基于混合集成的异质光电融合集成芯片及方法

本发明属于混合光电异质集成，特别是一种基于混合集成的异质光电融合集成芯片及集成方法。

背景技术：

1、自本世纪以来，伴随着高速率数据通信技术的发展，对于高传输速率、大容量、低时延等通信设备的要求越来越高。由于传统电子技术存在速率低、带宽窄等瓶颈，将光子本身低抖动、低时延、高带宽等优势结合的光电系统应运而生。光电融合系统由光器件和电器件两部分组成，早期的光电融合系统采用分立式元件，有着体积与尺寸较大、性能不稳定以及损耗偏大的劣势。目前光电系统向着集成化的方向发展，光电系统集成不仅具有小型化的优势，还能够降低系统的功耗，提升整体稳定性，降低系统的成本。因此，集成化对光电系统具有重要的意义。

2、光电融合芯片由光子器件和电子器件构成，其中光子器件包括激光器、调制器、放大器等有源器件，以及耦合器、波分复用器等无源器件，电子器件用于光子器件的控制或者驱动等。单片集成与混合集成是实现光电融合集成芯片的有效途径。其中，混合集成指首先采用不同的材料在基片实现不同的光、电器件，而后将这些不同的功能器件通过一定的封装方法固定在一起。单片集成则是采用优化的工艺，在同一衬底上实现光子器件与电子器件的集成，适用于大规模集成。目前光电融合系统的集成平台基本基于硅基材料与三五族材料。其中硅基材料具有cmos兼容、低成本、高紧凑度、工艺成熟等优势。然而硅基材料是间接带隙半导体材料，难以发光。三五族材料弥补了硅基材料不能发光的缺陷，能够制备光源、放大器等有源光子器件。然而三五族材料成本昂贵，加工难度大，与硅基材料之间存在晶格失配与热失配的问题，这些缺陷限制了硅材料与三五族材料的单片集成。另一方面，基于硅基材料的调制器其性能受限于等离子色散效应，线性度与带宽较低。近年来，多种方案通过在硅基材料平台上引入铌酸锂材料以实现高线性度、大带宽调制器。最后，虽然目前能够在同一硅衬底上集成光子器件与电子器件，但是该电子器件的制备基于薄膜硅工艺，相比于成熟的体硅电子器件，其成本较高。而体硅电子器件的衬底与光子器件的衬底不同，也难以实现单片集成。相较于单片集成技术，混合集成技术发展较早，工艺较为成熟，能够保证每种器件采用最合适的材料，从而发挥不同材料的优势。目前，一些工作虽然报道了三五族-硅基混合集成或者光子芯片与电子芯片的混合集成，但与本发明中材料选择与器件设置并不完全一致。故而，现有工作中尚不存在本发明中基于混合集成的光电融合芯片及集成方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于混合集成的光电融合集成芯片及集成方法，将硅-氧化硅-铌酸锂芯片与体硅电子芯片、三五族激光器芯片通过混合集成的方式集成在一起，实现了高线性度、大带宽调制器与激光器、高紧凑度无源光子器件、电子器件的全集成，发挥了硅基、氧化硅、三五族、铌酸锂、体硅材料的优势，避免了硅基材料与三五族材料之间的晶格失配与热失配，降低了硅基材料与铌酸锂材料之间的晶格失配与热失配程度，避免了高温、高成本的硅基工艺。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于混合集成的异质光电融合集成芯片，包括硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片、体硅电子芯片，及三五族激光器芯片。所述的硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片，用于对光信号进行光电转换、处理与传输；所述的体硅电子芯片，用于控制与驱动所述的硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片；所述三五族激光器芯片，用于产生光信息，并传输至所述的硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片；所述硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片中，所述的芯片结构包括硅衬底层、氧化硅隔离层、铌酸锂晶圆层、氧化硅缓冲层、硅晶圆层、锗薄膜层；所述氧化硅隔离层设置于硅衬底层与铌酸锂层、硅晶圆层与锗薄膜层之间作为隔离层；所述氧化硅缓冲层设置于铌酸锂层与硅晶圆层间作为缓冲层，特征尺寸为0-1微米；所述硅晶圆层上设置无源光子器件，本发明所述无源光子器件包括层间耦合器、定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环和延时线；所述铌酸锂晶圆与硅晶圆通过形成混合波导，得到电光调制器；所述硅晶圆层上通过沉积锗薄膜形成光电探测器；所述硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片可通过背部出光或端面耦合等方式出光。所述体硅电子芯片中：所述芯片由体硅层构成；所述体硅层中设有电子器件，用于控制和驱动硅-氧化硅-铌酸锂芯片中的光子器件；所述三五族激光器芯片中：所述芯片结构包括硅衬底层、三五族缓冲层、三五族晶圆层；所述三五族晶圆层上形成激光器。所述硅-铌酸锂电光调制器与电子器件通过金属线互连；所述光电探测器与电子器件通过金属线互连；所述无源光子器件之间、无源光子器件与电光调制器、无源光子器件与光电探测器间通过硅波导互连；所述无源光子器件通过端面耦合与三五族激光器互连；所述金属电极置于体硅层上，与体硅层cmos电子电路互联。

