專利名稱：單片光電子twe部件結(jié)構(gòu)的制作方法
單片光電子TWE部件結(jié)構(gòu)
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明大體上涉及光子裝置的領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明公開了一種單片光電子 (monolithic optoelectronic)TffE部件結(jié)構(gòu)，其提供高速光信號傳輸?shù)牡筒迦霌p耗。問題陳述低成本、小尺寸且高性能的基于磷化銦αηΡ)的馬赫-曾德爾(Mach-khnder)調(diào)制器(MZM)在光纖光子元件行業(yè)中是普遍公知的。存在兩個限制MZM性能的挑戰(zhàn)光學(xué)插入損耗和波特率。光學(xué)插入損耗被定義為自裝置出來的光的功率除以入射到裝置之內(nèi)的光的功率， 通常表示為以分貝(dB)為單位的值的負數(shù)。到芯片上或到芯片外的光的耦合通常涉及大體積光學(xué)部件和/或光纖波導(dǎo)，它們在可以將光束聚焦為多小上存在限制。在芯片上，光被半導(dǎo)體外延層和以光刻的方式限定的波導(dǎo)引導(dǎo)。由于實際以及成本的原因，芯片上的光束在其直徑可以多大上具有限制。較大的芯片外光束和較小的芯片上光束之間的不匹配導(dǎo)致了耦合損耗并且是特定的基于InP的MZM以及一般的光子裝置內(nèi)高損耗的主要來源。對于輸入和輸出的每個來說，耦合損耗可以高達4dB或更多。MZM的波特率受其射頻(RF)帶寬的限制。在hP MZM中，電信號被施加到電極，電極因而使調(diào)制器在光學(xué)狀態(tài)之間切換。MZM的帶寬受到電極的電容或阻抗以及光波和電波的速度之間的匹配的限制。具有工業(yè)可接受性能的MZM的典型波特率為lOGBd。光學(xué)插入損耗問題以及波特率問題均已經(jīng)被分別地解決。對于插入損耗，已經(jīng)開發(fā)出斑點尺寸轉(zhuǎn)換器(SSC)，其可以使半導(dǎo)體晶圓上的光束的尺寸擴大為與芯片外大體積光學(xué)器件相匹配的尺寸，從而將耦合損耗改進至0. 8dB。圖1示出在芯片面處具有大模式 11以用于耦合到大體積光學(xué)器件以及在端部處具有小模式12以適于芯片上使用的現(xiàn)有技術(shù)的SSC 10。注意到，面模式一直存在直至半導(dǎo)體的頂部。還注意到，圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的SSC 10利用選擇性蝕刻以及增強再生長過程來制造厚度變化的芯，以降低模式在ζ方向上傳播時的尺寸。然而在現(xiàn)有技術(shù)中，芯上的包層大體上具有均勻的厚度。SSC已與MZM 芯片單片地集成在一起。對于波特率的問題，行進波電極設(shè)計已經(jīng)被開發(fā)出來，其消除電極的電容和速度匹配限制。圖2是MZM 20上的現(xiàn)有技術(shù)的行進波電極的示意性平面圖。黑線從左至右表示輸入波導(dǎo)21、分束裝置22、并聯(lián)的兩個MZ波導(dǎo)23和M、組合裝置25以及輸出波導(dǎo)26。 較大的灰色區(qū)域表示行進波電極27，其利用T形分支周期性地與波導(dǎo)進行接觸。已經(jīng)展示了 40GBd的波特率并且也已經(jīng)示出將波特率擴展至80GBd的能力。圖3是現(xiàn)有技術(shù)的SSC MZM 10 (左側(cè))以及現(xiàn)有技術(shù)的行進波MZM 20 (右側(cè))的 MZ波導(dǎo)電極區(qū)域中穿過X-Y平面的截面圖。具有水平線的層表示半導(dǎo)體波導(dǎo)芯31。頂部的暗灰色層表示電極32的金屬。在波導(dǎo)芯31和電極32之間的是半導(dǎo)體層33。在SSC MZM 10中，該層33必須是厚的以適應(yīng)大的面模式(如圖1中的)，并且被輕微摻雜以使光損耗最小化。在行進波MZM 20中，層33必須是薄的并且被高度摻雜以使RF損耗最小化。盡管在hP MZM技術(shù)中有這些單獨的進步，然而，將兩種改進相整合以同時實現(xiàn)低插入損耗和高波特率依然是不可能的。存在作為根源的兩個基本的不相容性。第一，行進波電極要求頂部的電極的金屬和下面的引導(dǎo)芯之間的半導(dǎo)體材料層(稱為“包層”)盡可能的薄，以使RF損耗最小化。