异质集成光电子芯片及其制备方法与流程

本发明涉及光电子集成，具体涉及一种异质集成光电子芯片及其制备方法。

背景技术：

1、随着人工智能、大数据及云计算技术的快速发展，数据传输对带宽、速度和能效提出了前所未有的高要求，促使光通信核心芯片技术不断演进。传统硅基光模块的性能已逐渐接近其材料物理极限，在此背景下，薄膜铌酸锂（tfln）因其卓越的电光系数、高速响应、宽光学透明窗口及高居里温度等特性，成为制备高性能电光调制器的理想材料，基于tfln的薄膜铌酸锂调制器具备低功耗、大带宽、小尺寸等显著优势。而在硅基光电芯片中，锗硅探测器是实现光电信号转换的核心器件，其与硅基调制器共同依托于成熟的互补金属氧化物半导体（cmos）工艺，实现大规模、低成本、高良率的制造。这些不同类型器件的高效集成是光电子集成领域需要解决的关键问题。

2、现有技术中，这些器件因为材料体系和制造工艺存在较大差异，难以在同一芯片上单片集成，通常是分别制作后再通过后端封装的方式实现集成。比如铌酸锂调制器因其材料特殊性而独立制造，锗探测器和硅基调制器的制作则基于另一套绝缘体上硅（soi）衬底及cmos兼容工艺进行制备。这样分别制作、后端集成的方式首先集成度低、器件体积大、封装成本高，还会引入额外的光耦合损耗，限制芯片整体性能的提升。此外，在这种键合集成结构中，铌酸锂调制器的光模场中心与调制金属产生的电场中心往往存在空间上的偏差，电场与光场的相互作用效率降低，限制调制器的调制效率；而且，若将不同器件在同一衬底上集成，工艺流程顺序设计也存在诸多问题，比如热预算冲突、金属污染风险等。因此，如何将高性能的薄膜铌酸锂调制器与成熟的硅基调制器、锗硅探测器，高效可靠地集成在同一芯片上成为亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、本发明提供了一种异质集成光电子芯片及其制备方法，以解决现有光电子芯片集成度低，器件性能难以保证的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种异质集成光电子芯片的制备方法，包括：

3、提供基底层；

4、在基底层的一侧表面形成铌酸锂结构层，铌酸锂结构层包括铌酸锂波导和包覆铌酸锂波导的第一包层；

5、在铌酸锂结构层背离基底层的一侧形成氮化硅结构层，氮化硅结构层包括氮化硅波导和包覆氮化硅波导的第二包层，氮化硅波导在基底层上的投影位于铌酸锂波导在基底层的投影区域内；氮化硅波导和铌酸锂波导形成复合波导结构；

6、在氮化硅结构层背离基底层的一侧形成硅基结构层，硅基结构层包括多种硅基单元以及包覆硅基单元的第三包层，硅基单元包括锗硅探测单元和硅基调制单元；

7、形成电极结构，电极结构包括用于连接锗硅探测单元的第一电极、用于连接硅基调制单元的第二电极、以及位于氮化硅波导旁侧且位于铌酸锂波导上方的第三电极；锗硅探测单元和第一电极被配置为形成锗硅探测器，硅基调制单元和第二电极被配置为形成硅基调制器，复合波导结构和第三电极被配置为形成复合波导调制器。

8、有益效果：本发明的异质集成光电子芯片的制备方法中，首先形成包括铌酸锂波导的铌酸锂结构层，然后在其上层形成包括氮化硅波导的氮化硅结构层，从而形成铌酸锂和氮化硅的复合波导结构，可以有效提高带宽、降低驱动电压和实现更低的功耗，而且可以保证铌酸锂波导和氮化硅波导之间的光模场，提升调制效率；之后再在氮化硅结构层的上方制作包括锗硅探测单元和硅基调制单元的硅基结构层，最后形成电极结构，其中铌酸锂-氮化硅的复合波导结构对应的调制电极也即第三电极，位于呈大面积设置的铌酸锂波导的上方，这种结构降低了第三电极产生的电场中心与光模场中心之间存在的空间偏差，保证电场与光场的相互作用效率以及调制器的调制效率，这样实现铌酸锂-氮化硅复合波导调制器、硅基调制器、锗硅探测器等不同的光电子器件在同一芯片上的高效集成，有效节约器件体积、降低生产成本，且降低了器件耦合的光学损耗。

9、综上，这种在先形成铌酸锂波导，在后形成锗硅探测单元和硅基调制单元的设计，一方面能够有效确保铌酸锂波导和氮化硅波导之间形成强耦合的光模场，提升铌酸锂-氮化硅复合波导调制器的调制效率；另一方面，相较在先形成硅基结构层时，后续升降温工艺会对经过掺杂处理的硅基单元的性能造成影响的方案，本发明这种后形成硅基单元的设计，可以有效减少这样的性能影响，提高锗硅探测器的探测灵敏度和硅基调制器的调制效率，从而提升器件的整体性能和使用寿命。

