一种硅光器件结构及其制造方法与流程

本发明涉及光通信，尤其涉及一种高灵敏度的硅光器件结构及其制造方法。

背景技术：

1、随着半导体器件特征尺寸的日益减小，器件的速度、功耗和散热问题已成为制约微电子技术发展的瓶颈。基于计算机与通信网络化的信息技术，对于功能器件和系统的处理速度、数据存储容量以及传输速率等提出了更高的要求，仅以电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。因此，应用硅基光电子技术，将微电子和光电子在硅基平台上结合起来，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术，大规模集成带来的低廉价格，以及光子器件与系统所特有的极高带宽、超快传输速率、高抗干扰性等优势，已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。

2、然而，由于硅材料具有较大的热光系数和较强的温度敏感性，不同硅光器件的温度敏感性不一致，集成器件的光学性能容易受到温度的影响，进而导致集成芯片工作效率的下降。

3、常规通过加热器加热调节硅光器件特性的方式，由于不同硅光器件存在尺寸、制造工艺等的不同，其温度敏感性同时也存在着差异，因而常规的温度调节方法，难以提升硅光器件灵敏度和工作效率，使得硅光芯片性能受到一定限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种硅光器件结构及其制造方法。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种硅光器件结构，包括：

4、设于衬底上的第一半导体层，所述第一半导体层设有相热隔离的第一硅光器件区和第二硅光器件区；

5、设于所述第一半导体层上方，并与所述第一半导体层相电隔离的半导体致冷器件，用于对所述第一硅光器件区和所述第二硅光器件区中的其中一个进行加热，同时对另一个进行制冷。

6、进一步地，所述半导体致冷器件设有第一种掺杂类型的第一热偶和第二种掺杂类型的第二热偶，所述第一热偶的第一端与第一电极相连，所述第二热偶的第一端与第二电极相连，所述第一热偶的第二端与所述第二热偶的第二端通过第三电极相连，所述第一电极和所述第二电极对应位于所述第一硅光器件区上，所述第三电极对应位于所述第二硅光器件区上；其中，所述第一电极和所述第二电极用于对所述第一硅光器件区进行加热或制冷，所述第三电极用于对所述第二硅光器件区对应进行制冷或加热。

7、进一步地，所述第一电极与所述第二电极之间连接有电源；其中，通过改变电流的输入方向，使所述第一电极和所述第二电极在加热或制冷特性之间进行转换，并对应使所述第三电极在制冷或加热特性之间进行转换。

8、进一步地，所述第一硅光器件区与所述第二硅光器件区之间通过位于所述第一半导体层中的空腔相热隔离。

9、进一步地，所述第一半导体层与所述半导体致冷器件之间通过介质相电隔离。

10、本发明还提供一种硅光器件结构制造方法，包括：

11、提供表面具有第一半导体层的衬底；

12、在所述第一半导体层中定义热隔离区；

13、在所述第一半导体层形成位于所述热隔离区两侧的第一硅光器件区和第二硅光器件区；

14、在所述第一硅光器件区和所述第二硅光器件区上形成电隔离层；

15、在所述电隔离层上形成半导体致冷器件，使所述半导体致冷器件在所述第一硅光器件区和所述第二硅光器件区中的其中一个上形成加热区，同时在另一个上对应形成制冷区；

16、去除所述热隔离区中的所述第一半导体层材料，形成热隔离结构。

17、进一步地，所述在所述第一半导体层中定义热隔离区，具体包括：

18、在所述第一半导体层表面上形成贯通所述第一半导体层的环形沟槽；

19、在所述第一半导体层表面上形成第一介质层，将所述沟槽填满，并去除位于所述第一半导体层表面上多余的所述第一介质层材料，在所述沟槽中形成环形支撑柱，在所述支撑柱以内的所述第一半导体层中定义出所述热隔离区。

20、进一步地，所述在所述第一硅光器件区和所述第二硅光器件区上形成电隔离层，以及在所述电隔离层上形成半导体致冷器件，具体包括：

21、在所述第一半导体层表面上形成第二介质层，并使所述第二介质层覆盖在所述第一硅光器件区和所述第二硅光器件区上，形成所述电隔离层；

22、在所述电隔离层上形成第二半导体层，并图形化，形成并列跨接在所述热隔离区的两侧所述支撑柱上方的第一热偶图形和第二热偶图形；

23、对所述第一热偶图形和所述第二热偶图形进行不同类型的掺杂，形成具有第一种掺杂类型的第一热偶和第二种掺杂类型的第二热偶；

24、在所述电隔离层上形成金属电极层，并将所述第一热偶和所述第二热偶覆盖；

25、去除位于所述第一热偶和所述第二热偶顶部上和所述第一热偶与所述第二热偶之间多余的所述金属电极层材料，在靠近所述第一硅光器件区一侧的所述第一热偶的第一端上形成第一电极，和在所述第二热偶的第一端上形成与所述第一电极相分离的第二电极，以及在靠近所述第二硅光器件区一侧的所述第一热偶和所述第二热偶各自的第二端之间上形成第三电极，并使所述第一电极和所述第二电极位于所述第一硅光器件区的上方，形成加热/制冷区，同时使所述第三电极位于所述第二硅光器件区的上方，对应形成制冷/加热区。

