CN117908186A - 一种单片集成高速调制硅基光芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单片集成高速调制硅基光芯片及制备方法，从下至上依次包括硅基光电子层(I)、中间层(II)、铌酸锂层或钽酸锂层(III)；所述硅基光电子层(I)从下至上包括衬底(1)、绝缘层(2)、硅波导(3)、InP激光器(4)、硅锗光电探测器(5)和热光移相器(6)。本发明基于铌酸锂(或钽酸锂)优良的电光调制性能，聚焦于特殊的键合方法和CMOS兼容的硅光子流片工艺，获得了铌酸锂(或钽酸锂)‑硅多层结构，进一步地实现了激光器、光电探测器、电光调制器全集成的收发一体光芯片，其能够满足当前片上光系统对于高紧凑性和低功耗的要求。
Description
技术领域
本发明属于信息功能材料与器件技术领域，特别涉及一种单片集成高速调制硅基光芯片及制备方法。
背景技术
随着生成式人工智能和云计算的发展，开发多模态、大数据训练集的通用模型成为了该领域的主流方向，进一步地驱动并行训练过程中数据中心间的“东西向”流量爆炸式增长。作为在光纤通信中的核心连接器件，光模块能够实现高速电光转换，使光纤网络内的数据传输能够满足核心算力基础设施对于低功耗、大带宽的需求。光芯片是光模块的重要组成部件，其收发端和调制器件的性能决定了光模块信号传输的质量。除光模块这一应用以外，利用光子作为载体的光芯片可通过片上大规模光子器件来实现低能耗、大算力的高速光计算，其可行性更加印证了光芯片在算力膨胀时代背景下的巨大潜在竞争力。
目前，商用光学芯片大部分还是基于CMOS兼容的硅基平台实现的，但是利用载流子色散效应进行电光调制的硅基光电子芯片表现出调制带宽小、调制速率低、本征线性度低等问题，难以适配于800G以上光模块下的应用场景。尽管基于铌酸锂材料的Pockels效应的光芯片可以有效地解决上述的低线性度问题，但受限于其材料体系无法与传统光电探测器件兼容、调制器件占地面积大等缺陷，故在铌酸锂平台上实现共封装光模块(CPO)、线性直驱可插拔式光模块(LPO)的理念仍存在距离。此外与铌酸锂类似，钽酸锂材料因其优良的电光性能和弱各向异性而受到研究界的广泛关注，但其目前关于片上集成钽酸锂光电平台及其兼容性强的平面制备工艺的探索仍存在较大的空白。因此，具有高兼容性、高调制线性度的平台对于实现光电一体化光芯片是至关重要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单片集成高速调制硅基光芯片及制备方法，该芯片有效地解决目前产业界硅基光芯片收发端集成度低、调制速率慢、调制线性度低的问题。
本发明提供了一种单片集成高速调制硅基光芯片，从下至上依次包括硅基光电子层、中间层、铌酸锂层或钽酸锂层；所述硅基光电子层从下至上包括衬底、绝缘层、硅波导、InP激光器、硅锗光电探测器和热光移相器；所述中间层包括氧化硅保护层、氮化硅波导和氮化硅微环。
进一步的，所述衬底包括但不限于氧化硅-硅衬底。
进一步的，所述硅波导包括脊型波导、条形波导、光栅波导、光电探测器的硅区域和锥形耦合波导。
优选的，所述脊型波导用于构成所述热光移相器和光学信号传输，刻蚀深度为60nm-300nm。
优选的，所述条形波导用于连接所述脊型波导，刻蚀深度为200nm-600nm。
优选的，所述光栅波导将所述InP激光器产生的激光导入光波导中，其包括刻蚀深度为60nm-300nm的浅刻蚀波导结构和刻蚀深度为200nm-600nm的深刻蚀周期性光栅结构。
进一步的，所述光电探测器的硅区域从下至上包括P+区和P++区。
进一步的，所述InP激光器从上至下包括P型InGaAs层、P型InP层、多量子阱结构MQW层和N型InP层；所述P型InGaAs层、P型InP层、多量子阱结构MQW层的长度相同，所述N型InP层的长度大于多量子阱结构MQW层形成未被覆盖区域。
进一步的，所述P型InGaAs层的上方沉积第一金属形成P型金属半导体接触；所述N型InP层未被覆盖区域的上方沉积第二金属形成N型金属半导体接触。
进一步的，所述硅锗光电探测器通过在光电探测器的硅区域上方沉积锗Ge并进行选区离子注入形成N+区和N++区而得。
进一步的，所述热光移相器中沉积有Ti/Pt。
