三维封装光电集成芯片结构及其制备方法

本发明涉及集成光学领域，具体涉及一种三维封装光电集成芯片结构及其制备方法。

背景技术：

1、随着5g、万物互联、虚拟现实、自动驾驶不断发展，传统的通信网络面临着巨大的压力和挑战，光通信系统因为损耗低、带宽容量大、抗电磁干扰等优异性能，在通信领域得到了广泛应用。作为光通信系统中的关键器件，光模块起着光电转换和电光转换的作用。目前全球通信系统的数据量呈爆炸式增长，当设备尺寸一定时，相应的接口密度也越来越高，因此要求光模块向高密度、小体积、高速率的方向发展。

2、因为硅基光子器件的制备可以与传统的cmos（互补金属氧化物半导体）工艺兼容，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势，硅基集成成为了极具竞争力的光电子集成平台。目前硅基材料已经可以集成光波导、调制器、光电探测器、阵列波导光栅、偏振旋转器等绝大部分光电子器件，可以在同一芯片上实现光的收发、复用等功能，有很强大的集成潜力。硅基的光收发模块也在数据中心中得到了广泛应用。但是随着集成度的提高，光电子器件的间隔缩小，串扰带来的性能恶化问题很大程度影响着光模块的性能。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、针对上述不足，本发明的主要目的在于提供一种三维封装光电集成芯片结构及其制备方法，该结构中硅衬底可以被上下两层光电芯片共用，可以进一步提高封装密度，满足高速高密度光模块的发展需求。通过将光电器件分别排布在芯片结构的上下两层中，芯片结构发射端和接收端的串扰也将得到明显抑制。

3、（二）技术方案

4、为了实现上述目的，本发明第一方面，提供了一种三维封装光电集成芯片结构，其特征在于，包括：硅光芯片；电芯片，包括第一电芯片与第二电芯片，分别布置在硅光芯片的上下两侧；互联层，包括第一互联层与第二互联层，其中，第一电芯片通过第一互联层与硅光芯片倒装键合连接，第二电芯片通过第二互联层与硅光芯片进行倒装键合连接；pcb底板，pcb底板与硅光芯片之间通过开槽咬合固定；引线组，两端分别连接硅光芯片与pcb底板。

5、上述方案中，硅光芯片包括硅衬底、第一硅光芯片与第二硅光芯片，其中，第一硅光芯片为在硅衬底上自下至上依次生长顶层二氧化硅、顶层硅、与顶层包覆层；第二硅光芯片为在硅衬底上自上至下依次倒装生长底层二氧化硅、底层硅与底层包覆层。

6、上述方案中，顶层硅和底层硅的厚度为220nm；顶层二氧化硅和底层二氧化硅绝缘层厚度为2~3μm。

7、上述方案中，顶层包覆层直接在顶层硅生长二氧化硅形成，底层包覆层直接在底层硅生长二氧化硅形成，顶层包覆层和底层包覆层用于保护器件结构，厚度均为2~4μm。

8、上述方案中，互联层包括焊接凸点和填充胶材料，焊接凸点为锡材料，填充胶为环氧树脂材料。

9、上述方案中，引线组包括上下对称布置的第一引线组与第二引线组，硅光芯片与pcb底板左右两侧分别通过第一引线组和第二引线组进行电气焊接，其中，焊接的区域为焊盘。

10、上述方案中，芯片结构包括发射端和接收端，其中，发射端包括调制器、波分复用器件、端面耦合器件、连接波导，接收端包括探测器、波分复用器件、端面耦合器件、连接波导。

11、上述方案中，芯片结构通过光纤阵列与外部进行光信号传输，光纤阵列设置在芯片结构的同一侧；其中，光纤阵列，包括第一光纤阵列与第二光纤阵列，其中，第一光纤阵列与第二光纤阵列分别对称布置在硅光芯片的上下两侧。

