1.本发明涉及光子集成电路领域，更为具体而言，涉及一种光子半导体装置及其制造方法。


背景技术：

2.近年来，人工智能技术快速发展，其中涉及的某些神经网络算法需要进行大量矩阵运算，这对处理器芯片的算力提出了很高的要求，目前已有基于图形处理单元(gpu)、现场可编程逻辑门阵列(fpga)等开发出的专用于进行矩阵运算的处理器，上述芯片在物理实现上主要基于cmos晶体管组成的集成电路。
3.目前，已有提出用光子计算进行上述计算，例如，光子集成电路(pic)芯片以光作为信息的载体，以实现光的传输、计算等。
4.在一些情况下，pic芯片本身并不带光源或者某些光学元件，需要对其进行封装，封装时会安装透镜、光源等光学元件。对pic芯片封装安装相关光学元件时，通常是将各个光学元件分别单独地安装在pic芯片上，即，在pic芯片上进行了多次光学元件安装。pic芯片上光学元件的安装通常需要较高的对准精度，这种多次安装光学元件的方法需要多次在pic芯片上进行对准操作，还有可能对pic芯片造成损坏，导致良品率低。


技术实现要素：

5.本发明的实施方式提供了一种光子半导体装置及其制造方法，其光学元件先集成封装为独立封装体，从而能够通过一次安装将该独立封装体整体安装于pic芯片上，进而避免了现有技术多次安装导致的不良后果，还可优化整体的封装工艺。
6.在本发明的实施方式中，一种光子半导体装置的制造方法包括：提供pic芯片；准备光学元件组件，所述光学元件组件包括多个光学元件，所述多个光学元件包括第一光学元件以及第二光学元件；将所述光学元件组件作为独立封装体整体安装在所述pic芯片上。
7.在一些实施方式中，制备光学元件组件包括：准备承载基座，将所述多个光学元件安装在所述承载基座上作为所述独立封装体。
8.在一些实施方式中，所述多个光学元件包括转光镜、透镜、光源中的至少两种。
9.在一些实施方式中，所述光学元件组件包括承载区域，所述承载区域用于安装所述多个光学元件；所述准备光学元件组件的步骤包括：将所述多个光学元件安装在所述承载区域上。
10.在一些实施方式中，所述承载基座上设置有对位标记，以所述对位标记为参照，将所述光学元件安装在所述承载基座上。
11.在一些实施方式中，制备光学元件组件还包括：在所述承载基座上设置罩体，所述罩体罩住所述光学元件。
12.在一些实施方式中，所述光学元件位于所述承载基座的第一表面上。其中，将所述光学元件组件作为独立封装体整体安装在pic芯片上包括：所述承载基座的与所述第一表
面不同的第二表面安装在所述pic芯片上。
13.在一些实施方式中，所述承载基座的第二表面通过粘合剂粘接在所述pic芯片上。在一些实施方式中，所述承载基座的第二表面为与所述承载基座的第一表面相对的表面。
14.在一些实施方式中，所述光源包括激光器芯片；在所述激光器芯片与所述承载基座之间设置有散热部件。
15.在一些实施方式中，在所述承载基座上形成有沟槽，所述光学元件设置于所述沟槽中并由所述沟槽机械地约束。
16.在一些实施方式中，所述转光镜、透镜中的一个或多个通过胶体固定在所述承载基座上；和/或，所述光源通过胶体固定在所述承载基座上
17.在一些实施方式中，所述pic芯片上设置有光耦合结构，所述承载基座具有透光部分。其中，所述第一光学元件为光源、所述第二光学元件为转光镜，在所述承载基座上设置成：所述光源发出的光束经所述转光镜偏转，然后透过所述透光部分进入所述光耦合结构。
18.在一些实施方式中，所述制造方法还包括：将所述pic芯片安装到基板上。
19.在一些实施方式中，所述制造方法还包括：将电子集成电路(eic)芯片安装到所述基板上，并且所述eic芯片与所述pic芯片电连接。
20.在一些实施方式中，所述pic芯片具有面向所述基板的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面。所述光学元件组件安装在所述pic芯片的第一表面上，并且，所述基板上具有容纳所述光学元件组件的开口。
