一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，包括：襯底；設置于所述襯底上的電路層；所述電路層上設置有包含石墨烯光電器件的光器件層；所述光器件層與所述電路層之間電性互聯，并能將光器件層中傳輸的光信號轉換成電信號傳輸至電路層，同時接收電路層傳輸過來的電信號，轉換成光信號后繼續在光器件層中進行傳輸。本發明采用石墨烯光電器件與現有的常規集成電路工藝基本兼容，只需在現有的常規集成電路工藝的基礎上進行簡單的擴展，就可以實現比較完整的、低成本、兼容性好的單片光電集成。
【專利說明】
一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路
技術領域
[0001]本發明涉及一種單片光電集成電路，更具體地，涉及一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路。
【背景技術】
[0002]隨著集成電路技術的發展，器件特征尺寸的不斷減小，集成規模越來越大，信息處理能力不斷增強，以至于我們可以在單個芯片上實現更多功能，形成所謂片上系統(Systemon a Chip，SoC)。與SoC緊密相關的片上和片間互聯是系統的重要組成部分。伴隨互聯速度的極大提高，與互聯相關的成本，諸如芯片面積、能量消耗等，也已經相當可觀，電互聯已經成為進一步提高系統性能的瓶頸。另一方面，光互聯具有功耗低、速度快、不受電磁干擾等優點，使其有望成為電互聯的替代。典型的光互聯包括發送端的光調制、接收端的光探測，以及發送端與接收端之間的光傳輸(通過波導、光纖等光媒體)。對于SoC而言，為了實現芯片與外界的高性能光互聯，需要將光的部分，包含光電轉換和部分光傳輸媒體等，集成到芯片上，芯片內部、芯片與芯片之間直接通過光傳輸媒體互聯。
[0003]然而，目前主流的集成電路制造工藝仍缺少對光電集成的工藝支持，而現有的光電集成方案仍存在成本過高、與常規集成電路工藝不兼容等的問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種單片光電集成電路方案，在現有的集成電路技術和微電子技術擴展對光電集成支持的基礎上，引入石墨烯光電器件，解決現有的光電集成方案仍存在成本過高、與常規集成電路工藝不兼容等的問題。
[0005]為解決以上技術問題，本發明所采用的技術方案是:
[0006]—種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，包括:襯底;設置于所述襯底上的電路層;所述電路層上設置有包含石墨烯光電器件的光器件層;所述光器件層與所述電路層之間電性互聯，并能將光器件層中傳輸的光信號轉換成電信號傳輸至電路層，同時接收電路層傳輸過來的電信號，轉換成光信號后繼續在光器件層中進行傳輸。
[0007]進一步的，所述電路層包含的電路器件含有場效應器件和雙極型器件中的一種或兩種。
[0008]進一步的，所述電路層包含的電路器件含有電阻、電容、可變電容、電感和耦合電感中的一種或幾種。
[0009]進一步的，所述電路層中電路器件之間的互聯為設置成疊層的多個互聯層，每個互聯層含有一條或多條導電線，上下互聯層之間通過導電孔連接。
[0010]進一步的，所述襯底為體娃、絕緣體上娃。
[0011 ]進一步的，所述光器件層含有光波導和基于光波導的光電器件。
[0012]進一步的，所述光波導采用低溫制造工藝的低損耗光波導材料。
[0013]進一步的，所述光波導材料為氫化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅。
[0014]本發明的優點在于:所述石墨烯光電器件與現有的常規集成電路工藝基本兼容，也就是說，只需在現有的常規集成電路工藝的基礎上進行簡單的擴展，就可以實現比較完整的、低成本、兼容性好的單片光電集成。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明一較佳實施例的制造過程結構示意圖，所示為在襯底上形成電路層。
[0016]圖2為本發明一較佳實施例的制造過程結構示意圖，所示為在電路層上形成包含石墨烯光電器件的光器件層。
[0017]圖3為本發明一較佳實施例的制造過程結構示意圖，所示為在電路層與光器件層之間形成互聯。
[0018]圖4為本發明所實現的一個片上光互聯實施例示意圖。
[0019]圖5為本發明所實現的一個片間光互聯實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，通過參考下文的描述，將獲得對本發明的更完整的理解。
[0021]圖1-3是根據本發明的一個實施例的制造過程結構示意圖。
[0022]首先，如圖1所不，提供襯底101，并在襯底101上制造電路層102。
[0023]所述襯底101可以為體硅、絕緣體上的硅或任何可用于制造集成電路的襯底材料。
[0024]所述電路層102包含至少一個電路器件103和連接電路器件的互聯層104。所述電路器件103可以為有源器件、無源器件，或兩者都包含;常見的有源器件包括場效應器件和雙極型器件，所述電路器件103包含場效應器件和雙極型器件中的一種或兩種;常見的無源器件包括電阻、電容和電感，所述電路器件103包含電阻、電容和電感中的一種或幾種。
[0025]所述互聯層104為一層或多層結構，每層含一條或多條金屬線105，上層與下層金屬線105之間以及金屬線105與電路器件103之間通過金屬孔106相連接。上層與下層金屬線105之間以及金屬線105與電路器件103之間為諸如氧化物(如氧化硅等)層的絕緣材料107。
