器结构终端进行电阻匹配。
这里，当电阻层122用于对调制器结构终端进行电阻匹配时，电阻层122 的位置可以更靠近光合束器，电阻层122与第一电极层119电连接。该电阻层 122可以是调制器结构的终端负载电阻，可以通过优化设计电阻匹配结构，使得调制器结构和电阻层122二者的阻抗匹配以提高调制器结构的调制效率。
这里，当电阻层122用于对所述第一波导层109和/或所述第二波导层118 加热时，电阻层122的位置可以更靠近第一波导层109和/或第二波导层118，示例性的，电阻层122可以位于第一波导层109和/或第二波导层118下方，通过电阻层122的热辐射对第一波导层109和/或第二波导层118进行加热处理，从而实现对光信号的相位调节。在一些具体示例中，电阻层122与调制器驱动电路之间电连接，通过对电阻层122加热产生热量，可提高第一波导层109和/ 或第二波导层118附近的温度分布，进而影响第一波导层109和/或第二波导层 118中的模场分布，以实现对光信号的相位调节。
这里，所述电阻层122的材料包括但不限于氮化钛。电阻层122的材料还可以是其它金属材料。
本公开实施例提供一种三维集成光电探测器、调制器结构、激光器结构105 的半导体结构，且实现光芯片(即，光电探测器、调制器结构、激光器结构105) 和电芯片(即，跨阻放大电路112、调制器驱动电路102、激光器驱动电路103) 的三维集成。具有以下几大优势：(1)高速电芯片和光芯片的射频连接方式将很大程度影响信号传输与加载质量：包括信号完整性、微波损耗、阻抗连续型、寄生电容、寄生电感等等。采用基于TSV技术的3D集成堆叠方式，将有效降低电芯片和光芯片高频信号连接距离，非常利于实现带宽大于100GHz信号传输，将大幅度提高芯片整体带宽和速率；(2)采用3D集成电芯片和光芯片，将大幅度提高集成密度，提供更大高频连接自由度，可扩展性强；(3)本公开实施例中的铌酸锂层110与调制器驱动电路102之间、光电探测器与跨阻放大电路112之间、激光器结构105与激光器驱动电路103之间，都是通过硅光工艺实现的TSV互相连接，将实现高密度、大带宽光收发器；(4)跨阻放大电路 112、调制器驱动电路102、激光器驱动电路103是与外围PCB电路连接实现供电；(5)激光器结构105一直都是硅基材料和铌酸锂薄膜材料集成芯片所要解决的问题，本方案中通过倒装三五族芯片在硅光芯片，再通过波导结构耦合输出至调制器结构，实现了发射端光源与调制器结构的集成；同时，TSV技术连接激光器结构105和供电电路，提高了芯片集成度。(6)本公开实施例提供的半导体结构，第一电极层是在硅光工艺平台上加工实现的，区别于之前的调制器结构对应的电极制备，有利于大规模生产，降低成本；(7)本公开实施例提供的半导体结构，第一波导层109和第二波导层118作为接收端和发射端的光传输及耦合功能，增加了芯片设计的灵活性和自由度；(8)采用未刻蚀的平板状铌酸锂层110作为电光调制层，通过倒装键合工艺，实现与SOI芯片的混合集成，大幅度提高了工艺对准容差，将改善整体芯片的良率、一致性和综合性能。
本公开实施例提供了一种半导体结构，包括：第一衬底101；驱动电路，位于所述第一衬底101上，包括并列设置的调制器驱动电路102和激光器驱动电路103；隔离层104，位于所述驱动电路上；光器件结构，位于所述隔离层104上，包括位于所述调制器驱动电路102上的调制器结构和位于所述激光器驱动电路103上的激光器结构105；第一连接结构，至少贯穿所述隔离层104，包括将所述调制器结构与所述调制器驱动电路102电连接的多个第一导电柱106和将所述激光器结构105与所述激光器驱动电路103电连接的多个第二导电柱107。本公开实施例中，一方面，将激光器驱动电路 103、调制器驱动电路102、激光器结构105、调制器结构进行三维集成，不仅可以提高器件的集成度，还可以提高信号的传输速率和带宽；另一方面，所述调制器结构与所述调制器驱动电路102通过多个第一导电柱106电连接，所述激光器结构105与所述激光器驱动电路103通过多个第二导电柱 107电连接，这样使得有利于减小信号的损耗，提高信号的质量。
