[发明专利]PIN二极管中的高效散热

说明书

本公开的实施例涉及PIN二极管中的高效散热。可以用热传导通孔来减少集成在绝缘体上半导体衬底上的p‑i‑n二极管的热阻抗，该热传导的通孔使热量跨热屏障分流，该热屏障诸如例如通常封装p‑i‑n二极管的厚的顶氧化物包层。在各种实施例中，一个或多个热传导通孔从本征二极管层的顶表面延伸至连接至二极管的掺杂的顶层的金属结构，和/或从该金属结构向下至少延伸至衬底的半导体器件层。

技术领域

本公开总体上涉及光子集成电路(PIC)中实施的p-i-n(PIN)二极管，并且具体地涉及用于使PIN二极管中生成的热量高效地消散的结构。

背景技术

芯片集成激光二极管倾向于在有源增益介质中生成大量热量。由于激光二极管的输出功率和可靠性随着有源增益介质的温度升高而降低，因此，它们受限于使结构散热的能力，即，将热量从有源增益介质传递出去的能力。集成激光二极管通常被实施为n型化合物半导体层、本征化合物半导体层和p型化合物半导体层的堆叠，其中本征层提供有源增益介质，并且集成激光二极管可以被置放在绝缘体上半导体(SOI)衬底上。在各种传统实施方式中，封装p-i-n堆叠的厚的顶氧化物构成了阻止热量从本征层高效地横向消散出去的实质热屏障。在这些结构中，热量主要从本征层穿过下面的二极管层到达衬底以及穿过上方的二极管层到达接触顶二极管层的顶侧金属层消散，从该顶二极管层，热量可以下沉穿过凸块或者电触点和/或向下穿过厚的顶氧化物返回到衬底。通过这些路径的热传递是有限的，使得激光二极管的热阻抗对于许多应用中所需的激光输出功率和操作可靠性是不足够的。

发明内容

在本公开的第一方面，提出了一种器件，包括：绝缘体上半导体衬底，绝缘体上半导体衬底包括半导体柄、置放在半导体柄的顶部之上的掩埋氧化物层和置放在掩埋氧化物层的顶部之上的半导体器件层；顶氧化物包层，顶氧化物包层置放在半导体器件层上；p-i-n二极管，p-i-n二极管嵌入在顶包层中，p-i-n二极管包括掺杂的顶层、本征层和掺杂的底层；金属结构，金属结构嵌入在顶氧化物包层中并且电连接至掺杂的顶层；以及一个或多个热通孔，一个或多个热通孔从金属结构延伸穿过顶氧化物包层、至少到达半导体器件层，但是不延伸穿过掩埋氧化物层到达半导体柄。

在本公开的第二方面，提出了一种器件，包括：绝缘体上半导体衬底，绝缘体上半导体衬底包括半导体柄、置放在半导体柄的顶部之上的掩埋氧化物层和置放在掩埋氧化物层的顶部之上的半导体器件层；顶氧化物包层，顶氧化物包层置放在半导体器件层上；p-i-n二极管，p-i-n二极管嵌入在顶包层中，p-i-n二极管包括掺杂的顶层、本征层和掺杂的底层；金属结构，金属结构嵌入在顶氧化物包层中并且电连接至掺杂的顶层；以及一个或多个热通孔，一个或多个热通孔从本征层的顶表面延伸至金属结构。

在本公开的第三方面，提出了一种方法，包括：在绝缘体上半导体衬底上形成嵌入在顶氧化物包层内的p-i-n二极管，p-i-n二极管包括掺杂的顶层和底层以及其间的本征层；蚀刻一个或多个第一电通路孔，一个或多个第一电通路孔向下延伸至掺杂的底层的顶表面；蚀刻一个或多个热通路孔，一个或多个热通路孔包括向下至少延伸至绝缘体上半导体衬底的半导体器件层的一个或多个第一热通路孔或者向下延伸至本征层的顶表面的一个或多个第二热通路孔中的至少一个；蚀刻第二电通路孔，第二电通路孔向下延伸至掺杂的顶层的顶表面；以及将一种或者多种电传导材料填充在第一电通路孔和第二电通路孔中，以形成相应的第一电通孔和第二电通孔，并且将一种或者多种热传导材料填充在一个或多个热通路孔中，以形成一个或多个热通孔。

附图说明

本文结合附图描述了各种示例实施例，其中：

图1是根据各种实施例的示例集成PIN二极管器件的截面侧视图，该视图图示了从PIN二极管的有源层出去的热消散路径；

图2A和图2B是根据各种实施例的示例集成PIN二极管器件的截面侧视图，在该示例集成PIN二极管器件中，由热通孔来增强热消散，该热通孔将热量从连接至顶二极管层的金属结构分流到衬底；