[发明专利]一种硅基光电器件单片集成方法

说明书

本发明公开了一种硅基光电器件单片集成方法，包括如下步骤：在硅衬底上形成光子隔离层；在光子隔离层上沉积非晶硅层；对非晶硅层进行激光退火，使非晶硅层表层晶化为多晶硅层；在非晶硅层制备光无源器件；在多晶硅层制备光有源器件。本发明的方法能够协同发挥非晶硅传输损耗小、多晶硅迁移率高的优势，从而提高光电器件品质。

技术领域

本发明属于光电子集成技术领域，具体涉及一种硅基光电器件单片集成方法。

背景技术

硅基光电单片集成技术有助于促进光电子与微电子进一步深度融合、协同发展和架构革新，实现超高速、智能化、低功耗的硅基光电子集成芯片，是构建光通信、5G移动通信、数据中心、超级计算和人工智能等领域的关键使能技术。后沉积光子学(Depositedphotonics)是硅光单片集成的一种策略，其主要特点是通过薄膜沉积工艺在微电子芯片上沉积薄膜材料用于制作光电子器件，薄膜材料包括多晶硅、氮化硅等。这种策略中微电子器件制作在单晶衬底上，光电子器件制作在沉积的薄膜上，避免了两种器件对于衬底需求不一致的矛盾，是近年来受到关注的一种硅光单片集成架构。

在后沉积光子学集成策略中，多晶硅材料是非常重要的一种材料，往往有源和无源光电子器件都会基于这种材料。为了满足后道兼容CMOS工艺的要求，此技术在制备多晶硅时通常是先沉积一层非晶硅，再通过激光退火转化为多晶硅。多晶硅的光电性能是此光电集成技术的瓶颈：对于光无源器件来说，需要此层的光学损耗越小越好；对于光有源器件来说，需要此层的迁移率越高越好。而目前工艺的难点是：先沉积的非晶硅由于晶粒尺寸小、晶界被氢原子钝化，光学性能很好，相应的无源器件传输损耗可小于0.7dB/cm，但是电学性能很差，迁移率往往小于1cm²/(V·s)；非晶硅退火转变为多晶硅后，由于结晶质量提高，晶粒长大等原因，电学性能得到大幅提高，迁移率可大于100cm²/(V·s)，但是相应光学性能下降，较大的晶粒带来强的光学散射，相应的光无源器件传输损耗往往大于10dB/cm。如何制备光电性能俱佳的有源层是此技术方案的一大难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硅基光电器件单片集成方法，以克服后沉积光子学技术中沉积多晶硅薄膜所面临的光/电性能无法兼顾的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明提供的一种硅基光电器件单片集成方法，包括如下步骤：

在硅衬底上形成光子隔离层；

在所述光子隔离层上沉积非晶硅层；

对所述非晶硅层进行激光退火，使所述非晶硅层表层晶化为多晶硅层；

在所述非晶硅层制备光无源器件；

在所述多晶硅层制备光有源器件。

优选的，所述光子隔离层的制备方法为CVD、PVD、ALD中的一种。

优选的，所述沉积非晶硅层采用化学气相沉积法。

优选的，所述化学气相沉积法使用硅烷作为硅源，沉积温度为100～600℃。

优选的，所述激光退火采用纳秒脉冲或连续激光，激光波长小于400nm，能量密度为300～500mJ/cm²，光脉冲频率为400～500Hz。

优选的，所述非晶硅层的厚度为100～3000nm，所述多晶硅层的厚度为10～200nm。

优选的，还包括，在所述激光退火前对所述非晶硅层进行低温退火除氢处理。

优选的，所述低温退火为在氮气氛围下500～600℃处理8～12小时。

本发明还提供上述硅基光电器件单片集成方法制备的光电器件。