提供波導(dǎo)及消散場耦合光子檢測器的方法及設(shè)備的制作方法
【專利摘要】所描述的實(shí)施例包含用于電子-光子裝置的光學(xué)連接，例如光學(xué)波導(dǎo)及用于從所述光學(xué)波導(dǎo)接收光學(xué)波且將所述光學(xué)波引導(dǎo)到共同點(diǎn)的光子檢測器。還描述制作此類連接的方法。
【專利說明】提供波導(dǎo)及消散場耦合光子檢測器的方法及設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文中所揭示的實(shí)施例一般來說涉及電子裝置(例如，半導(dǎo)體裝置)的領(lǐng)域，且更特定來說涉及電子-光子裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)傳輸可用作單獨(dú)集成電路芯片之間(芯片間連接)及同一芯片上的組件內(nèi)(芯片內(nèi)連接)的通信手段。電子-光子裝置(也稱為光電子裝置)為一類能夠提供、控制及/或檢測光的電子裝置。電子-光子裝置包含電子功能及光子功能兩者。響應(yīng)于例如半導(dǎo)體裝置的電子裝置的更苛刻的通信帶寬、能量消耗及性能標(biāo)準(zhǔn)，電子裝置越來越多地與光學(xué)電路/電氣電路集成以形成稱作電子-光子集成電路的類型的電子-光子裝置。
[0003]舉例來說，在半導(dǎo)體工業(yè)中，光子裝置具有各種應(yīng)用，包含芯片內(nèi)、計(jì)算機(jī)板的芯片之間及計(jì)算機(jī)板之間的通信。在經(jīng)由光學(xué)互連件的芯片對芯片通信中，可將電路板上的每一芯片與光子-電子發(fā)射器-接收器電路介接，其中兩個(gè)芯片經(jīng)由光學(xué)波導(dǎo)可操作地連接。同樣地，可使用光學(xué)波導(dǎo)來連接芯片內(nèi)的組件，例如在集成光學(xué)源與光子檢測器之間。電子-光子裝置的另一益處是，可使用現(xiàn)有制造工藝(例如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)半導(dǎo)體制造工藝)在相同或不同襯底上同時(shí)形成執(zhí)行純光學(xué)功能、純電功能及光電子功能的元件。
[0004]圖1圖解說明常規(guī)電子-光子裝置100的一個(gè)實(shí)例的框圖。電子-光子裝置100可用于可操作地連接單個(gè)芯片或襯底上的元件(例如集成電路)或單獨(dú)襯底上的裝置。
[0005]電子-光子裝置100包含經(jīng)配置以產(chǎn)生光學(xué)束的光源120。舉例來說，光源120可為相干光源，例如激光器(例如混合硅激光器或砷化鎵激光器)、相干發(fā)光二極管(LED)、超發(fā)光二極管或此項(xiàng)技術(shù)中已知的其它適當(dāng)光源。相干光源為通常具有為一致且同相的窄波長帶的光源。光源120可經(jīng)配置以輸出具有在大約l，200nm到1，550nm的范圍內(nèi)的波長的光學(xué)束。
[0006]光學(xué)波導(dǎo)130將光源120的光學(xué)束連接到調(diào)制器140 (例如具有PIN結(jié)的光學(xué)環(huán)形諧振器)。調(diào)制器140用所接收的電數(shù)據(jù)145調(diào)制所接收的光束且沿著另一波導(dǎo)150輸出經(jīng)調(diào)制光學(xué)數(shù)據(jù)。調(diào)制器140也能夠在不進(jìn)行調(diào)制的情形下使光學(xué)束通過，例如當(dāng)所述光學(xué)束已由同一電子-光子系統(tǒng)中的另一調(diào)制器140調(diào)制時(shí)。
[0007]光子檢測器160包含經(jīng)配置以接收及收集經(jīng)調(diào)制光學(xué)束的半導(dǎo)體材料162(例如，鍺(Ge)、硅鍺(SiGe)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷酸銦(InP)或其它適當(dāng)材料)。將電響應(yīng)發(fā)射到一或多個(gè)電極164，電極164在接收到經(jīng)調(diào)制光學(xué)數(shù)據(jù)的波長的能量之后即刻產(chǎn)生電響應(yīng)并為所接收的光學(xué)數(shù)據(jù)提供外部電連接。
[0008]圖2A及2B分別展示光學(xué)波導(dǎo)150a、150b的兩個(gè)實(shí)例的橫截面圖。光學(xué)波導(dǎo)150a、150b兩者包含相應(yīng)內(nèi)芯152a、152b以及外包層154a、154b。
