CN118210103A - 一种有源硅光转接板芯片及其制备方法 - Google Patents
一种有源硅光转接板芯片及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118210103A CN118210103A CN202410186255.5A CN202410186255A CN118210103A CN 118210103 A CN118210103 A CN 118210103A CN 202410186255 A CN202410186255 A CN 202410186255A CN 118210103 A CN118210103 A CN 118210103A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- optical
- layer
- chip
- electro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 102
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 102
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 100
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 44
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 48
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 21
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 11
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 8
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 3
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明涉及一种有源硅光转接板芯片及其制备方法，由下至上包括：钝化保护层(1)；硅衬底(2)、边缘耦合器(3)、电光调制器(4)、光电探测器(5)、二氧化硅保护层(6)、停止层(7)、硅通孔(8)、再分布层(9)、微凸点(10)、金属电极(11)。本发明结构紧凑，同时可支持边缘耦合器及加热器结构的掏空，提升光模场耦合效率并提升热光调制效率。将该光芯片应用于光模块中，可以有效的降低光模块的尺寸及功耗，提高光模块的集成度和速率，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子器件领域，特别涉及一种有源硅光转接板芯片及其制备方法。
背景技术
传统电子信息互联架构已无法满足日益增长的带宽和节约能耗的需求，光模块需要进一步向高速率、小型化、低功耗等方向发展。硅基光电子技术具有带宽高、能耗低并且可以利用成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术将光子集成电路和电子集成电路大规模集成在硅衬底上等优势，能满足下一代数据传输系统的迫切需求。2D平面光电集成结构采用打线(Wire-bonding)的方式实现光芯片(PIC)和电芯片(EIC)的互连互通，电学互连较长，当传输高频信号时，信号在传输过程中会发生明显的衰减，导致2D集成的光模块性能下降，并且其占地面积比较大，光模块整体尺寸和功耗都较大，将无法满足未来高速率、大容量的数据传输。
CN113671625A公开了一种基于硅光转接板技术的硅基光电子器件，其硅光转接板技术及制备方法不能解决边缘耦合器和加热器的under cut工艺兼容问题。CN116841060A公开了一种光芯片，其并未实现光芯片、光模块及通信设备三维集成的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种有源硅光转接板芯片及其制备方法，该芯片解决了边缘耦合器和加热器的under cut工艺与减薄的有源硅光转接板的工艺兼容问题。
本发明提供了一种有源硅光转接板芯片，由下至上包括：
钝化保护层；
位于所述钝化保护层之上的硅衬底；
位于所述硅衬底之上且处于同一平面的边缘耦合器、电光调制器和光电探测器；
位于所述硅衬底之上且覆盖所述边缘耦合器、电光调制器和光电探测器的二氧化硅保护层；停止层；
位于芯片两端且贯穿所述二氧化硅保护层的硅通孔；
位于所述硅通孔外侧的再分布层；
位于所述再分布层外侧的微凸点；