21.在本发明的实施方式中，一种光子半导体装置，其可以按照上述任意一个实施方式制得。
22.在一些实施方式中，所述光子半导体装置包括：
23.光学元件组件，所述光学元件组件包括多个光学元件；
24.pic芯片，其具有第一表面，所述光学元件组件整体安装在所述第一表面上。
25.在一些实施方式中，所述独立封装体包括承载基座，所述多个光学元件安装在所述承载基座上。
26.在一些实施方式中，所述承载基座包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述承载基座的所述第一表面设置多个所述光学元件，所述承载基座的所述第二表面面向所述pic芯片。
27.在一些实施方式中，所述光学元件包括转光镜、光源，所述转光镜用于实现对光的偏转；
28.其中，所述pic芯片包括光耦合结构，所述承载基座具有透光部分；
29.所述转光镜、光源在所述承载基座上设置成：所述光源发出的光束经所述转光镜偏转，然后透过所述透光部分进入所述光耦合结构。
30.在一些实施方式中，所述光学元件包括转光镜、透镜、光源。其中，所述pic芯片上设置有光耦合结构，所述承载基座具有透光部分。所述转光镜、透镜、光源在所述承载基座上设置成：所述光源发出的光束通过所述透镜聚焦在所述转光镜上，并经所述转光镜偏转，然后透过所述透光部分进入所述光耦合结构。
31.在一些实施方式中，所述独立封装体还包括罩体，所述罩体罩在所述承载基座上且其内部容纳所述光学元件。
32.在一些实施方式中，所述光子半导体装置还包括基板，所述pic芯片安装在所述基板上。
33.在一些实施方式中，所述半导体装置还包括eic芯片，所述eic芯片安装在所述基板上，并且所述eic芯片与所述pic芯片电连接。
34.在一些实施方式中，所述pic芯片的第一表面朝向所述基板，所述基板上具有容纳所述光学元件组件的开口。
35.根据本发明各个实施方式可知，本发明为pic封装提供了高质量光源，将光学元件先集成封装，然后整体安装于pic上，优化了封装工艺，避免将光学元件分别单独安装在pic上的多次安装，进而避免多次安装光学元件对pic芯片可能造成的损坏，提高了良品率。并且，对于多个光学元件，可以将它们先集成为光学元件组件，单独制造，还可以使得光学元件的耦合对准在光学元件组件制造的过程中完成，无需在pic芯片上完成多次耦合对准过程。本发明可保持封装结构的集成性、小型化，避免占用过大体积。另外，在基板上设置开口，使得光学元件设置在开口中，进一步减小了整个封装的尺寸。
36.根据上述可知，与使用光纤阵列提供光的传统方法相比，本发明可以显著降低形状因子(form factor)，可以在长、宽、高所有方向上减小产品的尺寸，同时保持提供具有可调谐波长的高质量、高功率光。
37.本发明虽然基于pic芯片封装提出，但是亦可用于其它光子半导体装置制造的过程中。
38.本发明实施方式的各个方面、特征、优点等将在下文结合附图进行具体描述。根据以下结合附图的具体描述，本发明的上述方面、特征、优点等将会变得更加清楚。
附图说明
39.图1是根据本发明的一种实施方式的光子半导体装置的制造方法的流程图；
40.图2示出了在根据本发明的一种实施方式的光子半导体装置的制造方法中的一个阶段的光学元件组件的结构示例；
41.图3示出了在图2所示的阶段之后的一阶段中的光学元件组件的结构示例；
42.图4示出了在图3所示的阶段之后的一阶段中的光子半导体装置的部分结构示例；
43.图5示出了在图4所示的阶段之后的一阶段中的光子半导体装置的部分结构示例；
44.图6示出了在图5所示的阶段之后的一阶段中的光子半导体装置的部分结构示例。
45.图7示出了根据本发明的一种实施方式的光子半导体装置的示例。
具体实施方式
46.为了便于理解本发明技术方案的各个方面、特征以及优点，下面结合附图对本发明的原理和实施方式进行具体描述。应当理解，下述的各种实施方式只用于举例说明，而非用于限制本发明的保护范围。