[0009]光學(xué)波導(dǎo)150a(圖2A)為橢圓形狀的光學(xué)波導(dǎo)。光學(xué)波導(dǎo)150a代表可形成為光纖(例如單?；蚨嗄９饫w)或與其它光子裝置(例如，光源120、光子檢測器160等)形成到其的襯底或芯片分離的其它元件的波導(dǎo)。舉例來說，外芯154a可為二氧化硅(S12)材料。舉例來說，內(nèi)芯152a可為摻雜有雜質(zhì)(例如GeO2)的硅(Si)材料(例如S12)且與外包層154a相比通常具有極小尺寸。舉例來說，內(nèi)芯152a可具有大約9μπι的半徑，而外包層154a可具有大約125 μ m的半徑。
[0010]光學(xué)波導(dǎo)150b (圖2B)為矩形形狀的波導(dǎo)。光學(xué)波導(dǎo)150b代表可使用光刻處理形成于半導(dǎo)體(例如硅襯底、絕緣體上硅(SOI)襯底或印刷電路板(PCB))上的集成光學(xué)波導(dǎo)。舉例來說，形成于充當(dāng)外包層154b的S12襯底上的集成光學(xué)波導(dǎo)150b可具有由(舉例來說)硅(Si)材料形成的矩形內(nèi)芯152b。內(nèi)芯152b可具有大約300nm的直徑，而外包層154b為其上形成光學(xué)波導(dǎo)150b的較大襯底的部分且可具有大約I μ m或可能大得多的直徑。
[0011]通過光學(xué)束的電磁波在較高折射率內(nèi)芯152a、152b與較低折射率外包層154a、154b之間的界面處的內(nèi)部反射而發(fā)生對穿過波導(dǎo)150a、150b的光學(xué)束的波導(dǎo)引。內(nèi)芯152a、152b由具有比形成外包層154a、154b的材料的折射率大的折射率的材料形成。內(nèi)芯152a、152b的折射率可僅稍高于(例如，I %)外包層154a、154b的折射率或可顯著更高(稱為“高對比波導(dǎo)”)以便提供較大全內(nèi)折射(TIR)。舉例來說，內(nèi)芯152a、152b可由具有大約3.5的折射率的硅(Si)材料形成，而外包層154a、154b可由具有大約1.5的折射率的二氧化硅(S12)材料形成。
[0012]應(yīng)理解，外包層154a、154b可由具有比內(nèi)芯152a、152b的折射率低的折射率的任何材料形成。舉例來說，可使用具有大約1.0的折射率的環(huán)境空氣作為用于具有Si內(nèi)芯的光學(xué)波導(dǎo)150的外包層且因此所述包層未必需要使用單獨(dú)材料。還應(yīng)理解，光學(xué)波導(dǎo)130、150(圖1)兩者可具有類似于或不同于上文連同圖2A及2B —起描述的特性的特性。
[0013]圖3A及3B圖解說明光學(xué)波導(dǎo)150與光子檢測器160a、160b之間的光學(xué)連接的兩個(gè)俯視圖。圖3A展示光子檢測器160a，其具有對接耦合到光子檢測器160a的光學(xué)波導(dǎo)150。光子檢測器的對接耦合的連接需要用于互連的最小長度。然而，光學(xué)波導(dǎo)150與光子檢測器160a的半導(dǎo)體材料之間的不同折射率可致使來自光學(xué)束的能量被往回反射到光學(xué)波導(dǎo)150中。舉例來說，光學(xué)波導(dǎo)150可由具有大約1.5的折射率的Si構(gòu)成，而光子檢測器160a可由(例如)具有大約4.34的折射率的Ge構(gòu)成。此反射稱為“回波損耗”，且除減小由光子檢測器160a接收的光學(xué)信號的強(qiáng)度以外，其還可干擾光源120(圖1)的操作。
[0014]圖3B展示由光子檢測器部分Ieob1及160b2構(gòu)成的光子檢測器160b，其具有消散率禹合到光子檢測器160b的光學(xué)波導(dǎo)150。光子檢測器部分160bl、160b2環(huán)繞光學(xué)波導(dǎo)150,但分別與光學(xué)波導(dǎo)150分離距離dpd”在消散耦合中，光學(xué)波導(dǎo)150靠近光子檢測器部分Ieob1Ueob2放置以使得由光學(xué)束在光學(xué)波導(dǎo)150中的傳輸產(chǎn)生的消散場(即，形成于圖5B的內(nèi)芯152b與外包層154b之間的邊界處的近場駐波)在完全衰退之前到達(dá)光子檢測器部分Ieob1Ueob2tj距離(Ipd2必須足夠小以使得來自光學(xué)波導(dǎo)150的消散場的強(qiáng)度在其由光子檢測器部分Ieob1Ueob2檢測之前不完全減小。舉例來說，距離Clpd2可為大約?ομπι或更小。來自光學(xué)波導(dǎo)150的消散場引起光子檢測器部分1601^160?上的傳播波模式,借此將來自光學(xué)波導(dǎo)150的波連接(或耦合)到光子檢測器部分Ieob1Ueob2tj
[0015]消散耦合的光子檢測器160b具有比對接耦合的光子檢測器160a(圖3A)低的回波損耗，但通常需要比對接耦合的光子檢測器160a長的路徑長度(例如，大約50μπι或更大)。這增加光子檢測器160b所需的占用面積且因此增加電子-光子裝置100 (圖1)的總體大小。