位于所述电光调制器和光电探测器之上的金属电极。
优选的，所述电光调制器包括位于中间脊波导上的P型硅轻掺杂区和N型硅轻掺杂区，位于中间脊波导两侧的P型硅中掺杂区和N型硅中掺杂区，以及位于中间脊波导两端的P型硅重掺杂区和N型硅重掺杂区，以及位于中间脊波导上方的金属电极。
优选的，所述电光调制器为微环调制器、马赫-曾德尔干涉调制器或者迈克尔逊干涉调制器。
优选的，所述光电探测器为LPIN探测器，包括锗本征结构，以及位于锗本征结构两侧的P型硅掺杂区和N型硅掺杂区，以及位于硅掺杂区之上的金属电极。
优选的，所述光电探测器为VPIN探测器，包括N型锗重掺杂结构，以及位于锗下方的P型硅轻掺杂区，和位于锗两侧的P型硅重掺杂区，以及位于硅重掺杂区之上的金属电极。
进一步的，所述硅衬底上层表面设有通孔。
本发明还提供了一种有源硅光转接板芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供硅衬底，通过光刻或刻蚀在其表面形成硅波导层；
(2)通过在所述硅波导层表面进行掺杂，制备得到边缘耦合器、电光调制器和光电探测器；随后沉积二氧化硅保护层并进行抛光，在所述光电探测器外延锗；
(3)继续沉积二氧化硅保护层，进行光刻或刻蚀得到通孔，通过干法刻蚀实现部分衬底的去除；
(4)继续沉积二氧化硅保护层，填埋接触到边缘耦合器的通孔；
(5)在所述电光调制器和光电探测器表面制备金属电极，然后依次沉积二氧化硅保护层和停止层；
(6)最后进行传统TSV工艺，通过光刻、刻蚀制备硅通孔，在芯片正面和背面分别制备再分布层和微凸点，最后沉积钝化保护层，得到有源硅光转接板芯片。
本发明还提供了一种有源硅光转接板芯片在光模块或通信设备中的应用。
有益效果
本发明结构紧凑，同时可支持边缘耦合器及加热器结构的掏空，提升光模场耦合效率并提升热光调制效率。将该光芯片应用于光模块中，可以有效的降低光模块的尺寸及功耗，提高光模块的集成度和速率，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明转接板芯片的结构示意图。
图2为本发明转接板芯片的电光调制器中硅波导掺杂截面图。
图3为LPIN探测器器件的结构截面示意图。
图4为VPIN探测器器件的结构截面示意图。
图5a-g为本发明转接板芯片的制备工艺流程示意图。
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
如图1所示，本实施例提供了一种有源硅光转接板芯片，由下至上包括：
钝化保护层1；
位于所述钝化保护层之上的硅衬底2；
位于所述硅衬底2之上且处于同一平面的边缘耦合器3(Edge coupler,EC)、电光调制器4(Modulator,MOD)和光电探测器5(Photodetector,PD)；
位于所述硅衬底2之上且覆盖所述边缘耦合器3、电光调制器4和光电探测器5的二氧化硅保护层6；
停止层7；
位于芯片两端且贯穿所述二氧化硅保护层6的硅通孔8(Through silicon via，TSV)；
位于所述硅通孔8外侧的再分布层9(Redistribution layer，RDL)；
位于所述再分布层9外侧的微凸点10(Bump)；
位于所述电光调制器4和光电探测器5之上的金属电极11。
如图2所示，所述电光调制器4包括位于中间脊波导上的P型硅轻掺杂区和N型硅轻掺杂区，位于中间脊波导两侧的P型硅中掺杂区和N型硅中掺杂区，以及位于中间脊波导两端的P型硅重掺杂区和N型硅重掺杂区，以及位于中间脊波导上方的金属电极11。
优选的，所述电光调制器4为微环调制器、马赫-曾德尔干涉调制器或者迈克尔逊干涉调制器。
所述电光调制器4中的金属电极11包括金属互连层(不限制层数，单层或三层甚至更多层均可)以及加热器(也可以没有加热器，根据需求)，不限制加热器材料，可以是掺杂硅，可以是其他金属材料。加热器下方可以采用掏空部分硅衬底的工艺，这样可以提升加热器的热调效率，也可以不掏空，根据需求。
如图3所示，所述光电探测器5为LPIN探测器，包括锗本征结构，以及位于锗本征结构两侧的P型硅掺杂区和N型硅掺杂区，以及位于硅掺杂区之上的金属电极11。
如图4所示，所述光电探测器5为VPIN探测器，包括N型锗重掺杂结构，以及位于锗下方的P型硅轻掺杂区，和位于锗两侧的P型硅重掺杂区，以及位于硅重掺杂区之上的金属电极11。
进一步的，所述硅波导层2上层表面设有通孔201。
优选的，所述边缘耦合器3不限制形式，可以是需要进行undercut工艺的边缘耦合器，可向下掏空10-50μm。
如图5所示，本发明还提供了一种有源硅光转接板芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)如图5a所示，提供一半导体衬底，采用SOI材料作为衬底，即硅材料作为衬底，二氧化硅作为包层材料，顶层硅作为器件层。衬底材料可以采用其他材料，此处不做限定。厚度一般为几百纳米到几微米。通过光刻或刻蚀在其表面形成硅波导层，所述硅波导层包括脊型波导或条形波导图形；
