[发明专利]一种硅基光电子单片式异质集成方法

说明书

本发明提供了一种硅基光电子单片式异质集成方法，涉及硅基光子集成技术领域。基于硅基光电子平台将III‑V化合物半导体和硅基光电子器件进行单片式集成，可应用于光电微系统应用领域。本发明针对光电微系统小型化、集成化和多功能化发展趋势对单片集成不同材料体系有源和无源半导体光子器件的迫切需求，提出了一种基于硅基的单片式异质集成方法，利用该方法可以实现基于同一硅片平台上激光器、调制器和探测器等有源光电器件和分束器、耦合器和光学微腔等无源光电器件的异质集成。

技术领域

本发明涉及硅基光子集成技术领域，尤其涉及一种硅基光电子单片式异质集成方法。

背景技术

光子集成技术是通过将激光器、探测器、光波导、调制器、光开关、分路器和耦合器等光子器件制备在同一个基片上，实现提高速度、压缩尺寸和扩展功能等目的。

光子集成器件包含有源器件(激光器、探测器、放大器、调制器等)和无源器件(光波导、耦合器等)等多种复杂结构的器件，材料类型包含InP族化合物半导体、Si单质半导体、绝缘体上硅(SOI)和二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN_x)等不同材料，其线度远远大于微电子器件的线度。因此，目前光子集成的集成度远低于微电子器件，光子器件集成的难度远大于传统的微电子芯片。

硅材料在微电子芯片中应用广泛，同时硅也是很好的光无源材料，基于硅材料已经制作出很多性能优良的无源波导、调制器和探测器等光电器件。并且，硅有成熟的CMOS工艺，目前硅工艺精度可以达到7nm，因此借助于CMOS工艺，可以大规模制备低成本的光子集成芯片，便于与微电子芯片实现光电集成。但是由于硅是非直接跃迁带隙材料，部分硅基有源光电器件(尤其硅基激光器)还无法产业化，性能更无法超越基于InP材料的半导体激光器，因此硅基光子芯片和基于InP的半导体激光器的结合还是目前最有希望获得产业化的一种方案。

硅光子单片异质集成是通过硅基CMOS制造工艺，将多个相同或不同功能的异质材料光子器件集成在同一个硅晶圆上的一体化技术，利用各自材料优势在单芯片上集成多功能器件，实现光电片上子系统，具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势。随着光电子微系统不断小型化、集成化和多功能化的发展趋势，对异质集成技术提出了巨大的需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的硅基光电子单片式异质集成方法。

本发明实施例提供一种硅基光电子单片式异质集成方法，包括：

S1，选取SOI基片，在所述SOI基片的顶层硅上制作无源光器件；其中，SOI基片由从下至上设置的背面硅、埋氧层和顶层硅构成；

S2，在所述SOI基片的预留位置上刻蚀用于放置有源芯片的深孔，在刻蚀的深孔底部的硅材料表面生长焊料金属层；

S3，将预先制备的有源芯片键合到深孔中的焊料金属层，有源芯片有源层与顶层硅处于同一个水平面；

S4，在键合有源芯片后的深孔缝隙选择性生长二氧化硅，生长的二氧化硅顶部与埋氧层处于同一个水平面；

S5，在所述顶层硅和无源光器件之间的缝隙处选择性生长非晶硅层，非晶硅层厚度与所述顶层硅厚度一致；

S6，在所述有源芯片和非晶硅层上制作互连光波导，以实现有源芯片和无源光器件的光互连；

S7，在所述有源芯片的光波导上方制作电极接触孔，在接触孔内沉积金属电极。

其中，在步骤S3之前，所述方法还包括：

制备有源芯片：选取III-V有源光电器件外延片，衬底采用高掺杂衬底，掺杂类型与SOI背面硅保持一致；将外延片背面衬底减薄，外延片厚度＝深孔深度-a*金锡焊料厚度，a＝[0.25，0.9]，背面衬底减薄后制作背面金属电极，利用解离或者划片机分割获得有源芯片。