12、本发明第二方面，提供了一种三维封装光电集成芯片结构的制备方法，其特征在于，包括：步骤s1，提供一硅衬底，在硅衬底上自下至上依次生长顶层二氧化硅、顶层硅、与顶层包覆层；在硅衬底上自上至下依次倒装生长底层二氧化硅、底层硅与底层包覆层，以形成硅光芯片；步骤s2，在硅光芯片依次通过互联层上下设置第一电芯片与第二电芯片；步骤s3，提供一pcb底板，在pcb底板进行挖空制备出定位槽；将硅光芯片的硅衬底上进行挖空开槽；将pcb底板与硅光芯片进行咬合固定；步骤s4，将硅光芯片与pcb底板之间通过引线组进行连接。

13、上述方案中，对顶层硅和底层硅分别进行刻蚀、掺杂和金属外延形成片上互连的有源以及无源光子器件。

14、（三）有益效果

15、本发明实施例的技术方案，至少具有以下有益效果：

16、（1）采用上下两层光电集成芯片倒装在一起，共用硅衬底，能够提高集成密度；

17、（2）采用了三维封装的形式，在提高集成密度的同时，进一步缩短电学互联长度，可获得更好的高频性能；

18、（3）结构的顶层硅层与底层硅层可以分别制作发射端、接收端所需的光子器件，结构上下分层设计可以减少内部的光、电、热串扰，提升结构性能；

19、（4）顶层硅层与底层硅层可以选用不同材料，有利于实现异质异构集成，能够在光模块中得到广泛应用。

技术特征：

1.一种三维封装光电集成芯片结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的三维封装光电集成芯片结构，其特征在于，所述硅光芯片（2）包括硅衬底（203）、第一硅光芯片与第二硅光芯片，

3.根据权利要求2所述的三维封装光电集成芯片结构，其特征在于，顶层硅（201）和底层硅（205）的厚度为220nm；

4.根据权利要求2所述的三维封装光电集成芯片结构，其特征在于，所述顶层包覆层（200）直接在所述顶层硅（201）生长二氧化硅形成，所述底层包覆层（206）直接在所述底层硅（205）生长二氧化硅形成，所述顶层包覆层（200）和所述底层包覆层（206）用于保护器件结构，厚度均为2~4μm。

5.根据权利要求1所述的三维封装光电集成芯片结构，所述互联层包括焊接凸点和填充胶材料，所述焊接凸点为锡材料，所述填充胶为环氧树脂材料。

6.根据权利要求1所述的三维封装光电集成芯片结构，其特征在于，所述引线组包括上下对称布置的第一引线组（71）与第二引线组（72），所述硅光芯片（2）与所述pcb底板（6）左右两侧分别通过所述第一引线组（71）和第二引线组（72）进行电气焊接，其中，所述焊接的区域为焊盘（8）。

7.根据权利要求1所述的三维封装光电集成芯片结构，其特征在于，所述芯片结构包括发射端和接收端，

8.根据权利要求1所述的三维封装光电集成芯片结构，其特征在于，所述芯片结构通过光纤阵列与外部进行光信号传输，所述光纤阵列设置在芯片结构的同一侧；

9.一种如权利要求1~8中任一项所述三维封装光电集成芯片结构的制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明提供一种三维封装光电集成芯片结构及其制备方法，涉及集成光学领域，可以解决芯片中光、电、热串扰的问题。该三维封装光电集成芯片结构包括：硅光芯片；电芯片，包括第一电芯片与第二电芯片，分别布置在硅光芯片的上下两侧；互联层，包括第一互联层与第二互联层，其中，第一电芯片通过第一互联层与硅光芯片倒装键合连接，第二电芯片通过第二互联层与硅光芯片进行倒装键合连接；PCB底板，PCB底板与硅光芯片之间通过开槽咬合固定；引线组，两端分别连接硅光芯片与PCB底板。本发明提供的三维封装光电集成芯片结构具有高集成度，可缩短电学互联长度，减少结构内部的光、电、热串扰，提升光学性能。

技术研发人员：李明,李方萍,谢毓俊,孙雨舟,杨先超,任之良,赵志勇,李伟,祝宁华
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15