[0016]因此，期望提供一種具有低回波損耗但具有小路徑長度的在光學(xué)波導(dǎo)與光子檢測器之間的光學(xué)連接。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是常規(guī)電子-光子裝置的框圖。
[0018]圖2A及2B圖解說明常規(guī)光學(xué)波導(dǎo)的橫截面圖。
[0019]圖3A及3B圖解說明光學(xué)波導(dǎo)及光子檢測器的常規(guī)光學(xué)連接的俯視圖。
[0020]圖4圖解說明根據(jù)本文中所描述的實(shí)施例的光學(xué)連接的俯視圖。
[0021]圖5圖解說明根據(jù)本文中所描述的實(shí)施例的光學(xué)連接中的光學(xué)路徑的俯視圖。
[0022]圖6圖解說明根據(jù)本文中所描述的實(shí)施例的另一光學(xué)連接中的光學(xué)路徑的俯視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]在以下詳細(xì)說明中，參考本發(fā)明的各種實(shí)施例。以足夠細(xì)節(jié)描述這些實(shí)施例以使所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`所述實(shí)施例。應(yīng)理解，可采用其它實(shí)施例，且可作出各種結(jié)構(gòu)、邏輯及電改變。另外，在描述各種過程之處，應(yīng)理解，所述過程的步驟可以除具體描述所述步驟的方式以外的次序發(fā)生，除非另有說明。
[0024]本文中所描述的實(shí)施例有利地利用稱為隨光學(xué)波導(dǎo)發(fā)生的彎曲損耗的現(xiàn)象。當(dāng)光學(xué)束在光學(xué)波導(dǎo)中行進(jìn)時(shí)，近場駐波(稱為消散波)形成于光學(xué)波導(dǎo)的內(nèi)芯與外包層之間的邊界處。當(dāng)在光學(xué)波導(dǎo)中發(fā)生彎曲時(shí)，位于內(nèi)芯與外包層之間的邊界外部的消散波的部分必須比位于內(nèi)芯內(nèi)部的波的部分更快地行進(jìn)，以便維持相同角速度。在稱為“臨界半徑”的點(diǎn)處，消散波無法在相應(yīng)介質(zhì)中足夠快地行進(jìn)而維持與在波導(dǎo)內(nèi)部的波的部分相同的角速度，且此部分的能量沿遠(yuǎn)離彎曲波導(dǎo)的徑向方向從波導(dǎo)向外傳播。
[0025]通常將彎曲損耗視為光學(xué)波導(dǎo)設(shè)計(jì)中的障礙。然而，下文所描述的實(shí)施例加重且利用此現(xiàn)象來提供光學(xué)波導(dǎo)與光子檢測器之間的連接。
[0026]圖4圖解說明光學(xué)波導(dǎo)410與光子檢測器420之間的光學(xué)連接400的俯視圖。舉例來說，光學(xué)連接400可形成于襯底(例如硅襯底、絕緣體上硅(SOI)襯底、二氧化硅(S12)襯底)或印刷電路板(PCB)上。或者，光學(xué)連接400的元件可形成于多個(gè)單獨(dú)襯底(例如，S1、Si02、SOI或其它適合襯底)上。
[0027]光學(xué)波導(dǎo)410包含內(nèi)部芯412及外包層414且可集成到襯底(例如,與光子檢測器420共同的襯底)中或可為(例如)單?；螂p模光纖。內(nèi)芯412可由(舉例來說)Si材料形成且具有大約300nm的寬度。外包層414可由(舉例來說)S12形成?？墒褂靡阎に囋谕獍鼘?14中圖案化內(nèi)芯412。
[0028]光子檢測器420由在從光學(xué)波導(dǎo)410接收到光學(xué)波后即刻產(chǎn)生電響應(yīng)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，例如鍺(Ge)、娃鍺(SiGe)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷酸銦(InP)或其它適當(dāng)材料,如下文所描述。光子檢測器420包含至少一個(gè)電極430，舉例來說，其可由例如鋁、銅或鈦的金屬構(gòu)成?？墒褂镁雍霞捌渌F(xiàn)有制造工藝(例如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)半導(dǎo)體制造工藝)來制作光子檢測器420。