47.图1示例性示出了根据本发明的一种实施方式的光子半导体装置的制造方法的流程。在本发明的实施方式中，如图1所示，用于制造光子半导体装置的制造(或封装)方法包括：
48.s101,提供pic芯片；
49.s102,准备光学元件组件，所述光学元件组件包括一个或多个光学元件；
50.s103,将所述光学元件组件作为独立封装体整体安装在所述pic芯片上。
51.应当理解，以上s101至s103的编号先后并不表示步骤的先后顺序，图1中的箭头仅是示例出一种步骤顺序，并不排除以其它顺序执行以上步骤。在没有特别说明步骤先后或暗示步骤顺序的情况下，不理解为对相关步骤的顺序进行限定。所谓“独立封装体”是指将光学元件组件形成为一个单独的集成部件，可以通过将该集成部件安装于pic芯片的一次安装，将该集成部件中所包含的各光学元件整体、共同安装在pic芯片上。这样的安装方式避免了将各光学元件分别单独安装在pic上所进行的多次安装，由此能够避免多次安装光学元件对pic芯片可能造成的损坏，提高了良品率。
52.图2示出了在根据本发明的一种实施方式的光子半导体装置的制造方法中的一个阶段的光学元件组件的结构示例。如图2所示，在一些实施方式中，制备光学元件组件包括：准备承载基座101；将各光学元件安装在所述承载基座101上，以形成作为独立封装体的光学元件组件100。所述光学元件组件100包括，但不限于，诸如棱镜、反射镜之类的转光镜102、透镜103、光源104等光学元件。在可选的实施方式中，所述光学元件组件100可包括一个光学元件。在一些实施方式中，所述光学元件组件100还可包括非光学元件，例如可包括实现散热或者电学功能的元件。
53.在一些实施方式中，承载基座101上设置有对位标记，以所述对位标记为参照，将所述光学元件安装在所述承载基座101上。在可选的实施方式中，可以通过无源耦合的方式将所述光学元件安装在所述承载基座101上。还在其他实施方式，也可以通过无源耦合和有源耦合相结合的方式将所述光学元件安装在所述承载基座101上。在一些实施方式中，在所述承载基座101上形成有沟槽，所述光学元件位于所述沟槽中并由所述沟槽机械地约束。在一些实施方式中，所述转光镜102、透镜103中的一个或多个通过胶体例如光学胶固定在所述承载基座101上，例如，采用折射率与光学元件(例如，转光镜102)的折射率匹配的光学胶进行所述固定；和/或，所述光源104通过胶体例如机械胶固定在所述承载基座101上。在一些实施方式中，所述光源104包括激光器芯片106；在所述激光器芯片106与所述承载基座101之间设置有热电冷却器(tec)105。在一些实施方式中，所述激光器芯片106可以经由散热基板(submount)安装在所述承载基座上。本发明不限于此，在所述激光器芯片106与所述承载基座101之间设置其他合适的散热部件。在一些实施方式中，所述光源104还包括设置在激光器芯片106上的光波导107。所述激光芯片106生成的激光束经过光波导107引向透镜103，透镜103将所述激光束聚焦于转光镜102，转光镜102改变激光束的传播方向至承载基座101的透光部分，所述激光束穿过所述透光部分射出该独立封装体。示例性的，所述激光芯片可替换为其它发光芯片。
54.在一些实施方式中，如图3所示，制备光学元件组件还包括：在所述承载基座101上设置罩体108，所述罩体108罩住转光镜102、透镜103、光源104等光学元件。所述转光镜102、透镜103、光源104位于所述罩体108与所述承载基座101界定的内部空间。所述罩体108起到保护位于其中的光学元件的作用。
55.在一些实施方式中，光学元件也可以被安装在罩体上，示例性的，可以将光源安装在罩体的承载区域上，例如罩体的内壁上，而将转光镜、透镜安装在承载基座的承载区域上。承载基座可以包括平板状的部分，也可以包括垂直的侧壁，侧壁上可以设置有承载区
域，当然承载基座的形状不限于此。事实上，承载基座、罩体或光学元件组件的其它结构上均可以设置承载区域，光学元件组件中的承载区域并无特别限定，只需满足准备光学元件组件的步骤包括：将所述多个光学元件组件安装在所述承载区域上。
