半导体结构、制备方法、光子芯片及光计算设备与流程

本申请涉及半导体，尤其涉及一种半导体结构、制备方法、光子芯片及光计算设备。

背景技术：

1、光子芯片，又称光子集成电路(photonic integrated circuit，pic)、光子集成芯片，指利用光子来处理和传输信息的芯片。目前，光子芯片通过耦合器(例如：平面耦合器和光栅耦合器)与外部光纤进行光耦合。其中，平面耦合器又称为光栅耦合器，其利用光栅衍射效应，来将光耦合到光子芯片中。

2、然而，目前，光栅耦合器的光耦合效率较低。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本申请以提供一种解决上述问题或至少部分地解决上述问题的半导体结构、制备方法、光子芯片及光计算设备。

2、于是，在本申请的一个实施例中，提供了一种半导体结构，包括：

3、衬底；

4、位于所述衬底上方的第一半导体器件层，所述第一半导体器件层包括有源器件以及与所述有源器件光互连的第一波导；

5、位于所述第一半导体器件层上方的金属互连结构，所述有源器件与所述金属互连结构电连接；

6、位于所述金属互连结构上方的第二半导体器件层，所述第二半导体器件层包括光栅耦合器以及与所述光栅耦合器光互连的第二波导；

7、光互连结构，所述第一波导和所述第二波导通过所述光互连结构光互连；

8、电连接结构，所述电连接结构的第一端与所述金属互连结构电连接，所述电连接结构的第二端用于与外部电路电连接。

9、可选的，所述光栅耦合器包括光栅结构；所述半导体结构，还包括：

10、覆盖于所述第二半导体器件层上的第一介质层，所述第一介质层开设有用作光通路的开口，所述开口位于所述光栅结构的上方。

11、可选的，所述电连接结构贯穿所述第一介质层且避开所述光栅耦合器和所述第二波导设置。

12、可选的，上述半导体结构，还包括：

13、覆盖于所述第一半导体器件层上的第二介质层，所述金属互连结构包裹于所述第二介质层内；

14、所述光互连结构贯穿所述第二介质层且避开所述金属互连结构设置。

15、可选的，所述有源器件通过位于所述第二介质层内的电接触孔与所述金属互连结构电连接。

16、可选的，所述第二半导体器件层的材料为单晶半导体材料。

17、可选的，所述有源器件包括光调制器和/或光探测器。

18、可选的，所述金属互连结构包括多层金属互连层以及连接相邻金属互连层的导电通孔。

19、在本申请的另一个实施例中，提供了一种半导体制备方法，包括：

20、提供第一衬底；

21、在所述第一衬底上形成第一半导体器件层，所述第一半导体器件层包括有源器件以及与所述有源器件光互连的第一波导；

22、在所述第一半导体器件层上方形成金属互连结构和光互连结构，所述有源器件与所述金属互连结构电连接；

23、在所述金属互连结构和所述光互连结构上方形成第二半导体器件层，所述第二半导体器件层包括光栅耦合器以及与所述光栅耦合器光互连的第二波导，所述第一波导和所述第二波导通过所述光互连结构光互连；