[0029]光學(xué)波導(dǎo)410的可操作地連接的端以角度Θ I彎曲，具有對應(yīng)曲率半徑η?？墒褂霉饪坦に囆纬晒鈱W(xué)波導(dǎo)410的彎曲部分。曲率半徑!^可沿著光學(xué)波導(dǎo)410的曲線為恒定的，或替代地，可隨著角度91而變化。如果曲率半徑Γι充分小(即，等于或小于“臨界半徑，，)，借此在光學(xué)波導(dǎo)410中形成足夠急銳的曲線，那么來自光學(xué)波導(dǎo)410的消散波離開光學(xué)波導(dǎo)410且朝向光子檢測器420徑向傳播。波導(dǎo)410的臨界半徑將取決于內(nèi)芯412的寬度以及內(nèi)芯412及外包層414的材料及相應(yīng)折射率。針對包含(舉例來說)300nm寬的Si內(nèi)芯412及S12外包層的光學(xué)波導(dǎo)410，半徑Γι可等于或小于I μ m。
[0030]圖5圖解說明在光學(xué)連接400中消散波從光學(xué)波導(dǎo)410徑向傳播到光子檢測器420的路徑的俯視圖。
[0031]用于形成光子檢測器420的半導(dǎo)體材料可經(jīng)成形以將傳播的消散波反射到共同點(diǎn)(例如，電極430)?？墒褂?舉例來說)例如電子束光刻的光刻工藝或通過蝕刻技術(shù)來對半導(dǎo)體材料進(jìn)行成形。光子檢測器420的反射邊緣425優(yōu)選地距光學(xué)波導(dǎo)410在約5 μ m到15μπι的范圍內(nèi)，從而為傳播的消散波的波長提供足夠路徑長度，同時(shí)允許緊湊光子檢測器420。
[0032]由光子檢測器420接收的徑向傳播的消散波可以實(shí)質(zhì)上均一角度Θ 2從邊緣425朝向電極430反射。舉例來說，光子檢測器420的反射邊緣425可經(jīng)成形以將消散波以大約20°角度朝向電極430反射。在其它實(shí)施例中，角度θ2可隨著其與光學(xué)波導(dǎo)410的距離而改變。選擇相對靠近(即，在1ym內(nèi))光學(xué)波導(dǎo)410的電極430的共同點(diǎn)允許較平滑反射邊緣425，因?yàn)椴恍枰獜?fù)雜反射點(diǎn)。
[0033]為了更佳地促進(jìn)光學(xué)束的反射率，光子檢測器420可由具有比環(huán)繞襯底高的折射率的材料形成。舉例來說，可在具有大約1.5的折射率的S12襯底中使用具有大約4.34的折射率的鍺(Ge)光子檢測器420。也可使用其它材料來形成光子檢測器420，例如InP、SiGe、GaAs及其它適當(dāng)材料。
[0034]圖6圖解說明光子檢測器520的另一實(shí)施例中的光學(xué)連接500中的光學(xué)路徑的俯視圖。光子檢測器520包含類似于上文連同圖4 一起描述的邊緣425的經(jīng)成形反射邊緣525以便反射由于彎曲損耗而從光學(xué)波導(dǎo)410徑向傳播的消散波。另外，光子檢測器520的底部部分對接耦合到光學(xué)波導(dǎo)410的端子點(diǎn)418，以便將來自內(nèi)芯414的任何剩余光學(xué)束耦合到光子檢測器520。所述光學(xué)束從光子檢測器520的另一反射邊緣527反射且可在到達(dá)共同點(diǎn)(例如，電極430)之前被數(shù)次地反射。可使用晶片接合及其它現(xiàn)有制造工藝(例如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)半導(dǎo)體制造工藝)來制作光子檢測器520。
[0035]可在各種電子-光子裝置中使用包含如連同圖4到6 —起描述的光學(xué)波導(dǎo)410及/或光子檢測器420、520的光學(xué)連接。舉例來說，所述光學(xué)連接可與包含至少一個(gè)光源120及調(diào)制器140(圖1)的芯片間系統(tǒng)或芯片內(nèi)系統(tǒng)一起使用以便連接多個(gè)存儲器元件(例如，一或多個(gè)核心或DRAM、SDRAM、SRAM、ROM或其它類型的固態(tài)或靜態(tài)存儲器元件)。
[0036]以上說明及圖式應(yīng)僅視為說明實(shí)現(xiàn)本文中所描述的特征及優(yōu)點(diǎn)的特定實(shí)施例?？蓪μ囟üに?、組件及結(jié)構(gòu)作出修改及替代。舉例來說，應(yīng)理解，可使用除連同以上實(shí)施例一起具體描述的那些以外的適當(dāng)類型的半導(dǎo)體材料及存儲器元件。因此，不應(yīng)將本發(fā)明的實(shí)施例視為由前述說明及圖式限制，而是僅由所附權(quán)利要求書的范圍限制。