CN117055152A - 基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于硅‑氧化硅‑掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，包括硅衬底层、二氧化硅隔离层、掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层、硅薄膜层、锗薄膜层、氮化硅薄膜层、二氧化硅包层；通过晶圆键合、波导刻蚀、薄膜沉积、异质外延、金属通孔等集成方法，可以实现激光器、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的单片集成，降低了电互连长度、大幅度降低系统体积、功耗、寄生参数和封装成本。采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)，在较低温度下沉积氮化硅薄膜，与CMOS工艺兼容，实现更高性能的异质光电融合芯片。
Description
技术领域
本发明属于光子异质集成技术领域，特别是一种基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂 异质晶圆的光电融合集成芯片及方法。
技术背景
传统的微电子技术在功耗和速度方面等方面存在瓶颈，为了满足现阶段应用 不断提升的要求，可以分别结合光子和电子的两方面的优势，实现光波和微波信 号的相互融合，来应对集成电路产业所面对的巨大挑战。光电融合集成回路重点 在于电和光两种不同物理场的相互耦合，通过器件之间的连接来控制光子、电子 的动态运动及相互调节，从而实现光电信号的快速、稳定和高效处理。近年来异 质集成技术逐渐地受到国内外研究关注，这样可以发挥各种材料的优势，是实现 大规模多功能光子集成芯片的有效技术途径。
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，是实现大规模多功能光子集成芯片最成熟的材料，但是由于硅是 间接带隙半导体材料，不能制备激光器、放大器等器件。一般可以使用三五族材 料制备激光器和放大器等，但是由于三五族材料加工困难、成本昂贵、波导损耗 较大，且利用三五族材料与硅基材料混合集成往往存在一定的难度。掺铒铌酸锂 材料可以传导大信号，是实现片上光放大的有效途径，可以代替三五族制备光源、 放大器等有源光子器件，同时发挥铌酸锂优异的电光性能，适合制备低驱动电压、 大带宽的电光调制器。因此，基于掺铒铌酸锂、氮化硅、硅、锗材料的异质光电 融合集成技术是实现高性能、多功能光电集成芯片的理想途径。
加州大学伯克利分校和麻省理工大学团队基于45nm绝缘体上硅(SOI) CMOS工艺研制了单片集成硅光收发芯片，实现了微电子(包括处理器、存储 器共7千万个晶体管)和光电子(包括电光调制器、光电探测器、光栅耦合器 共850个器件)单片集成，可实现芯片间高速光互连。(C.Sun，et al.，“Single-chip microprocessor that communicatesdirectly using light，Nature.528，534-538，2015)。 然而该技术仅实现了部分电子器件与光电子器件的集成化，不能实现片上光源的 集成。随着光电子集成的发展日益成熟，以及微电子技术在后摩尔时代的横向扩 展，光电子和微电子的大规模单片集成成为必然趋势，因此，通过开展低损耗、 高紧凑度、小体积光电融合芯片的研究来实现大规模光电融合芯片意义重大。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异 质晶圆的光电融合集成芯片，采用掺杂铒离子的铌酸锂晶圆，利用铌酸锂作为增 益介质，取代三五族材料来形成激光器和放大器。本发明采用单片集成的方法， 将激光器、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 器电路等电子电路集成在同一片晶圆上，能够发挥各种材料的优势，并且利用 CMOS兼容工艺实现单片集成，适用于大规模光电融合集成。
本发明的技术解决方案如下：
基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片包括：晶圆基底以 及在晶圆基底上集成的器件。所述晶圆基底自下而上依次为：硅衬底层、二氧化 硅隔离层、掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层、硅薄膜层、锗薄膜层、氮化硅薄膜 层、二氧化硅包层。所述二氧化硅隔离层置于硅衬底层与掺铒铌酸锂层、硅薄膜 与氮化硅薄膜层、硅薄膜与锗薄膜层之间作为隔离层；所述二氧化硅缓冲层置于 掺铒铌酸锂层与硅薄膜层之间作为缓冲层，特征尺寸为0-1微米。