相反，SSC要求包層較厚以便允許芯片上光束充分地擴展以與大體積芯片外光學(xué)器件相匹配。第二，行進波電極要求包層被充分摻雜以提供高傳導(dǎo)性材料從而使電阻最小化。 相反，SSC要求低摻雜或無摻雜的包層，因為摻雜的材料(特別是P型摻雜)會引起明顯的光損耗。這些在下文中分別被稱為第一和第二不相容性性。解決問題的方案本發(fā)明解決了迄今為止阻礙SSC和傳統(tǒng)行進波光子器件的單片式集成的上述兩個基本的不相容性，而不犧牲它們每個的優(yōu)點。特別地，本發(fā)明采用選擇性蝕刻和增強再生長(SEER)工藝來生成包層，所述包層同時(1)在SSC區(qū)域中較厚；并且( 在裝置的行進波區(qū)域中被高度摻雜而在SSC區(qū)域中無摻雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種單片光電子裝置，其具有光學(xué)連接到波導(dǎo)的斑點尺寸轉(zhuǎn)換器。在波導(dǎo)的芯上擴展的包層比斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層更薄并且被更高度地摻雜。結(jié)構(gòu)可通過對包層的選擇性區(qū)域應(yīng)用選擇性蝕刻和增強再生長工藝來制造。本發(fā)明的這些及其他優(yōu)點、特征和目的在考慮了以下詳細說明和附圖時將會更容
易理解。


結(jié)合附圖本發(fā)明可被更容易地理解，在附圖中圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的SSC 10，其在芯片面處具有大模式以用于耦合到大體積光學(xué)器件，并且在端部具有適于芯片上使用的小模式。圖2是MZM 20上的現(xiàn)有技術(shù)的行進波電極的示意性平面圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)的SSC MZM 10 (左側(cè))以及現(xiàn)有技術(shù)的行進波MZM 20 (右側(cè))的 MZ波導(dǎo)電極區(qū)域中穿過X-Y平面的截面圖。圖4(a)_4(c)是選擇性蝕刻和再生長(SER)工藝中的步驟的示意性示例。圖5是體現(xiàn)本發(fā)明的光子裝置的側(cè)面剖視圖。發(fā)明的詳細說明向半導(dǎo)體晶圓的表面應(yīng)用二氧化硅或其他材料的被合理恰當(dāng)?shù)爻尚蔚难谀！⒅笫请S后的外延生長，可導(dǎo)致所生長的外延層的厚度在晶圓上變化。我們將這一技術(shù)稱作增強的選擇性區(qū)域生長(ESAG)。波導(dǎo)芯首先可以生長在整個晶圓上，然后施加掩模以實現(xiàn)隨后生長的包層的ESAG。通過布置ESAG以使包層在SSC的區(qū)域中較厚而在MZM電極的區(qū)域中較薄，可以解決同時需要SSC的厚包層和MZM電極的薄包層之間的第一不相容性。使用光致抗蝕劑、二氧化硅或其他材料來在晶圓的表面上形成掩模是通常使用的技術(shù)，掩模允許在選擇性區(qū)域中進行蝕刻，即我們稱為SE (選擇性蝕刻)的過程。此外，在外延生長期間可以使用相同的掩?；蛭g刻過程之后被施加的其它掩模，以保證只有選擇性區(qū)域具有在它們之上生長的材料。被掩模覆蓋的區(qū)域沒有接受晶體生長。掩?？梢员怀尚位蚩梢圆槐怀尚螢樵鰪娫谀承﹨^(qū)域內(nèi)的生長。如果掩模被成形為使得生長沒有被增強，則所生長的層將會在整個晶圓上具有基本均勻的厚度，完全沒接受生長的那些區(qū)域除外。我們將其稱作(非增強的)選擇性區(qū)域生長，或SAG。通常期望的是，首先執(zhí)行SE，然后接著是 SAG步驟，其中SAG步驟用于填充在選擇性蝕刻期間被除去的某些或全部材料?？梢酝ㄟ^掩模來基本上覆蓋沒有被蝕刻的區(qū)域，以便完全不接受生長。事實上，對SE步驟和SAG步驟兩者使用相同的掩模是常見的，由此蝕刻掉晶圓上選擇性區(qū)域中的材料并且用另外的材料僅替換這些蝕刻的區(qū)域。我們將SE之后是SAG的該組合稱為選擇性蝕刻和再生長(SER)。通過對包層應(yīng)用SER工藝，可以同時實現(xiàn)高度摻雜的區(qū)域和無摻雜區(qū)域的組合， 這解決了同時需要行進波MZM的高摻雜/高傳導(dǎo)性包層和SSC MZM的低摻雜包層之間的第二不相容性。該過程如下所示。首先，在整個晶圓上生長高度摻雜的包層。其次，在晶圓上放置掩模以使得包層的除了需要電接觸金屬電極的那些波導(dǎo)區(qū)域之外的所有區(qū)域都被暴露。