一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件的制作方法
本技术涉及半导体，特别涉及一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件。
背景技术：
1、光互连具有全面替代电互连的潜力，因为其自身具有超越传统电互连带宽限制，增强光电集成密度并降低功耗等巨大优势。具有有源光源的集成cmos兼容无源器件代表了用于实现高性能计算机和数据中心的并行光互连的非常有前景的技术。
2、在光互连中，现在面临最严重的挑战是将有源iii-v族增益材料光源和成熟cmos兼容硅光器件实现异质集成，并且对准工艺能够兼容cmos后端线并具有高对准公差和高耦合效率。迄今为止，已经进行深入研究的现有技术中实现了几类集成器件，例如基于直接异质材料生长，直接晶片键合和benzocycbutene(bcb)键合的器件。
3、在直接异质材料生长方法中，因为用于解决晶格失配问题而导致的抛光层太厚结构很难实现高效的倏逝波耦合效率，同时，掩埋氧化物层(box)在soi上具有相对大的热阻抗从而阻碍热变换，并使得器件的热特性进一步恶化；对于直接晶片键合方法，极其低的良品率和cmos工艺无法兼容的特性限制了其在同一设施中的制造；用于获得晶片级键合的另一种技术是使用bcb，然而，键合器件同样由于bcb导致的热效应变差进而面临热饱和的问题。
4、因此，如何能够提高iii-v族增益材料光源与硅波导的耦合效率并提高良品率成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本实用新型的目的是为了解决上述现有技术中iii-v族增益材料光源和成熟cmos兼容硅光器件异质集成光器件存在耦合效率低和良品率低的技术问题，提供一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，异质集成密集波分复用光电器件是基于无源自动对准而制造的，所以阵列中的所有通道都具有均匀且高效的耦合效率，极大的降低了制造成本并简化了制造技术。
2、本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，包括硅光器件基底芯片和iii-v族激光器阵列，
3、所述硅光器件基底芯片自下而上依次包括硅基底、掩埋氧化物层和硅器件层，硅光器件基底芯片上设置有蚀刻槽，所述蚀刻槽为通过蚀刻硅器件层、掩埋氧化物层和硅基底形成的，所述iii-v族激光器阵列倒装在蚀刻槽内与硅光器件基底芯片键合连接，所述蚀刻槽内设置有多个硅基座，硅基座的顶部及硅基座的两端设置有金属电极，金属电极上设置有金属焊料，掩埋氧化物层上设置有第二电极和延伸至蚀刻槽内的第一电极，第一电极位于蚀刻槽两端，所述第二电极位于蚀刻槽的一侧，第一电极和第二电极上均设置有金属焊料，所述硅器件层上蚀刻有相连接的波导阵列和模斑转换器，波导阵列和模斑转换器位于蚀刻槽的另一侧，模斑转换器的蚀刻面靠近蚀刻槽且对准iii-v族激光器阵列；
4、所述iii-v族激光器阵列自下而上依次包括下层电极、iii-v族半导体基底、n型限制层、有源层、p型限制层和p型波导层，所述有源层对准硅光器件基底芯片上的模斑转换器，所述p型波导层为脊波导结构，脊波导结构的脊顶设置有欧姆接触层，所述欧姆接触层的顶端和脊波导结构的侧面设置有绝缘层，绝缘层上设置有上层电极，所述上层电极通过金属焊料与硅光器件基底芯片上的第一电极和金属电极连接，所述下层电极通过金属引线与硅光器件基底芯片上的第二电极连接，所述iii-v族激光器阵列上设置有用于与硅基座嵌套的定位沟槽，所述定位沟槽为通过蚀刻上层电极、绝缘层、欧姆接触层和波导层形成的。
5、进一步地，所述硅光器件基底芯片的硅基底的上表面为垂直对准基面，所述蚀刻槽中硅基底和掩埋氧化物层蚀刻的总厚度等于iii-v族激光器阵列中p型限制层、p型波导层、欧姆接触层、绝缘层、上层电极以及金属电极和金属焊料的总厚度。
6、进一步地，所述硅光器件基底芯片上设置有第一水平对准标记，所述iii-v族激光器阵列上设置有与第一水平对准标记相对应的第二水平对准标记。
7、进一步地，所述模斑转换器为锥形结构，模斑转换器的窄边与波导阵列连接，模斑转换器的宽边对准iii-v族激光器阵列的有源层。
8、进一步地，所述模斑转换器的蚀刻面以及模斑转换器的侧面均包裹有氧化物。
9、进一步地，所述波导阵列为单模波导阵列。
10、进一步地，所述波导阵列的侧面包裹有氧化物。
11、进一步地，所述第一电极、第二电极、金属电极和金属焊料是以蒸发或溅射方式形成。
12、进一步地，所述金属焊料为ausn焊料。
13、进一步地，所述波导阵列的高度为220nm、340nm或550nm。