(2)如图5b所示，通过在所述硅波导层表面进行掺杂，制备得到边缘耦合器3、电光调制器4和光电探测器5；随后沉积二氧化硅保护层6并进行抛光，在所述光电探测器5外延锗；
(3)如图5c所示，继续沉积二氧化硅保护层6，进行光刻或刻蚀得到通孔201，通过干法刻蚀实现部分衬底的去除；
(4)如图5d所示，继续沉积二氧化硅保护层6，填埋接触到边缘耦合器3的通孔201；
(5)如图5e所示，在所述电光调制器4和光电探测器5表面制备金属电极11，然后依次沉积二氧化硅保护层6和停止层7；
(6)如图5f所示，最后进行传统TSV工艺，包括TSV通孔刻蚀，TSV开孔，正面RDL层电镀，正面微凸点工艺，然后在正面对边缘耦合划片道进行二氧化硅刻蚀，通过光刻或刻蚀制备硅通孔8，在芯片正面制备再分布层9和微凸点10，最后在正面沉积钝化保护层1；
(7)如图5g所示，通过临时键合、衬底减薄、TSV露头，背面RDL层电镀，背面微凸点工艺，解键合等，在芯片背面制备再分布层9和微凸点10，最后在背面同样沉积钝化保护层1，得到有源硅光转接板芯片。
制备完成后，可以通过激光切割的方式实现晶圆划片，后续可以通过倒装焊键合实现硅光转接板芯片和电芯片的连接。
Claims (8)
1.一种有源硅光转接板芯片，其特征在于：由下至上包括：
钝化保护层(1)；
位于所述钝化保护层之上的硅衬底(2)；
位于所述硅衬底(2)之上且处于同一平面的边缘耦合器(3)、电光调制器(4)和光电探测器(5)；
位于所述硅衬底(2)之上且覆盖所述边缘耦合器(3)、电光调制器(4)和光电探测器(5)的二氧化硅保护层(6)；
停止层(7)；
位于芯片两端且贯穿所述二氧化硅保护层(6)的硅通孔(8)；
位于所述硅通孔(8)外侧的再分布层(9)；
位于所述再分布层(9)外侧的微凸点(10)；
位于所述电光调制器(4)和光电探测器(5)之上的金属电极(11)。
2.根据权利要求1所述的有源硅光转接板芯片，其特征在于：所述电光调制器(4)包括位于中间脊波导上的P型硅轻掺杂区和N型硅轻掺杂区，位于中间脊波导两侧的P型硅中掺杂区和N型硅中掺杂区，以及位于中间脊波导两端的P型硅重掺杂区和N型硅重掺杂区，以及位于中间脊波导上方的金属电极(11)。
3.根据权利要求1所述的有源硅光转接板芯片，其特征在于：所述电光调制器(4)为微环调制器、马赫-曾德尔干涉调制器或者迈克尔逊干涉调制器。
4.根据权利要求1所述的有源硅光转接板芯片，其特征在于：所述光电探测器(5)为LPIN探测器，包括锗本征结构，以及位于锗本征结构两侧的P型硅掺杂区和N型硅掺杂区，以及位于硅掺杂区之上的金属电极(11)。
5.根据权利要求1所述的有源硅光转接板芯片，其特征在于：所述光电探测器(5)为VPIN探测器，包括N型锗重掺杂结构，以及位于锗下方的P型硅轻掺杂区，和位于锗两侧的P型硅重掺杂区，以及位于硅重掺杂区之上的金属电极(11)。
6.根据权利要求1所述的有源硅光转接板芯片，其特征在于：所述硅衬底(2)上层表面设有通孔(201)。
7.一种有源硅光转接板芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供硅衬底(2)，通过光刻或刻蚀在其表面形成硅波导层；
(2)通过在所述硅波导层表面进行掺杂，制备得到边缘耦合器(3)、电光调制器(4)和光电探测器(5)；随后沉积二氧化硅保护层(6)并进行抛光，在所述光电探测器(5)外延锗；
(3)继续沉积二氧化硅保护层(6)，进行光刻或刻蚀得到通孔(201)，通过干法刻蚀实现部分衬底的去除；
(4)继续沉积二氧化硅保护层(6)，填埋接触到边缘耦合器(3)的通孔(201)；
(5)在所述电光调制器(4)和光电探测器(5)表面制备金属电极(11)，然后依次沉积二氧化硅保护层(6)和停止层(7)；
(6)最后进行传统TSV工艺，通过光刻、刻蚀制备硅通孔(8)，在芯片正面和背面分别制备再分布层(9)和微凸点(10)，最后沉积钝化保护层(1)，得到有源硅光转接板芯片。
8.一种如权利要求1-6任一所述的有源硅光转接板芯片在光模块或通信设备中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410186255.5A CN118210103A (zh) | 2024-02-20 | 2024-02-20 | 一种有源硅光转接板芯片及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410186255.5A CN118210103A (zh) | 2024-02-20 | 2024-02-20 | 一种有源硅光转接板芯片及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118210103A true CN118210103A (zh) | 2024-06-18 |
