一种半导体有源与无源集成耦合方法与流程

本发明涉及半导体零部件以及芯片制造领域，特别是涉及一种半导体有源与无源集成耦合方法。

背景技术：

如图1所示，硅光子学一直致力于研究如何将半导体iii-v材料制成的分立激光二极管与硅上的电路整合起来。激光二极管发出的光必须与硅衬底上的光学波导元件精确对准才能精确发挥其技术功效。其中激光二极管可以用inp或gaas衬底或其它半导体材料制成。激光的波长可在1.1～1.7um或其它波长范围内。

如图2所示，现有技术的一些无源对准技术使用在激光二极管和硅衬底上蚀刻形成的台阶来精确定位激光二极管芯片的结构示意图。其他现有技术需要对薄激光材料进行粘合，以便通过模式泄漏将光学模式从激光波导缓慢地被转移到硅波导。所有这些技术都需要非常精细的尺寸控制和亚微米级精度的定位技术，技术难度非常大。此外，一旦定位，就不可能重新定位激光二极管芯片，硅片的成品率低，制造成本极高。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的缺陷，提供一种激光二极管与无源波导的有源集成耦合方法，允许初始对准精度高达几微米，然后以亚微米精度重新定位激光二极管，以达到所需的位置。这是在激光二极管通电以主动监测耦合过程的情况下完成的。定位后，可以重新定位激光二极管芯片。

本发明的目的在于提供一种半导体有源与无源集成耦合方法，用于将激光二极管（1）与硅衬底（4）上的无源波导高精度进行对齐并耦合，包括如下步骤：

步骤1，在激光二极管（1）的表面上形成多个导电材料柱（2）；

步骤2，将所述硅衬底（4）与所述激光二极管（1）的表面匹配的一侧形成多个匹配支柱（3）；

步骤3，所述导电材料柱（2）以及所述匹配支柱（3）沿着相反方向移动进行动态组装，从而完成所述激光二极管（1）与无源波导的有源集成耦合。

优选的，所述导电材料柱（2）为多个头发状，细薄并且采用延展性导电材料制成，所述导电材料柱（2）底部具有p触点（6）和n触点（5），所述p触点（6）和n触点（5）处于同一激光二极管（1）表面上，并且所述导电材料柱（2）构建在所述p触点（6）和n触点（5）的顶部，所述延展性导电材料为纯金或金合金。

优选的，所述匹配支柱（3）由多个毛发状的柱制备，匹配支柱（3）表面覆盖导电金属。

优选的，所述导电材料柱（2）、匹配支柱（3）为等间距分布。

优选的，所述导电材料柱（2）高度为4-20微米，所述导电材料柱（2）的宽高比w/l为1/3或者更小，所述导电材料柱（2）之间的间距为w-5w。

优选的，所述步骤3包括：

步骤31，将激光二极管（1）上的所述导电材料柱（2）压到所述硅衬底（4）上的匹配支柱（3）上；

步骤32，对硅衬底（4）上的所述匹配支柱（3）形成的与所述p触点（6）和n触点（5）匹配的相应p触点和n触点施加电流，为激光二极管（1）通电；激光二极管（1）的所述p触点（6）和n触点（5）的位置可以沿各个方向定位到几微米，一旦达到所需的位置，激光二极管（1）将固定停留在所述位置上。

