一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，包括衬底；基于所述衬底制作的包含石墨烯光电器件的基片；一片或多片电路芯片贴合于所述基片上；所述基片与所述电路芯片电性互联，并能将基片中传输的光信号转换成电信号传输至电路芯片，同时接收电路芯片传输过来的电信号，转换成光信号后继续在基片中进行传输。本实用新型采用石墨烯光电器件与现有的常规集成电路工艺基本兼容，利用现有的常规集成电路工艺就可以结合大规模集成电路芯片，进行比较完整的、低成本、兼容性好的光电集成。同时，石墨烯光电器件具有实现更高光电性能的潜力。
【专利说明】
一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种光电集成电路，更具体地，涉及一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路。
【背景技术】
[0002]随着大规模集成电路技术的发展，器件特征尺寸不断减小，集成规模越来越大，信息处理能力不断增强，以至于我们可以在单个芯片上实现更多功能，形成所谓片上系统(System on a Chip，SoC)。伴随SoC的发展，与之紧密相光的片上和片间互联成为整个电子系统的关键组成部分。虽然互联速度随着集成电路技术的发展也得到极大提高，但与之相关的成本，诸如芯片面积、能量消耗等，也已经相当可观，使得电互联已经成为进一步提高整个电子系统性能的瓶颈。在另一方面，光互联具有功耗低、速度快、不受电磁干扰等优点，使其有望成为电互联的替代。典型的光互联包括发送端的光调制、接收端的光探测，以及发送端与接收端之间的光传输(通过波导、光纤等光媒体)。因此，实现包含光电转换和光传输媒体等的光互联与SoC芯片的融合与集成，具有非常重要的意义。
[0003]光电集成主要有单片集成与混合集成两种方式。对于单片集成，一方面，主流的集成电路工艺仍缺少对光电集成的工艺支持，另一方面，基于光电绝缘体上硅(Silicon-on-1nsulator，S0I)工艺的单片光电集成因兼容性问题仍然局限于小规模电路。混合集成是目前相对比较可行的光电集成方式。然而，实际的混合集成方案其光电部分的制作基本上都采用的是光电SOI工艺，由于光电SOI工艺流程复杂、成本过高，使得现有的混合集成方案都面临成本和应用前景问题。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种光电集成方法，在现有的、成熟的、主流的集成电路技术和微电子技术的基础上，通过引入石墨烯光电器件，形成比较完整的光互联功能，进一步与大规模集成电路SoC整合，形成光电集成。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是:
[0006]—种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，包括:衬底;基于所述衬底制作的包含石墨烯光电器件的基片；一片或多片电路芯片贴合于所述基片上;所述基片与所述电路芯片电性互联，并能将基片中传输的光信号转换成电信号传输至电路芯片，同时接收电路芯片传输过来的电信号，转换成光信号后继续在基片中进行传输。
[0007]进一步的，所述衬底为半导体材料、玻璃、金属或塑料。
[0008]进一步的，所述基片包含衬底以及形成于衬底上的光器件层。
[0009]进一步的，所述基片包含衬底、形成于衬底上的互联层以及形成于互联层上的光器件层，所述互联层与光器件层电性互联，并能与电路芯片电性互联。
[0010]进一步的，所述互联层为一层或多层结构，每层含有一条或多条导电线，上下层之间通过导电孔连接。[0011 ]进一步的，所述光器件层含有光波导和基于光波导的光电器件。
[0012]进一步的，所述光波导材料为单晶硅、多晶硅、氢化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅。
[0013]进一步的，所述电路芯片与所述基片采用面对面的形式进行贴合。
[0014]进一步的，所述电路芯片与所述基片通过微熔球方式进行贴合。
[0015]进一步的，还包括一个或多个分立式光电器件贴合于所述基片上，并与所述基片上的光波导形成光親合。
[0016]本实用新型的优点在于:所述石墨烯光电器件与现有的常规集成电路工艺基本兼容，也就是说，利用现有的常规集成电路工艺，就可以结合大规模集成电路SoC，进行比较完整的、低成本、兼容性好的光电集成。同时，石墨烯光电器件具有实现更高光电性能的潜力。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型一较佳实施例的制造过程结构示意图，所示为在衬底上形成介质层。
[0018]图2为本实用新型一较佳实施例的制造过程结构示意图，所示为在介质层上制作包含石墨烯光电器件的光器件层，形成基片。
[0019]图3为本实用新型一较佳实施例的制造过程结构示意图，所示为电路芯片与基片进行贴合。
[0020]图4为本实用新型一较佳实施例的制造过程结构示意图，所示为完成制造过程后的结构。
[0021]图5为本实用新型一种采用更复杂基片的光电集成实施例结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明，通过参考下文的描述，将获得对本实用新型的更完整的理解。
[0023]图1-4是根据本实用新型的一个较佳实施例的制造过程结构示意图。
