用于制造集成光路的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造包括有源器件和无源波导电路的集成光路的方法，尤其涉及采用无源锥体的II1-V族有源器件的异构集成。本发明还涉及一种集成光路，尤其涉及采用所述方法制造的光子集成光路。
【背景技术】
[0002]硅光子学作为一种通用技术平台正迅速得到重视，可广泛应用于电信、数据通信、互联和传感领域。它通过在高品质和低成本的硅衬底上使用与晶圆规模技术兼容的CMOS(互补金属氧化物半导体)来实现光子功能。然而，纯无源硅波导器件在插入损耗、相位噪声(会导致信道串音)和温度依赖性方面的性能仍受到限制。这是由于Si02( 二氧化硅)包层与Si(硅)内核之间的高折射率对比度、非均匀硅层的厚度以及硅的大热光效应导致的。
[0003]基于氮化硅的无源器件提供优越性能。经证实，采用厚度为640nm SiNx (氮化硅)内核的波导的传播损耗低于0.ldB/cm,而采用厚度为50nm内核的波导的传播损耗甚至低于 0.ldB/m。另外，SiNx(η = 2)和 Si02 (η = 1.45)与 Si (η = 3.5)和 Si02(η = 1.45)之间略低的折射率对比度导致较少的相位噪声和较大的制造公差。这有利于制造出高性能但仍然十分紧凑的光路，如AWG(阵列波导光栅)和环形谐振器等。据报道，氮化硅波导不仅在有源硅光子芯片中可以作为高性能的无源波导层，而且还可以作为“独立”的无源光子芯片。由于其紧凑的尺寸，这些电路是实现低成本接收器和收发器的理想之选。然而，对于这些应用，需要高速检测器或激光器和调制器。在硅平台上无法制造激光器，然而在氮化硅平台上都无法制造检测器、激光器和调制器。
[0004]针对这个问题，有两种方案。传统上，采用InP/GaAs材料制造的有源器件是倒装式或耦合至无源波导电路的芯片。这极大地提高了所述芯片的复杂度，因为外部耦合器件需要主动校准。或者，可以选择把II1-V族薄膜111键合到所述无源波导电路120上来整合该芯片上的所述有源器件110，以获得如图1所示的集成光学器件100。所述无源波导电路120包括SOI (绝缘硅)波导121内的混合波导结构125和锥体模式转换器123。所述有源器件110包括包含量子阱111的II1-V族二极管，其中量子阱111附着于SOI电路113且被二氧化硅115上的金属触点覆盖。由于所有器件的加工都是在晶圆层面完成，所以无论集成少数几个或许多组件，这种集成的复杂度几乎是相同的。因此，随着芯片复杂度的增加，这种方法更为有效。
[0005]在多数异构集成的有源器件中，绝热锥体用于在所述无源电路与所述有源器件之间进行光转化。这个锥体是在用于创建所述有源器件的相同外延层上制造的。图2示出了描绘II1-V族有源器件中示例性绝热锥体200的照片。在集成检测器中，所述锥体额外的长度增加了电容量，从而减少了可能的器件带宽。在集成激光器中，这些锥体需要注入电流以避免损耗。然而，在这种情况下，所述注入的电流在蚀刻侧壁附近流动，从而缩短了器件的使用寿命。在集成调制器中，所述锥体部分上的残余吸收是无法避免的。
[0006]目前所述绝热锥体使用中最主要的问题是由于掺杂质、器件电容量增加和需要为所述锥体注入电流所带来的超额损耗。尤其对于所述调制器，超额损耗与掺杂质和有源区相关。对于所述调制器，增加的器件电容量可以通过把所述锥体部分从主调制区域进行电绝缘得到解决，然而这种方法却不适用于所述检测器。需要给所述集成激光器上的锥体注入电流是为了避免过大的损耗。这可能会缩短所述激光器的使用寿命。在单片式II1-V族波导平台上，无源区和有源区通过选择性生长有源波导区(有MQW多量子阱和掺杂质)和无源波导区(没有MQW和掺杂质)来区分。
[0007]图3为示出了单片式II1-V族波导平台中有源区301与无源区311之间典型差异的示意图300。所述有源区301包括附着于公共n+-1nP衬底310上的n_InP组成的底层307、MQW中间层305和p_InP组成的上层303。所述无源区311包括附着于所述公共n+_InP衬底310上的非掺杂InP组成的底层317，无源材料组成的中间层315，也称为四元层，和非掺杂InP组成的上层313。
[0008]然而，通过使用当前的异构集成技术，不可能使用再生长的II1-V族晶圆。这是因为如图4的制造流程400所示，所述II1-V族材料“正面朝下地”键合在目标晶圆上。未加工的II1-V族冲模401通过“正面朝下”键合404附着402在SOI光子波导403上面，给所述SOI波导提供了键合的II1-V族冲模405。需要注意的是，该II1-V族冲模401的所述“正面朝下”键合404使所述外延层颠倒。然后，移除406衬底，并准备进一步加工薄膜器件407。无源区与有源区之间接口的不平坦表面拓扑结构防止使用再生长的II1-V族晶圆，SP应用“正面朝上”键合进行成功键合。
[0009]有源器件与无源波导电路之间需要进行光耦合，尤其通过使用异构键合到包含无源波导结构的单独晶圆上的II1-V族有源器件之间的高性能和低损耗绝热锥体。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供用于在有源器件与无源波导电路之间进行光耦合的技术。[0011 ] 该目的是通过独立权利要求的特征来实现的。结合从属权利要求、说明书和附图，更多的实现方式是显而易见的。