根据本公开实施例的另一方面，本公开实施例提供了一种半导体结构的制作方法。图5为本公开实施例提供的半导体结构的制作方法的流程示意图。如图5所示，本公开实施例提供的半导体结构的制作方法包括以下步骤：
S100：在第一衬底上形成驱动电路；所述驱动电路包括并列设置的调制器驱动电路和激光器驱动电路；
S200：在所述驱动电路上形成隔离层；
S300：形成至少贯穿所述隔离层的第一连接结构；所述第一连接结构包括将调制器结构与所述调制器驱动电路电连接的多个第一导电柱和将激光器结构与所述激光器驱动电路电连接的多个第二导电柱；
S400：在所述隔离层上形成光器件结构；所述光器件结构包括位于所述调制器驱动电路上的所述调制器结构和位于所述激光器驱动电路上的所述激光器结构。
在一些实施例中，所述方法还包括：
在所述隔离结构上形成介质层；所述介质层包括对应所述调制器结构第一区域和对应所述激光器结构的第二区域；
所述调制器结构包括：第一波导层、铌酸锂层和第二衬底；形成所述调制器结构，包括：
在所述介质层中形成所述第一波导层；所述第一波导层跨越所述第一区域和所述第二区域；
在第二衬底上形成铌酸锂层；
将所述第二衬底与所述第一衬底键合，使得所述铌酸锂层位于所述介质层顶面；
形成所述激光器结构，包括：
在所述介质层的顶面形成所述激光器结构；所述激光器结构发射的光通过所述第一波导层耦合到所述调制器结构。
在一些实施例中，所述驱动电路还包括与所述调制器驱动电路并列设置的跨阻放大电路；
所述光器件结构还包括光电探测器，形成所述光电探测器包括：
在所述跨阻放大电路上形成所述光电探测器；
形成所述第一连接结构，还包括：
形成多个第三导电柱，所述第三导电柱将所述光电探测器与所述跨阻放大电路电连接。
在一些实施例中，所述方法还包括：形成贯穿所述第一衬底的第二连接结构；所述第二连接结构包括分别将所述调制器驱动电路与第一外部器件连接的多个第四导电柱、将所述激光器驱动电路与第二外部器件连接的多个第五导电柱及将所述跨阻放大电路与第三外部器件连接的多个第六导电柱。
在一些实施例中，所述方法还包括：
在所述介质层中形成第二波导层；所述介质层还包括对应所述调制器结构的第三区域；所述光电探测器和所述第二波导层均位于所述第三区域中，所述第一波导层还延伸至所述第三区域中；所述调制器结构发出的光通过所述第一波导层耦合到所述第二波导层中，并经所述第二波导层耦合到所述光电探测器中。
在一些实施例中，所述方法还包括：
在所述第一区域中形成第一电极层；所述第一电极层的顶面与所述铌酸锂层连接，所述第一电极层的底面与所述第一导电柱连接；
在所述第二区域中形成第二电极层；所述第二电极层的顶面与所述激光器结构连接，所述第二电极层的底面与所述第二导电柱连接；
在所述第三区域中形成第三电极层；所述第三电极层与所述光电探测器和所述第二导电柱连接。
在一些实施例中，所述方法还包括：
在所述介质层中形成电阻层；所述电阻层用于对所述第一波导层和/或所述第二波导层加热；或者，所述电阻层用于对调制器结构终端进行电阻匹配。
在一些实施例中，所述第一波导层的材料和第二波导层的材料相同；所述第一波导层的材料和第二波导层的材料均包括硅或氮化硅。
在一些实施例中，所述铌酸锂层为平板状；
或者，
所述铌酸锂层包括平板部分和对应所述第一波导层的凸出部分；所述介质层中还包括用于容置所述凸出部分对应的凹槽。
在一些实施例中，所述半导体结构还包括：半导体层，所述半导体层位于所述驱动电路和所述隔离层之间，所述半导体层的电阻率高于预设值。
在一些实施例中，所述第一波导层包括两个线状部分和两个块状部分；两个线状部分均包括中间段和位于所述中间段两边的端部段，两个线状部分的中间段间的间距大于两个线状部分的端部段间的间距，两个块状部分分别将两边中一边的两个线状部分的端部段连接。
在一些实施例中，所述线状部分的中间段的线宽均为由两端向中部减小。
在一些具体示例中，在形成隔离层之前，所述方法还包括在跨阻放大电路、调制器驱动电路、激光器驱动电路上分别形成第一焊球、第二焊球、第三焊球。这里，可以同时形成所述第一焊球、第二焊球、第三焊球。
在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过非目标的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合。