4、一种基于混合集成的异质光电融合集成芯片的集成方法，包括：刻蚀、薄膜沉积、金属沉积、掺杂、通孔、倒装焊工艺和端面耦合。采用所述的波导刻蚀技术，在硅晶圆层上获得无源光子器件，在硅晶圆与铌酸锂晶圆层上获得调制器；采用刻蚀、掺杂技术，制备cmos电子电路如驱动电路、控制电路等；采用所述波导刻蚀技术在三五族晶片上形成激光器；采用所述的金属沉积技术与通孔技术，在硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片与体硅电子芯片内外部形成金属走线；所述的通孔工艺技术是指在所述的氧化硅隔离层和氧化硅缓冲层中设有小开口，允许不同层间之间的导电连接；采用所述的薄膜沉积、掺杂技术，将掺杂锗薄膜与掺杂硅薄膜形成硅光电探测器；采用所述的倒装焊工艺将硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片和电子芯片贴合在一起，采用所述端面耦合将硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片和三五族激光器芯片贴合在一起，形成一种基于混合集成的异质光电融合集成芯片；所述倒装焊工艺的步骤包括：芯片表面金属化、焊接点沉积、芯片翻转定位，使得焊球对准外部电路连接、回流焊、底部填充。

5、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

6、1)综合利用了硅基材料的高紧凑度优势、三五族材料发光效率高的优势、铌酸锂材料的优异的电光性能、体硅的工艺成熟及低成本优势；

7、2)将电子器件设置在体硅中，避免了电子器件制备过程中的高温对硅-氧化硅-铌酸锂芯片的影响。电子器件通过倒装焊的方式与硅-氧化硅-铌酸锂晶片进行电互连，使用倒装焊技术代替引线键合实现光子芯片与硅-氧化硅-铌酸锂芯片的集成，能够降低寄生电容的影响；

8、3)将调制器设置在硅晶圆与铌酸锂晶圆上，避免刻蚀铌酸锂带来的污染物、与现有硅光工艺不兼容等劣势；

9、4)将激光器设置在三五族材料中，且激光器通过端面耦合与硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片进行互连，避免了三五族材料与硅基材料之间的晶格失配与热失配；

10、5)在铌酸锂晶圆与硅晶圆间设置了氧化硅缓冲层，降低铌酸锂-硅之间的晶格失配与热失配的影响，并且在硅-氧化硅-铌酸锂芯片的集成方法中，均采用低温工艺，避免材料之间的热失配导致的裂片，有利于提升器件的良率。

技术特征：

1.一种基于混合集成的异质光电融合集成芯片，其特征在于：包括硅-氧化硅-铌酸锂光子芯片、体硅电子芯片及三五族激光器芯片；

2.根据权利要求1所述的基于混合集成的异质光电融合集成芯片，其特征在于：

3.根据权利要求1或2所述的基于混合集成的异质光电融合集成芯片，其特征在于：所述的硅晶圆层(5)形成无源光子器件和有源光子器件，所述的硅晶圆层(5)和铌酸锂晶圆层(3)形成混合波导，作为有源光子器件；所述的体硅层形成电子器件，用于控制和驱动所述的有源光子器件；所述的三五族晶圆层(8)形成激光器；所述的无源光子器件之间、无源光子器件与有源光子器件之间通过硅波导互连，所述的无源光子器件通过端面耦合与所述的激光器互连。

4.根据权利要求3所述的基于混合集成的异质光电融合集成芯片，其特征在于，所述的无源光子器件包括层间耦合器、定向耦合器、多模干涉仪、波分复用器、马赫-曾德干涉仪、微环和延时线；所述的有源光子器件包括硅-铌酸锂电光调制器和光电探测器；所述的电子器件包括驱动电路和控制电路。

5.一种权利要求1-4任一所述的基于混合集成的异质光电融合集成芯片的集成方法，其特征在于：包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于混合集成的异质光电融合集成芯片的集成方法，其特征在于，所述的通孔工艺技术是指在所述的氧化硅隔离层(2)和氧化硅缓冲层(4)中设有小开口，允许不同层间之间的导电连接。

7.根据权利要求5所述的基于混合集成的异质光电融合集成芯片的集成方法，其特征在于，所述的倒装焊工艺，包括：芯片表面金属化、焊接点沉积、芯片翻转定位，使得焊球对准外部电路连接、回流焊、底部填充。

技术总结
一种基于混合集成的光电融合集成芯片及方法，将硅‑氧化硅‑铌酸锂芯片与体硅电子芯片、三五族激光器芯片通过混合集成的方式集成在一起，实现了高线性度、大带宽调制器与激光器、高紧凑度无源光子器件、电子器件的全集成，发挥了硅基、氧化硅、三五族、铌酸锂、体硅材料的优势，避免了硅基材料与三五族材料之间的晶格失配与热失配，降低了硅基材料与铌酸锂材料之间的晶格失配与热失配程度，避免了高温、高成本的硅基工艺。

技术研发人员：邹卫文,邵嘉翼,王静,陈静
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16