本申請(qǐng)涉及半導(dǎo)體，尤其涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、制備方法、光子芯片及光計(jì)算設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、光子芯片，又稱光子集成電路(photonic?integrated?circuit，pic)、光子集成芯片，指利用光子來處理和傳輸信息的芯片。目前，光子芯片通過耦合器(例如：平面耦合器和光柵耦合器)與外部光纖進(jìn)行光耦合。其中，平面耦合器又稱為光柵耦合器，其利用光柵衍射效應(yīng)，來將光耦合到光子芯片中。

2、然而，目前，光柵耦合器的光耦合效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問題，提出了本申請(qǐng)以提供一種解決上述問題或至少部分地解決上述問題的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、制備方法、光子芯片及光計(jì)算設(shè)備。

2、于是，在本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：

3、襯底；

4、位于所述襯底上方的第一半導(dǎo)體器件層，所述第一半導(dǎo)體器件層包括有源器件以及與所述有源器件光互連的第一波導(dǎo)；

5、位于所述第一半導(dǎo)體器件層上方的金屬互連結(jié)構(gòu)，所述有源器件與所述金屬互連結(jié)構(gòu)電連接；

6、位于所述金屬互連結(jié)構(gòu)上方的第二半導(dǎo)體器件層，所述第二半導(dǎo)體器件層包括光柵耦合器以及與所述光柵耦合器光互連的第二波導(dǎo)；

7、光互連結(jié)構(gòu)，所述第一波導(dǎo)和所述第二波導(dǎo)通過所述光互連結(jié)構(gòu)光互連；

8、電連接結(jié)構(gòu)，所述電連接結(jié)構(gòu)的第一端與所述金屬互連結(jié)構(gòu)電連接，所述電連接結(jié)構(gòu)的第二端用于與外部電路電連接。

9、可選的，所述光柵耦合器包括光柵結(jié)構(gòu)；所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括：

10、覆蓋于所述第二半導(dǎo)體器件層上的第一介質(zhì)層，所述第一介質(zhì)層開設(shè)有用作光通路的開口，所述開口位于所述光柵結(jié)構(gòu)的上方。

11、可選的，所述電連接結(jié)構(gòu)貫穿所述第一介質(zhì)層且避開所述光柵耦合器和所述第二波導(dǎo)設(shè)置。

12、可選的，上述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括：

13、覆蓋于所述第一半導(dǎo)體器件層上的第二介質(zhì)層，所述金屬互連結(jié)構(gòu)包裹于所述第二介質(zhì)層內(nèi)；

14、所述光互連結(jié)構(gòu)貫穿所述第二介質(zhì)層且避開所述金屬互連結(jié)構(gòu)設(shè)置。

15、可選的，所述有源器件通過位于所述第二介質(zhì)層內(nèi)的電接觸孔與所述金屬互連結(jié)構(gòu)電連接。

16、可選的，所述第二半導(dǎo)體器件層的材料為單晶半導(dǎo)體材料。

17、可選的，所述有源器件包括光調(diào)制器和/或光探測器。

18、可選的，所述金屬互連結(jié)構(gòu)包括多層金屬互連層以及連接相鄰金屬互連層的導(dǎo)電通孔。

19、在本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種半導(dǎo)體制備方法，包括：

20、提供第一襯底；

21、在所述第一襯底上形成第一半導(dǎo)體器件層，所述第一半導(dǎo)體器件層包括有源器件以及與所述有源器件光互連的第一波導(dǎo)；

22、在所述第一半導(dǎo)體器件層上方形成金屬互連結(jié)構(gòu)和光互連結(jié)構(gòu)，所述有源器件與所述金屬互連結(jié)構(gòu)電連接；

23、在所述金屬互連結(jié)構(gòu)和所述光互連結(jié)構(gòu)上方形成第二半導(dǎo)體器件層，所述第二半導(dǎo)體器件層包括光柵耦合器以及與所述光柵耦合器光互連的第二波導(dǎo)，所述第一波導(dǎo)和所述第二波導(dǎo)通過所述光互連結(jié)構(gòu)光互連；

24、形成電連接結(jié)構(gòu)，所述電連接結(jié)構(gòu)的第一端與所述金屬互連結(jié)構(gòu)電連接，所述電連接結(jié)構(gòu)的第二端用于與外部電路電連接。

25、可選的，所述光柵耦合器包括光柵結(jié)構(gòu)；所述方法，還包括：

26、形成用于覆蓋所述第二半導(dǎo)體器件層的第一介質(zhì)層；

27、在所述第一介質(zhì)層上開設(shè)用作光通路的開口，所述開口位于所述光柵結(jié)構(gòu)的上方。

28、可選的，形成電連接結(jié)構(gòu)，包括：

29、刻蝕所述第一介質(zhì)層中避讓所述光柵耦合器和所述第二波導(dǎo)的區(qū)域，以在所述第一介質(zhì)層中形成第一通孔；

30、在所述第一通孔內(nèi)沉積金屬材料，得到貫穿所述第一介質(zhì)層的電連接結(jié)構(gòu)。

31、可選的，在所述第一半導(dǎo)體器件層上方形成金屬互連結(jié)構(gòu)和光互連結(jié)構(gòu)，包括：

32、在所述第一半導(dǎo)體器件層上方形成第二介質(zhì)層和金屬互連結(jié)構(gòu)，所述金屬互連結(jié)構(gòu)包裹于所述第二介質(zhì)層內(nèi)；