进一步的，在所述InP激光器、硅锗光电探测器和热光移相器处开窗，设有引线金属和焊盘金属结构。
进一步的，所述铌酸锂层或钽酸锂层设有电光波导、锥形耦合波导、波分复用器件以及在所述电光波导上沉积的共面波导电极结构。
优选的，所述氮化硅波导与所述硅波导、所述铌酸锂层或钽酸锂层中的波导间的垂直距离处于2um-5um。所述氮化硅微环不参与层间的垂直耦合，其用于所述InP激光器的自注入锁定及片上孤子产生，其Q值大于106。
进一步的，所述铌酸锂层或钽酸锂层的厚度为600nm；铌酸锂层或钽酸锂层刻蚀所采用的掩膜包括二氧化硅、HSQ光刻胶、类金刚石薄膜(DLC)、铬金属，波导刻蚀深度为300nm-600nm，波导侧壁倾斜度为60°-80°；铌酸锂(钽酸锂)电光调制器包括电光波导和共面波导电极结构(CPW)；所述电光波导包括但不限于马赫曾德尔干涉仪(MZI)结构、微环结构，所述CPW电极结构包括但不限于T型结构和直波导结构，厚度处于300nm-1000nm；所述波分复用器件包括但不限于阵列波导光栅、级联滤波微环腔。
进一步的，上述金属包括但不限于金、铜、锗、钛等金属。
本发明还提供了一种单片集成高速调制硅基光芯片的制备方法，包括如下步骤：
S1、以绝缘体上硅SOI晶圆组成衬底和绝缘层，采用硅基标准工艺在SOI晶圆上刻蚀出硅波导；
S2、准备具有多量子阱结构MQW的解理InP小片，利用等离子体分别激活SOI晶圆被刻蚀表面、解理InP小片的N型InP表面，并将二者进行片圆键合；随后进行热处理，机械研磨去除InP衬底；利用选择性干法刻蚀和湿法刻蚀对键合后的解理InP小片进行刻蚀，再沉积金属形成金属半导体接触，得到InP激光器；
S3、气相沉积二氧化硅保护层，先干法刻蚀二氧化硅从而在预计硅锗光电探测器区域开窗外延沉积Ge并进行选区离子注入，得到硅锗光电探测器；
S4、在所述InP激光器中InGaAs层上方开窗进行质子注入；
S5、在预计热光移相器区域沉积Ti/Pt，得到热光移相器；
S6、在InP激光器、硅锗光电探测器和热光移相器处开窗沉积引线金属和焊盘金属结构形成层间引线电极结构；
S7、开窗在预计中间层区域积氮化硅波导和氮化硅微环；
S8、再次气相沉积二氧化硅并进行表面化学机械抛光；
S9、利用等离子体激活铌酸锂或钽酸锂的表面和步骤S8中的二氧化硅保护层表面，将二者进行晶圆键合，并对键合结构侧的硅-氧化硅衬底进行深硅刻蚀直至衬底完全去除；
S10、通过离子束光刻将图形转移到掩膜上，离子束刻蚀加工出电光波导、锥形耦合波导、波分复用器件；
S11、利用双层lift-off工艺在电光波导上进行金属沉积，得到共面波导电极结构；
S12、再次刻蚀薄膜直至二氧化硅保护层，对二氧化硅进行干法刻蚀形成通孔，沉积金属电极，得到单片集成高速调制硅基光芯片。
优选的，S1中所述SOI晶圆的硅层厚度为200nm-600nm。
优选的，S2中所述解理InP小片尺寸不超过5cm×5cm。
优选的，S2中解理InP小片从上至下依次为P型InGaAs层、P型InP层、MQW层、N型InP层，其总体高度处于2um-3um的范围内；刻蚀包括对所述InGaAs层、所述InP层进行干法刻蚀和对所述MQW结构进行湿法刻蚀。
优选的，等离子体激活晶圆和小片表面所使用的气体包括但不限于氩气、氧气、氮气，激活后可在薄膜表面形成富氩层、富氧层、富氮层等，能量范围为400eV～2000eV；键合可在真空环境、常温常压的键合环境下，键合前需进行表面抛光，以保证薄膜表面粗糙度低于0.3nm；键合后的热处理为退火过程，若键合结构为片圆键合和所述LNOI(LTOI)与所述硅基光电子晶圆键合，其温度处于500-1400℃，若键合结构为所述LTOI(LTOI)与所述硅基光电子晶圆键合，退火温度为300-500℃，避免过高退火温度的原因为高温会破坏LT薄膜晶格质量。
上述开窗工艺为利用对准工艺和传统光刻刻蚀技术，去除特定位置的保护层从而露出下面的功能介质材料，以便后续实现各类平面工艺操作。
本发明的工作原理主要为所述片上InP激光器产生的光通过所述耦合锥形波导耦合进入高Q值氮化硅微环形成激光自注入锁定；后耦合进入上方铌酸锂(钽酸锂)锥形波导，利用所述波分复用器件将不同波长分开进入不同的所述电光调制器，电极施加外界高频数字电信号进行高速电光调制；最终调制后的信号经由铌酸锂(钽酸锂)锥形波导和氮化硅锥形波导耦合回硅基光电子层，并被硅锗光电探测器接收发生光-电转换。所述单片集成高速调制光芯片可实现光电收发一体式的芯片级电光调制功能，应用包括但不限于光电一体化光计算芯片、共封装光模块中的光芯片、片上激光雷达。