10、在一种可选的实施方式中，基底层为绝缘体上铌酸锂衬底，绝缘体上铌酸锂衬底包括层叠设置的第一衬底层、第一绝缘层和铌酸锂薄膜层，铌酸锂薄膜层被配置为通过图形化形成铌酸锂波导；第一包层覆盖第一绝缘层以及铌酸锂波导，以形成铌酸锂结构层。

11、有益效果：选用绝缘体上铌酸锂衬底来制备铌酸锂波导，然后再进行氮化硅波导和硅基元件的制备，有助于降低铌酸锂材料对后续结构的污染，提升器件整体的质量，而且为光电子集成芯片的制备提供了新的思路，有助于促进产业化、集成化发展。

12、在一种可选的实施方式中，在铌酸锂结构层背离基底层的一侧形成氮化硅结构层，包括：

13、在铌酸锂结构层背离基底层的一侧整面形成初始氮化硅器件层；

14、对初始氮化硅器件层进行图形化处理，以得到氮化硅波导；

15、在铌酸锂结构层上设置第二包层，第二包层覆盖铌酸锂结构层的表面和氮化硅波导。

16、有益效果：在铌酸锂结构层上方通过整面沉积和图形化工艺来形成氮化硅波导，从而形成铌酸锂-氮化硅的复合波导结构，氮化硅波导可以成型为条形波导，便于与铌酸锂波导形成强耦合，从而得到较小的光模场，提升调制效率。

17、在一种可选的实施方式中，在氮化硅结构层背离基底层的一侧形成硅基结构层，包括：

18、在氮化硅结构层背离基底层的一侧整面形成初始硅器件层；

19、对初始硅器件层进行图形化处理，以得到初始硅探测元件和初始硅调制元件；

20、对初始硅探测元件和初始硅调制元件进行掺杂处理，以得到掺杂硅探测元件和掺杂硅调制元件，掺杂硅调制元件形成硅基调制单元；

21、在氮化硅结构层上设置第一子包层，第一子包层覆盖氮化硅结构层的表面以及掺杂硅探测元件和掺杂硅调制元件；

22、在第一子包层中开设外延窗，外延窗露出至少部分的掺杂硅探测元件；

23、在外延窗内设置锗元件，锗元件和掺杂硅探测元件构成锗硅探测单元；

24、在第一子包层上设置第二子包层，第二子包层覆盖第一子包层的表面和锗硅探测单元，第一子包层和第二子包层构成第三包层。

25、有益效果：本发明中的硅基结构层，首先形成掺杂硅探测元件和掺杂硅调制元件，掺杂硅调制元件形成硅基调制单元；然后通过外延生长技术在掺杂硅探测元件上形成锗元件，从而构成锗硅探测单元，这种后外延的流程可以降低升降温工艺对外延锗晶体的暗电流和晶格缺陷的影响；再通过包层材料实现对硅基元件的保护，得到稳定可靠高质量的硅基结构层。

26、在一种可选的实施方式中，在氮化硅结构层背离基底层的一侧整面形成初始硅器件层，包括：

27、提供绝缘体上硅衬底，绝缘体上硅衬底包括层叠设置的第二衬底层、第二绝缘层和初始硅器件层；

28、以初始硅器件层朝向氮化硅结构层，将绝缘体上硅衬底键合设置在氮化硅结构层背离基底层的一侧表面上；

29、去除第二衬底层和第二绝缘层。

30、有益效果：采用绝缘体上硅衬底键合到氮化硅结构层上，然后分步去除厚硅层和绝缘层的到初始硅器件层的方式，有助于精准保留高质量的初始硅器件层。

31、在一种可选的实施方式中，形成电极结构包括：

32、形成贯穿第三包层的第一电极和第二电极，第一电极连接锗硅探测单元，第二电极连接硅基调制单元；

33、形成至少伸入第三包层和第二包层的第三电极，第三电极位于氮化硅波导的旁侧，且与氮化硅波导和铌酸锂波导间隔设置。

34、有益效果：也即首先形成连通锗硅探测单元和硅基调制单元等硅基元件的金属电极，这样的第一电极和第二电极可以选用钨金属进行制备，将钨金属进行包层覆盖；然后再形成铌酸锂-氮化硅复合波导调制器的调制电极也即第三电极，第三电极可以采用铜金属进行制备。这样适用于不同金属电极在同一芯片上的集成，比如先做钨金属电极，再做铜金属电极的制备工艺，既避免了后续高温介质工艺对铜电极的热损伤与电迁移风险，又利用钨塞作为阻挡层有效隔离了铜离子对锗探测区及硅掺杂区的污染，同时保证了深槽刻蚀的均匀性与大马士革工艺的填充质量，显著提升了芯片的可靠性与高频性能。

