CN115542458A - 异质异构集成光电微系统及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及光电通信系统领域，提供一种异质异构集成光电微系统及其制作方法，光电微系统中的半导体激光器通过键合结构键合于晶圆；调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤集成于晶圆，调制器通过第一波导分别与半导体激光器和无源光子器件相连，探测器通过第二波导分别与无源光子器件和阵列光纤相连；调制器和探测器上设置有第一球栅阵列；第一球栅阵列上设置有硅中介层，硅中介层中设置有分别与第一球栅阵列电连接的重布线层和硅通孔；硅中介层上设置有分别与重布线层和硅通孔电连接的第二球栅阵列；第二球栅阵列上设置有分别与其电连接的电驱动电路和跨阻放大电路。本公开有效克服了现阶段光电系统体积大、功耗高、灵活性及可靠性差等缺点。

Description

异质异构集成光电微系统及其制作方法

技术领域

本公开实施例涉及光电通信系统技术领域，特别涉及一种异质异构集成光电微系统及其制作方法。

背景技术

当前，信息技术已经进入后摩尔时代，芯片的特征尺寸逐渐逼近物理极限，为满足网络基础设施以及数据中心对高速处理和传输能力的需求，提高电子信息装置与系统的多维度一体化能力以及复杂电磁环境下的感知能力，芯片产业面临着特殊工艺、复杂功能、新型架构等新技术需求和瓶颈。后摩尔时代的微电子芯片制程技术路线，可分为继续优化互补金属氧化物半导体工艺的“延续摩尔”路线、利用先进封装技术实现系统级封装的“扩展摩尔”路线和通过新材料新器件实现的“超越摩尔”路线。

相比于“延续摩尔”路线对于半导体先进设备的依赖和巨大投入，微系统具有一体化设计和集成的典型特征，不仅涉及多个领域，而且涉及力、热、光、电、磁等多个专业，是应对物理层面上摩尔定律终结的关键技术。通过光电异质异构集成微系统技术实现芯片间及芯片内互联，可有效解决微电子芯片目前面临的金属互联带宽、功耗、延时等问题，是对现有微电子芯片的重要拓展。现有技术已经实现了多种功能可重构、大带宽、低损耗的光电系统，然而，现阶段的光电系统主要由分立的光电子器件和光纤构成，存在体积大、价格贵、功耗高、灵活性以及可靠性差等缺点。要克服这些缺点，一个最为有效的途径是基于光电异质异构集成技术进行光路与电路的片上集成。

当下，广泛研究的光电集成材料体系主要包括硅基光电材料、三五族化合物材料、锗等六族材料、铌酸锂材料、氮化硅材料等。然而，只采用单独材料体系的光电系统存在不同的劣势。例如，硅材料是间接带隙半导体，无法实现光源的制备；三五族化合物材料成本高，与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺不兼容；锗材料储量小，绝缘体上锗技术难度高；铌酸锂材料及氮化硅材料折射率小，器件尺寸大，集成效率低；等等。另外，现有的主流光电集成方案主要包括二维（Two Dimensional，2D）集成封装方案和单片集成方案。2D集成封装方案是通过引线实现光芯片与电芯片、光芯片与印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）板、电芯片与PCB板之间的互连，其不足之处在于引线尺寸过大，严重限制了输入/输出（Input/Output，I/O）数量。单片集成方案是将光芯片与电芯片在同一块芯片上进行制造，其不足之处在于硅光芯片的制程远落后于电芯片制程，工艺制程的融合会造成成本昂贵、开发技术不灵活等问题。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，提供一种异质异构集成光电微系统及其制作方法。

本公开的一个方面，提供了一种异质异构集成光电微系统，所述光电微系统包括晶圆、半导体激光器、调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤、电驱动电路以及跨阻放大电路，其中：

所述半导体激光器通过键合结构键合于所述晶圆；

所述调制器、所述探测器、所述无源光子器件、所述阵列光纤分别集成于所述晶圆，其中，所述调制器通过第一波导分别与所述半导体激光器和所述无源光子器件相连接，所述探测器通过第二波导分别与所述无源光子器件和所述阵列光纤相连接；