优选的，所述导电材料柱（2）采用标准的光刻技术和电镀技术制备，所述匹配支柱（3）通过化学蚀刻或等离子体蚀刻来制备。

优选的，所述激光二极管（1）的所述导电材料柱（2）的制备方法包括：

首先，在标准晶片中制备接触金属，接触金属为多层金属；

然后，在标准晶片接触金属上旋转一层厚的光刻胶；

此后，通过曝光显影在光刻胶上制备深孔；

最后，通过电镀方式电镀金在所述深孔内形成导电材料柱（2）。

优选的，所述硅衬底（4）上的所述匹配支柱（3）的制备方法包括：

首先：在标准晶片上旋转一层厚的光刻胶；

此后，通过曝光显影在所述光刻胶上制备多点；

最后，通过等离子蚀刻或化学蚀刻方式形成支柱，支柱形状圆形或钉形，再通过电子蒸发导电金属在支柱表面形成匹配支柱（3）。

优选的，所述硅衬底（4）上的所述匹配支柱（3）的制备过程包括：

首先，在标准晶片中制备接触金属，所述接触金属为多层金属；

然后，在标准晶片接触金属上旋转一层厚的光刻胶；

此后，通过曝光显影在所述光刻胶上制备深孔；

最后，通过电镀方式电镀金在所述深孔内形成延展性的匹配支柱（3）。

本发明的有益效果：

（1）由于激光二极管芯片非常轻薄，而且导电材料柱与匹配支柱或蚀刻硅钉相互缠绕时很坚固，所以激光二极管会被牢固地固定在调制后的位置；

（2）无需高温循环，与使用共晶焊料的现有技术相比，减少了对激光二极管的压力，提高了可靠性。

（3）如果在初始尝试中未达到对准，仍然可以通过移动激光二极管芯片位置进行返工重新对准耦合。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据现有技术的激光二极管发出的光与硅衬底上的光学波导元件精确对准的原理示意图；

附图2为根据现有技术的无源对准技术使用在激光二极管和硅衬底上蚀刻形成的台阶来精确定位激光二极管芯片的结构示意图；

附图3（a）为根据本发明实施例的激光二极管与无源波导的有源集成耦合方法的原理示意图；

附图3（b）为根据本发明实施例的导电材料柱结构以及参数图；

附图4为导电材料柱与匹配支柱结合在一起的状态图；

附图5为在匹配过程中，导电材料柱与匹配支柱在对齐和耦合的组装过程中发生横向移动的状态图。

附图标记：

1-激光二极管；2-导电材料柱；3-匹配支柱；4-硅衬底；5-n触点；6-p触点；7-无源波导。

具体实施方式

本实施例旨在提供一种半导体有源与无源集成耦合方法，允许初始对准精度高达几微米，然后以亚微米精度重新定位激光二极管，以达到所需的位置。这是在激光二极管通电以主动监测耦合过程的情况下完成的。定位后，可以重新定位激光二极管芯片。

参见图3（a），半导体有源与无源集成耦合方法的原理示意图，用于将激光二极管1与硅衬底4上的无源波导7高精度进行对齐并耦合，包括如下步骤：

步骤1，在激光二极管1的表面上形成多个导电材料柱2；

步骤2，将硅衬底4与激光二极管1的表面匹配的一侧形成多个匹配支柱3，当然也可以采用蚀刻硅钉的形式；

步骤3，导电材料柱2以及匹配支柱3或蚀刻硅钉沿着相反方向移动进行动态组装，从而完成激光二极管1与无源波导的有源集成耦合，包括：

步骤31，将激光二极管1上的导电材料柱2压到匹配支柱3或蚀刻硅钉上；

步骤32，对硅衬底4上的匹配支柱3或蚀刻硅钉形成的与p触点6和n触点5匹配p触点和n触点施加电流，为激光二极管1通电；由于导电材料柱的物理特性具有可塑性，激光二极管1的触点的位置可以沿各个方向定位到几微米，一旦达到所需的位置，激光二极管将固定停留在位置上。

本实施例中，在激光二极管1上的导电材料柱2为多个头发状，细长并且采用延展性导电材料制成。导电材料柱2底部具有p触点6和n触点5，p触点6和n触点5处于同一激光二极管1表面上，并且导电材料柱2构建在p触点6和n触点5的顶部。匹配支柱3由头发状的圆形或钉形柱制备，或者由覆盖有延展性导电材料的钉状物制备，本实施例中，钉状物的立体形状为锥形，当然也可以采用其他上下截面半径不同的立体形状，只要尺寸在本发明限定的保护范围内，并且与导电材料柱易于形成几何匹配关系，均在本发明的保护范围内。其中，作为优选的实施方式，导电材料柱2、匹配支柱3或蚀刻硅钉为等间距分布，当然也可以采用大致等间距分布或者按照一定规律的间距分布方式，只要能够获得亚微米精度重新定位激光二极管的技术指标均在本发明的保护范围内。

本实施例中，延展性导电材料为纯金，也可以选择金合金或其他类似材料，只要该导电材料具有一定的延展性和韧性，均在本发明的保护范围内。

参见图3b，导电材料柱2高度的优选尺寸为4-20微米，导电材料柱2的宽高比w/l为1/3或者更小。导电材料柱2之间的间距优选为w-5w，或者更大。匹配支柱3或蚀刻硅钉的大小设置与导电材料柱2类似。