56.在一些实施方式中，所述光学元件位于所述承载基座101的第一表面上，所述承载基座的与所述第一表面不同的第二表面安装在pic芯片上。所述承载基座101的第二表面为与所述承载基座101的第一表面相对的表面，其中，如图4所示，将所述光学元件组件100作为独立封装体安装在pic芯片200上包括：所述承载基座101的第二表面通过粘合剂粘接在所述pic芯片200上。在一些实施方式中，所述粘合剂为光学粘合剂，例如，采用折射率与光学元件(例如，转光镜102)的折射率匹配的光学胶固定。在一些实施方式中，所述承载基座101的第二表面通过金属材料键合的方式固定在所述pic芯片200上。在一些实施方式中，所述承载基座的第二表面也可以为与所述承载基座的第一表面相邻的侧面，此时，可以通过与该第二表面附接的其他机械支撑结构将所述光学元件组件安装在pic芯片上。示例性的，pic芯片集成有光调制器、光波导、光电二极管等结构，示例性的，可以通过半导体工艺实现上述结构的制造。示例性的，pic芯片中包括光学干涉单元，光学干涉单元可以实现矩阵乘法，该实现矩阵乘法可用于人工神经网络。示例性的，光子半导体装置用于实现人工神经网络。
57.在一些实施方式中，所述pic芯片200包括光耦合结构202，其中，所述转光镜102、透镜103、光源104在所述承载基座101上设置成：如图7所示，所述光源104发出的光束通过所述透镜103聚焦在所述转光镜102上，并所述光束经所述转光镜102偏转，然后透过所述承载基座101的透光部分进入所述光耦合结构202。示例性的，光耦合结构可以是光栅耦合器，但不限于此，其可以用半导体工艺制造。在一些实施方式中，所述承载基座也可以是具有透光部分的其他承载部件，所述透光部分可以是该承载部件上的通孔，也可以是透光介质，例如玻璃、石英、塑料、树脂等。在一些实施方式中，承载基座可以是平板状，例如承载平板，承载平板可以整个都是透光的。另外，在一些实施方式中，承载基座可以具有腔体，光学元件被设置于腔体内。
58.在一些实施方式中，所述用于制造光子半导体装置的制造方法还包括：如图5所示，将所述pic芯片200安装到基板300上。在一些实施方式中，所述pic芯片200具有面向所述基板300的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面。所述光学元件组件100安装在所述pic芯片200的第一表面上，并且，所述基板300上具有容纳所述光学元件组件100的开口301。回到图4，所述pic芯片200的第一表面201为可形成焊料球203的表面。所述pic芯片200通过焊料球203焊接在所述基板300上。在一些实施方式中，所述pic芯片200也可以通过诸如微凸块(micro bump)之类的其他键合结构安装在所述基板300上。
59.在一些实施方式中，所述用于制造光子半导体装置的制造方法还包括：在所述pic芯片200的第二表面上安装eic芯片400。在一些实施方式中，在eic芯片400与pic芯片200之间形成具有布线结构501的配线层500。在一些实施方式中，布线结构501包括铜导线和/或焊料，在布线结构501周围填充模塑材料或者在模塑材料中形成所述布线结构，从而形成所述配线层500。所述eic芯片400经由所述配线层500安装在pic芯片200上。
60.在可选实施方式中，pic芯片具有面向基板的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面。图中未示出，光学元件组件作为独立封装体安装在所述pic芯片的第二表面上，
所述pic芯片的第一表面安装在基板上，此时，所述基板无需设置容纳光学元件组件的开口。并且，在所述基板上，可靠近所述pic芯片设置eic芯片，此时，pic芯片与eic芯片可以通过打线(wiring)的方式电连接。
61.以上通过举例对本发明的光子半导体装置的制造方法进行了说明，下面对本发明提供的光子半导体装置进行说明。