Family
ID=91445328
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410186255.5A Pending CN118210103A (zh) | 2024-02-20 | 2024-02-20 | 一种有源硅光转接板芯片及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118210103A (zh) |
-
2024
- 2024-02-20 CN CN202410186255.5A patent/CN118210103A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102080881B1 (ko) | 하이브리드 상호연결 디바이스 및 방법 | |
| US20190238228A1 (en) | Method And System For Monolithic Integration Of Photonics And Electronics In CMOS Processes | |
| US9293448B2 (en) | Methods of forming three-dimensionally integrated semiconductor systems including photoactive devices and semiconductor-on-insulator substrates | |
| CN105789366B (zh) | 一种硅基混合集成雪崩光电探测器 | |
| CN113540063B (zh) | 兼容锗硅探测器和薄膜铌酸锂调制器的硅光集成芯片 | |
| JP5812002B2 (ja) | 受光素子及びそれを備えた光通信デバイス、並びに受光素子の製造方法及び光通信デバイスの製造方法 | |
| WO2020237706A1 (zh) | 硅光模块的封装方法及硅光模块 | |
| CN112563349B (zh) | 一种光电探测器及其制备方法 | |
| Fedeli et al. | Photonic–electronic integration with bonding | |
| CN115542458B (zh) | 异质异构集成光电微系统及其制作方法 | |
| US20230003943A1 (en) | Manufacture of semiconductor device with optical transmission channel between optical coupler and outside of the semiconductor device | |
| KR20210154086A (ko) | 포토닉 반도체 디바이스 및 그 제조 방법 | |
| CN114400236B (zh) | 集成硅光调制器和锗硅探测器的硅光集成芯片及制备方法 | |
| US11675126B1 (en) | Heterogeneous integration of an electro-optical platform | |
| TW202235934A (zh) | 封裝及半導體元件及其形成方法 | |
| CN220040800U (zh) | 边耦合器 | |
| CN103000744A (zh) | 背面入射型半导体受光元件 | |
| CN118210103A (zh) | 一种有源硅光转接板芯片及其制备方法 | |
| WO2021227912A1 (zh) | 基于硅光转接板技术的硅基光电子器件及制备方法 | |
| CN212083723U (zh) | 基于硅光转接板技术的硅基光电子器件 | |
| CN117406337A (zh) | 基于晶片到晶圆键合的异质光电融合集成系统 | |
| CN112017973B (zh) | 硅光模块的封装方法及硅光模块 | |
| CN117170048B (zh) | 三维封装光电集成芯片结构及其制备方法 | |
| CN117254345B (zh) | 一种模块化的硅基异质光电集成架构及方法 | |
| CN113671625A (zh) | 基于硅光转接板技术的硅基光电子器件及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |