专利名称：硅基光电异质集成方法及硅基光电异质集成芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于硅和III-V族半导体材料的新型光电异质集成技术领域，具体涉 及一种硅基光电异质集成方法及硅基光电异质集成芯片。
背景技术：
近几十年来，随着电子电路集成技术的发展和微加工技术的提高，电子器件的尺 寸与基本元件的集成数量都在不断增加。尤其是标准的硅片和以CMOS为代表的标准薄膜 工艺的采用，大大加速了信息处理器件的快速化、高度集成化的发展。随着信息处理速度的 大幅度提高，器件间信息交换量急剧增加，传统的电互连方式由于受到寄生电阻、电容、电 感的影响，导致串扰、噪声、功耗、时延等一系列严重的问题。在数据的高速大容量传输方 面，以各种光子器件构成的光互连技术拥有巨大优势，作为信息载体的光波，其频率很高， 有巨大带宽优势，单通道可实现10(ib/S以上的高速信号传输，利用波分复用技术，可以轻 易做到上百条通道，可以实现超大容量、超高速的数据信息传输。由于采用光信号传输可以 避免电互连中不同信道间信号串扰和外界电磁辐射干扰等问题，所以，在高速大容量数据 传输领域，以光互连为代表的光子技术是以电互连为代表的微电子技术的理想替代者。但是，在集成芯片的信息处理领域，光子技术仍远未发展成熟，光逻辑运算领域和 光缓存、光存储领域，仍然没有比较成熟的商用化技术。而以微处理器和RAM等为代表的各 种微电子元件，在高速逻辑运算、缓存等信息处理领域表现出非常优异的性能，而且有商业 化、标准化的产业链支撑，具有巨大的成本优势。为了发挥微电子技术和光子技术的各自优 势，进一步延续摩尔定律，研究具有更高信息处理速度、更大信息容量、更高集成密度的新 一代集成芯片，近些年来国际研究发展趋势越来越倾向于两大技术的优势互补抓“光电集 成技术”，即采用各种技术实现微电子电路与光子集成回路的功能性集成，以微电子电路实 现主要的信息处理功能，以平面光子技术实现光电-电光转换和高速大容量的信息传输。半导体微加工技术的发展大大促进了光电集成技术的发展。纵观其发展趋势，可 以概括为尺度纳米小型化、材料异质多元化、高度集成化及功能模块系统化。未来的发展 越来越需要多基于半导体材料平台，实现多种异质半导体光子、电子器件的多功能的光电 单片集成技术。硅基光电异质集成技术是解决这一问题、实现高密度光电集成的理想技术平台， 它使硅与III-V族半导体材料结合为“新型材料”，在此基础上实现异质半导体光子和电子 器件的多功能集成模块。硅基光电异质集成技术为未来硅基光子技术与微电子技术发展的 进一步融合提供了新的途径。它结合了 III-V族半导体优异的光电性能，硅光子技术的高 密度集成、小型化的优点和硅基微电子技术的低成本、产业化优势，使硅基与III-V族两大 材料体系实现了优势互补。实现硅基异质集成的主要技术有倒扣焊、异质外延和晶片键 合。其中晶片键合技术具有可以实现高质量的III-V族外延层，集成效率高、集成密度高等 突出的优点，在近年来迅速发展。晶片键合技术可分为整片键合与单元模块键合，整片键合 技术具有成本低、集成度高、适于大规模的应用的优点，得到国内外研究学者的青睐。
目前，国内外对于硅基异质集成技术的研究主要围绕着在硅材料平台上采用单元 模块键合实现硅基CMOS电子电路、硅基无源光子器件和III-V族有源光子器件的集成。存 在以下难点首先，单元模块键合技术集成效率低、结合强度差，难以适合大规模、高密度的 商业化集成；其次，相对于III-V族材料，硅材料的载流子迁移率不高，制约了它在制作高 频、低功耗的CMOS电子电路方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术所存在的微电子集成电路与光子器件难于 单片集成的缺陷，提出了一种基于整片的晶片键合工艺和III-V族CMOS技术的硅基光电异 质集成方法及硅基光电异质集成芯片。本发明提出的硅基光电异质集成方法，包括在硅晶片上设置硅基无源光子器件 作为光信息传输通道；在III-V族晶片中设置CMOS微电子集成电路，用于高速信息处理； 在所述III-V族晶片中设置有源光子器件，用于光、电信息间的高速转换；在所述III-V族 晶片上通过一次外延实现所述有源光子器件和CMOS微电子集成电路的有源区多层量子阱 结构；采用整片的晶片键合工艺在所述硅晶片上键合所述III-V族晶片；在所述III-V族 晶片中设置光耦合器，用于所述有源光子器件和硅基无源光子器件间的高效光耦合。所述硅基无源光子器件采用高折射率差的硅基微纳光波导结构。在同一 III-V族材料层中设置所述CMOS微电子集成电路和有源光子器件，利用多 量子阱技术通过一次外延在所述III-V族晶片上同时集成所述有源光子器件和CMOS微电 子集成电路。所述采用整片的晶片键合工艺在所述硅晶片上键合所述III-V族晶片的步骤具 体包括对所述III-V族晶片进行表面清洁及氧化处理；采用整片低温键合使所述III-V 族晶片和硅晶片结合在一起，键合温度设置为300°c以下；对结合后的所述III-V族晶片进 行背面减薄和化学腐蚀处理。所述III-V族晶片的有源光子器件的整体采用脊型波导结构，其有源区采用多层 量子阱结构。所述CMOS微电子集成电路采用与现有硅基集成电路技术融合的III-V族半导体 CMOS技术。所述光耦合器采用双层的锥形渐变耦合器结构，具体包括将所述III-V族晶片 的平面线性渐变锥形波导结构设置为上层的耦合器，用于所述III-V族晶片的有源光子器 件与硅基无源光子器件的高效光耦合；将所述硅晶片的平面线性渐变锥形波导结构设置为 下层的耦合器，用于耦合端的硅基宽波导与硅基微纳光波导的高效光耦合。本发明提出的硅基光电异质集成芯片，包括硅晶片和III-V族晶片；所述硅晶片 上设置有硅基无源光子器件，作为光信息传输通道；所述III-V族晶片中设置有CMOS微电 子集成电路，用于高速信息处理；所述III-V族晶片中设置有有源光子器件，用于光、电信 息间的高速转换；所述III-V族晶片上通过一次外延实现所述有源光子器件和CMOS微电子 集成电路的有源区多层量子阱结构；所述III-V族晶片通过整片的晶片键合工艺键合在所 述硅晶片上；所述III-V族晶片中设置有光耦合器，用于所述有源光子器件和硅基无源光 子器件间的高效光耦合。
所述硅基无源光子器件采用高折射率差的硅基微纳光波导结构。所述CMOS微电子集成电路和有源光子器件集成于同一 III-V族材料层中；所述 III-V族晶片的有源光子器件的整体采用脊型波导结构，其有源区采用多层量子阱结构； 所述光耦合器设置为双层的锥形渐变耦合器结构，所述III-V族晶片的平面线性渐变锥形 波导结构设置为上层的耦合器，用于所述III-V族晶片的有源光子器件与硅基无源光子器 件的高效光耦合；所述硅晶片的平面线性渐变锥形波导结构设置为下层的耦合器，用于耦 合端的硅基宽波导与硅基微纳光波导的高效光耦合。本发明可广泛应用于研制下一代高密度、大容量、多功能的单片集成光电芯片。与 现有技术相比，本发明具有以下明显的优点1、整片的低温晶片键合技术的采用，为低成本、大规模制作光电异质集成模块提 供了可行性。它与CMOS工艺可以兼容，这使得硅基光电异质集成技术更加适于商业化应用。2、采用与现有硅基集成电路技术相融合的III-V族半导体CMOS技术，制作低成本 的高速、大功率微电子电路，结合III-V族有源光子器件和硅基无源光子器件，实现单片的 硅基光电异质集成芯片，更加代表了当代信息技术高速、大容量和“光电融合”的发展趋势。3、采用高折射率差的硅基微纳光波导结构作为光连接的无源器件，低损耗光传输 和微小的弯曲半径为硅基光电异质集成芯片的微型化和高密度集成化的实现提供了可能 性。4、双层耦合器的采用提高了无源光波导器件与有源光器件的耦合效率，降低了大 规模光电集成的难度。
图1为本发明实施例硅基光电异质集成芯片的结构示意图；图2为本发明实施例硅基光电异质集成芯片的外观效果图；图3为本发明实施例硅基光电异质集成芯片的有源光子器件的III-V族高速驱动 电路和微电子电路的结构示意图；图4为本发明实施例硅基光电异质集成芯片的III-V族激光器光源、硅基无源光 子器件和双层锥形渐变耦合器的结构示意图。
具体实施例方式以下结合
和具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。本发明实施例提出了一种基于整片的晶片键合工艺和III-V族CMOS技术的硅基 光电异质集成方法，具体包括首先在硅晶片上设置硅基无源光子器件；然后在III-V族晶 片上通过一次外延实现有源光子器件和CMOS微电子集成电路的有源区多层量子阱结构； 采用整片的晶片键合工艺在硅晶片上键合III-V族晶片，实现材料高性能的异质键合；采 用与现有硅基集成电路技术相融合的III-V族半导体CMOS技术，制作CMOS微电子集成电 路和有源光子器件的驱动电路；利用半导体加工技术制作III-V族激光器、调制器、光探测 器和光耦合器，它们和硅基无源光子器件组成光子集成回路，负责光、电信息间的转换和光 信息的传输。有源光子器件的有源区采用多层量子阱结构，提高了其量子效率。有源光子器件的整体采用脊型波导结构实现侧向的光场限制。图1所示为本发明实施例硅基光电异质集成芯片的结构示意图，它是以SOI (绝缘 体上硅)材料101为基体，采用整片的晶片键合工艺，单片集成了 CMOS微电子集成电路和 光子集成回路。III-V族CMOS微电子集成电路106功能是高速的电子信息处理，高速传输 的电信号通过金属导线传输到III-V族电光调制器104的驱动电路105 ；III-V族电光调制 器104通过硅基无源光子器件110与III-V族激光器光源102和光电探测器108相连，它 的功能是把高速的电信号加载到从激光器光源102发射的光波上，激光器光源通过直流驱 动电路103驱动；经过调制的光波通过硅基无源光子器件110传输到光电探测器108，光电 探测器108的功能是把光信号转换为电信号，经过跨阻放大和滤波电路107的电信号处理， 通过金属导线传输到III-V族CMOS微电子集成电路106的另一端(或者另一块微电子集 成电路)。图2所示为本发明实施例硅基光电异质集成芯片的外观效果图，其制作工艺过程 为首先在SOI材料101上制作硅基无源光子器件，然后在III-V族材料上外延有源光子器 件和微电子器件的有源区结构以及刻蚀停止层；对需要键合的材料表面进行清洁，用O2等 离子体对需要键合的表面进行处理；然后，用NH4OH对表面进行钝化处理；在3MPa的压应 力，300°C下进行两小时键合过程；键合完成后，腐蚀掉刻蚀停止层以上的III-V族材料。图3所示为有源光子器件的III-V族高速驱动电路和微电子电路106的结构示意 图，采用与现有硅基集成电路技术的融合III-V族半导体CMOS技术制作的超高频、低功耗 的III-V族微电子电路，它通过金属导线与激光器直流驱动电路103和电光调制器104的 驱动电路105相连，并进行信息传输。图4所示为III-V族激光器光源102、硅基无源光子器件110和双层锥形渐变耦合 器的结构示意图。采用CMOS兼容的半导体工艺制作III-V族有源光子器件，有源光子器件 与硅基无源波导的耦合采用双层耦合器结构，光通过上层耦合器109从有源层通过倏逝波 逐渐耦合到硅基无源波导，为提高耦合效率，耦合段无源波导可以为宽波导，它通过硅材料 上的下层耦合器111逐渐线性过渡到亚微米尺寸的硅基微纳光波导，实现器件高密度集成 和尺寸微型化。本发明实施例通过采用整片的低温晶片键合技术，使硅晶片与III-V族晶片高强 度地结合为一种新型材料，非常适合大规模商业化应用。同时，在一次外延形成的多层量子 阱结构中，通过综合设计、布局，使有源光子器件和微电子电路在同一 III-V族材料层中集 成，由于采用了 III-V族CMOS微电子电路，使得本发明实施例在未来高速、低能耗的光电芯 片的研究中具有更强的竞争力，更加代表了当代信息技术的高速低能耗、大容量和“光电融 合”的发展趋势。以上所述，仅为本发明的一部分具体实施方式
，本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明实施例的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
权利要求
1.一种硅基光电异质集成方法，其特征在于，所述方法包括在硅晶片上设置硅基无源光子器件作为光信息传输通道；在III-V族晶片中设置CMOS微电子集成电路，用于高速信息处理；在所述III-V族晶片中设置有源光子器件，用于光、电信息间的高速转换；在所述III-V族晶片上通过一次外延实现所述有源光子器件和CMOS微电子集成电路 的有源区多层量子阱结构以及刻蚀停止层；采用整片的晶片键合工艺在所述硅晶片上键合所述III-V族晶片；在所述III-V族晶片中设置光耦合器，用于所述有源光子器件和硅基无源光子器件间 的高效光耦合。
2.根据权利要求1所述的硅基光电异质集成方法，其特征在于，所述硅基无源光子器 件采用高折射率差的硅基微纳光波导结构。
3.根据权利要求1所述的硅基光电异质集成方法，其特征在于，在同一III-V族材料层 中设置所述CMOS微电子集成电路和有源光子器件，利用多量子阱技术通过一次外延在所 述III-V族晶片上同时集成所述有源光子器件和CMOS微电子集成电路。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的硅基光电异质集成方法，其特征在于，所述采用 整片的晶片键合工艺在所述硅晶片上键合所述III-V族晶片的步骤具体包括对所述III-V族晶片进行表面清洁及氧化处理；采用整片低温键合使所述III-V族晶片和硅晶片结合在一起，键合温度设置为300°C 以下；对结合后的所述III-V族晶片进行背面减薄和化学腐蚀处理。
5.根据权利要求4所述的硅基光电异质集成方法，其特征在于，所述III-V族晶片的有 源光子器件的整体采用脊型波导结构，其有源区采用多层量子阱结构。
6.根据权利要求4所述的硅基光电异质集成方法，其特征在于，所述CMOS微电子集成 电路采用与现有硅基集成电路技术融合的III-V族半导体CMOS技术。
7.根据权利要求4所述的硅基光电异质集成方法，其特征在于，所述光耦合器采用双 层的锥形渐变耦合器结构，具体包括将所述III-V族晶片的平面线性渐变锥形波导结构 设置为上层的耦合器，用于所述III-V族晶片的有源光子器件与硅基无源光子器件的高效 光耦合；将所述硅晶片的平面线性渐变锥形波导结构设置为下层的耦合器，用于耦合端的 硅基宽波导与硅基微纳光波导的高效光耦合。
8.—种硅基光电异质集成芯片，其特征在于，所述芯片包括硅晶片和III-V族晶片；所 述硅晶片上设置有硅基无源光子器件，作为光信息传输通道；所述III-V族晶片中设置有 CMOS微电子集成电路，用于高速信息处理；所述III-V族晶片中设置有有源光子器件，用 于光、电信息间的高速转换；所述III-V族晶片上通过一次外延实现所述有源光子器件和 CMOS微电子集成电路的有源区多层量子阱结构；所述III-V族晶片通过整片的晶片键合工 艺键合在所述硅晶片上；所述III-V族晶片中设置有光耦合器，用于所述有源光子器件和 硅基无源光子器件间的高效光耦合。
9.根据权利要求8所述的硅基光电异质集成芯片，其特征在于，所述硅基无源光子器 件采用高折射率差的硅基微纳光波导结构。
10.根据权利要求8或9所述的硅基光电异质集成芯片，其特征在于，所述CMOS微电子 集成电路和有源光子器件集成于同一 III-V族材料层中；所述III-V族晶片的有源光子器件的整体采用脊型波导结构，其有源区采用多层量子阱结构；所述光耦合器设置为双层的 锥形渐变耦合器结构，所述III-V族晶片的平面线性渐变锥形波导结构设置为上层的耦合 器，用于所述III-V族晶片的有源光子器件与硅基无源光子器件的高效光耦合；所述硅晶 片的平面线性渐变锥形波导结构设置为下层的耦合器，用于耦合端的硅基宽波导与硅基微 纳光波导的高效光耦合。
全文摘要
本发明公开了一种硅基光电异质集成方法及硅基光电异质集成芯片，属于光电异质集成技术领域。所述方法包括在硅晶片上设置硅基无源光子器件作为光信息传输通道；在III-V族晶片中设置CMOS微电子集成电路；在III-V族晶片上通过一次外延实现有源光子器件和CMOS微电子集成电路的有源区多层量子阱结构；采用整片的晶片键合工艺在硅晶片上键合III-V族晶片；在III-V族晶片中设置光耦合器。本发明在同一III-V族材料层中实现了微电子电路和有源光子器件的集成，为硅基光电异质集成芯片的研制和应用提供了可行性；本发明可广泛应用于研制下一代高密度、大容量、多功能的单片集成光电芯片。
文档编号G02B6/122GK102117820SQ20091031283
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者刘新宇, 刘洪刚, 吴德馨, 周静涛, 张轩雄, 申华军 申请人:中国科学院微电子研究所