專利名稱：改進的發(fā)光器件的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方案涉及發(fā)光器件和采用發(fā)光器件的光通訊系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代計算設(shè)備包括多種不同類型的集成電路(IC)芯片，所述芯片包括處理器，存儲設(shè)備和控制器。在計算機中，芯片上(on-chip)和芯片對芯片(chip-to-chip)互連一般是用金屬導(dǎo)線來制成的。隨著IC芯片的集成化程度越來越高，所述導(dǎo)線變得更窄并且間隔更密。這導(dǎo)致在導(dǎo)線中更高的電阻和在導(dǎo)線之間更高的電容。電阻和電容的增加會使通過所述導(dǎo)線的電信號退化。這種信號的退化會降低IC芯片以及計算設(shè)備整體的性能。
為了解決這個問題，已經(jīng)提出了使用光源和波導(dǎo)的芯片上和芯片對芯片光學(xué)互連。在一個光學(xué)互連系統(tǒng)中，來自IC芯片的電信號被轉(zhuǎn)換為由光源發(fā)出的光信號。光在波導(dǎo)上傳播到達探測器，探測器將收到的光信號轉(zhuǎn)換回電信號。光在光學(xué)互連中的速度快于電子流在導(dǎo)線中的速度，并且相對光學(xué)互連的長度線性地成比例變化。另外，當(dāng)所述互連變長時，光學(xué)互連可以比電氣互連消耗更少的電源。
傳統(tǒng)的光學(xué)互連系統(tǒng)一般要求這樣的光源，即所述光源不是和IC芯片一起整體形成的。這是因為通常用來形成IC芯片的材料Si和SiGe沒有被認為是適于形成整體光源的，因為它們具有一個間接帶隙(band gap)。相反，在傳統(tǒng)的光學(xué)互連系統(tǒng)中，通常使用由直接帶隙半導(dǎo)體制成的外部光源。這些光源單獨封裝，并且和波導(dǎo)以及IC芯片上的其他器件對準(zhǔn)。這造成了相對昂貴和復(fù)雜的芯片上和芯片對芯片光通訊系統(tǒng)。
進一步使芯片對芯片通訊復(fù)雜化的是在IC芯片上能夠構(gòu)建的接觸墊的數(shù)量有限。隨著IC芯片的復(fù)雜程度的增加，需要越來越多的輸入/輸出引線(lead)來容納大量的位(bit)以及用于其他應(yīng)用的輸入/輸出。


本發(fā)明的實施方案是以實施例的方式來說明的，而不是以限制的方式來進行的，在附圖中，同樣的標(biāo)號表示相似的元件。
圖1A為表示使用Si納米晶體可以間接激發(fā)光學(xué)活性元素(比如Er)的帶隙圖。
圖1B為對應(yīng)于Er原子130的帶隙圖。
圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的某些方面實現(xiàn)的發(fā)光器件200。
圖3為表示計算光學(xué)增益相對于Er濃度，或可替換地，計算光學(xué)增益相對于Er離子與Si納米晶體之比的對數(shù)曲線。
圖4圖示根據(jù)本發(fā)明采用光泵浦(optical bumping)的實施方案來實現(xiàn)的發(fā)光器件400。
圖5圖示根據(jù)本發(fā)明采用電激發(fā)(electrical excitation)的實施方案來實現(xiàn)的發(fā)光器件500。
圖6圖示根據(jù)本發(fā)明的實施方案構(gòu)成波導(dǎo)(包括光學(xué)活性層)。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的實施方案實現(xiàn)的芯片對芯片通訊系統(tǒng)700的設(shè)計圖。
圖8為根據(jù)本發(fā)明的實施方案實現(xiàn)的芯片上通訊系統(tǒng)800的框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施方案一般針對改進的發(fā)光器件的系統(tǒng)和方法以及使用這樣的器件的光通訊系統(tǒng)。本發(fā)明的實施方案是由直接在Si襯底上制成的波導(dǎo)器件組成的，所述Si襯底通常用于互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)數(shù)字電路技術(shù)。這些實施方案可以是以Si納米晶體制成的波導(dǎo)以及在SiO2膜中的其他光學(xué)活性元素(比如稀土元素)的組合。與直接在同一襯底上構(gòu)成器件相關(guān)聯(lián)的成本明顯低于與購買和裝配分立器件相關(guān)聯(lián)的成本。這些元素被集成在同一單片襯底上，因此簡化了在光源和光學(xué)波導(dǎo)之間的耦合。