所述调制器和所述探测器上设置有第一球栅阵列，所述第一球栅阵列分别与所述调制器和所述探测器电连接；

所述第一球栅阵列上设置有硅中介层，所述硅中介层中设置有重布线层和硅通孔，所述重布线层和所述硅通孔分别与所述第一球栅阵列电连接；

所述硅中介层上设置有第二球栅阵列，所述第二球栅阵列分别与所述重布线层和所述硅通孔电连接；

所述第二球栅阵列上设置有所述电驱动电路和所述跨阻放大电路，所述电驱动电路和所述跨阻放大电路分别与所述第二球栅阵列电连接。

可选的，所述光电微系统还包括端面耦合器，所述端面耦合器分别与所述第二波导和所述阵列光纤相连接。

可选的，所述光电微系统还包括至少一个电子电路，所述电子电路选择性地与所述半导体激光器、所述调制器、所述电驱动电路、所述跨阻放大电路电连接。

本公开的另一个方面，提供了一种异质异构集成光电微系统的制作方法，所述制作方法包括：

将半导体激光器通过键合结构键合于晶圆；

分别将调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤集成于所述晶圆，其中，所述调制器通过第一波导分别与所述半导体激光器和所述无源光子器件相连接，所述探测器通过第二波导分别与所述无源光子器件和所述阵列光纤相连接；

在所述调制器和所述探测器上形成第一球栅阵列，所述第一球栅阵列分别与所述调制器和所述探测器电连接；

在所述第一球栅阵列上形成硅中介层，在所述硅中介层中形成重布线层，并采用前道集成工艺在所述硅中介层中形成硅通孔；其中，所述硅通孔和所述重布线层分别与所述第一球栅阵列电连接；

在所述硅中介层上形成第二球栅阵列，所述第二球栅阵列分别与所述重布线层和所述硅通孔电连接；

在所述第二球栅阵列上集成电驱动电路和跨阻放大电路，所述电驱动电路和所述跨阻放大电路分别与所述第二球栅阵列电连接，得到异质异构集成光电微系统。

可选的，所述半导体激光器采用三五族材料制作形成，所述晶圆包括绝缘体上硅晶圆；

所述将半导体激光器通过键合结构键合于晶圆，包括：

采用混合有机/金属键合集成工艺方法形成所述键合结构，将所述半导体激光器键合于所述晶圆，具体包括：

在所述半导体激光器与所述晶圆的键合界面处采用铟金共晶金属以提供点接触，实现所述半导体激光器与所述晶圆的初始键合；

在所述键合界面处的间隙填充环氧树脂，并加热，以使所述环氧树脂固化，完成所述半导体激光器与所述晶圆的键合。

可选的，所述调制器采用铌酸锂材料制作形成，所述晶圆包括绝缘体上硅晶圆；

所述分别将调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤集成与所述晶圆，包括：

采用混合硅集成工艺方法将所述调制器集成于所述晶圆，具体包括：

选取苯并环丁烯材料作为中间层，将铌酸锂薄膜键合至所述晶圆上，采用干法刻蚀技术刻蚀所述铌酸锂薄膜，并在刻蚀后的所述铌酸锂薄膜上沉积金属电极和二氧化硅上包层材料，以将所述调制器集成在所述晶圆上。

可选的，所述探测器采用锗材料制作形成，所述晶圆包括绝缘体上硅晶圆；

所述分别将调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤集成与所述晶圆，包括：

采用低温-高温两步生长与选择性外延生长相结合的方法，将所述探测器集成于所述晶圆，具体包括：

在所述晶圆上高温生长一层硅缓冲层；

在所述硅缓冲层上低温生长一层锗缓冲层，并在所述锗缓冲层上高温外延生长一层锗层；

在所述锗层上生长一层硅锗/锗应变超晶格插层；

在所述硅锗/锗应变超晶格插层上高温生长一层锗吸收层，以将所述探测器集成于所述晶圆；其中，所述锗吸收层的厚度满足第一预设厚度要求。

可选的，所述制作方法还包括：

在所述第二波导上集成端面耦合器，以使所述第二波导通过所述端面耦合器与所述阵列光纤相连接。

可选的，所述第二波导采用绝缘体上硅材料制作形成，所述端面耦合器采用硅与氮化硅材料混合制作形成；

所述在所述第二波导上集成端面耦合器，包括：采用绝缘体上硅与氮化硅集成工艺在所述第二波导上集成所述端面耦合器，具体包括：

采用后道集成工艺方法，图形化所述第二波导背离所述晶圆的一侧，在图形化后的所述第二波导上沉积第一二氧化硅层，并在所述第一二氧化硅层上形成氮化硅硬膜层，将所述氮化硅硬膜层作为阻挡层采用化学抛光工艺刻蚀所述第一二氧化硅层，以使所述第一二氧化硅层的厚度满足第二预设厚度要求；