35、在一种可选的实施方式中，形成贯穿第三包层的第一电极和第二电极，包括：

36、形成贯穿第三包层的第一电极孔和第二电极孔，第一电极孔露出部分的锗硅探测单元，第二电极孔露出部分的硅基调制单元；

37、在第一电极孔和第二电极孔内填充第一金属材料，以形成连接锗硅探测单元的第一电极和连接硅基调制单元的第二电极；

38、在第三包层上形成第四包层，第四包层覆盖第三包层、第一电极和第二电极。

39、有益效果：本发明中锗硅探测器和硅基调制器的金属电极采用钨金属，垂直导电性能优越；通过开槽填充金属的方式进行制备，并利用cmp将表面多余的钨磨平，在硅/锗器件表面形成了一层致密的钨封盖层，这样的设计使得后续步骤进行铜的电镀和大马士革工艺时，即使铜离子有扩散倾向，也会被下方的钨金属阻挡，铜污染的风险被彻底隔离，极大提升了锗探测器的信噪比和良率。

40、在一种可选的实施方式中，形成至少伸入第三包层和第二包层的第三电极，包括：

41、形成自第四包层表面至少伸入第四包层、第三包层和第二包层的第三电极孔，以及贯穿第四包层的第一接触槽和第二接触槽；第三电极孔位于氮化硅波导的旁侧，且位于铌酸锂波导相对远离基底层的一侧，第三电极孔与氮化硅波导和铌酸锂波导间隔设置；第一接触槽露出第一电极，第二接触槽露出第二电极；

42、在第三电极孔、第一接触槽和第二接触槽内填充第二金属材料，以形成第三电极、连接第一电极的第一接触电极，以及连接第二电极的第二接触电极。

43、有益效果：复合波导调制器的调制电极采用铜金属进行制备，截面尺寸较大的铜金属可以承载高频射频信号，提升调制效率；同时在锗硅探测器和硅基调制器的钨金属电极上也设置金属铜的接触电极，降低信号输入输出损耗。

44、在一种可选的实施方式中，在形成电极结构之后，还包括：在第一电极上形成第一互连电极，在第二电极上形成第二互连电极，在第三电极上形成第三互连电极；第一互连电极的截面尺寸大于第一电极的截面尺寸，第二互连电极的截面尺寸大于第二电极的截面尺寸，第三互连电极的截面尺寸大于第三电极的截面尺寸。

45、有益效果：这样的截面尺寸更大的互连电极有助于实现第一电极、第二电极和第三电极与外部的电连接，降低信号传输电阻，提升信号传输效率。

46、第二方面，本发明还提供一种异质集成光电子芯片，包括：基底层、铌酸锂结构层、氮化硅结构层、硅结构层和电极结构，铌酸锂结构层形成在基底层的一侧表面，铌酸锂结构层包括铌酸锂波导和包覆铌酸锂波导的第一包层；氮化硅结构层形成在铌酸锂结构层背离基底层的一侧，氮化硅结构层包括氮化硅波导和包覆氮化硅波导的第二包层，氮化硅波导在基底层上的投影位于铌酸锂波导在基底层的投影区域内，氮化硅波导和铌酸锂波导形成复合波导结构；硅基结构层形成在氮化硅结构层背离基底层的一侧，硅基结构层包括多种硅基单元以及包覆硅基单元的第三包层，硅基单元包括锗硅探测单元和硅基调制单元；电极结构包括用于连接锗硅探测单元的第一电极、用于连接硅基调制单元的第二电极、以及位于氮化硅波导旁侧且位于铌酸锂波导上方的第三电极；锗硅探测单元和第一电极被配置为形成锗硅探测器，硅基调制单元和第二电极被配置为形成硅基调制器，复合波导结构和第三电极被配置为形成复合波导调制器。

47、有益效果：本发明的异质集成光电子芯片，铌酸锂和氮化硅的复合波导结构中铌酸锂波导在下，氮化硅波导在上，这样的结构可以有效提高带宽、降低驱动电压和实现更低的功耗，而且可以保证铌酸锂波导和氮化硅波导之间的光模场，提升调制效率；且铌酸锂-氮化硅的复合波导结构对应的调制电极也即第三电极，位于呈大面积设置的铌酸锂波导的上方，这种结构降低了第三电极产生的电场中心与光模场中心之间存在的空间偏差，保证电场与光场的相互作用效率以及调制器的调制效率，之后再在氮化硅结构层的上方形成包括锗硅探测单元和硅基调制单元的硅基结构层，最后形成电极结构，以实现铌酸锂-氮化硅复合波导调制器、硅基调制器、锗硅探测器等不同的光电子器件在同一芯片上的高效集成，有效节约器件体积、降低生产成本，且降低了器件耦合的光学损耗。

48、这种铌酸锂波导在下，氮化硅波导次之，锗硅探测单元和硅基调制单元在上的设计，一方面能够有效确保铌酸锂波导和氮化硅波导之间形成强耦合的光模场，提升铌酸锂-氮化硅复合波导调制器的调制效率；另一方面，相较在先形成硅基结构层时，后续升降温工艺会对经过掺杂处理的硅基单元的性能造成影响的方案，本发明这种硅基单元在上最后形成的设计，可以有效减少这样的性能影响，提高锗硅探测器的探测灵敏度和硅基调制器的调制效率，从而提升器件的整体性能和使用寿命。