本公开所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。
本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (19)
1.一种半导体结构，其特征在于，包括：
第一衬底；
驱动电路，位于所述第一衬底上，包括并列设置的调制器驱动电路和激光器驱动电路；
隔离层，位于所述驱动电路上；
光器件结构，位于所述隔离层上，包括位于所述调制器驱动电路上的调制器结构和位于所述激光器驱动电路上的激光器结构；
第一连接结构，至少贯穿所述隔离层，包括将所述调制器结构与所述调制器驱动电路电连接的多个第一导电柱和将所述激光器结构与所述激光器驱动电路电连接的多个第二导电柱。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述光器件结构还包括：位于所述隔离层和所述光器件结构之间的介质层；所述介质层包括对应所述调制器结构的第一区域和对应所述激光器结构的第二区域；
所述调制器结构包括：沿所述第一衬底厚度方向依次堆叠设置的第一波导层、铌酸锂层和第二衬底；所述铌酸锂层、所述激光器结构均位于所述介质层顶面；所述第一波导层位于所述介质层中且跨越所述第一区域和所述第二区域；所述激光器结构发射的光通过所述第一波导层耦合到所述调制器结构。
3.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述驱动电路还包括与所述调制器驱动电路并列设置的跨阻放大电路；
所述光器件结构还包括位于跨阻放大电路上的光电探测器；
所述第一连接结构还包括将所述光电探测器与所述跨阻放大电路电连接的多个第三导电柱。
4.根据权利要求3所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括：第二连接结构；所述第二连接结构贯穿所述第一衬底，包括分别将所述调制器驱动电路与第一外部器件连接的多个第四导电柱、将所述激光器驱动电路与第二外部器件连接的多个第五导电柱及将所述跨阻放大电路与第三外部器件连接的多个第六导电柱。
5.根据权利要求3所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括：位于所述介质层中的第二波导层；
所述介质层还包括对应所述调制器结构的第三区域；所述光电探测器和所述第二波导层均位于所述第三区域中，所述第一波导层还延伸至所述第三区域中；所述调制器结构发出的光通过所述第一波导层耦合到所述第二波导层中，并经所述第二波导层耦合到所述光电探测器中。
6.根据权利要求5所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括：第一电极层、第二电极层和第三电极层；
所述第一电极层位于所述第一区域中，所述第一电极层的顶面与所述铌酸锂层连接，所述第一电极层的底面与所述第一导电柱连接；
所述第二电极层位于所述第二区域中，所述第二电极层的顶面与所述激光器结构连接，所述第二电极层的底面与所述第二导电柱连接；
所述第三电极层位于所述第三区域中，所述第三电极层与所述光电探测器和所述第二导电柱连接。
7.根据权利要求5所述的半导体结构，其特征在于，所述第一波导层的材料和第二波导层的材料相同；所述第一波导层的材料和第二波导层的材料均包括硅或氮化硅。
8.根据权利要求5所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括电阻层，所述电阻层位于所述介质层中，用于对所述第一波导层和/或所述第二波导层加热；或者，所述电阻层用于对调制器结构终端进行电阻匹配。
9.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，
所述铌酸锂层为平板状；
或者，
所述铌酸锂层包括平板部分和对应所述第一波导层的凸出部分；所述介质层中还包括用于容置所述凸出部分对应的凹槽。