[0026]然后，如圖2所示，在所述電路層102上制造包含石墨烯光電器件201的光器件層202。具體步驟如下:在互聯層104上繼續生長一定厚度的絕緣材料107，并進行平坦化處理以保證后續制作的光波導204有比較平整的下表面;在絕緣材料107表面上生長光波導材料，并進行光刻和刻蝕形成所需要的光波導204;再次生長一定厚度的絕緣材料107，并再次進行平坦化處理，形成比較平坦的光波導204上表面。采用轉移的方式，在光波導204之上放置石墨烯材料203，并進行光刻和刻蝕形成所需要的圖形。
[0027]對于采用兩層或多層石墨烯材料的光電器件，首先需要生長一定厚度的絕緣材料，然后放置石墨烯材料203，并進行光刻和刻蝕形成所需要的圖形。
[0028]所述光波導材料為低損耗、低溫加工材料，如氫化非晶硅、氮化硅和氮氧化硅等。所述石墨烯材料可以是通過機械剝離、化學沉積或生長的若干工藝來制造。圖中所述的光波導和石墨烯器件結構，以及制造工藝步驟，僅用于幫助理解本發明的內容，并不是對光波導和石墨烯器件結構，以及制造工藝步驟的具體限定。
[0029]最后，如圖3所示，形成所述電路層102與所述光器件層202的互聯301。原理上，該互聯與所述電路層102中的所述互聯層104相類似。
[0030]圖4-5是根據本發明所實現的光互聯兩種實施例的結構示意圖。
[0031]圖4所示為一個片上光互聯實施例結構示意圖。圖中所示的光互聯包括:用于電光調制的石墨烯波導光調制器401，用于光電探測的石墨烯波導光探測器402，以及連接石墨烯波導光調制器401和石墨烯波導光探測器402的光波導204。光源405可以采用片外激光器產生并經過光柵耦合或者是側邊耦合注入光波導204，或采用固定在片上的微型激光器產生并直接耦合注入光波導204。由電路產生的調制電信號通過石墨烯波導光調制器401調制光波導403中的光，被調制的光通過光波導204傳輸到石墨烯波導光探測器402，產生對應的探測電信號并送到電路進行處理，從而形成完整片上光通信。此處所述的光波導結構，石墨烯光電器件結構，以及片上光互聯形式等，僅用于幫助理解本發明的內容，并不是對光波導結構，石墨烯光電器件結構，以及片上光互聯形式等的具體限定。
[0032]圖5所示為一個片間光互聯實施例結構示意圖。圖中所示的光互聯包括:芯片501上的電光調制的石墨稀波導光調制器401和光波導503，芯片502上的用于光電探測石墨稀波導光探測器402和光波導504，以及芯片501與芯片502之間的光通路505。光源405可以采用片外激光器產生并經過光柵耦合或者是側邊耦合注入光波導505，或采用固定在片上的微型激光器產生并直接耦合注入光波導505。由電路產生的調制電信號通過石墨烯波導光調制器401調制光波導503中的光，被調制的光通過芯片501與芯片502之間的光通路505從光波導503傳輸到光波導504，再送到石墨烯波導光探測器402，產生對應的探測電信號并送到電路進行處理，形成完整片間光通信。所述光通路505有多種實現方式，其中一種方式是光波導503中的光通過與光波導相連的光柵耦合到光纖，經過光纖的傳輸，通過與光波導504相連的光柵耦合到光波導504。此處所述的光波導結構，石墨烯光電器件結構，片間光通路方式，以及片間光互聯形式等，僅用于幫助理解本發明的內容，并不是對光波導結構，石墨烯光電器件結構，片間光通路方式，以及片間光互聯形式等的具體限定。
[0033]以上所描述的實施例僅用于幫助理解本發明的內容，但并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，包括: 襯底； 設置于所述襯底上的電路層； 所述電路層上設置有包含石墨烯光電器件的光器件層； 所述光器件層與所述電路層之間電性互聯，并能將光器件層中傳輸的光信號轉換成電信號傳輸至電路層，同時接收電路層傳輸過來的電信號，轉換成光信號后繼續在光器件層中進行傳輸。2.根據權利要求1所述的一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，所述電路層包含的電路器件含有場效應器件和雙極型器件中的一種或兩種。3.根據權利要求2所述的一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，所述電路層包含的電路器件含有電阻、電容、可變電容、電感和耦合電感中的一種或幾種。4.根據權利要求2或3中任意一項所述的一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，所述電路層中電路器件之間的互聯為設置成疊層的多個互聯層，每個互聯層含有一條或多條導電線，上下互聯層之間通過導電孔連接。5.根據權利要求1所述的一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，所述襯底為體硅或絕緣體上硅。6.根據權利要求1所述的一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，所述光器件層含有光波導和基于光波導的光電器件。7.根據權利要求6所述的一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，所述光波導采用低溫制造工藝的低損耗光波導材料。8.根據權利要求7所述的一種采用石墨烯光電器件的單片光電集成電路，其特征在于，所述光波導材料為氫化非晶硅、氮化硅或氮氧化硅。
【文檔編號】H01L23/522GK105842782SQ201610290587
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】鄒望輝, 曾云
【申請人】湖南大學