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)連接，其包括: 光學(xué)波導(dǎo)，其經(jīng)配置以載運(yùn)光學(xué)束 '及 光子檢測器，其可操作地連接到所述光學(xué)波導(dǎo)， 其中所述光學(xué)波導(dǎo)包含經(jīng)配置以將對應(yīng)于所述光學(xué)束的徑向傳播的消散波發(fā)射到所述光子檢測器的彎曲部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)連接，其中所述光子檢測器包括經(jīng)成形以將所述徑向傳播的消散波反射到共同點(diǎn)的至少一個(gè)反射邊緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)連接，其中所述共同點(diǎn)為電極的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)連接，其中所述光學(xué)波導(dǎo)包括由具有第一折射率的材料構(gòu)成的內(nèi)芯及由具有第二折射率的材料構(gòu)成的外包層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)連接，其中所述第一折射率大于所述第二折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)連接，其中所述內(nèi)芯具有在大約300nm到500nm的范圍內(nèi)的寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)連接，其中所述光學(xué)波導(dǎo)的所述彎曲部分具有大約Iμπι的曲率半徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)連接，其中所述內(nèi)芯包括硅，且所述外包層包括二氧化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)連接，其中所述光學(xué)波導(dǎo)及所述光子檢測器集成于共同襯底上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)連接，其中所述光學(xué)波導(dǎo)包括: 外包層，其由形成于所述共同襯底上的第一材料構(gòu)成；及 內(nèi)芯，其由形成于所述第一材料中的第二材料構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)連接，所述光學(xué)波導(dǎo)進(jìn)一步包括對接耦合到所述光子檢測器的一部分的端子端。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)連接，其中所述光子檢測器的對接耦合到所述光學(xué)波導(dǎo)的所述端子端的所述部分包括經(jīng)配置以將從所述端子端發(fā)射的光學(xué)束反射到所述共同點(diǎn)的第二反射邊緣。
13.一種光子檢測器，其包括: 半導(dǎo)體材料，其經(jīng)配置以接收光學(xué)能量波， 其中所述半導(dǎo)體材料包括經(jīng)成形以將多個(gè)所接收的光學(xué)能量波反射到共同點(diǎn)的至少一個(gè)反射邊緣。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光子檢測器，其中所述共同點(diǎn)包括位于所述光子檢測器內(nèi)的至少一個(gè)電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光子檢測器，所述光子檢測器具有在大約5μ m到15 μ m的范圍內(nèi)的寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光子檢測器，其中所述光子檢測器包括以下材料中的至少一者: 鍺； 硅鍺； 砷化銦鎵；及 磷酸銥。
17.一種形成光學(xué)連接的方法，所述方法包括: 在襯底上提供包層材料； 在所述包層材料中圖案化光學(xué)波導(dǎo)的內(nèi)芯，其中所述內(nèi)芯包含經(jīng)配置以發(fā)射對應(yīng)于由所述內(nèi)芯載運(yùn)的光學(xué)束的徑向傳播的消散波的彎曲部分；及 形成光子檢測器，其中所述光子檢測器包括經(jīng)成形以將所述徑向傳播的消散波反射到共同點(diǎn)的至少一個(gè)反射邊緣。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述共同點(diǎn)處形成電極。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中圖案化所述內(nèi)芯包括:圖案化具有在大約300nm到500nm的范圍內(nèi)的寬度及小于或等于大約I μ m的曲率半徑的硅內(nèi)芯。
【文檔編號】G02B6/42GK104380164SQ201380020795
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月20日
【發(fā)明者】羅伊·米迪 申請人:美光科技公司