10.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括：半导体层，所述半导体层位于所述驱动电路和所述隔离层之间，所述半导体层的电阻率高于预设值。
11.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述第一波导层包括两个线状部分和两个块状部分；两个线状部分均包括中间段和位于所述中间段两边的端部段，两个线状部分的中间段间的间距大于两个线状部分的端部段间的间距，两个块状部分分别将两边中一边的两个线状部分的端部段连接。
12.根据权利要求11所述的半导体结构，其特征在于，所述线状部分的中间段的线宽均为由两端向中部减小。
13.一种半导体结构的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在第一衬底上形成驱动电路；所述驱动电路包括并列设置的调制器驱动电路和激光器驱动电路；
在所述驱动电路上形成隔离层；
形成至少贯穿所述隔离层的第一连接结构；所述第一连接结构包括将调制器结构与所述调制器驱动电路电连接的多个第一导电柱和将激光器结构与所述激光器驱动电路电连接的多个第二导电柱；
在所述隔离层上形成光器件结构；所述光器件结构包括位于所述调制器驱动电路上的所述调制器结构和位于所述激光器驱动电路上的所述激光器结构。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述隔离结构上形成介质层；所述介质层包括对应所述调制器结构第一区域和对应所述激光器结构的第二区域；
所述调制器结构包括：第一波导层、铌酸锂层和第二衬底；形成所述调制器结构，包括：
在所述介质层中形成所述第一波导层；所述第一波导层跨越所述第一区域和所述第二区域；
在第二衬底上形成铌酸锂层；
将所述第二衬底与所述第一衬底键合，使得所述铌酸锂层位于所述介质层顶面；
形成所述激光器结构，包括：
在所述介质层的顶面形成所述激光器结构；所述激光器结构发射的光通过所述第一波导层耦合到所述调制器结构。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述驱动电路还包括与所述调制器驱动电路并列设置的跨阻放大电路；
所述光器件结构还包括光电探测器，形成所述光电探测器包括：
在所述跨阻放大电路上形成所述光电探测器；
形成所述第一连接结构，还包括：
形成多个第三导电柱，所述第三导电柱将所述光电探测器与所述跨阻放大电路电连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：形成贯穿所述第一衬底的第二连接结构；所述第二连接结构包括分别将所述调制器驱动电路与第一外部器件连接的多个第四导电柱、将所述激光器驱动电路与第二外部器件连接的多个第五导电柱及将所述跨阻放大电路与第三外部器件连接的多个第六导电柱。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述介质层中形成第二波导层；所述介质层还包括对应所述调制器结构的第三区域；所述光电探测器和所述第二波导层均位于所述第三区域中，所述第一波导层还延伸至所述第三区域中；所述调制器结构发出的光通过所述第一波导层耦合到所述第二波导层中，并经所述第二波导层耦合到所述光电探测器中。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述第一区域中形成第一电极层；所述第一电极层的顶面与所述铌酸锂层连接，所述第一电极层的底面与所述第一导电柱连接；
在所述第二区域中形成第二电极层；所述第二电极层的顶面与所述激光器结构连接，所述第二电极层的底面与所述第二导电柱连接；
在所述第三区域中形成第三电极层；所述第三电极层与所述光电探测器和所述第二导电柱连接。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述介质层中形成电阻层；所述电阻层用于对所述第一波导层和/或所述第二波导层加热；或者，所述电阻层用于对调制器结构终端进行电阻匹配。
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