整篇文件中提及多個元素和化合物。可以發(fā)現(xiàn)用來標(biāo)識元素和化合物的符號和名稱存在一些變化。表l提供一個清單，該清單包括元素、所列出元素相應(yīng)的原子序數(shù)以及整篇文件中用于所標(biāo)識元素的縮寫。
表1

圖1A是表示使用Si納米晶體可以間接激發(fā)光學(xué)活性元素(比如Er)的帶隙圖。Si納米晶體110可以被光激發(fā)或電激發(fā)以生成電子-空穴對120。電子-空穴對(例如電子-空穴對120)可以復(fù)合并且將能量轉(zhuǎn)移給Er3+離子(例如，通過俄歇過程)。例如，當(dāng)Si納米晶體110吸收光子時被光激發(fā)。被吸收的光子導(dǎo)致在Si納米晶體110中生成激子。所述激子可以通過激發(fā)Er原子130而以非發(fā)射的方式復(fù)合。不像塊硅(bulk Si)，俄歇過程對于Si納米晶體110是不可逆的，因為帶隙140比帶隙150大。
圖1B為對應(yīng)于Er原子130的帶隙圖。當(dāng)Er原子130從Si納米晶體110吸收俄歇電子時，Er原子130的內(nèi)殼層電子可以暫時地從能級160移到能級170。然后所述電子可以移到能級180，并在稱作“馳豫”(relaxation)的過程中熱散逸能量而不發(fā)出光子。最后，所述電子可以返回到較低的能級160，并且Er原子130可以發(fā)出光子190以補償在電子能級方面的變化。在圖示的實施方案中，光子190具有約1.5μm的波長。
圖1所示的激發(fā)過程并不限于Er原子，相反，對于各種光學(xué)活性元素都是可能發(fā)生的。尤其，可以使用稀土元素的原子與Si納米晶體結(jié)合來提供發(fā)光源。從鑭(Z＝57)到镥(Z＝71)的元素公知為稀土元素。稀土元素表現(xiàn)出相似的屬性，因為這些元素在電子排布之間的差異主要發(fā)生在外殼層中。稀土元素還公知為鑭系或鑭系元素(lanthanides or thelanthanoids)。
圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的某些方面實現(xiàn)的發(fā)光器件200。發(fā)光器件200包括襯底210、電介質(zhì)層220、光學(xué)活性層230以及光學(xué)腔(optical cavity)240。在本發(fā)明的一些實施方案中，襯底210由懸浮區(qū)(float-zone)半導(dǎo)體材料制成。術(shù)語“懸浮區(qū)”是指晶體生長的一種類型，其中，生長的晶體沒有觸及它在其中生長的坩鍋的壁。懸浮區(qū)半導(dǎo)體材料的例子包括Si、Ge以及SiGe。在本發(fā)明的圖示實施方案中，電介質(zhì)層220由SiO2構(gòu)成。在本發(fā)明可替換實施方案，電介質(zhì)層220可以由不同的材料構(gòu)成。
光學(xué)活性層230包括與光學(xué)活性元素的原子(例如，稀土元素的原子)很接近的Si納米晶體。如上所述，Si納米晶體以及光學(xué)活性元素原子可以被用來作為光源。在本發(fā)明實施方案中，光學(xué)活性層230是Si納米晶體和稀土元素原子的薄層，所述Si納米晶體和稀土元素原子一起形成光源和波導(dǎo)。在本發(fā)明可替換實施方案中，所述電介質(zhì)可以為氟化物或者氟摻雜的二氧化硅。光學(xué)活性層(例如，光學(xué)活性層230)因而可以為稀土摻雜的氟化物(例如，鉺摻雜的氟化物)或者稀土摻雜的含氟二氧化硅。
在本發(fā)明的其他可替換實施方案中，使用多于一種的摻雜物來提供光學(xué)活性原子。例如，在本發(fā)明實施方案中，光學(xué)活性層230包括與鉺(Z＝68)和銩(Z＝69)二者的原子都很接近的Si納米晶體。在本發(fā)明另外的其他實施方案中，光學(xué)活性層230包括與鉺(Z＝68)和鐿(Z＝70)二者的原子都很接近的Si納米晶體。在本發(fā)明實施方案中，光學(xué)活性層230是用銩(Z＝69)和鈥(Z＝67)共同摻雜的。在本發(fā)明另外的又一個可替換實施方案中，光學(xué)活性層230是用Tm-(Z＝69)、Ho-(Z＝67)和Eu-(Z＝63)共同摻雜的。術(shù)語“共同摻雜的”是指用超過一種摻雜物摻雜的層或區(qū)域。