[0024]首先，如图1所示，提供衬底101，并在衬底101上生长一定厚度的诸如氧化物(如氧化娃等)的介质材料1 7。
[0025]所述衬底101可以为半导体材料(如硅等)、玻璃、金属和塑料。
[0026]然后，如图2所示，制作包含石墨烯光电器件201的光器件层101。具体步骤如下:对第一步所生长的介质材料107进行平坦化处理以保证后续制作的光波导204有比较平整的下表面;在介质材料107表面上形成所需厚度的光波导材料，并进行光刻和刻蚀得到光波导204;再次生长一定厚度的介质材料107，并再次进行平坦化处理，以形成比较平坦的光波导204上表面;采用转移的方式，在所述光波导204之上放置石墨烯材料203，并进行光刻和刻蚀得到所需的图形。对于采用两层或多层石墨烯材料的光电器件，需要生长一定厚度的介质材料，然后放置石墨烯材料203，并进行光刻和刻蚀形成所需的图形;采用蒸发、沉积或溅射等方式生长所需厚度的金属材料105，通过剥离或刻蚀等方式，一方面形成与石墨烯材料的接触，另一方面形成其他所需金属图形。
[0027]所述光波导材料可以为单晶硅、多晶硅、氢化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅等。所述石墨烯材料可以是通过机械剥离、化学沉积或生长的若干工艺来制造。图中所述的光波导和石墨烯器件结构，以及制造石墨烯光电器件所涉及工艺步骤，仅用于帮助理解本实用新型的内容，并不是对光波导和石墨烯器件结构，以及所涉及制造工艺步骤的具体限定。
[0028]所述光器件层103制作完成之后形成基片100。
[0029]最后，如图3所示，电路芯片401与所述基片100采用面对面的方式进行贴合，图中所示为采用微熔球301的贴合方式。在更为复杂的实施例中，可进一步增加诸如微型激光器的分立式光电器件501米用诸如绑定的方式与基片贴合，分立式光电器件501与光波导204形成光耦合，由此构成功能更为完善、集成度更高的系统。
[0030]图4所示为完成制造过程后的总体结构。
[0031]图5所示为一种采用更为复杂的基片结构的实施例结构示意图。基片的制造方法为:提供衬底101，并在衬底101上生长一定厚度的介质材料107;制作互联层102，所述互联层102为单层或多层结构，每层含一条或多条金属线105，上层与下层金属线之间通过介质材料107进行隔离，并通过导电孔106形成连接。所述互联层102的作用在于:可以提供更为复杂的电路芯片401之间的电互联;继续在互联层102上生长一定厚度的介质材料107，并进行光器件层103的制作流程，在生长金属材料105之前，需制作连接互联层102最上层金属的导电孔106;所述光器件层103制作完成之后形成基片100。电路芯片401、分立式光电器件501与基片100的贴合方式与图3所示类似。
[0032]以上所描述的实施例仅用于帮助理解本实用新型的内容，但并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，包括: 衬底； 基于所述衬底制作的包含石墨烯光电器件的基片； 一片或多片电路芯片贴合于所述基片上； 所述基片与所述电路芯片电性互联，并能将基片中传输的光信号转换成电信号传输至电路芯片，同时接收电路芯片传输过来的电信号，转换成光信号后继续在基片中进行传输。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，所述衬底为半导体材料、玻璃、金属或塑料。3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，所述基片包含衬底以及形成于衬底上的光器件层。4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，所述基片包含衬底、形成于衬底上的互联层以及形成于互联层上的光器件层，所述互联层与光器件层电性互联，并能与电路芯片电性互联。5.根据权利要求4所述的一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，所述互联层为一层或多层结构，每层含有一条或多条导电线，上下层之间通过导电孔连接。6.根据权利要求3-5中任意一项所述的一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，所述光器件层含有光波导和基于光波导的光电器件。7.根据权利要求6所述的一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，所述光波导材料为单晶硅、多晶硅、氢化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅。8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，所述电路芯片与所述基片采用面对面的形式进行贴合。9.根据权利要求8所述的一种基于石墨烯光电器件的光电集成电路，其特征在于，所述电路芯片与所述基片通过微熔球方式进行贴合。10.根据权利要求1，2，6-8中任一项所述的基于石墨烯光电器件的光电集成电路，进一步包括:一个或多个分立式光电器件贴合于所述基片上，并与所述基片上的光波导形成光规A柄口 O
【文档编号】H01L23/522GK205670200SQ201620502280
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】邹望辉, 曾云
【申请人】湖南大学