所述器件包括硅-锗探测器、掺铒铌酸锂-硅电光调制器、掺铒铌酸锂激光器、 氮化硅-氮化硅层间耦合器、氮化硅无源光子器件、氮化硅-硅层间耦合器、硅无 源光子器件和电子电路。其中：所述硅-锗探测器集成于所述硅薄膜层-锗薄膜层 上，由硅和锗混合波导组成；所述掺铒铌酸锂-硅电光调制器集成于所述硅薄膜 层上，由掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层与硅薄膜形成混合波导组成；所述掺铒 铌酸锂激光器集成于所述掺铒铌酸锂层-氮化硅薄膜层上，由掺铒铌酸锂层、二 氧化硅缓冲层与氮化硅薄膜形成混合波导组成；所述氮化硅-氮化硅层间耦合器 集成于氮化硅薄膜层上，采用上下两层的锥形渐变耦合器结构，分别在所述下层 氮化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层中设置平面线性渐变锥形波导结构；所述氮化 硅无源光子器件集成于所述氮化硅薄膜层上；所述氮化硅-硅层间耦合器集成于 氮化硅薄膜层-硅薄膜层上，采用上下两层的锥形渐变耦合器结构，分别在所述 硅薄膜层和氮化硅薄膜层中设置平面线性渐变锥形波导结构；所述硅无源光子器 件和电子电路集成于所述硅薄膜层上。
本发明中器件间的互联方式包括光互连和电互连，所述硅-锗光电探测器与 所述硅基无源光子器件通过硅波导相连，与CMOS电子电路互联通过金属线互 连；所述掺铒铌酸锂-硅电光调制器与硅基无源光子器件通过硅波导互连，与 CMOS电子电路通过金属线互连；所述掺铒铌酸锂激光器与氮化硅无源光子器件 通过氮化硅波导和氮化硅-氮化硅层间耦合器相连；所述氮化硅无源光子器件彼 此之间通过氮化硅波导互连，与硅基无源光子器件通过硅-氮化硅层间耦合器相 连；所述硅基无源光子器件彼此之间通过硅波导互连。
所述掺铒铌酸锂激光器中增益介质为掺铒铌酸锂，氮化硅波导用于传输泵浦 光；所述氮化硅-氮化硅层间耦合器将信号光从下层氮化硅薄膜层中分离到上层 氮化硅薄膜层，与激光器的泵浦光分开；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；所述氮化硅- 硅层间耦合器将信号光从氮化硅薄膜层传导至硅薄膜层；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；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。
基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片的集成方法包括 晶圆键合、波导刻蚀、薄膜沉积、异质外延、掺杂技术、金属沉积技术、金属通 孔。采用所述的晶圆键合依次键合掺铒铌酸锂层和硅薄膜层；采用分子束外延技 术或者化学气相沉积技术在硅薄膜上形成硅-锗探测器，低温生长，工艺温度约 为485℃；采用所述波导刻蚀技术，掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层与硅薄膜层 形成混合波导组成掺铒铌酸锂-硅电光调制器，掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层与 氮化硅薄膜形成激光器；采用所述的等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)， 在所述的硅薄膜上获得氮化硅薄膜层，工艺温度低于200℃，采用所述波导刻蚀 技术，获得氮化硅-氮化硅层间耦合器、硅-氮化硅层间耦合器和氮化硅无源光子 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 延时线等；采用所述刻蚀技术，在硅薄膜层上获得硅基无源光子器件，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；采用所述掺杂技 术、金属沉积技术、金属通孔、刻蚀技术等在硅薄膜上形成CMOS电子电路。
本发明的技术效果如下：
1、本发明提出基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片及 集成方法，将硅-锗探测器、掺铒铌酸锂-硅电光调制器、掺铒铌酸锂激光器、氮 化硅无源光子器件和硅基无源光子器件等光电子器件与驱动电路和放大器电路 等电子电路集成在同一片晶圆上，实现单片的微电子与光电子芯片，符合当今“光 电融合”的趋势，有利于实现更高性能的芯片。
2、本发明采用掺铒铌酸锂晶圆，取代三五族晶圆来形成激光器、调制器和 放大器，实现片上光源集成，解决了三五族晶圆和硅薄膜键合时的晶格失配、晶 圆尺寸失配、高损耗、高成本和复杂加工工艺等问题；同时发挥铌酸锂优异的电 光性能，有效提高电光调制效率和系统带宽等参数；
3、本发明在硅薄膜和掺铒铌酸锂晶圆之间设有二氧化硅缓冲层，提高了不 同晶圆的键合力，粘附性增大，使得芯片性能在后续加工中更加稳定，大大提升 了芯片的良率；
4、本发明采用氮化硅波导传输泵浦光，避免了硅波导在传输高功率光时的 双光子效应，发挥了氮化硅波导低损耗的特性；本发明采用等离子体增强化学气 相沉积技术(PECVD)，在较低温度下沉积氮化硅薄膜，与CMOS工艺兼容；
5、本发明在形成电光调制器时采用薄硅波导，提高光在掺铒铌酸锂层中的 能量占比，发挥了硅波导大折射率和铌酸锂波导大电光系数的优势，实现较高的 电光调制效率；
6、本发明采用单片集成的方法，降低了光电互连长度、大幅度降低系统体 积、功耗、寄生参数和封装成本；
7、本发明采用前端工艺键合掺铒铌酸锂晶圆和硅薄膜，无需刻蚀铌酸锂， 通过刻蚀二氧化硅和硅来形成器件，避免刻蚀铌酸锂造成污染物，与硅光工艺兼 容。
附图说明
图1为本发明实施例基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯 片的异质晶圆的截面图示意图；