26、进一步地，所述去除所述热隔离区中的所述第一半导体层材料，形成热隔离结构，具体包括：

27、在所述第一热偶和所述第二热偶之间的所述电隔离层表面上向下形成释放窗口，停止于所述热隔离区的表面上；

28、通过所述释放窗口，去除位于所述热隔离区中的所述第一半导体层材料，形成空腔，从而形成所述热隔离结构。

29、进一步地，还包括：在所述半导体致冷器件上形成钝化层，将所述半导体致冷器件覆盖；以及，在所述第一热偶和所述第二热偶之间的所述钝化层表面上向下形成贯穿所述电隔离层的所述释放窗口。

30、由上述技术方案可以看出，本发明利用半导体(第二半导体)材料与金属(金属电极层)之间的帕尔贴效应，通过将半导体致冷器件(tec)集成至硅光器件结构中，可通过控制电流的输入方向和大小，选择性地对不同硅光器件区(第一硅光器件区和第二硅光器件区)进行加热或制冷，实现针对不同硅光器件区的双向温度调节。并且，通过在不同硅光器件区之间设置空腔热隔离结构，可有效避免不同硅光器件间的热干扰；通过在硅光器件区与半导体致冷器件之间设置电隔离层，一方面可以支撑半导体致冷器件，另一方面可起到避免硅光器件与半导体致冷器件之间的相互干扰。因此，本发明能改善环境因素对硅光器件灵敏度的影响，保证硅光器件的工作效率，并能进一步提升硅光芯片性能，具有控温速度更快，灵敏度更高，性能更优的特点。

技术特征：

1.一种硅光器件结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的硅光器件结构，其特征在于，所述半导体致冷器件设有第一种掺杂类型的第一热偶和第二种掺杂类型的第二热偶，所述第一热偶的第一端与第一电极相连，所述第二热偶的第一端与第二电极相连，所述第一热偶的第二端与所述第二热偶的第二端通过第三电极相连，所述第一电极和所述第二电极对应位于所述第一硅光器件区上，所述第三电极对应位于所述第二硅光器件区上；其中，所述第一电极和所述第二电极用于对所述第一硅光器件区进行加热或制冷，所述第三电极用于对所述第二硅光器件区对应进行制冷或加热。

3.根据权利要求2所述的硅光器件结构，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极之间连接有电源；其中，通过改变电流的输入方向，使所述第一电极和所述第二电极在加热或制冷特性之间进行转换，并对应使所述第三电极在制冷或加热特性之间进行转换。

4.根据权利要求1所述的硅光器件结构，其特征在于，所述第一硅光器件区与所述第二硅光器件区之间通过位于所述第一半导体层中的空腔相热隔离。

5.根据权利要求1所述的硅光器件结构，其特征在于，所述第一半导体层与所述半导体致冷器件之间通过介质相电隔离。

6.一种硅光器件结构制造方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的硅光器件结构制造方法，其特征在于，所述在所述第一半导体层中定义热隔离区，具体包括：

8.根据权利要求7所述的硅光器件结构制造方法，其特征在于，所述在所述第一硅光器件区和所述第二硅光器件区上形成电隔离层，以及在所述电隔离层上形成半导体致冷器件，具体包括：

9.根据权利要求8所述的硅光器件结构制造方法，其特征在于，所述去除所述热隔离区中的所述第一半导体层材料，形成热隔离结构，具体包括：

10.根据权利要求9所述的硅光器件结构制造方法，其特征在于，还包括：在所述半导体致冷器件上形成钝化层，将所述半导体致冷器件覆盖；以及，在所述第一热偶和所述第二热偶之间的所述钝化层表面上向下形成贯穿所述电隔离层的所述释放窗口。

技术总结本发明公开了一种硅光器件结构及其制造方法，硅光器件结构包括：设于衬底上的第一半导体层，所述第一半导体层设有相热隔离的第一硅光器件区和第二硅光器件区；设于所述第一半导体层上方，并与所述第一半导体层相电隔离的半导体致冷器件，用于对所述第一硅光器件区和所述第二硅光器件区中的其中一个进行加热，同时对另一个进行制冷。本发明可选择性地对不同硅光器件区进行加热或制冷，实现针对不同硅光器件区的双向温度调节，具有控温速度更快，灵敏度更高，性能更优的特点。技术研发人员：楚正辉,钟晓兰受保护的技术使用者：上海集成电路研发中心有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17