本发明提出了一种基于铌酸锂(或钽酸锂)与硅基光电子芯片新型平台的单片集成高速调制光芯片及其制备方法。单片集成高速调制光芯片包括硅基光电子层、中间层、铌酸锂层(或钽酸锂层)；所述硅基光电子层设置在光芯片最下方，包括衬底、InP激光器、硅波导、硅锗光电探测器、热光相移器；利用所述中间层的氮化硅波导可实现层间耦合，氮化硅微环可实现激光的自注入锁定；所述铌酸锂层(或钽酸锂层)设置在光芯片最上方，包括高速电光调制器、波分复用器件和波导。制备工艺包括：采用硅基标准工艺在SOI晶圆上刻蚀出光波导结构；利用等离子体激活实现解理InP小片与SOI晶圆间的片圆键合，并通过多种刻蚀工艺和沉积工艺实现片上InP激光器和硅锗光电探测器的光收发端集成；将晶圆级绝缘体上铌酸锂(或钽酸锂)与硅基光电子晶圆键合，并在其上加工出可层间耦合的锥形波导和可输入高频电信号的电光调制器；最终利用深刻蚀和电子束沉积金属实现层间的电互联，获得完整的单片集成高速调制光芯片。
有益效果
本发明基于铌酸锂(或钽酸锂)优良的电光调制性能，聚焦于特殊的键合方法和CMOS兼容的硅光子流片工艺，获得了铌酸锂(或钽酸锂)-硅多层结构，进一步地实现了激光器、光电探测器、电光调制器全集成的收发一体光芯片，其能够满足当前片上光系统对于高紧凑性和低功耗的要求。所述设计可以有效地解决目前产业界硅基光芯片收发端集成度低、调制速率慢、调制线性度低的问题，进而助力未来800G及以上高带宽共封装光模块和集成光计算芯片的商用化进程。
附图说明
图1和图2为本发明芯片的结构示意图。
图3为本发明芯片的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
本实施例提供了一种单片集成高速调制硅基光芯片，从下至上依次包括硅基光电子层(I)、中间层II、铌酸锂层或钽酸锂层III；所述硅基光电子层I从下至上包括衬底1、氧化硅绝缘层2、硅波导3、InP激光器4、硅锗光电探测器5和热光移相器6；所述中间层II包括氧化硅保护层81、氮化硅波导82和氮化硅微环83。
所述硅波导3包括脊型波导31、条形波导32、光栅波导33、光电探测器的硅区域34和锥形耦合波导35。
所述光电探测器的硅区域34从下至上包括P+区341和P++区342。
所述InP激光器4从上至下包括P型InGaAs层41、P型InP层42、多量子阱结构MQW层43和N型InP层44；所述P型InGaAs层41、P型InP层42、多量子阱结构MQW层43的长度相同，所述N型InP层44的长度大于多量子阱结构MQW层43形成未被覆盖区域。
所述P型InGaAs层41的上方沉积第一金属45形成P型金属半导体接触；所述N型InP层44未被覆盖区域的上方沉积第二金属46形成N型金属半导体接触。
所述硅锗光电探测器5通过在光电探测器的硅区域34上方沉积锗Ge并进行选区离子注入形成N+区71和N++区72而得。
所述热光移相器6中沉积有Ti/Pt 9。
在所述InP激光器4、硅锗光电探测器5和热光移相器6处开窗，设有引线金属10和焊盘金属结构11。
所述铌酸锂层或钽酸锂层III设有电光波导121、锥形耦合波导122、波分复用器件以及在所述电光波导121上沉积的共面波导电极结构123。
本实施例提供了一种单片集成高速调制硅基光芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供一SOI晶圆，其规格为220nm Si/2um SiO2/4mm Si。基于标准硅基工艺，利用硬掩膜和干法刻蚀70nm定义浅刻蚀区域，后利用光刻胶和干法刻蚀150nm定义深刻蚀区域，制备出脊型波导31、条形波导32、光栅波导33、光电探测器的硅区域34和锥形耦合波导35。去除硬掩模，对光电探测器的硅区域34进行轻掺杂形成P+区341和重掺杂形成P++区342。(2)提供一含有多量子阱结构MQW的多层解理InP小片，从上至下包括P型InGaAs层41、P型InP层42、多量子阱结构MQW层43和N型InP层44，利用等离子体激活多层解理InP小片的N型InP层44表面和SOI晶圆的Si表面，实现室温下的片圆键合，多层解理InP小片的总体厚度为2.2um。键合完成后进行退火以增强键合强度，退火温度为700℃。利用离子束蒸发在P型InGaAs层41表面沉积第一金属45(金)形成P型金半接触以提高激光载流子注入效率和输出功率；进行P型InP 42、P型InGaAs 41、N型InP 44的干法刻蚀和MQW 43的湿法刻蚀，此步刻蚀需利用标记对准；在裸露的N型InP 44表面沉积第二金属45(金)形成金半接触，沉积二氧化硅形成保护层，完成InP激光器4的制备。