图2为本发明实施例基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯 片的截面图：
(a)为光电融合集成芯片的截面图；
(b)为氮化硅-氮化硅层间耦合器三维截面图；
(c)为硅-氮化硅层间耦合器三维截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，给出了详细的实施方式和结构， 但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
根据本发明的实施例。
如图1所示本发明硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆截面图，如图所示，自下 而上依次为硅衬底层1、二氧化硅隔离层2、掺铒铌酸锂层3、二氧化硅缓冲层4、 硅薄膜层5、锗薄膜层6、氮化硅薄膜层7、二氧化硅包层2。所述二氧化硅隔离 层2置于硅衬底层1与掺铒铌酸锂层3、硅薄膜层5与氮化硅薄膜层7、硅薄膜 层5与锗薄膜层6之间作为隔离层；所述二氧化硅缓冲层4置于掺铒铌酸锂层3 与硅薄膜层5之间作为缓冲层，特征尺寸为0-1微米。
如图2所示本发明光电融合集成芯片的截面图，图2中(a)为光电单片集 成系统的截面图，光电子器件包括硅-锗探测器8、掺铒铌酸锂-硅电光调制器9、 掺铒铌酸锂激光器10、氮化硅-氮化硅层间耦合器11、氮化硅无源光子器件12、 氮化硅-硅层间耦合器13、硅无源光子器件14和电子电路15。其中：所述硅-锗 探测器8集成于所述硅薄膜层-锗薄膜层上，由硅和锗混合波导组成；所述掺铒 铌酸锂-硅电光调制器9集成于所述硅薄膜层上，由掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓 冲层与硅薄膜形成混合波导组成；所述掺铒铌酸锂激光器10集成于所述掺铒铌 酸锂层-氮化硅薄膜层上，由掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层与氮化硅薄膜形成 混合波导组成；所述掺铒铌酸锂激光器11集成于氮化硅薄膜层上，采用上下两 层的锥形渐变耦合器结构，分别在所述下层氮化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层中 设置平面线性渐变锥形波导结构，如图2(a)所示；所述氮化硅无源光子器件 12集成于所述氮化硅薄膜层上；所述氮化硅-硅层间耦合器13集成于氮化硅薄膜 层-硅薄膜层上，采用上下两层的锥形渐变耦合器结构，分别在所述硅薄膜层和 氮化硅薄膜层中设置平面线性渐变锥形波导结构，如图2(b)所示；所述硅无 源光子器件14和电子电路15集成于所述硅薄膜层上。
本发明中器件间的互联方式包括光互连和电互连，所述硅-锗光电探测器7 与所述硅基无源光子器件13通过硅波导相连，与CMOS电子电路15互联通过 金属线互连；所述掺铒铌酸锂-硅电光调制器9与硅基无源光子器件13通过硅波 导互连，与CMOS电子电路15通过金属线互连；所述掺铒铌酸锂激光器10与 氮化硅无源光子器件12通过氮化硅波导和掺铒铌酸锂激光器11相连；所述氮化 硅无源光子器件12彼此之间通过氮化硅波导互连，与硅基无源光子器件13通过 硅-氮化硅层间耦合器12相连；所述硅基无源光子器件13彼此之间通过硅波导 互连。
本发明的集成方法包括晶圆键合、波导刻蚀、薄膜沉积、异质外延、掺杂技 术、金属沉积技术、金属通孔。采用所述的晶圆键合依次键合掺铒铌酸锂层3 和硅薄膜层5；采用分子束外延技术或者化学气相沉积技术在硅薄膜层5上形成 硅-锗探测器8，低温生长，工艺温度约为485℃；采用所述波导刻蚀技术，掺铒 铌酸锂层3、二氧化硅缓冲层4与硅薄膜层5形成混合波导组成掺铒铌酸锂-硅电 光调制器9，掺铒铌酸锂层3、二氧化硅缓冲层4与氮化硅薄膜6形成激光器9； 采用所述的等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)，在所述的硅薄膜上获得 氮化硅薄膜层7，工艺温度低于200℃，采用所述波导刻蚀技术，获得掺铒铌酸 锂激光器11、硅-氮化硅层间耦合器12和氮化硅无源光子器件12，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；采用所述 刻蚀技术，在硅薄膜层上获得硅基无源光子器件13，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；采用所述掺杂技术、金属沉积技 术、金属通孔、刻蚀技术等在硅薄膜上形成CMOS电子电路15。
Claims (9)
1.一种基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，其特征在于，包括：晶圆基底以及在晶圆基底上集成的器件；
所述晶圆基底自下而上依次为：硅衬底层(1)、掺铒铌酸锂层(3)、二氧化硅缓冲层(4)和硅薄膜层(5)，在所述的硅薄膜层(5)表面部分区域通过外延生长技术或化学气相沉积技术形成锗薄膜层(6)，在所述的硅薄膜层(5)表面其它部分区域化学气相沉积技术形成氮化硅薄膜层(7)；