33、刻蝕所述第二介質(zhì)層中避讓所述金屬互連結(jié)構(gòu)的區(qū)域，以在所述第二介質(zhì)層中形成第二通孔；

34、在所述第二通孔內(nèi)沉積半導(dǎo)體材料，得到貫穿所述第二介質(zhì)層的第一光互連結(jié)構(gòu)；

35、其中，所述光互連結(jié)構(gòu)包括所述第一光互連結(jié)構(gòu)。

36、可選的，在所述金屬互連結(jié)構(gòu)和所述光互連結(jié)構(gòu)上方形成第二半導(dǎo)體器件層，包括：

37、提供第二襯底，所述第二襯底包括第一半導(dǎo)體層和形成于所述第一半導(dǎo)體層表面的第三介質(zhì)層；

38、通過鍵合工藝，將所述第三介質(zhì)層的表面貼合在所述第二介質(zhì)層的表面；

39、刻蝕所述第一半導(dǎo)體層得到第二半導(dǎo)體器件層。

40、可選的，上述方法，還包括：

41、形成覆蓋所述第二半導(dǎo)體器件層的第四介質(zhì)層；

42、依次刻蝕所述第四介質(zhì)層和所述第三介質(zhì)層，以形成第三通孔；

43、在所述第三通孔中沉積半導(dǎo)體材料，得到第二光互連結(jié)構(gòu)；

44、其中，所述第二光互連結(jié)構(gòu)的一端與所述第一光互連結(jié)構(gòu)接觸連接，所述第二光互連結(jié)構(gòu)的另一端與所述第二波導(dǎo)接觸連接，所述光互連結(jié)構(gòu)包括所述第一光互連結(jié)構(gòu)和所述第二光互連結(jié)構(gòu)。

45、在本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種光子芯片，包括上述任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

46、在本申請(qǐng)的另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種光計(jì)算設(shè)備，包括：上述光子芯片。

47、本申請(qǐng)實(shí)施例提供的技術(shù)方案中，有源器件位于金屬互連結(jié)構(gòu)下方，光柵耦合器位于金屬互連結(jié)構(gòu)上方，這樣可以避免金屬互連結(jié)構(gòu)的制備工藝所殘留的金屬材料影響光柵耦合器的耦合效率，相當(dāng)于提高光柵耦合器的耦合效率；此外，本申請(qǐng)實(shí)施例提供的技術(shù)方案中，光柵耦合器與有源器件的分層設(shè)計(jì)有助于有源器件尺寸的進(jìn)一步微縮，為光子芯片未來發(fā)展提供空間，還有利于減少兩者之間的光信號(hào)干擾。

技術(shù)特征：

1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光柵耦合器包括光柵結(jié)構(gòu)；所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電連接結(jié)構(gòu)貫穿所述第一介質(zhì)層且避開所述光柵耦合器和所述第二波導(dǎo)設(shè)置。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述有源器件通過位于所述第二介質(zhì)層內(nèi)的電接觸孔與所述金屬互連結(jié)構(gòu)電連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二半導(dǎo)體器件層的材料為單晶半導(dǎo)體材料。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述有源器件包括光調(diào)制器和/或光探測器。

8.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬互連結(jié)構(gòu)包括多層金屬互連層以及連接相鄰金屬互連層的導(dǎo)電通孔。

9.一種半導(dǎo)體制備方法，其特征在于，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述光柵耦合器包括光柵結(jié)構(gòu)；所述方法，還包括：

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，形成電連接結(jié)構(gòu)，包括：

12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述第一半導(dǎo)體器件層上方形成金屬互連結(jié)構(gòu)和光互連結(jié)構(gòu)，包括：

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在所述金屬互連結(jié)構(gòu)和所述光互連結(jié)構(gòu)上方形成第二半導(dǎo)體器件層，包括：

14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括：

15.一種光子芯片，其特征在于，包括由上述權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

16.一種光計(jì)算設(shè)備，其特征在于，包括：上述權(quán)利要求15所述的光子芯片。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、制備方法、光子芯片及光計(jì)算設(shè)備。其中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：襯底；位于襯底上方的第一半導(dǎo)體器件層，第一半導(dǎo)體器件層包括有源器件以及與有源器件光互連的第一波導(dǎo)；位于第一半導(dǎo)體器件層上方的金屬互連結(jié)構(gòu)，有源器件與金屬互連結(jié)構(gòu)電連接；位于金屬互連結(jié)構(gòu)上方的第二半導(dǎo)體器件層，第二半導(dǎo)體器件層包括光柵耦合器以及與光柵耦合器光互連的第二波導(dǎo)；光互連結(jié)構(gòu)，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)通過光互連結(jié)構(gòu)光互連；電連接結(jié)構(gòu)，電連接結(jié)構(gòu)的第一端與金屬互連結(jié)構(gòu)電連接，電連接結(jié)構(gòu)的第二端用于與外部電路電連接。本申請(qǐng)實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以提高光柵耦合器的耦合效率。

技術(shù)研發(fā)人員：孟懷宇,沈亦晨,張子涵
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海曦智科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19