62.图7示出了本发明的光子半导体装置的一个示例。所述光子半导体装置包括独立封装体100、pic芯片200、基板300和eic芯片400。所述独立封装体100包括承载基座101、安装在该承载基座101上的转光镜102、透镜103、光源104等光学元件、以及罩住所述光学元件的罩体108。pic芯片200具有第一表面，所述独立封装体100安装在所述第一表面上，所述第一表面朝向基板300。所述pic芯片200通过第一表面上的焊料球203安装在基板300上。所述pic芯片200具有与所述第一表面相对的第二表面，所述eic芯片400安装在所述pic芯片200的第二表面上。
63.在一些实施方式中，所述光源104到所述基板300的电连接路径包括：依次经过所述承载基座101中的布线结构、所述pic芯片200中的布线结构、所述pic芯片200到基板300的键合结构(例如，焊料球203)、以及所述基板300中的布线结构的电连接路径。或者，在一些实施方式中，所述光源104到所述基板300的电连接路径包括：依次经过打线导线(未示出)、所述基板300中的布线结构的电连接路径。
64.如图7所示，所述光源104发出的光束通过所述透镜103聚焦在所述转光镜102上，并所述光束经所述转光镜102偏转，然后透过所述承载基座101的透光部分进入所述pic芯片200上的光耦合结构202，进而耦合进pic芯片200内部的光处理器件以进行各种运算处理。
65.基于光子半导体装置的用途或目的不同，根据本发明实施方式制造的光子半导体装置不是必须包括上述组成部件。例如，在一些实施方式中，光子半导体装置不包括eic芯片400，将eic芯片400作为封装外的外置部件。在一些实施方式中，光子半导体装置不包括基板300，而可以将pic芯片200安装其他芯片例如eic芯片上。因此，本发明的光子半导体装置还具有以下多个实施方式。
66.在一些实施方式中，一种光子半导体装置包括：
67.光学元件组件，所述光学元件组件包括一个或多个光学元件；
68.pic芯片，其具有第一表面，所述光学元件组件作为独立封装体整体安装在所述第一表面上。
69.在一些实施方式中，所述光学元件组件包括承载基座，所述光学元件安装在所述承载基座上。
70.在一些实施方式中，所述承载基座包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述承载基座的所述第一表面设置多个所述光学元件，所述承载基座的所述第二表面面向所述pic芯片。
71.在一些实施方式中，所述光学元件包括转光镜、光源，所述转光镜用于实现对光的偏转；示例性的，所述偏转为反射，可以是例如全反射。例如，光通过棱镜时发生全反射，以实现光的偏转。
72.其中，所述pic芯片包括光耦合结构，所述承载基座具有透光部分；
73.所述转光镜、光源在所述承载基座上设置成：所述光源发出的光束经所述转光镜偏转，然后透过所述透光部分进入所述光耦合结构。
74.在一些实施方式中，所述光学元件包括转光镜、透镜、光源。其中，所述pic芯片上设置有光耦合结构，所述承载基座具有透光部分。所述转光镜、透镜、光源在所述承载基座上设置成：所述光源发出的光束通过所述透镜聚焦在所述转光镜上，并经所述转光镜偏转，然后透过所述透光部分进入所述光耦合结构。
75.在一些实施方式中，所述独立封装体还包括罩体，所述罩体罩在所述承载基座上且其内部容纳所述光学元件。
76.在一些实施方式中，所述光子半导体装置还包括基板，所述pic芯片安装在所述基板上。在一些实施方式中，所述pic芯片的第一表面朝向所述基板，所述基板上具有容纳所述光学元件组件的开口
77.在一些实施方式中，所述半导体装置还包括eic芯片，所述eic芯片安装在所述基板上，并且所述eic芯片与所述pic芯片电连接。
78.本领技术人员应当理解，以上所公开的仅为本发明的实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明实施方式所作的等同变化，仍属本发明权利要求所涵盖的范围。