采用前道集成工艺方法，利用低压力化学气相沉积设备通过多层沉积穿插图形刻蚀方法，在所述第一二氧化硅层上沉积氮化硅薄膜，并图形化所述氮化硅薄膜；

在图形化后的所述氮化硅薄膜上沉积并平坦化第二二氧化硅层，以得到所述端面耦合器。

可选的，所述采用前道集成工艺在所述硅中介层中形成硅通孔，包括：

采用博世工艺对所述硅中介层进行深硅刻蚀，得到多个通孔；

采用化学气相沉积工艺在所述多个通孔中生长二氧化硅绝缘层；

采用物理气相沉积溅射工艺分别在所述二氧化硅绝缘层中形成钽阻挡层、铜种子层，并采用铜电镀工艺在所述多个通孔中填充金属铜，得到所述硅通孔。

可选的，所述制作方法还包括：

在所述异质异构集成光电微系统中集成至少一个电子电路，使所述电子电路选择性地与所述半导体激光器、所述调制器、所述电驱动电路、所述跨阻放大电路电连接。

本公开实施例相对于现有技术而言，基于光电异质异构集成技术完成了光路与电路的片上集成，大幅降低了系统体积和功耗，节省了现有技术对每个器件单独进行封装的成本，同时还减小了器件间的耦合损耗，提高了系统的机械稳定性，有效克服了现阶段的光电系统存在的体积大、价格贵、功耗高、灵活性以及可靠性差等缺点，能够满足电子信息系统对于高集成和大规模光电集成技术的迫切需求，可实现大规模CMOS制造，还可发挥不同材料的优异光电特性，实现优异的系统指标，有利于从顶层由上而下对各部分器件进行统筹设计与优化，协调各器件的性能指标，在降低对单个器件的性能要求的前提下实现整体性能最优。同时，本公开实施例采用电驱动电路、跨阻放大电路等电子电路与集成光路的三维堆叠式架构设计，利用硅中介层、重布线层、硅通孔、第一球栅阵列、第二球栅阵列等异构集成基础结构，将电子电路与集成光路集成在一起，从而进一步减小了异质异构集成光电微系统的尺寸，减少了电光互连距离，进而极大降低了寄生参数对集成系统的不利影响。

附图说明

一个或多个实施方式通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施方式的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本公开一实施方式提供的一种异质异构集成光电微系统的结构示意图；

图2为本公开另一实施方式提供的一种异质异构集成光电微系统的制作方法的流程图。

具体实施方式

光电异质异构集成技术能够大幅降低系统体积和功耗，节省现有技术对每个器件单独进行封装的成本，同时还能够减小器件间的耦合损耗，提高系统的机械稳定性。因此，基于光电异质异构集成技术进行的光路与电路的片上集成，能够有效克服现有光电系统体积大、价格贵、功耗高、灵活性以及可靠性差等缺点。此外，系统集成还有利于从顶层由上而下对各部分器件进行统筹设计与优化，协调各器件的性能指标，在降低对单个器件的性能要求的前提下实现整体性能最优。因此，光电异质异构集成微系统能够满足电子信息系统对于高集成和大规模光电集成技术的迫切需求。

为使本公开实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本公开各实施方式中，为了使读者更好地理解本公开而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本公开所要求保护的技术方案。以下各个实施方式的划分是为了描述方便，不应对本公开的具体实现方式构成任何限定，各个实施方式在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本公开的一个实施方式涉及一种异质异构集成光电微系统100，其结构如图1所示，包括晶圆110、半导体激光器120、调制器130、探测器140、无源光子器件150、阵列光纤160、电驱动电路171以及跨阻放大电路172。

如图1所示，晶圆110可以是绝缘体上硅（SiliconOnInsulator，SOI）晶圆，从下到上依次包括衬底硅层111、埋氧层112、顶层硅层113，其中，埋氧层112可以是二氧化硅层。半导体激光器120作为异质异构集成光电微系统100的光源，用于发射激光，可采用磷化铟、砷化镓等三五族材料制作形成。调制器130用于将外部输入的高速数字信号转化为光信号，可采用铌酸锂材料制作形成，利用电光调制技术实现电光转换。探测器140用于将调制后的光信号转化为电信号，可采用锗材料制作形成。无源光子器件150用于对光信号实现滤波、功率分配、模式复用、波分复用等功能，可采用绝缘体上硅制作形成。阵列光纤160是将一束光纤或一条光纤按照预先规定的间隔安装在一起所构成的阵列，用于将调制后的光信号从异质异构集成光电微系统100中输出，或者将异质异构集成光电微系统100之外的光信号输入异质异构集成光电微系统100。电驱动电路171用于将输入的高速数字信号进行放大处理，从而使高速数字信号无失真地加载到光信号上。跨阻放大电路172用于将电流信号转化为成比例的电压信号。