換句話說，包層的將被用于形成電極的那些區(qū)域被掩模覆蓋。再次，使用SE蝕刻掉暴露區(qū)域內(nèi)的包層的大部分。最后，使用SAG用摻雜濃度較低的半導(dǎo)體材料(例如，無摻雜的半導(dǎo)體材料)選擇性地填充蝕刻的部分。圖4(a)_4(c)是SER過程中的各步驟的示意性示例。在圖4(a)中，底層表示波導(dǎo)芯41，而頂層42表示高度摻雜的^iP(蝕刻掩模未示出)。在圖4(b)中，除了隔離島43之外，高度摻雜的^P已經(jīng)被蝕刻掉。最后，金屬電極將被布置到該島43上以將電信號施加到下面的芯。在圖4(c)中，已經(jīng)被蝕刻掉的高度摻雜的InP已選擇性地被無摻雜的hP 44 替代。在SER的情況下，再生長的hP 44具有基本上均勻的厚度。金屬電極隨后可以被形成在包層的未被蝕刻的區(qū)域(例如，島43)上。前面的段落描述了如何分別克服上面列出的第一和第二不相容性中的每個。如果使用了其中的一個或另一個，則可以同時實現(xiàn)SSC和行進波電極的某些或大部分好處。然而，可以通過在同一芯片上同時解決第一和第二不相容性來實現(xiàn)進一步的改進。這可以如下這樣來完成。在具有一點改變的情況下應(yīng)用被描述為解決第二不相容性的ER過程。不是使用SAG，而是使用ESAG。我們將其稱作選擇性蝕刻和增強再生長(SEER)。掩模被設(shè)計為使得包層的增強的厚度出現(xiàn)在SSC的區(qū)域內(nèi)。在ζ方向上，在SSC和MZM之間將出現(xiàn)過渡，其中包層厚度從增強的厚度減小至未增強的厚度。因此厚和薄包層以及高度摻雜的和無摻雜的包層均被同時地并且有利地形成在具有一個或許多SSC以及一個或許多電極的同一 MZM芯片上。對上面概述的用于制造優(yōu)選實施例的過程的修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是清楚的。例如，SEER過程中的ESAG步驟可以不必使用與SE步驟同樣的掩模。用于ESAG步驟的掩?？梢允顾形g刻的區(qū)域不被填充，或使晶體生長發(fā)生在未蝕刻的區(qū)域。在不與SSC 重合的區(qū)域內(nèi)可能需要具有增強的生長的某些區(qū)域，或者高度摻雜的包層的區(qū)域可以被留下，其不與電極重合。電極可以不是行進波類型的，相反而是單個電極。SEER過程可以容易地與其他制造過程相結(jié)合。圖5是本發(fā)明的實施例的示意性側(cè)面剖視圖。該圖示出使用ESAG大體積四元芯 52的現(xiàn)有技術(shù)的SSC，所述四元芯52被形成為與使用SEER工藝的MQW芯M對接。該圖還示出用于形成行進波電極的一系列P型摻雜的有源溝道56。最后，可以看到包層58在行進波電極附近是薄的而在SSC附近是厚的，如本發(fā)明所描述的那樣。盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施例是具有行進波電極的^P MZM，但是并沒有將其限制為這樣的裝置，也沒有將其限制為InP/InGaAsP材料的系統(tǒng)。對本領(lǐng)域從業(yè)者來說將會清楚的是，低耦合損耗和高帶寬的單片集成組合可以被有利地應(yīng)用到廣泛的光子裝置，所述光子裝置包括(i)必須被高效地耦合到芯片上和/或芯片外的光；以及(ii) 一個或多個RF 電極。所述裝置包括但不限于激光器、電吸收調(diào)制器、光電探測器以及意圖用于四相移鍵控的調(diào)制器，其包括兩個MZM，每一個MZM都被嵌入至馬赫-曾德爾干涉儀的柄部中。半導(dǎo)體材料包括但不限于 Si、SiGe、InP/InAlGaAs, GaAs/AlGaAs0以上公開闡述了關(guān)于附圖詳細描述的本發(fā)明的多個實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在本發(fā)明的教導(dǎo)之下，在不脫離如下面的權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明的范圍的情況下， 可以實現(xiàn)各種改變、修改、其他結(jié)構(gòu)布置及其他的實施例。
權(quán)利要求
1.一種單片光電子裝置，包括波導(dǎo)，其包括芯、鄰近該芯的包層以及連接到該波導(dǎo)的至少一部分的至少一個電極；以及光學(xué)連接到該波導(dǎo)的斑點尺寸轉(zhuǎn)換器，所述斑點尺寸轉(zhuǎn)換器包括芯以及鄰近該芯的包層；其中，波導(dǎo)的包層比斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層被以更高的濃度摻雜。