作为关键的耦合部件，导电材料柱2采用标准的光刻技术和电镀技术制造，激光二极管1的导电材料柱2的制备方法包括：

首先，在标准晶片中制备接触金属，金属为多层金属，包括ti，pt，au或其他金属构成的多层金属结构；通常采用三层不同的金属，例如ti（titanium）、pt（platinum）、au（gold）等，当然本领域技术人员可以想到还可以采用其他类型的金属例如ti，w（tungsten），au也同样属于本领域的保护范围；

然后，在标准晶片接触金属上旋转一层厚的光刻胶；

此后，通过曝光显影在光刻胶上制备深孔；

最后，通过电镀方式在深孔里电镀金形成导电材料柱2。

当然，也可以通过电子束蒸发和剥离技术制备导电材料柱2、匹配支柱3或蚀刻硅钉，但是电镀更经济。本领域技术人员可以通过其他方式制备微型柱状材料，均属于本领域的保护范围。

作为关键的耦合部件，硅衬底4上的匹配支柱3的制备方法包括：

首先，在在标准晶片上旋转一层厚的光刻胶；

此后，通过曝光显影在光刻胶上制备多点；

最后，通过等离子蚀刻或化学蚀刻方式形成支柱，支柱形状圆形或钉形，再通过电子蒸发导电金属在支柱表面形成匹配支柱3；

当然，还可以增加通过电镀方式加厚金的厚度的步骤。

在另外的优选实施方式中，硅衬底4上匹配支柱3的制备过程还可以包括：

首先，在标准晶片中制备接触金属，接触金属为多层的ti，pt，au或其他金属构成的多层金属结构；通常采用三层不同的金属，例如ti（titanium）、pt（platinum）、au（gold）等，当然本领域技术人员可以想到还可以采用其他类型的金属例如ti，w（tungsten），au也同样属于本领域的保护范围。；

然后，在标准晶片上旋转一层厚的光刻胶；

此后，通过曝光显影在光刻胶上制备深孔；

最后，通过电镀方式电镀金在深孔内形成延展性的匹配支柱3。

当将激光二极管1芯片上带有导电材料柱2的表面压入硅衬底4的表面时，这些导电材料柱2和硅衬底4上的匹配支柱3会啮合在一起。一些导电材料柱2将与匹配支柱3缠结在一起。由于摩擦力，芯片将被牢固稳定地固定。但是，由于导电材料柱1的长度允许弯曲，因此仍然可以在横向和垂直方向上略微移动。

参见图4和图5，其中图4所示为导电材料柱2与匹配支柱3或蚀刻硅钉极为精确的对齐并耦合在一起的状态图，图5所示为在匹配过程中，导电材料柱2与匹配支柱3在对齐和耦合的组装过程中发生横向移动的状态图，从而确定该组装过程为动态组装过程，即使在初始尝试中未达到对准，仍然可以通过移动激光二极管1芯片位置进行返工重新对准耦合。为了达到本领域期望的效果，导电材料柱2与硅衬底4上的匹配支柱3不需要完全精确的对齐，只要部分对齐即可，其他部分接触即可。

工作原理：

在组装过程中，激光二极管1上的导电材料支柱2被压到匹配支柱3或硅衬底上的导电金属覆盖的蚀刻硅钉上。优选的是p触点6和n触点5都在同一激光二极管1表面上，并且导电材料柱2构建在p触点6与n触点5的顶部。在组装过程中，通过硅衬底4上的匹配p触点6和n触点5的p触点和n触点施加电流，为激光二极管1通电。由于毛发状柱的可塑性，激光二极管1发射点的位置可以在各个方向上定位到几微米。一旦达到所需的位置，激光二极管1将留在该位置。因为二极管芯片非常薄和轻，而且两边的金柱相互缠绕时很坚固，所以随着时间的推移，激光二极管1被牢牢地固定在适当的位置。

由于激光二极管1芯片非常轻薄，而且导电材料柱2与匹配支柱3相互缠绕时很坚固，所以激光二极管1会被牢固地固定在适当的位置。无需高温循环，与使用共晶焊料的现有技术相比，减少了对激光二极管1的压力，提高了可靠性。如果在初始尝试中未达到对准，仍然可以通过移动激光二极管1芯片位置进行返工重新对准耦合。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。