可以使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)(例如，富硅的二氧化硅的化學(xué)氣相沉積(CVD)和/或硅摻雜的SiO2的離子注入和/或濺射沉積)來形成光學(xué)活性層230。使用高溫(例如1100℃)退火(例如，5到30分鐘的時間)，可以將SiOx薄層轉(zhuǎn)換成Si納米晶體。高溫退火已經(jīng)顯示出可以生成具有在2至5納米范圍內(nèi)的密集尺寸分布的Si納米晶體。
在本發(fā)明的一些實施方案中，光學(xué)活性層230可以沉積在兩層SiO2之間(例如電介質(zhì)層220和250)。SiO2層具有較低的折射率，從而將光限制在具有硅納米晶體的區(qū)域中。在本發(fā)明實施方案中，可以使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)(例如CVD和/或熱氧化(thermaloxidation))來形成電介質(zhì)層220和250。
光學(xué)腔240對光活性層230發(fā)出的光提供增強的手段。術(shù)語“光學(xué)腔”是指產(chǎn)生一個將光限制并放大的腔。這能夠通過例如用反射表面封住光學(xué)活性區(qū)域以(至少部分地)包含振蕩電磁場來完成。在圖2所示的實施方案中，通過在電介質(zhì)層250和/或光學(xué)活性層230中產(chǎn)生脊?fàn)畈▽?dǎo)結(jié)構(gòu)來形成光學(xué)腔240，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在其每一端具有分布式布拉格光柵(distributed Bragg grating)。使用光刻和干法蝕刻技術(shù)可以將分布式布拉格反射器結(jié)構(gòu)蝕刻到電介質(zhì)層250和/或光學(xué)活性層230中。
在本發(fā)明實施方案中，光學(xué)活性層230發(fā)出具有波長λ的光。在本發(fā)明實施方案中，光柵齒(grating tooth)256和258可以通過以λ/2的周期間隔來形成布拉格反射器。分布式布拉格反射器是指提供輻射的相長干涉(constructive interference)的波導(dǎo)部分，所述輻射是從反射表面反向散射的。布拉格反射器對于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員是熟知的，除了關(guān)于它們?nèi)绾闻c本發(fā)明實施方案相關(guān)之外，將不對它們作進一步描述。
圖3為表示計算光學(xué)增益相對于Er濃度，或可替換地，計算光學(xué)增益相對于Er離子與Si納米晶體之比的對數(shù)曲線。短劃線310示出在光學(xué)活性層(例如，圖2所示的層230)中的鉺離子對光增益的貢獻。例如，如標(biāo)號320所示，在0.1原子百分比的濃度下，平均每個1000個原子的納米晶體可以有接近1個鉺離子。參照標(biāo)號330，當(dāng)濃度接近每個Si納米晶體1個鉺離子時，對于一些Si納米晶體可以超過該最大可激發(fā)鉺濃度。
點線340示出沒有與Er耦合的Si納米晶體中的激子對吸收的光學(xué)增益的貢獻。當(dāng)Er的濃度增加時，Si納米晶體會與Er離子耦合的可能性同樣增加。實線350示出兩種增益貢獻的總和。如標(biāo)號360所示出的那樣，凈光學(xué)增益能夠在1原子百分比或者每個Si納米晶體1個離子的Er濃度范圍中獲得。盡管光學(xué)增益曲線300是基于使用Er作為光學(xué)活性元素而計算出的，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會意識到也可以計算出基于可替換的光學(xué)活性元素(例如，其他稀土元素)的相似增益曲線。
圖4圖示根據(jù)本發(fā)明采用光泵浦(optical bumping)的實施方案來實現(xiàn)的發(fā)光器件400。在本發(fā)明的實施方案中，光源(例如，低成本LED)引導(dǎo)光子到波導(dǎo)410的頂部表面上。光學(xué)活性層420包含與光學(xué)活性元素(例如，Er、Pr、Ho、Yb、Ce、Tm等)的原子很接近的Si納米晶體。光學(xué)腔(未示出)反射從光學(xué)活性層420發(fā)出的光。被反射的光通過波導(dǎo)410，如標(biāo)號430所示。