2.如權(quán)利要求1所述的單片光電子裝置，其中波導(dǎo)的包層比斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層更薄。
3.如權(quán)利要求1所述的單片光電子裝置，其中所述電極包括行進波電極。
4.如權(quán)利要求1所述的單片光電子裝置，其中所述裝置包括馬赫-曾德爾調(diào)制器。
5.如權(quán)利要求1所述的單片光電子裝置，其中波導(dǎo)和斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層是通過選擇性蝕刻和再生長工藝來選擇性地形成具有不同摻雜的區(qū)域而被制造的。
6.一種單片光電子裝置，包括波導(dǎo)，其包括芯、鄰近該芯的包層以及連接到該波導(dǎo)的至少一部分的至少一個電極；以及光學(xué)連接到該波導(dǎo)的斑點尺寸轉(zhuǎn)換器，所述斑點尺寸轉(zhuǎn)換器包括芯以及鄰近該芯的包層；其中，波導(dǎo)的包層比斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層更薄。
7.如權(quán)利要求6所述的單片光電子裝置，其中波導(dǎo)的包層比斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層被以更高的濃度摻雜。
8.如權(quán)利要求6所述的單片光電子裝置，其中所述電極包括行進波電極。
9.如權(quán)利要求6所述的單片光電子裝置，其中所述裝置包括馬赫-曾德爾調(diào)制器。
10.如權(quán)利要求6所述的單片光電子裝置，其中波導(dǎo)和斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層是通過選擇性蝕刻和增強再生長工藝來選擇性地形成具有不同厚度的區(qū)域而被制造的。
11.一種用于制造單片光電子裝置的方法，所述單片光電子裝置具有波導(dǎo)，所述波導(dǎo)包括芯、鄰近該芯的包層以及與該波導(dǎo)的至少一部分相連的至少一個電極；以及光學(xué)連接到所述波導(dǎo)的斑點尺寸轉(zhuǎn)換器，所述斑點尺寸轉(zhuǎn)換器包括芯和鄰近該芯的包層；所述方法包括提供晶圓，其具有芯以及鄰近該芯的由高度摻雜的半導(dǎo)體材料制成的包層； 將掩模放置在晶圓上，以覆蓋包層的其上將要形成波導(dǎo)的電極的那些區(qū)域； 蝕刻掉包層的沒有被掩模覆蓋的至少一部分區(qū)域；用摻雜濃度較低的半導(dǎo)體材料替換包層的被蝕刻的區(qū)域并且形成如果不同厚度的區(qū)域，以使得波導(dǎo)的包層比斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層更??；以及在包層的所選擇的未蝕刻區(qū)域上形成波導(dǎo)的電極。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述電極包括行進波電極。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述裝置包括馬赫-曾德爾調(diào)制器。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中替換包層的被蝕刻的區(qū)域的步驟包括再生長半導(dǎo)體材料以選擇性地生成具有不同厚度的包層的區(qū)域。
全文摘要
一種單片光電子裝置具有光學(xué)連接到波導(dǎo)的斑點尺寸轉(zhuǎn)換器。在波導(dǎo)的芯(54)上擴展的包層(58)與斑點尺寸轉(zhuǎn)換器的包層相比更薄并且被以更高的濃度摻雜。該結(jié)構(gòu)可以通過應(yīng)用選擇性蝕刻和增強再生長工藝以形成具有不同厚度或摻雜的包層(58)的選擇性區(qū)域來制造。
文檔編號G02B6/02GK102317854SQ200980150611
公開日2012年1月11日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者K·普羅西克, K-O·費爾特豪斯, R·凱澤 申請人:弗朗霍夫公司, 科戈光電公司