如图1所示，半导体激光器120通过键合结构181键合于晶圆110，即，键合结构181通过异质键合技术将半导体激光器120与晶圆110结合在一起。调制器130、探测器140、无源光子器件150、阵列光纤160分别集成于晶圆110，其中，调制器130通过第一波导191分别与半导体激光器120和无源光子器件150相连接，探测器140通过第二波导192分别与无源光子器件150和阵列光纤160相连接。第一波导191和第二波导192可采用绝缘体上硅材料制作形成，用于连接不同光学器件进而实现光信号的传播功能。举例而言，第一波导191和第二波导192均可通过对顶层硅层113进行刻蚀的方式制作形成。

如图1所示，调制器130和探测器140上设置有第一球栅阵列183a，第一球栅阵列183a分别与调制器130和探测器140电连接。示例性的，如图1所示，调制器130、探测器140与第一球栅阵列183a之间还可以设置有由二氧化硅制作形成的绝缘层186，以将调制器130和探测器140与第一球栅阵列183a电连接之外的部分隔离开。第一球栅阵列183a上设置有硅中介层184，硅中介层184中设置有重布线层182和硅通孔185，重布线层182和硅通孔185分别与第一球栅阵列183a电连接。硅中介层184上设置有第二球栅阵列183b，第二球栅阵列183b分别与重布线层182和硅通孔185电连接。第二球栅阵列183b上设置有电驱动电路171和跨阻放大电路172，电驱动电路171和跨阻放大电路172分别与第二球栅阵列183b电连接。其中，硅中介层184采用硅材料制作形成，用于将调制器130、探测器140等器件组成的集成光路与电子电路连接在一起，属于集成光路与电子电路之间的过渡层。重布线层182用于灵活地实现各电路之间的电气互连，缩短各电路之间的互连线的长度，可采用金属铜制作形成。硅通孔（Through Silicon Vias，TSV）185是在硅中介层184中制作的垂直导通的通孔中填充铜、钨、多晶硅等导电物质形成的的导电通孔，以实现垂直电气互连。第一球栅阵列183a和第二球栅阵列183b中的焊球可以采用铅或锡制作形成，以圆形或柱状焊点的形式排布成阵列，从而实现各电路/器件之间的电气互连。

本实施方式涉及的异质异构集成光电微系统100可以实现多种功能。例如，异质异构集成光电微系统100可以用于光电通信设备的发射端，将光电通信设备的电信号转化为光信号。异质异构集成光电微系统100还可以用于光电通信设备的接收端，将光电通信设备的光信号转化为电信号。异质异构集成光电微系统100还可以通过无源光子器件150实现光信号的滤波、功率分配、模式复用、波分复用等功能。

本实施方式相对现有技术而言，基于光电异质异构集成技术完成了光路与电路的片上集成，大幅降低了系统体积和功耗，节省了现有技术对每个器件单独进行封装的成本，同时还减小了器件间的耦合损耗，提高了系统的机械稳定性，有效克服了现阶段的光电系统存在的体积大、价格贵、功耗高、灵活性以及可靠性差等缺点，能够满足电子信息系统对于高集成和大规模光电集成技术的迫切需求，可实现大规模CMOS制造，还可发挥不同材料的优异光电特性，实现优异的系统指标。同时，本实施方式采用了电驱动电路、跨阻放大电路等电子电路与集成光路的三维堆叠式架构设计，利用硅中介层、重布线层、硅通孔、第一球栅阵列、第二球栅阵列等异构集成基础结构，将电子电路与集成光路集成在一起，从而进一步减小了异质异构集成光电微系统的尺寸，减少了电光互连距离，进而极大降低了寄生参数对集成系统的不利影响。

示例性的，异质异构集成光电微系统100还包括端面耦合器186。端面耦合器186可采用硅与氮化硅材料混合制作形成，分别与第二波导192和阵列光纤160相连接，以实现第二波导192与阵列光纤160之间的低损耗高效率耦合。

示例性的，异质异构集成光电微系统还包括至少一个电子电路，电子电路选择性地与半导体激光器、调制器、电驱动电路、跨阻放大电路电连接。

具体的，这里的电子电路指的是由电子器件和有关无线电元件组成的电路，包括但不限于偏压控制电路、限幅放大电路、自动功率控制电路、自动温度控制电路、时钟数据恢复电路、数字处理电路等，本领域技术人员可以根据实际需要，将其与半导体激光器、调制器、电驱动电路、跨阻放大电路中的任意一者电连接。例如，电子电路为偏压控制电路时，其可以与调制器电连接。电子电路为限幅放大电路时，其可以与跨阻放大电路电连接。电子电路为自动功率控制电路或者自动温度控制电路时，其可以与半导体激光器电连接。电子电路为时钟数据恢复电路时，其可以与电驱动电路电连接，还可以通过限幅放大电路与跨阻放大电路电连接。电子电路为数字处理电路时，其可以与电驱动电路或者跨阻放大电路电连接。

