[发明专利]一种背向集成有源器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种背向集成有源器件及其制备方法，属于半导体器件技术领域，包括硅衬底层、硅波导结构和有源器件层；还包括热分流器层和包层材料层；所述热分流器层位于所述硅衬底层和有源器件层之间，且位于包层材料层外侧与包层材料层接触，形成热流通道。本发明在背向式工艺的基础上，在硅波导正面填充具有导热性能的包层材料，在硅衬底层与有源器件层之间设置热分流器层结构，大幅提升了背向集成有源器件的散热效果，有效解决了现有集成有源器件中热阻较大、热分流器导热效果不佳的技术缺陷。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种背向集成有源器件及其制备方法。

背景技术

硅作为间接带隙材料，发光效率较低，目前国内外主流的做法是通过异质键合或片外封装的方法来实现Ⅲ-Ⅴ激光器与硅片的集成。片外封装虽然具有良好的导热性能，但对准精度要求较高，无法实现批量生产且封装成本较高；而异质键合集成能有效降低封装成本，提高良率和可靠性，是近年来各公司研发的重点方向。

由于硅波导需要一层较厚的SiO₂层(1～2μm)包层材料以限制光场分布，使得集成有源器件(如激光器、调制器等)散热性能非常差。目前，可通过在SiO₂层挖槽并填充高导热系数的材料以形成热分流器来提高集成激光器散热性能，进而降低器件的热阻。

现有背向集成有源器件集成过程中，由于受后续异质键合工艺的影响，热分流器中的填充材料为多晶硅，其导热系数受晶粒尺寸影响较大，为15-60W/m/K，远远小于金属材料的导热系数，导热效果受限；同样的，在直接异质键合方式中，硅层与有源器件层的键合界面应尽可能大以增强键合强度，但现有的异质键合工艺限制了热分流器的尺寸，宽度仅为几微米到十几微米，从而限制了其散热的能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的集成有源器件散热不佳的缺陷，从而提供一种能有效降低集成器件热阻的背向集成有源器件及其制备方法。

本发明提供一种背向集成有源器件，包括硅衬底层、硅波导结构和有源器件层；还包括热分流器层和包层材料层；所述热分流器层位于所述硅衬底层和有源器件层之间，且位于包层材料层外侧与包层材料层接触，形成热流通道。在硅波导结构正面填充具有导热性能的包层材料，在硅衬底层与有源器件层之间设置热分流器层结构，大幅提升了背向集成有源器件的散热效果，有效解决了现有集成有源器件中热阻较大、热分流器导热效果不佳的技术缺陷。

所述热分流器层由硅层和导热材料层制成；所述热分流器层中的导热材料层为金属导热材料或非金属导热材料。所述金属导热材料例如为铜或金。由于金属材料的导热性能远大于多晶硅材料(铜的热导系数为401W/m/K，金的热导系数为317W/m/K，多晶硅的热导系数为15-60W/m/K)，采用金属材料作为热分流器层的导热材料层，可大幅提升热分流器层的导热性能。所述非金属导热材料例如为氮化铝、三氧化二铝、氟化镁、多晶硅和单晶硅中的一种或多种组合。

所述包层材料层直接与硅衬底层相邻。

优选的，所述包层材料的折射率低于硅材料；更优选的，所述包层材料为导热介质材料，例如为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、三氧化二铝中的一种或多种组合。包层材料层采用导热介质材料制成，可以进一步提高背向集成有源器件的散热效果。

优选的，所述有源器件层为激光器、调制器和探测器的一种。

本发明的另一方面，本发明提供一种背向集成有源器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，根据预设的图案在SOI基片第一面硅层上刻蚀出硅波导结构，在刻蚀后的硅层上沉积包层材料形成包层材料层；

步骤二，刻蚀包层材料形成填充结构，在填充结构内沉积导热材料形成导热材料层，所述导热材料层与所述硅层形成热分流器层；