一种光子突触集成芯片及其制备方法、芯片集成结构与流程

本申请涉及半导体，特别涉及一种光子突触集成芯片及其制备方法、芯片集成结构。

背景技术：

1、近年来，神经网络作为一种强大的机器学习算法模型，已经成为人工智能和机器学习技术领域的中流砥柱。它是受到生物神经系统的启发，可以通过学习和适应来识别和分类输入数据。曾经，神经网络算法都是建立在电子芯片上，然而，随着神经网络使用的扩充，这种算法消耗的能源也越来越多，一些估计表明，每5～6个月，神经网络消耗的能量就会翻一倍。

2、采用新的底层计算架构如混合光子神经网络是解决能耗困境的一种方法。混合光子神经网络是一种利用光子技术来加速神经网络运算的新型计算模型。混合光子神经网络结合了光子和电子技术的优点，利用光子器件实现神经元的计算和光子传输来实现神经元之间的连接。与传统的电子神经网络相比，混合光子神经网络具有更快的运算速度、更低的能耗和更高的并行性，这是由于光子技术具有高速、低耗、宽带和无电磁干扰等优点。

3、光子芯片需要将多种不同的材料和功能器件进行集成，目前存在很多实际的工艺兼容性和工艺集成设计的困难，只有集成部分功能器件的方案。比如有的功能器件的制备需要高温工艺，但是高温工艺会使得其它功能器件退化或失效，因此，提供一种合适的光子突触集成芯片的制备方法成为目前急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请的目的在于提供一种光子突触集成芯片及其制备方法、芯片集成结构，能够避免高温工艺对光调制层的影响，避免光调制层退化或失效，从而实现将多种器件进行集成，实现了芯片小型化。其具体方案如下：

2、一方面，本申请提供了一种光子突触集成芯片的制备方法，包括：

3、在衬底上形成位于介质层中的氮化硅波导、第一多晶硅层、基于绝缘体上硅的硅波导和第二多晶硅层；所述第一多晶硅层位于所述氮化硅波导远离所述衬底的一侧，所述第二多晶硅层位于所述硅波导远离所述衬底的一侧；

4、在位于目标区域的硅波导远离所述衬底的一侧表面形成光电探测器，所述光电探测器位于所述介质层中；

5、对位于所述氮化硅波导正上方的第一多晶硅层进行刻蚀，得到第一凹槽，并在所述第一凹槽中形成第一光调制层，对位于所述硅波导正上方的第二多晶硅层进行刻蚀，得到第二凹槽，并在所述第二凹槽中形成第二光调制层；

6、形成激光器；所述激光器位于所述第一光调制层和所述第二光调制层远离所述衬底的一侧，或所述激光器位于所述介质层远离键合支撑衬底的一侧，所述键合支撑衬底位于所述介质层远离所述衬底的一侧。

7、又一方面，本申请实施例还提供了一种光子突触集成芯片，包括：

8、位于衬底一侧的介质层；

9、位于所述介质层中的氮化硅波导、第一光调制层、基于绝缘体上硅的硅波导、第二光调制层和光电探测器；所述第一光调制层位于所述氮化硅波导远离所述衬底的一侧，所述第二光调制层位于所述硅波导远离所述衬底的一侧；

10、所述光电探测器位于所述硅波导远离所述衬底的一侧表面；

11、激光器；所述激光器位于所述第一光调制层和所述第二光调制层远离所述衬底的一侧，或所述激光器位于所述介质层远离键合支撑衬底的一侧，所述键合支撑衬底位于所述介质层远离所述衬底的一侧。

12、又一方面，本申请实施例还提供了一种芯片集成结构，所述芯片集成结构包括：

13、所述的光子突触集成芯片；

14、以及集成电路芯片，所述光子突触集成芯片和所述集成电路芯片为键合集成，或，所述光子突触集成芯片和所述集成电路芯片通过中介层实现集成。

15、本申请实施例提供了一种光子突触集成芯片及其制备方法、芯片集成结构，在衬底上形成位于介质层中的氮化硅波导、第一多晶硅层、基于绝缘体上硅的硅波导和第二多晶硅层；第一多晶硅层位于氮化硅波导远离衬底的一侧，第二多晶硅层位于硅波导远离衬底的一侧；在位于目标区域的硅波导远离衬底的一侧表面形成光电探测器，光电探测器位于介质层中；对位于氮化硅波导正上方的第一多晶硅层进行刻蚀，得到第一凹槽，并在第一凹槽中形成第一光调制层，对位于硅波导正上方的第二多晶硅层进行刻蚀，得到第二凹槽，并在第二凹槽中形成第二光调制层；形成激光器；激光器位于第一光调制层和第二光调制层远离衬底的一侧，或激光器位于介质层远离键合支撑衬底的一侧，键合支撑衬底位于介质层远离衬底的一侧。