圖5圖示根據(jù)本發(fā)明采用電激發(fā)(electrical excitation)的實施方案來實現(xiàn)的發(fā)光器件500。在本發(fā)明的實施方案中，發(fā)光器件500包括襯底510、電介質(zhì)層520和530，以及光學(xué)活性層540。另外，發(fā)光器件500還包括電接觸體550和560。在本發(fā)明的實施方案中，使用電接觸體550和560來電激發(fā)光學(xué)活性層540。例如，使用電接觸體550和560可以將電信號耦合到發(fā)光器件500。電信號可以激發(fā)光學(xué)活性層540，導(dǎo)致它發(fā)光。在本發(fā)明的實施方案中，所述光被光學(xué)腔(未示出)反射。被反射的光以垂直于圖5中所示的發(fā)光器件500的投影的方向通過光學(xué)活性層540。
圖6圖示根據(jù)本發(fā)明的實施方案構(gòu)成波導(dǎo)(包括光學(xué)活性層)。在標(biāo)號610處所提供的是由半導(dǎo)體材料制成的襯底610。在本發(fā)明的實施方案中，電介質(zhì)層620形成在襯底610的上表面上。在本發(fā)明的實施方案中，電介質(zhì)層620可以通過標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)(例如CVD和/或熱氧化)來形成。
在本發(fā)明的實施方案中，光學(xué)活性層630可以通過在電介質(zhì)層620的上表面上沉積富硅的SiOX薄層來形成。光學(xué)活性層630可以通過標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)(例如CVD、離子注入和/或濺射沉積)來沉積。在本發(fā)明的實施方案中，使用高溫(例如，1100℃)退火將SiOX薄層轉(zhuǎn)換成Si納米晶體。
在本發(fā)明的實施方案中，波導(dǎo)640是使用光刻和干法蝕刻法來蝕刻的。光學(xué)腔(未示出)可以通過在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的每一端蝕刻分布式布拉格反射器來形成，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)640的上表面上。在本發(fā)明的實施方案中，電介質(zhì)層650形成在波導(dǎo)640的頂部上。電介質(zhì)層650，在本發(fā)明的實施方案中，可以降低從光學(xué)活性層630的光的散射損失。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的實施方案實現(xiàn)的芯片對芯片通訊系統(tǒng)700的設(shè)計圖。芯片對芯片通訊系統(tǒng)700包括IC芯片710和720、光纖730和740、發(fā)光器件750和760，以及光探測器770和780。光探測器770和780代表寬范圍的器件，所述器件探測進入的光，并且在一些情形中將探測到的光轉(zhuǎn)換成電信號。為了構(gòu)成單片解決方案，希望光探測器使用Si、Ge或SiGe。鍺在對短于約1.55μm波長的靈敏度方面受到限制，而這正是由鉺發(fā)出的波長。因為這個原因，優(yōu)選其他的稀土元素(或者包含稀土元素的化合物)。光纖和光探測器對于那些本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員是熟知的，除了關(guān)于它們?nèi)绾闻c本發(fā)明實施方案相關(guān)之外，將不對它們作進一步描述。盡管所圖示的實施方案示出了連接IC芯片710和IC芯片720的光纖，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會意識到可以使用寬范圍的光學(xué)通道來在芯片之間耦合光。另外，除了光探測器，在子系統(tǒng)中還可以使用其他光學(xué)元件。在本發(fā)明的實施方案中，發(fā)光器件750和760可以具有基本上與圖2中所示的發(fā)光器件200相似的結(jié)構(gòu)。
IC芯片710可以使用光源(例如LED)或電源(electrical source)(例如電氣引線)來激發(fā)發(fā)光器件750。可以將發(fā)出的光進行調(diào)制，使得已調(diào)制的光傳達來自IC芯片710的數(shù)字或模擬信息?？梢詫⒁颜{(diào)制的光耦合到光纖740。光纖740將已調(diào)制的光傳輸?shù)焦馓綔y器780。在本發(fā)明的實施方案中，光探測器780將已調(diào)制的光轉(zhuǎn)換成電信號，以便IC芯片720使用。