通过在异质异构集成光电微系统中设置至少一个电子电路，并将电子电路选择性地与半导体激光器、调制器、电驱动电路、跨阻放大电路电连接，可以进一步扩充异质异构集成光电微系统的功能，满足使用者的个性化需求。

本公开的另一个实施方式涉及一种异质异构集成光电微系统的制作方法S100，其流程如图2所示，包括：

步骤S110，将半导体激光器通过键合结构键合于晶圆。

示例性的，一并结合图1，半导体激光器120采用磷化铟、砷化镓等三五族材料制作形成，晶圆110包括绝缘体上硅晶圆。其中，如图1所示，晶圆110从下到上依次包括衬底硅层111、埋氧层112、顶层硅层113，其中，埋氧层112可以是二氧化硅层。步骤S110即将半导体激光器120通过键合结构181键合于晶圆110。

步骤S110包括：采用混合有机/金属键合集成工艺方法形成键合结构，将半导体激光器120键合于110晶圆，具体包括：在半导体激光器120与晶圆110的键合界面处采用铟金共晶金属以提供点接触，实现半导体激光器120与晶圆110的初始键合；在键合界面处的间隙填充环氧树脂，并加热，以使环氧树脂固化，完成半导体激光器120与晶圆110的键合。

本实施方式采用磷化铟、砷化镓等三五族材料制作形成半导体激光器，可以发挥磷化铟、砷化镓等三五族材料发光效率高的优势。同时，本实施方式采用混合有机/金属键合集成工艺方法将三五族材料制作形成的半导体激光器与绝缘体上硅晶圆通过键合结构键合在一起，还可以使半导体激光器具有良好的导热性且具有与SOI衬底电接触的优点，制作得到的异质异构集成光电微系统还具备较强的机械强度和电（热）导电性能，晶圆中的衬底硅层能够高效参与载流子注入和有效散热过程。

步骤S120，分别将调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤集成于晶圆，其中，调制器通过第一波导分别与半导体激光器和无源光子器件相连接，探测器通过第二波导分别与无源光子器件和阵列光纤相连接。

示例性的，一并结合图1，调制器130采用铌酸锂材料制作形成，晶圆110包括绝缘体上硅晶圆。其中，如图1所示，晶圆110从下到上依次包括衬底硅层111、埋氧层112、顶层硅层113，其中，埋氧层112可以是二氧化硅层。步骤S120即分别将调制器130、探测器140、无源光子器件150、阵列光纤160集成于晶圆110，其中，调制器130通过第一波导191分别与半导体激光器120和无源光子器件150相连接，探测器140通过第二波导192分别与无源光子器件150和阵列光纤160相连接。第一波导191和第二波导192均可通过对顶层硅层113进行刻蚀的方式制作形成。

步骤S120包括：采用混合硅集成工艺方法将调制器130集成于晶圆110，具体包括：选取苯并环丁烯材料作为中间层，将铌酸锂薄膜键合至晶圆110上，采用干法刻蚀技术刻蚀铌酸锂薄膜，并在刻蚀后的铌酸锂薄膜上沉积金属电极和二氧化硅上包层材料，以将调制器130集成在晶圆110上。

本实施方式采用铌酸锂材料制作形成调制器，可以发挥铌酸锂高线性度的电光特性优势。同时，本实施方式采用混合硅集成工艺方法将铌酸锂材料制作形成的调制器集成于绝缘体上硅晶圆，还可以避免在SOI晶圆上直接生长铌酸锂薄膜产生的晶格失配问题。

示例性的，一并结合图1，探测器140采用锗材料制作形成，晶圆110包括绝缘体上硅晶圆。其中，如图1所示，晶圆110从下到上依次包括衬底硅层111、埋氧层112、顶层硅层113，其中，埋氧层112可以是二氧化硅层。

步骤S120包括：采用低温-高温两步生长与选择性外延生长相结合的方法，将探测器集成于晶圆，具体包括：

在晶圆上高温生长一层硅缓冲层。在硅缓冲层上低温生长一层锗缓冲层，并在锗缓冲层上高温外延生长一层锗层（一步生长）。在锗层上生长一层硅锗/锗应变超晶格插层。在硅锗/锗应变超晶格插层上高温生长一层锗吸收层（两步生长），以将探测器集成于晶圆。其中，锗吸收层的厚度满足第一预设厚度要求。

具体的，在本步骤中，生长锗缓冲层的温度低于生长硅缓冲层、锗层、锗吸收层的温度。第一预设厚度要求可以根据实际需要进行设置，例如，锗吸收层的厚度可以大于外延生长的锗层的厚度。

