[发明专利]基于CMOS后工艺实现的三维光电集成滤波器及其制备方法

说明书

一种三维光电集成滤波器及其制备方法，包括：自下而上依次沉积在CMOS集成电路上的隔离层、第一光电器件层、监测层、缓冲层、第二光电器件层和保护层，多个通孔穿过上述各层，所述通孔中填充有金属并与CMOS集成电路的电极接触，通孔上方设置有互连电极；其中，第一光电器件层用于制备与CMOS集成电路相互作用的下层滤波器；第二光电器件层用于制备与第一光电器件层进行光互连的上层滤波器。本发明既可以解决单个平面内光电子集成光互连的损耗和串扰，实现多个平面内多维光电子集成，提高光电子集成的密度和光互连系统的复杂度；又可以解决微环滤波器对环境温度的依赖，通过底层温控电路对顶层滤波器的自动热调谐，实现宽工作温度范围的目的。

技术领域

本发明涉及光电集成技术领域，特别涉及基于CMOS后工艺实现的三维光电集成滤波器及其制备方法。

背景技术

随着集成电路技术不断向高速和高集成度的方向发展，摩尔定律正面临芯片集成的极限挑战，传统的电互连不可避免地出现了高延迟、高功耗及严重信号串扰等问题。于是人们将目光转向了新一代互连技术——光互连。光互连具有宽带宽、抗电磁干扰、强保密性、低损耗和小功耗等优势，而硅基光互连能够发挥光通信宽带宽、低串扰，低损耗，与CMOS工艺兼容的优点。

然而目前的光电子集成光互连方案仅局限于单个平面内，即不同的光电子器件在同一个平面内，光波导在同一个平面内的交叉会引起损耗和串扰。另一方面，单个平面的面积有限，无法大规模集成光电子器件，从而限制了光电子集成的密度和光互连系统的复杂度。因此有必要提出多维的光电子集成光互连方案，即不同的光电子器件在不同的平面内，光波导中的光信号可以借助定向耦合器实现不同平面波导之间的耦合，从而消除了单个平面内光波导的交叉，避免了同一平面波导的交叉引起的损耗和串扰。另外，由于不同光电子器件可以分布在不同的平面上，可以极大提高光电子集成的密度和光互连系统的复杂度。

采用波分复用(WDM)技术，可有效提高光电子集成光互连系统中光谱的利用率，使得光互连链路获得更高的带宽。微环滤波器构成的光分插复用器是WDM系统中的关键器件。由于微环滤波器具有更紧凑的尺寸、良好的波长选择特性，且其本身就具有上载/下载能力，因此微环滤波器可以更灵活的应用在光互连系统中。目前硅基光电子集成光互连系统中一般使用硅基微环滤波器作为复用和解复用器。基于微环滤波器的复用和解复用器优点是体积小、易于片上集成，缺点是对温度变化极为敏感，对工作温度要求非常严格，很小的温漂就会导致中心波长的漂移。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于CMOS后工艺实现的三维光电集成滤波器及其制备方法，通过底层的温控电路可以自动调节顶层微环滤波器的工作温度，可以解决微环滤波器对环境温度的依赖，实现宽工作温度范围的目的。

为实现上述目的，一方面，本发明提出一种三维光电集成滤波器包括自下而上依次沉积在CMOS集成电路上的隔离层、第一光电器件层、监测层、缓冲层、第二光电器件层和保护层，多个通孔穿过上述各层，所述通孔中填充有金属并与CMOS集成电路的电极接触，所述通孔上方设置有互连电极；

其中：所述第一光电器件层用于制备与CMOS集成电路相互作用的下层滤波器；所述第二光电器件层用于制备与所述第一光电器件层进行光互连的上层滤波器。

作为优选，所述隔离层的厚度为3μm～4μm，所述缓冲层的厚度为0.5-1.5μm，所述保护层的厚度为4μm～5μm，所述隔离层、所述缓冲层和所述保护层的材质分别独立地选自氧化硅、氧化铝或氮氧化硅。

作为优选，所述第一光电器件层和所述第二光电器件层的厚度为220-500nm，材质分别独立地选自Si、Si₃N₄或AlN。

作为优选，所述监测层的厚度为100-300nm，材质选自Ti/Au合金或Cr/Au合金。

作为优选，所述下层滤波器为微环滤波器的直通端波导，所述上层滤波器为微环滤波器的微环和下载端波导。