圖8為根據(jù)本發(fā)明的實施方案實現(xiàn)的芯片上通訊系統(tǒng)800的框圖。芯片上通訊系統(tǒng)800包括具有發(fā)光器件820和830的IC芯片810，其中發(fā)光器件820和830與IC芯片810的其他元件構(gòu)成在同一個襯底上。在本發(fā)明的實施方案中，每個發(fā)光器件820和830可以包括光學(xué)活性層(例如，圖2中所示的層230)和光學(xué)腔(例如圖2中所示的光學(xué)腔240)，所述的光學(xué)活性層由摻雜有稀土元素的Si納米晶體構(gòu)成。
發(fā)光器件820和830分別通過光學(xué)通道860和870與光探測器850和840處于光連通狀態(tài)。在本發(fā)明的實施方案中，光學(xué)通道860和870為光纖。在本發(fā)明可替換的實施方案中，光學(xué)通道860和870為與IC芯片810構(gòu)成在同一個襯底上的光學(xué)波導(dǎo)。
IC芯片810通過通訊系統(tǒng)800來傳輸數(shù)字和/或模擬的編碼信息。在本發(fā)明的實施方案中，通過導(dǎo)致器件820發(fā)光的源(例如，低成本LED)來光泵浦發(fā)光器件820。在本發(fā)明可替換的實施方案中，可以電激發(fā)發(fā)光器件?？梢哉{(diào)制發(fā)出的光，使它攜帶信息。然后將已調(diào)制的光通過光學(xué)通道860傳輸?shù)焦馓綔y器850。在本發(fā)明的實施方案中，光探測器850將已調(diào)制的光轉(zhuǎn)換成電信號，以便IC芯片810進一步處理。
應(yīng)該可以意識到整篇本說明書中提及“一個實施方案”或“實施方案”意味著結(jié)合該實施方案所描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或特點包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，應(yīng)該強調(diào)并且應(yīng)該意識到，在本說明書各個部分中兩次或更多次提及“實施方案”或“一個實施方案”或“可替換實施方案”并不一定全部是指同一個實施方案。此外，可以將特定的特征、結(jié)構(gòu)或特點適當(dāng)組合在本發(fā)明的一個或多個實施方案中。
同樣，應(yīng)該意識到，在以上對本發(fā)明示例性實施方案的描述中，有時將本發(fā)明的各種特征一起組合在單個的實施方案、圖形或?qū)ζ涞拿枋鲋?，以簡化本公開，這樣的公開有助于理解本發(fā)明各個發(fā)明方面的一個或多個。但是，不應(yīng)該將這種公開方法解釋為反映了這樣的意圖，即，所要求保護的發(fā)明需要比清楚地在每個權(quán)利要求中所陳述的特征更多的特征。相反，如所附的權(quán)利要求書所反映的那樣，發(fā)明方面處于比以上所公開的單個實施方案的全部特征少的狀態(tài)。因此，具體實施方式
所附的權(quán)利要求書特此清楚地被并入該具體實施方式
中，其中每項權(quán)利要求獨自作為本發(fā)明單獨的實施方案。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，包括襯底，所述襯底由半導(dǎo)體材料形成；電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層形成在所述襯底的上表面上；包括Si納米晶體的光學(xué)活性層，所述光學(xué)活性層摻雜有稀土元素，并且形成在所述電介層中；以及光學(xué)腔，所述光學(xué)腔與所述光學(xué)活性層處于光連通狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述光學(xué)腔包括沉積在所述光學(xué)活性層的上表面上的另一個電介質(zhì)層，所述另一個電介質(zhì)層具有間隔設(shè)置的光柵齒來反射從所述光學(xué)活性層發(fā)出的光。
3.如權(quán)利要求2的發(fā)光器件，其中所述的具有間隔設(shè)置的光柵齒的另一個電介質(zhì)層包括電介質(zhì)材料，所述電介質(zhì)材料的折射率與所述光學(xué)活性層的折射率不同。
4.如權(quán)利要求2的發(fā)光器件，其中所述光學(xué)活性層能夠發(fā)出某一波長的光；并且其中所述的具有間隔設(shè)置的光柵齒來反射從所述光學(xué)活性層發(fā)出的光的另一個電介質(zhì)層包括第一光柵齒，所述第一光柵齒以所述波長一半的周期與第二光柵齒相分隔。
