一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，包括襯底；基于所述襯底制作的包含石墨烯光電器件的基片；一片或多片電路芯片貼合于所述基片上；所述基片與所述電路芯片電性互聯(lián)，并能將基片中傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸至電路芯片，同時(shí)接收電路芯片傳輸過來的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后繼續(xù)在基片中進(jìn)行傳輸。本實(shí)用新型采用石墨烯光電器件與現(xiàn)有的常規(guī)集成電路工藝基本兼容，利用現(xiàn)有的常規(guī)集成電路工藝就可以結(jié)合大規(guī)模集成電路芯片，進(jìn)行比較完整的、低成本、兼容性好的光電集成。同時(shí)，石墨烯光電器件具有實(shí)現(xiàn)更高光電性能的潛力。
【專利說明】
一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種光電集成電路，更具體地，涉及一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，器件特征尺寸不斷減小，集成規(guī)模越來越大，信息處理能力不斷增強(qiáng)，以至于我們可以在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)更多功能，形成所謂片上系統(tǒng)(System on a Chip，SoC)。伴隨SoC的發(fā)展，與之緊密相光的片上和片間互聯(lián)成為整個(gè)電子系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。雖然互聯(lián)速度隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展也得到極大提高，但與之相關(guān)的成本，諸如芯片面積、能量消耗等，也已經(jīng)相當(dāng)可觀，使得電互聯(lián)已經(jīng)成為進(jìn)一步提高整個(gè)電子系統(tǒng)性能的瓶頸。在另一方面，光互聯(lián)具有功耗低、速度快、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，使其有望成為電互聯(lián)的替代。典型的光互聯(lián)包括發(fā)送端的光調(diào)制、接收端的光探測(cè)，以及發(fā)送端與接收端之間的光傳輸(通過波導(dǎo)、光纖等光媒體)。因此，實(shí)現(xiàn)包含光電轉(zhuǎn)換和光傳輸媒體等的光互聯(lián)與SoC芯片的融合與集成，具有非常重要的意義。
[0003]光電集成主要有單片集成與混合集成兩種方式。對(duì)于單片集成，一方面，主流的集成電路工藝仍缺少對(duì)光電集成的工藝支持，另一方面，基于光電絕緣體上硅(Silicon-on-1nsulator，S0I)工藝的單片光電集成因兼容性問題仍然局限于小規(guī)模電路?；旌霞墒悄壳跋鄬?duì)比較可行的光電集成方式。然而，實(shí)際的混合集成方案其光電部分的制作基本上都采用的是光電SOI工藝，由于光電SOI工藝流程復(fù)雜、成本過高，使得現(xiàn)有的混合集成方案都面臨成本和應(yīng)用前景問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種光電集成方法，在現(xiàn)有的、成熟的、主流的集成電路技術(shù)和微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過引入石墨烯光電器件，形成比較完整的光互聯(lián)功能，進(jìn)一步與大規(guī)模集成電路SoC整合，形成光電集成。
[0005]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，包括:襯底;基于所述襯底制作的包含石墨烯光電器件的基片；一片或多片電路芯片貼合于所述基片上;所述基片與所述電路芯片電性互聯(lián)，并能將基片中傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸至電路芯片，同時(shí)接收電路芯片傳輸過來的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后繼續(xù)在基片中進(jìn)行傳輸。
[0007]進(jìn)一步的，所述襯底為半導(dǎo)體材料、玻璃、金屬或塑料。
[0008]進(jìn)一步的，所述基片包含襯底以及形成于襯底上的光器件層。
[0009]進(jìn)一步的，所述基片包含襯底、形成于襯底上的互聯(lián)層以及形成于互聯(lián)層上的光器件層，所述互聯(lián)層與光器件層電性互聯(lián)，并能與電路芯片電性互聯(lián)。
[0010]進(jìn)一步的，所述互聯(lián)層為一層或多層結(jié)構(gòu)，每層含有一條或多條導(dǎo)電線，上下層之間通過導(dǎo)電孔連接。[0011 ]進(jìn)一步的，所述光器件層含有光波導(dǎo)和基于光波導(dǎo)的光電器件。
[0012]進(jìn)一步的，所述光波導(dǎo)材料為單晶硅、多晶硅、氫化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅。
[0013]進(jìn)一步的，所述電路芯片與所述基片采用面對(duì)面的形式進(jìn)行貼合。
[0014]進(jìn)一步的，所述電路芯片與所述基片通過微熔球方式進(jìn)行貼合。
[0015]進(jìn)一步的，還包括一個(gè)或多個(gè)分立式光電器件貼合于所述基片上，并與所述基片上的光波導(dǎo)形成光親合。
[0016]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:所述石墨烯光電器件與現(xiàn)有的常規(guī)集成電路工藝基本兼容，也就是說，利用現(xiàn)有的常規(guī)集成電路工藝，就可以結(jié)合大規(guī)模集成電路SoC，進(jìn)行比較完整的、低成本、兼容性好的光電集成。同時(shí)，石墨烯光電器件具有實(shí)現(xiàn)更高光電性能的潛力。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例的制造過程結(jié)構(gòu)示意圖，所示為在襯底上形成介質(zhì)層。
[0018]圖2為本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例的制造過程結(jié)構(gòu)示意圖，所示為在介質(zhì)層上制作包含石墨烯光電器件的光器件層，形成基片。
[0019]圖3為本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例的制造過程結(jié)構(gòu)示意圖，所示為電路芯片與基片進(jìn)行貼合。
[0020]圖4為本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例的制造過程結(jié)構(gòu)示意圖，所示為完成制造過程后的結(jié)構(gòu)。