本实施方式采用锗材料制作形成探测器，可以发挥锗材料探测器高带宽高灵敏度的优势。同时，本实施方式采用硅光集成锗外延工艺方法即两步生长工艺方法将锗材料制作形成的探测器集成于绝缘体上硅晶圆，相比于传统一次生长锗外延层的工艺方法，可以减小锗外延层的位错密度，有效解决锗硅晶格失配的问题，从而有效提高锗探测器的性能。

步骤S130，在调制器和探测器上形成第一球栅阵列，第一球栅阵列分别与调制器和探测器电连接。

具体的，一并结合图1，本步骤在调制器130和探测器140上形成第一球栅阵列183a，第一球栅阵列183a分别与调制器130和探测器140电连接。

步骤S140，在第一球栅阵列上形成硅中介层，在硅中介层中形成重布线层，并采用前道集成工艺在硅中介层中形成硅通孔；其中，硅通孔和重布线层分别与第一球栅阵列电连接。

具体的，一并结合图1，本步骤在第一球栅阵列183a上形成硅中介层184，在硅中介层184中形成重布线层182，并采用前道集成工艺在硅中介层184中形成硅通孔185；其中，硅通孔185和重布线层182分别与第一球栅阵列183a电连接。重布线层182可灵活地实现各电路之间的电气互连，缩短各电路之间的互连线的长度，可采用金属铜制作形成。

示例性的，采用前道集成工艺在硅中介层184中形成硅通孔185，包括：采用博世（Bosch）工艺对硅中介层184进行深硅刻蚀，得到多个通孔。采用化学气相沉积工艺在多个通孔中生长二氧化硅绝缘层。采用物理气相沉积溅射工艺分别在二氧化硅绝缘层中形成钽阻挡层、铜种子层，并采用铜电镀工艺在多个通孔中填充金属铜，得到硅通孔185。

本实施方式通过采用高深宽比TSV工艺方法即前道集成工艺方法在硅中介层中形成硅通孔，相比于采用半导体后道工艺方法制备的大尺寸TSV，不仅能够提供上层电芯片的机械支撑，还能在此基础上排布更高密度的高速信号。

步骤S150，在硅中介层上形成第二球栅阵列，第二球栅阵列分别与重布线层和硅通孔电连接。

具体的，一并结合图1，本步骤在硅中介层184上形成第二球栅阵列183b，第二球栅阵列183b分别与重布线层182和硅通孔185电连接。第一球栅阵列183a和第二球栅阵列183b中的焊球可以采用铅或锡制作形成，以圆形或柱状焊点的形式排布成阵列，从而实现各电路/器件之间的电气互连。

步骤S160，在第二球栅阵列上集成电驱动电路和跨阻放大电路，电驱动电路和跨阻放大电路分别与第二球栅阵列电连接，得到异质异构集成光电微系统。

具体的，一并结合图1，本步骤在第二球栅阵列183b上集成电驱动电路171和跨阻放大电路172，电驱动电路171和跨阻放大电路172分别与第二球栅阵列183b电连接。

本公开实施方式相对于现有技术而言，基于光电异质异构集成技术完成了光路与电路的片上集成，大幅降低了系统体积和功耗，节省了现有技术对每个器件单独进行封装的成本，同时还减小了器件间的耦合损耗，提高了系统的机械稳定性，有效克服了现阶段的光电系统存在的体积大、价格贵、功耗高、灵活性以及可靠性差等缺点，能够满足电子信息系统对于高集成和大规模光电集成技术的迫切需求，可实现大规模CMOS制造，还可发挥不同材料的优异光电特性，实现优异的系统指标，有利于从顶层由上而下对各部分器件进行统筹设计与优化，协调各器件的性能指标，在降低对单个器件的性能要求的前提下实现整体性能最优。同时，本实施方式采用电驱动电路、跨阻放大电路等电子电路与集成光路的三维堆叠式架构设计，利用硅中介层、重布线层、硅通孔、第一球栅阵列、第二球栅阵列等异构集成基础结构，将电子电路与集成光路集成在一起，从而进一步减小了异质异构集成光电微系统的尺寸，减少了电光互连距离，进而极大降低了寄生参数对集成系统的不利影响。

示例性的，一并结合图1，一种异质异构集成光电微系统的制作方法还包括：在第二波导192上集成端面耦合器186，以使第二波导192通过端面耦合器186与阵列光纤160相连接，以实现第二波导192与阵列光纤160之间的低损耗高效率耦合。