(3)在硅锗探测器区域干法刻蚀上述二氧化硅保护层，外延沉积Ge材料，对其再次掺杂形成N+区71和N++区72，完成硅锗光电探测器5的制备；
(4)再次在P型InGaAs 41表面干法刻蚀二氧化硅开窗进行质子注入形成质子注入层以减少电流泄露；
(5)在热光移相器区域干法刻蚀上述二氧化硅保护层进行开窗，沉积Ti/Pt金属9，得到热光移相器6；
(6)在N型、P型金半接触处开窗沉积引线金属10和焊盘金属结构11；在锥形耦合波导35上方开窗沉积氮化硅波导82用于LN层与Si层的层间耦合，在远离有源区的区域开窗沉积氮化硅微环83用于激光器的自注入锁模；沉积氧化硅保护层81至越过焊盘金属结构11，并进行表面抛光，使表面粗糙度小于0.3nm，完成硅基光电子层I和中间层II的制备，得到硅基光电子芯片。
(7)制备一LNOI晶圆，其规格为600nm LN/4.7um SiO2/4mmSi，利用等离子体激活LNOI晶圆的LN表面和硅基光电子芯片的上层氧化硅表面，实现室温下的键合，然后进行300℃的退火处理；利用电子束光刻和离子束刻蚀对LN薄膜进行波导图形转移，刻蚀出电光波导121、锥形耦合波导122和MZI波导结构。
(8)利用双层lift-off工艺沉积金电极获得共面波导电极结构123，再利用电子束深刻蚀LN薄膜和氧化硅保护层直至中间层III的焊盘金属电极裸露，后利用离子束沉积金电极13和焊盘电极，完成整体单片集成高速调制光芯片的制备。
Claims (10)
1.一种单片集成高速调制硅基光芯片，其特征在于：从下至上依次包括硅基光电子层(I)、中间层(II)、铌酸锂层或钽酸锂层(III)；所述硅基光电子层(I)从下至上包括衬底(1)、(2)、硅波导(3)、InP激光器(4)、硅锗光电探测器(5)和热光移相器(6)；所述中间层(II)包括氧化硅保护层(81)、氮化硅波导(82)和氮化硅微环(83)；
其制备方法包括如下步骤：
S1、以绝缘体上硅SOI晶圆组成衬底(1)和绝缘层(2)，采用硅基标准工艺在SOI晶圆上刻蚀出硅波导(3)；
S2、准备具有多量子阱结构MQW的解理InP小片，利用等离子体分别激活SOI晶圆被刻蚀表面、解理InP小片的N型InP表面，并将二者进行片圆键合；随后进行热处理，机械研磨去除InP衬底；利用选择性干法刻蚀和湿法刻蚀对键合后的解理InP小片进行刻蚀，再沉积金属形成金属半导体接触，得到InP激光器(4)；
S3、气相沉积二氧化硅保护层，先干法刻蚀二氧化硅从而在预计硅锗光电探测器区域开窗外延沉积Ge并进行选区离子注入，得到硅锗光电探测器(5)；
S4、在所述InP激光器(4)中InGaAs层上方开窗进行质子注入；
S5、在预计热光移相器区域沉积Ti/Pt(10)，得到热光移相器(6)；
S6、在InP激光器(4)、硅锗光电探测器(5)和热光移相器(6)处开窗沉积引线金属(10)和焊盘金属结构(11)形成层间引线电极结构；
S7、开窗在预计中间层区域(III)沉积氮化硅波导(82)和氮化硅微环(83)；
S8、再次气相沉积二氧化硅并进行表面化学机械抛光；
S9、利用等离子体激活铌酸锂或钽酸锂的表面和步骤S8中的二氧化硅保护层表面，将二者进行晶圆键合，并对键合结构侧的硅-氧化硅衬底进行深硅刻蚀直至衬底完全去除；
S10、通过离子束光刻将图形转移到掩膜上，离子束刻蚀加工出电光波导(121)、锥形耦合波导(122)、波分复用器件；
S11、利用双层lift-off工艺在电光波导(121)上进行金属沉积，得到共面波导电极结构(123)；