[0021]圖5為本實(shí)用新型一種采用更復(fù)雜基片的光電集成實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明，通過參考下文的描述，將獲得對(duì)本實(shí)用新型的更完整的理解。
[0023]圖1-4是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)較佳實(shí)施例的制造過程結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]首先，如圖1所示，提供襯底101，并在襯底101上生長一定厚度的諸如氧化物(如氧化娃等)的介質(zhì)材料1 7。
[0025]所述襯底101可以為半導(dǎo)體材料(如硅等)、玻璃、金屬和塑料。
[0026]然后，如圖2所示，制作包含石墨烯光電器件201的光器件層101。具體步驟如下:對(duì)第一步所生長的介質(zhì)材料107進(jìn)行平坦化處理以保證后續(xù)制作的光波導(dǎo)204有比較平整的下表面;在介質(zhì)材料107表面上形成所需厚度的光波導(dǎo)材料，并進(jìn)行光刻和刻蝕得到光波導(dǎo)204;再次生長一定厚度的介質(zhì)材料107，并再次進(jìn)行平坦化處理，以形成比較平坦的光波導(dǎo)204上表面;采用轉(zhuǎn)移的方式，在所述光波導(dǎo)204之上放置石墨烯材料203，并進(jìn)行光刻和刻蝕得到所需的圖形。對(duì)于采用兩層或多層石墨烯材料的光電器件，需要生長一定厚度的介質(zhì)材料，然后放置石墨烯材料203，并進(jìn)行光刻和刻蝕形成所需的圖形;采用蒸發(fā)、沉積或?yàn)R射等方式生長所需厚度的金屬材料105，通過剝離或刻蝕等方式，一方面形成與石墨烯材料的接觸，另一方面形成其他所需金屬圖形。
[0027]所述光波導(dǎo)材料可以為單晶硅、多晶硅、氫化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅等。所述石墨烯材料可以是通過機(jī)械剝離、化學(xué)沉積或生長的若干工藝來制造。圖中所述的光波導(dǎo)和石墨烯器件結(jié)構(gòu)，以及制造石墨烯光電器件所涉及工藝步驟，僅用于幫助理解本實(shí)用新型的內(nèi)容，并不是對(duì)光波導(dǎo)和石墨烯器件結(jié)構(gòu)，以及所涉及制造工藝步驟的具體限定。
[0028]所述光器件層103制作完成之后形成基片100。
[0029]最后，如圖3所示，電路芯片401與所述基片100采用面對(duì)面的方式進(jìn)行貼合，圖中所示為采用微熔球301的貼合方式。在更為復(fù)雜的實(shí)施例中，可進(jìn)一步增加諸如微型激光器的分立式光電器件501米用諸如綁定的方式與基片貼合，分立式光電器件501與光波導(dǎo)204形成光耦合，由此構(gòu)成功能更為完善、集成度更高的系統(tǒng)。
[0030]圖4所示為完成制造過程后的總體結(jié)構(gòu)。
[0031]圖5所示為一種采用更為復(fù)雜的基片結(jié)構(gòu)的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖?；闹圃旆椒?提供襯底101，并在襯底101上生長一定厚度的介質(zhì)材料107;制作互聯(lián)層102，所述互聯(lián)層102為單層或多層結(jié)構(gòu)，每層含一條或多條金屬線105，上層與下層金屬線之間通過介質(zhì)材料107進(jìn)行隔離，并通過導(dǎo)電孔106形成連接。所述互聯(lián)層102的作用在于:可以提供更為復(fù)雜的電路芯片401之間的電互聯(lián);繼續(xù)在互聯(lián)層102上生長一定厚度的介質(zhì)材料107，并進(jìn)行光器件層103的制作流程，在生長金屬材料105之前，需制作連接互聯(lián)層102最上層金屬的導(dǎo)電孔106;所述光器件層103制作完成之后形成基片100。電路芯片401、分立式光電器件501與基片100的貼合方式與圖3所示類似。
[0032]以上所描述的實(shí)施例僅用于幫助理解本實(shí)用新型的內(nèi)容，但并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，包括: 襯底； 基于所述襯底制作的包含石墨烯光電器件的基片； 一片或多片電路芯片貼合于所述基片上； 所述基片與所述電路芯片電性互聯(lián)，并能將基片中傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸至電路芯片，同時(shí)接收電路芯片傳輸過來的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后繼續(xù)在基片中進(jìn)行傳輸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，所述襯底為半導(dǎo)體材料、玻璃、金屬或塑料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，所述基片包含襯底以及形成于襯底上的光器件層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，所述基片包含襯底、形成于襯底上的互聯(lián)層以及形成于互聯(lián)層上的光器件層，所述互聯(lián)層與光器件層電性互聯(lián)，并能與電路芯片電性互聯(lián)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，所述互聯(lián)層為一層或多層結(jié)構(gòu)，每層含有一條或多條導(dǎo)電線，上下層之間通過導(dǎo)電孔連接。6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任意一項(xiàng)所述的一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，所述光器件層含有光波導(dǎo)和基于光波導(dǎo)的光電器件。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，所述光波導(dǎo)材料為單晶硅、多晶硅、氫化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，所述電路芯片與所述基片采用面對(duì)面的形式進(jìn)行貼合。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于石墨烯光電器件的光電集成電路，其特征在于，所述電路芯片與所述基片通過微熔球方式進(jìn)行貼合。10.根據(jù)權(quán)利要求1，2，6-8中任一項(xiàng)所述的基于石墨烯光電器件的光電集成電路，進(jìn)一步包括:一個(gè)或多個(gè)分立式光電器件貼合于所述基片上，并與所述基片上的光波導(dǎo)形成光規(guī)A柄口 O
【文檔編號(hào)】H01L23/522GK205670200SQ201620502280
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】鄒望輝, 曾云
【申請(qǐng)人】湖南大學(xué)