所述的硅衬底层(1)与掺铒铌酸锂层(3)之间、所述的硅薄膜层(5)与氮化硅薄膜层(7)、所述的硅薄膜层(5)与锗薄膜层(6)之间分别设有二氧化硅隔离层(2)作为隔离；
所述二氧化硅缓冲层(4)作为缓冲；
所述器件包括硅-锗探测器、掺铒铌酸锂-硅电光调制器、掺铒铌酸锂激光器、氮化硅-氮化硅层间耦合器、氮化硅无源光子器件、氮化硅-硅层间耦合器、硅无源光子器件和电子电路；
所述硅-锗探测器集成于所述硅薄膜层-锗薄膜层上，由硅和锗混合波导组成；
所述掺铒铌酸锂-硅电光调制器集成于所述硅薄膜层上，由掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层与硅薄膜形成混合波导组成；
所述掺铒铌酸锂激光器集成于所述掺铒铌酸锂层-氮化硅薄膜层上，由掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层与氮化硅薄膜形成混合波导组成；
所述氮化硅-氮化硅层间耦合器集成于氮化硅薄膜层上，采用上下两层的锥形渐变耦合器结构，分别在所述下层氮化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层中设置平面线性渐变锥形波导结构；
所述氮化硅无源光子器件集成于所述氮化硅薄膜层上；
所述氮化硅-硅层间耦合器集成于氮化硅薄膜层-硅薄膜层上，采用上下两层的锥形渐变耦合器结构，分别在所述硅薄膜层和氮化硅薄膜层中设置平面线性渐变锥形波导结构；
所述硅无源光子器件和电子电路集成于所述硅薄膜层上；
所述硅-锗光电探测器与所述硅基无源光子器件通过硅波导相连，与CMOS 电子电路联通过金属线互连；
所述掺铒铌酸锂-硅电光调制器与硅基无源光子器件通过硅波导互连，与CMOS电子电路通过金属线互连；
所述掺铒铌酸锂激光器与氮化硅无源光子器件通过氮化硅波导和氮化硅-氮化硅层间耦合器相连；
所述氮化硅无源光子器件彼此之间通过氮化硅波导互连，与硅基无源光子器件通过硅-氮化硅层间耦合器相连；所述硅基无源光子器件彼此之间通过硅波导互连。
2.根据权利要求1所述的基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，其特征在于，所述的二氧化硅缓冲层(4)的厚度为0-1微米。
3.根据权利要求1所述的基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，其特征在于，所述掺铒铌酸锂激光器中增益介质为掺铒铌酸锂，氮化硅波导用于传输泵浦光。
4.根据权利要求1所述的基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，其特征在于，所述氮化硅-氮化硅层间耦合器将信号光从下层氮化硅薄膜层中分离到上层氮化硅薄膜层，与激光器的泵浦光分开。
5.根据权利要求1所述的基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，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。
6.根据权利要求1所述的基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，其特征在于，所述氮化硅-硅层间耦合器将信号光从氮化硅薄膜层传导至硅薄膜层。
7.根据权利要求1所述的基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，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。
8.根据权利要求1所述的基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成芯片，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。
9.一种基于硅-氧化硅-掺铒铌酸锂异质晶圆的光电融合集成方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用所述的晶圆键合依次键合掺铒铌酸锂层和硅薄膜层；
采用分子束外延技术或者化学气相沉积技术在硅薄膜上形成硅-锗探测器，低温生长，工艺温度约为485℃；
采用波导刻蚀技术，掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层与硅薄膜层形成混合波导组成掺铒铌酸锂-硅电光调制器，掺铒铌酸锂层、二氧化硅缓冲层与氮化硅薄膜形成激光器；
采用等离子体增强化学气相沉积技术，在所述的硅薄膜上获得氮化硅薄膜层，工艺温度低于200℃；
采用波导刻蚀技术，获得氮化硅-氮化硅层间耦合器、硅-氮化硅层间耦合器和氮化硅无源光子器件；
采用刻蚀技术，在硅薄膜层上获得硅基无源光子器件；
采用掺杂技术、金属沉积技术、金属通孔和刻蚀技术在硅薄膜上形成CMOS电子电路。
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| CN117872544B (zh) * | 2024-03-12 | 2024-05-14 | 中国科学院半导体研究所 | 硅-锆钛酸铅异质光电融合单片集成系统 |
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