S12、再次刻蚀薄膜直至二氧化硅保护层，对二氧化硅进行干法刻蚀形成通孔，沉积金属电极(13)，得到单片集成高速调制硅基光芯片。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述硅波导(3)包括脊型波导(31)、条形波导(32)、光栅波导(33)、光电探测器的硅区域(34)和锥形耦合波导(35)。
3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于：所述光电探测器的硅区域(34)从下至上包括P+区(341)和P++区(342)。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述InP激光器(4)从上至下包括P型InGaAs层(41)、P型InP层(42)、多量子阱结构MQW层(43)和N型InP层(44)；所述P型InGaAs层(41)、P型InP层(42)、多量子阱结构MQW层(43)的长度相同，所述N型InP层(44)的长度大于多量子阱结构MQW层(43)形成未被覆盖区域。
5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于：所述P型InGaAs层(41)的上方沉积第一金属(45)形成P型金属半导体接触；所述N型InP层(44)未被覆盖区域的上方沉积第二金属(46)形成N型金属半导体接触。
6.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于：所述硅锗光电探测器(5)通过在光电探测器的硅区域(34)上方沉积锗Ge并进行选区离子注入形成N+区(71)和N++区(72)而得。
7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述热光移相器(6)中沉积有Ti/Pt(9)。
8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：在所述InP激光器(4)、硅锗光电探测器(5)和热光移相器(6)处开窗，设有引线金属(10)和焊盘金属结构(11)。
9.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于：所述铌酸锂层或钽酸锂层(III)设有电光波导(121)、锥形耦合波导(122)、波分复用器件以及在所述电光波导(121)上沉积的共面波导电极结构(123)。
10.一种单片集成高速调制硅基光芯片的制备方法，包括如下步骤：
S1、以绝缘体上硅SOI晶圆组成衬底(1)和绝缘层(2)，采用硅基标准工艺在SOI晶圆上刻蚀出硅波导(3)；
S2、准备具有多量子阱结构MQW的解理InP小片，利用等离子体分别激活SOI晶圆被刻蚀表面、解理InP小片的N型InP表面，并将二者进行片圆键合；随后进行热处理，机械研磨去除InP衬底；利用选择性干法刻蚀和湿法刻蚀对键合后的解理InP小片进行刻蚀，再沉积金属形成金属半导体接触，得到InP激光器(4)；
S3、气相沉积二氧化硅保护层，先干法刻蚀二氧化硅从而在预计硅锗光电探测器区域开窗外延沉积Ge并进行选区离子注入，得到硅锗光电探测器(5)；
S4、在所述InP激光器(4)中InGaAs层上方开窗进行质子注入；
S5、在预计热光移相器区域沉积Ti/Pt(10)，得到热光移相器(6)；
S6、在InP激光器(4)、硅锗光电探测器(5)和热光移相器(6)处开窗沉积引线金属(10)和焊盘金属结构(11)形成层间引线电极结构；
S7、开窗在预计中间层区域(III)沉积氮化硅波导(82)和氮化硅微环(83)；
S8、再次气相沉积二氧化硅并进行表面化学机械抛光；
S9、利用等离子体激活铌酸锂或钽酸锂的表面和步骤S8中的二氧化硅保护层表面，将二者进行晶圆键合，并对键合结构侧的硅-氧化硅衬底进行深硅刻蚀直至衬底完全去除；
S10、通过离子束光刻将图形转移到掩膜上，离子束刻蚀加工出电光波导(121)、锥形耦合波导(122)、波分复用器件；
S11、利用双层lift-off工艺在电光波导(121)上进行金属沉积，得到共面波导电极结构(123)；
S12、再次刻蚀薄膜直至二氧化硅保护层，对二氧化硅进行干法刻蚀形成通孔，沉积金属电极(13)，得到单片集成高速调制硅基光芯片。
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