24、形成电连接结构，所述电连接结构的第一端与所述金属互连结构电连接，所述电连接结构的第二端用于与外部电路电连接。

25、可选的，所述光栅耦合器包括光栅结构；所述方法，还包括：

26、形成用于覆盖所述第二半导体器件层的第一介质层；

27、在所述第一介质层上开设用作光通路的开口，所述开口位于所述光栅结构的上方。

28、可选的，形成电连接结构，包括：

29、刻蚀所述第一介质层中避让所述光栅耦合器和所述第二波导的区域，以在所述第一介质层中形成第一通孔；

30、在所述第一通孔内沉积金属材料，得到贯穿所述第一介质层的电连接结构。

31、可选的，在所述第一半导体器件层上方形成金属互连结构和光互连结构，包括：

32、在所述第一半导体器件层上方形成第二介质层和金属互连结构，所述金属互连结构包裹于所述第二介质层内；

33、刻蚀所述第二介质层中避让所述金属互连结构的区域，以在所述第二介质层中形成第二通孔；

34、在所述第二通孔内沉积半导体材料，得到贯穿所述第二介质层的第一光互连结构；

35、其中，所述光互连结构包括所述第一光互连结构。

36、可选的，在所述金属互连结构和所述光互连结构上方形成第二半导体器件层，包括：

37、提供第二衬底，所述第二衬底包括第一半导体层和形成于所述第一半导体层表面的第三介质层；

38、通过键合工艺，将所述第三介质层的表面贴合在所述第二介质层的表面；

39、刻蚀所述第一半导体层得到第二半导体器件层。

40、可选的，上述方法，还包括：

41、形成覆盖所述第二半导体器件层的第四介质层；

42、依次刻蚀所述第四介质层和所述第三介质层，以形成第三通孔；

43、在所述第三通孔中沉积半导体材料，得到第二光互连结构；

44、其中，所述第二光互连结构的一端与所述第一光互连结构接触连接，所述第二光互连结构的另一端与所述第二波导接触连接，所述光互连结构包括所述第一光互连结构和所述第二光互连结构。

45、在本申请的另一个实施例中，提供一种光子芯片，包括上述任一项所述的半导体结构。

46、在本申请的另一个实施例中，提供一种光计算设备，包括：上述光子芯片。

47、本申请实施例提供的技术方案中，有源器件位于金属互连结构下方，光栅耦合器位于金属互连结构上方，这样可以避免金属互连结构的制备工艺所残留的金属材料影响光栅耦合器的耦合效率，相当于提高光栅耦合器的耦合效率；此外，本申请实施例提供的技术方案中，光栅耦合器与有源器件的分层设计有助于有源器件尺寸的进一步微缩，为光子芯片未来发展提供空间，还有利于减少两者之间的光信号干扰。

技术特征：

1.一种半导体结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述光栅耦合器包括光栅结构；所述半导体结构，还包括：

3.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述电连接结构贯穿所述第一介质层且避开所述光栅耦合器和所述第二波导设置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体结构，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的半导体结构，其特征在于，所述有源器件通过位于所述第二介质层内的电接触孔与所述金属互连结构电连接。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体结构，其特征在于，所述第二半导体器件层的材料为单晶半导体材料。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体结构，其特征在于，所述有源器件包括光调制器和/或光探测器。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体结构，其特征在于，所述金属互连结构包括多层金属互连层以及连接相邻金属互连层的导电通孔。

9.一种半导体制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光栅耦合器包括光栅结构；所述方法，还包括：

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成电连接结构，包括：

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一半导体器件层上方形成金属互连结构和光互连结构，包括：

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述金属互连结构和所述光互连结构上方形成第二半导体器件层，包括：

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：

15.一种光子芯片，其特征在于，包括由上述权利要求1至8中任一项所述的半导体结构。

16.一种光计算设备，其特征在于，包括：上述权利要求15所述的光子芯片。

技术总结
本申请实施例提供一种半导体结构、制备方法、光子芯片及光计算设备。其中，半导体结构，包括：衬底；位于衬底上方的第一半导体器件层，第一半导体器件层包括有源器件以及与有源器件光互连的第一波导；位于第一半导体器件层上方的金属互连结构，有源器件与金属互连结构电连接；位于金属互连结构上方的第二半导体器件层，第二半导体器件层包括光栅耦合器以及与光栅耦合器光互连的第二波导；光互连结构，第一波导和第二波导通过光互连结构光互连；电连接结构，电连接结构的第一端与金属互连结构电连接，电连接结构的第二端用于与外部电路电连接。本申请实施例提供的技术方案可以提高光栅耦合器的耦合效率。

技术研发人员：孟怀宇,沈亦晨,张子涵
受保护的技术使用者：上海曦智科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/19