16、这样，光子突触集成芯片可以将氮化硅波导、基于绝缘体上硅的硅波导、基于硅波导的光电探测器、光调制层和激光器进行集成，实现光子突触集成芯片的集成制备，此外，由于光调制层对高温工艺比较敏感，而氮化硅波导、硅波导和光电探测器的制备过程需要高温工艺，因此在其形成之后，通过刻蚀第一多晶硅层和第二多晶硅层形成凹槽，将多晶硅层可以作为牺牲层，在凹槽内制备光调制层，能够避免高温工艺对光调制层的影响，避免光调制层退化或失效。此外，光调制层位于氮化硅波导和硅波导的正上方，通过对光调制层施加电压或者激光照射，能够改变光调制层的性质，从而对氮化硅波导和硅波导中的光进行相位调制和振幅调制，从而实现光调制，实现光子突触集成芯片中多种功能器件的顺利集成，且实现了芯片小型化，使单片芯片保持较小的体积和功耗。

技术特征：

1.一种光子突触集成芯片的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在垂直于所述衬底的表面的堆叠方向上，所述氮化硅波导、所述第一多晶硅层、所述硅波导和所述第二多晶硅层依次层叠，所述在衬底上形成位于介质层中的氮化硅波导、第一多晶硅层、基于绝缘体上硅的硅波导和第二多晶硅层，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述衬底上形成位于所述介质层中的所述氮化硅波导和所述第一多晶硅层之前，所述方法还包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在垂直于所述衬底的表面的堆叠方向上，所述硅波导、所述第二多晶硅层、所述氮化硅波导和所述第一多晶硅层依次层叠，所述衬底为绝缘体上硅衬底。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述激光器位于所述介质层远离键合支撑衬底的一侧，所述键合支撑衬底位于所述介质层远离所述衬底的一侧时，所述形成激光器，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述激光器位于所述介质层远离键合支撑衬底的一侧，所述键合支撑衬底位于所述介质层远离所述衬底的一侧时，形成激光器之前，所述方法还包括：

7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一光调制层和/或所述第二光调制层为相变材料或压电薄膜材料。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述键合支撑衬底包括高阻硅片、蓝宝石片、石英片或高阻碳化硅晶圆。

9.一种光子突触集成芯片，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的光子突触集成芯片，其特征在于，在垂直于所述衬底的表面的堆叠方向上，所述硅波导、所述第二多晶硅层、所述氮化硅波导和所述第一多晶硅层依次层叠；

11.根据权利要求10所述的光子突触集成芯片，其特征在于，所述光子突触集成芯片还包括铌酸锂带宽调制器；

12.一种芯片集成结构，其特征在于，所述芯片集成结构包括：

技术总结
本申请提供一种光子突触集成芯片及其制备方法、芯片集成结构，在衬底上形成位于介质层中的氮化硅波导、第一多晶硅层、基于绝缘体上硅的硅波导和第二多晶硅层；在位于目标区域的硅波导远离衬底的一侧表面形成光电探测器；对位于氮化硅波导正上方的第一多晶硅层进行刻蚀，得到第一凹槽，并在第一凹槽中形成第一光调制层，对位于硅波导正上方的第二多晶硅层进行刻蚀，得到第二凹槽，并在第二凹槽中形成第二光调制层；形成激光器。通过刻蚀第一多晶硅层和第二多晶硅层形成凹槽，将多晶硅层可以作为牺牲层，在凹槽内制备光调制层，能够避免高温工艺对光调制层的影响，避免光调制层退化或失效，从而实现将多种器件进行集成，实现了芯片小型化。

技术研发人员：袁俊
受保护的技术使用者：湖北九峰山实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16