14、与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
15、(1)本实用新型多阵列异质集成密集波分复用光电器件，通过无源对准倒装芯片金属键合实现了制造异质集成硅光输出，改善了能够基于凹凸结构传输和进一步处理多波长光信号的异质集成光源，同时异质集成可实现密集波分复用的光电器件提供了潜在的可集成光电芯片模块，可以进一步和其他硅光子器件或分立电路元件集成。
16、(2)本实用新型多阵列异质集成密集波分复用光电器件，阵列中的所有通道都具有均匀且高效的耦合效率，极大的降低了制造成本并简化了制造技术，异质集成光源提供了可低成本制造，大规模生产，高产量，可重复性，可靠性以及用于未来光互连且cmos代工兼容的器件，这种高密度异质集成可实现密集波分复用的光电器件为实现高带宽，高数据速率和密集光学i/o铺平了道路。
17、(3)本实用新型多阵列异质集成密集波分复用光电器件，能够通过ssc将具有dwdm的激光器阵列的激光单模阵列输出与cmos兼容的硅光器件基底芯片异质集成，以改善光束质量，耦合效率和可大规模工业制造性，通过ssc将半导体激光器输出耦合到cmos代工兼容的单模矩形波导阵列，然后可以进一步基于成熟的硅光子器件处理dwdm的光信号的传播，检测和调制，通过改进异质集成的倒装芯片无源对准键合技术，可以改善异质集成芯片的功效，例如高效的壁插效率，增加输出功率和改善的边模抑制比(smsr)。
18、(4)本实用新型多阵列异质集成密集波分复用光电器件，通过精确计算cmos兼容的硅光器件基底芯片和iii-v族激光器阵列的所有层的厚度来构造垂直对准，通过设计的嵌套结构和对准标记实现水平对齐，从而提高耦合效率和耦合精度。
技术特征：
1.一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：包括硅光器件基底芯片和iii-v族激光器阵列，
2.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述硅光器件基底芯片的硅基底的上表面为垂直对准基面，所述蚀刻槽中硅基底和掩埋氧化物层蚀刻的总厚度等于iii-v族激光器阵列中p型限制层、p型波导层、欧姆接触层、绝缘层、上层电极以及金属电极和金属焊料的总厚度。
3.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述硅光器件基底芯片上设置有第一水平对准标记，所述iii-v族激光器阵列上设置有与第一水平对准标记相对应的第二水平对准标记。
4.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述模斑转换器为锥形结构，模斑转换器的窄边与波导阵列连接，模斑转换器的宽边对准iii-v族激光器阵列的有源层。
5.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述模斑转换器的蚀刻面以及模斑转换器的侧面均包裹有氧化物。
6.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述波导阵列为单模波导阵列。
7.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述波导阵列的侧面包裹有氧化物。
8.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述第一电极、第二电极、金属电极和金属焊料是以蒸发或溅射方式形成。
9.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述金属焊料为ausn焊料。
10.根据权利要求1所述的一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件，其特征在于：所述波导阵列的高度为220nm、340nm或550nm。
技术总结
本技术涉及半导体技术领域，特别涉及一种多阵列异质集成密集波分复用光电器件。该光电器件包括硅光器件基底芯片和III‑V族激光器阵列，III‑V族激光器阵列倒装在硅光器件基底芯片上，硅光器件基底芯片上设置有波导阵列和模斑转换器，模斑转换器连接波导阵列和激光器阵列，硅光器件基底芯片上设置有硅基座，激光器阵列上设置有与硅基座嵌合的定位沟槽，硅光器件基底芯片上还设置有第一电极和第二电极，第一电极通过金属焊料与激光器阵列的上层电极连接，第二电极通过金属引线与激光器阵列的下层电极连接。本技术是基于无源自动对准而制造的，阵列中的所有通道都具有均匀且高效的耦合效率，极大的降低了制造成本并简化了制造技术。
技术研发人员：郭易之
受保护的技术使用者：大连中科超硅集成技术有限公司
技术研发日：20240305
技术公布日：2024/9/23