[0012]为详细描述本发明，将使用以下术语、缩写和符号:
[0013]CMOS:互补金属氧化物半导体
[0014]Si02::氧化硅
[0015]SiNx:氮化硅
[0016]AWG:阵列波导光栅
[0017]II1-V:由元素周期表中III族元素和V族元素组成的II1-V族化合物半导体
[0018]MQW:多量子讲
[0019]R1:折射率
[0020]SO1:绝缘硅
[0021]Q量子阱层
[0022]um:微米
[0023]根据第一方面，本发明涉及一种用于制造包括有源器件和无源波导电路的集成光路的方法，所述方法包括:在源晶圆衬底上应用有源波导结构；通过选择性移除所述有源波导结构暴露所述源晶圆衬底的一部分；在该源晶圆衬底的所述暴露部分上应用无源波导结构，其中，所述有源波导结构和所述无源波导结构的集合体形成所述有源器件，所述有源器件的下表面朝向所述源晶圆衬底；从所述有源器件移除所述源晶圆衬底；将所述有源器件附着于包括所述无源波导电路的目标衬底，使得所述有源器件的下表面朝向所述目标衬底。
[0024]通过在该源晶圆衬底的所述暴露部分上应用无源波导结构，再生长技术可以应用于在无源材料中创建锥体部分，这产生了可能会很长的低损耗锥体，因为可以去除所述锥体部分中的最大损耗(自由载流子吸收，MQW吸收)。采用所述第一方面的所述方法，能够使用特殊的锥体结构，如3D锥体结构。不使用无源波导，这是不可能实现的，因为在此类锥体结构中，所述MQW区域是无法注入电流的。采用所述第一方面的所述方法，使得包含多个变细阶段的很长的锥体以绝热的方式逐渐变细至中等指数对比波导，因为没有相关的吸收损耗。
[0025]根据所述第一方面，在所述方法的第一种可能的实现方式中，所述方法包括使用中间衬底将所述有源器件附着于所述目标衬底。
[0026]通过使用中间衬底将所述有源器件附着于所述目标衬底，可以避免安装倒装芯片。所述有源器件的表面不需要颠倒，且所述有源器件的不平坦表面(凸块)可以得到有效处理。
[0027]根据所述第一方面或根据所述第一方面的第一种实现方式，在所述方法的第二种可能的实现方式中，所述方法包括使用转移印花将所述有源器件附着于所述目标衬底。
[0028]通过使用转移印花将所述有源器件附着于所述目标衬底，可以避免安装倒装芯片。所述有源器件的表面不需要颠倒，且所述有源器件的不平坦表面(凸块)可以得到有效处理。
[0029]根据所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实现方式，在所述方法的第三种可能的实现方式中，所述在源晶圆衬底上应用有源波导结构包括在所述源晶圆衬底上生长II1-V族薄膜。
[0030]在所述源晶圆衬底上生长II1-V族薄膜是一种用于在有源器件与无源波导电路之间进行光耦合的非常高效的技术。
[0031]根据所述第一方面的第三种实现方式，在所述方法的第四种可能的实现方式中，所述在该源晶圆衬底的所述暴露部分上应用无源波导结构包括在该源晶圆衬底的所述暴露部分上再生长所述II1-V族薄膜。
[0032]再生长实现了在键合激光器中定义典型的隐埋脊型激光器。这些隐埋脊型激光器具有更好的散热和钝化的优势，因此产生了性能更佳的器件。
[0033]根据所述第一方面的第四种实现方式，在所述方法的第五种可能的实现方式中，所述在所述源晶圆衬底上生长II1-V族薄膜包括在所述源晶圆衬底上设置嵌入掺杂层结构的多量子阱层；所述在该源晶圆衬底的所述暴露部分上再生长所述II1-V族薄膜包括在该源晶圆衬底的所述暴露部分上设置嵌入非掺杂层结构的无源层。这些嵌入的层提供高效的光親合。
[0034]根据所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实现方式，在所述方法的第六种可能的实现方式中，所述方法包括在将所述有源器件附着于所述目标衬底前，在所应用的有源和无源波导结构的上表面设置公共接触层，其中，所述应用的有源和无源波导结构的上表面与所述有源器件的下表面相对。
[0035]所述在所应用的有源和无源波导结构上设置公共接触层可以在将所述有源器件转移到所述目标衬底前实施。这有利于制造。
[0036]根据所述第一方面的第六种实现方式，在所述方法的第七种可能的实现方式中，所述公共接触层包括位于所述有源器件上表面的凸块，使得所述上表面不平坦，其中，所述有源器件的上表面与所述有源器件的下表面相对。
[0037]即使所述有源器件的上表面因所述凸块而不平坦，可以通过将所述有源器件转移到所述目标衬底得到有效解决。
[0038]根据第二方面，本发明涉及一种集成光路，所述集成光路包括:无源波导电路；附着于所述无源波导电路的有源器件，其中，所述有源器件的下表面朝向所述无源波导电路，其中，所述有源器件包括包含生长的II1-V族薄膜的有源波导结构和包含再生长的II1-V族薄膜的无源波导结构的集合体。
[0039]通过再生长在集成光路的无源材料中创建锥体部分，产生了可能会很长的低损耗锥体，因为可以去除所述锥体部分中的最大损耗(自由载流子吸收，MQW吸收)。所述集成光路可以实现特殊的锥体结构，如3D锥体结构。不使用无源II1-V族