示例性的，一并结合图1，第二波导192采用绝缘体上硅材料制作形成，端面耦合器186采用硅与氮化硅材料混合制作形成。

在第二波导192上集成端面耦合器186，包括：采用绝缘体上硅与氮化硅集成工艺在第二波导192上集成端面耦合器186，具体包括：采用后道集成工艺方法，图形化第二波导192背离晶圆110的一侧，在图形化后的第二波导192上沉积第一二氧化硅层，并在第一二氧化硅层上形成氮化硅硬膜层，将氮化硅硬膜层作为阻挡层采用化学抛光工艺刻蚀第一二氧化硅层，以使第一二氧化硅层的厚度满足第二预设厚度要求，以达到精确控制隔绝层即第一二氧化硅层厚度的目的。采用前道集成工艺方法，利用低压力化学气相沉积（LowPressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）设备通过多层沉积穿插图形刻蚀方法，在第一二氧化硅层上沉积氮化硅薄膜，以减少薄膜沉积的应力问题导致的薄膜开裂或晶圆翘曲现象的发生，并图形化氮化硅薄膜。在图形化后的氮化硅薄膜上沉积并平坦化第二二氧化硅层，以得到端面耦合器186。

本实施方式通过将硅与氮化硅材料混合制作形成的端面耦合器集成在绝缘体上硅材料制作形成的第二波导上，可以发挥氮化硅材料耦合效率高、硅材料折射率高的优势。同时，本实施方式采用绝缘体上硅与氮化硅集成工艺在第二波导上集成端面耦合器，相比于单独前道集成工艺或单独后道集成工艺，具有工艺难度低、波导损耗低等优势，还可在此基础上进行器件的特性优化，如进行具有较大容差的层间耦合器设计、高温失效阈值较高的探测器及热移相器的设计等，从而实现光电微系统整体性能的提升。

示例性的，异质异构集成光电微系统的制作方法还包括：

在异质异构集成光电微系统中集成至少一个电子电路，使电子电路选择性地与半导体激光器、调制器、电驱动电路、跨阻放大电路电连接。

具体的，这里的电子电路包括但不限于偏压控制电路、限幅放大电路、自动功率控制电路、自动温度控制电路、时钟数据恢复电路、数字处理电路等，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，并将其与半导体激光器、调制器、电驱动电路、跨阻放大电路中的任意一者电连接。举例而言，电子电路为偏压控制电路时，其可以与调制器电连接。电子电路为限幅放大电路时，其可以与跨阻放大电路电连接。电子电路为自动功率控制电路或者自动温度控制电路时，其可以与半导体激光器电连接。电子电路为时钟数据恢复电路时，其可以与电驱动电路电连接，还可以通过限幅放大电路与跨阻放大电路电连接。电子电路为数字处理电路时，其可以与电驱动电路或者跨阻放大电路电连接。

通过在异质异构集成光电微系统中集成至少一个电子电路，使电子电路选择性地与半导体激光器、调制器、电驱动电路、跨阻放大电路电连接，可以进一步扩充异质异构集成光电微系统的功能，满足使用者的个性化需求。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本公开的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本公开的精神和范围。

Claims (11)

1.一种异质异构集成光电微系统，其特征在于，所述光电微系统包括晶圆、半导体激光器、调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤、电驱动电路以及跨阻放大电路，其中：

所述半导体激光器通过键合结构键合于所述晶圆；

所述调制器、所述探测器、所述无源光子器件、所述阵列光纤分别集成于所述晶圆，其中，所述调制器通过第一波导分别与所述半导体激光器和所述无源光子器件相连接，所述探测器通过第二波导分别与所述无源光子器件和所述阵列光纤相连接；

所述调制器和所述探测器上设置有第一球栅阵列，所述第一球栅阵列分别与所述调制器和所述探测器电连接；

所述第一球栅阵列上设置有硅中介层，所述硅中介层中设置有重布线层和硅通孔，所述重布线层和所述硅通孔分别与所述第一球栅阵列电连接；

所述硅中介层上设置有第二球栅阵列，所述第二球栅阵列分别与所述重布线层和所述硅通孔电连接；

所述第二球栅阵列上设置有所述电驱动电路和所述跨阻放大电路，所述电驱动电路和所述跨阻放大电路分别与所述第二球栅阵列电连接。

2.根据权利要求1所述的光电微系统，其特征在于，所述光电微系统还包括端面耦合器，所述端面耦合器分别与所述第二波导和所述阵列光纤相连接。

3.根据权利要求1或2所述的光电微系统，其特征在于，所述光电微系统还包括至少一个电子电路，所述电子电路选择性地与所述半导体激光器、所述调制器、所述电驱动电路、所述跨阻放大电路电连接。

4.一种异质异构集成光电微系统的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

将半导体激光器通过键合结构键合于晶圆；

分别将调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤集成于所述晶圆，其中，所述调制器通过第一波导分别与所述半导体激光器和所述无源光子器件相连接，所述探测器通过第二波导分别与所述无源光子器件和所述阵列光纤相连接；

在所述调制器和所述探测器上形成第一球栅阵列，所述第一球栅阵列分别与所述调制器和所述探测器电连接；

在所述第一球栅阵列上形成硅中介层，在所述硅中介层中形成重布线层，并采用前道集成工艺在所述硅中介层中形成硅通孔；其中，所述硅通孔和所述重布线层分别与所述第一球栅阵列电连接；

在所述硅中介层上形成第二球栅阵列，所述第二球栅阵列分别与所述重布线层和所述硅通孔电连接；

在所述第二球栅阵列上集成电驱动电路和跨阻放大电路，所述电驱动电路和所述跨阻放大电路分别与所述第二球栅阵列电连接，得到异质异构集成光电微系统。

5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述半导体激光器采用三五族材料制作形成，所述晶圆包括绝缘体上硅晶圆；

所述将半导体激光器通过键合结构键合于晶圆，包括：

采用混合有机/金属键合集成工艺方法形成所述键合结构，将所述半导体激光器键合于所述晶圆，具体包括：

在所述半导体激光器与所述晶圆的键合界面处采用铟金共晶金属以提供点接触，实现所述半导体激光器与所述晶圆的初始键合；

在所述键合界面处的间隙填充环氧树脂，并加热，以使所述环氧树脂固化，完成所述半导体激光器与所述晶圆的键合。

6.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述调制器采用铌酸锂材料制作形成，所述晶圆包括绝缘体上硅晶圆；

所述分别将调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤集成与所述晶圆，包括：

采用混合硅集成工艺方法将所述调制器集成于所述晶圆，具体包括：

选取苯并环丁烯材料作为中间层，将铌酸锂薄膜键合至所述晶圆上，采用干法刻蚀技术刻蚀所述铌酸锂薄膜，并在刻蚀后的所述铌酸锂薄膜上沉积金属电极和二氧化硅上包层材料，以将所述调制器集成在所述晶圆上。

7.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述探测器采用锗材料制作形成，所述晶圆包括绝缘体上硅晶圆；

所述分别将调制器、探测器、无源光子器件、阵列光纤集成与所述晶圆，包括：

采用低温-高温两步生长与选择性外延生长相结合的方法，将所述探测器集成于所述晶圆，具体包括：

在所述晶圆上高温生长一层硅缓冲层；

在所述硅缓冲层上低温生长一层锗缓冲层，并在所述锗缓冲层上高温外延生长一层锗层；

在所述锗层上生长一层硅锗/锗应变超晶格插层；

在所述硅锗/锗应变超晶格插层上高温生长一层锗吸收层，以将所述探测器集成于所述晶圆；其中，所述锗吸收层的厚度满足第一预设厚度要求。

8.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：

在所述第二波导上集成端面耦合器，以使所述第二波导通过所述端面耦合器与所述阵列光纤相连接。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述第二波导采用绝缘体上硅材料制作形成，所述端面耦合器采用硅与氮化硅材料混合制作形成；

所述在所述第二波导上集成端面耦合器，包括：采用绝缘体上硅与氮化硅集成工艺在所述第二波导上集成所述端面耦合器，具体包括：

采用后道集成工艺方法，图形化所述第二波导背离所述晶圆的一侧，在图形化后的所述第二波导上沉积第一二氧化硅层，并在所述第一二氧化硅层上形成氮化硅硬膜层，将所述氮化硅硬膜层作为阻挡层采用化学抛光工艺刻蚀所述第一二氧化硅层，以使所述第一二氧化硅层的厚度满足第二预设厚度要求；

采用前道集成工艺方法，利用低压力化学气相沉积设备通过多层沉积穿插图形刻蚀方法，在所述第一二氧化硅层上沉积氮化硅薄膜，并图形化所述氮化硅薄膜；

在图形化后的所述氮化硅薄膜上沉积并平坦化第二二氧化硅层，以得到所述端面耦合器。

10.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述采用前道集成工艺在所述硅中介层中形成硅通孔，包括：

采用博世工艺对所述硅中介层进行深硅刻蚀，得到多个通孔；

采用化学气相沉积工艺在所述多个通孔中生长二氧化硅绝缘层；

采用物理气相沉积溅射工艺分别在所述二氧化硅绝缘层中形成钽阻挡层、铜种子层，并采用铜电镀工艺在所述多个通孔中填充金属铜，得到所述硅通孔。

11.根据权利要求4至10任一项所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：

在所述异质异构集成光电微系统中集成至少一个电子电路，使所述电子电路选择性地与所述半导体激光器、所述调制器、所述电驱动电路、所述跨阻放大电路电连接。

Images