5.如權(quán)利要求4的發(fā)光器件，其中所述具有間隔設(shè)置的光柵齒來反射光的另一個電介質(zhì)層包括第三光柵齒，所述第三光柵齒以所述波長一個波長的周期與所述第一光柵齒相分隔，并且所述第三光柵齒位于所述第一光柵齒和所述第二光柵齒之間的區(qū)域以外。
6.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述由半導(dǎo)體材料形成的襯底包括由硅形成的襯底。
7.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述由半導(dǎo)體材料形成的襯底包括由SiGe形成的襯底。
8.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述形成在所述襯底的上表面上的電介質(zhì)層包括氟化物層。
9.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述形成在所述襯底的上表面上的電介質(zhì)層包括摻雜有氟的SiO2層。
10.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述包括Si納米晶體的光學(xué)活性層用鐠來摻雜。
11.如權(quán)利要求10的發(fā)光器件，其中所述光學(xué)活性層能夠發(fā)出具有1.3μm波長的光。
12.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述包括Si納米晶體的光學(xué)活性層用鈥來摻雜。
13.如權(quán)利要求12的發(fā)光器件，其中所述光學(xué)活性層能夠發(fā)出具有1.2μm波長的光。
14.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述包括Si納米晶體的光學(xué)活性層用鐿來摻雜。
15.如權(quán)利要求14的發(fā)光器件，其中所述光學(xué)活性層能夠發(fā)出具有980nm波長的光。
16.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述包括Si納米晶體的光學(xué)活性層用鈰來摻雜。
17.如權(quán)利要求16的發(fā)光器件，其中所述光學(xué)活性層能夠發(fā)出具有620nm波長的光。
18.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述包括Si納米晶體的光學(xué)活性層用銩來摻雜。
19.如權(quán)利要求18的發(fā)光器件，其中所述光學(xué)活性層能夠發(fā)出具有1.4μm波長的光。
20.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述摻雜有稀土元素的光學(xué)活性層包括共同摻雜有兩種或更多種摻雜物的光學(xué)活性層，其中所述兩種或更多種摻雜物之中的一種為稀土元素。
21.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述光學(xué)腔包括被蝕刻到所述光學(xué)活性層中的間隔設(shè)置的光柵齒。
22.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，還包括第一導(dǎo)電接觸體，所述第一導(dǎo)電接觸體與所述光學(xué)活性層的一側(cè)處于電氣連通狀態(tài)；以及第二導(dǎo)電接觸體，所述第二導(dǎo)電接觸體與所述光學(xué)活性層的另一側(cè)處于電氣連通狀態(tài)，其中所述第一導(dǎo)電接觸體和第二導(dǎo)電接觸體能夠電激發(fā)所述光學(xué)活性層。
23.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，還包括調(diào)制器，所述調(diào)制器與所述光學(xué)腔處于光連通狀態(tài)以便光學(xué)地調(diào)制從所述光學(xué)活性層發(fā)出的光。
24.如權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中所述摻雜有稀土元素的光學(xué)活性層包括摻雜有含稀土元素的化合物的光學(xué)活性層。
25.一種形成發(fā)光器件的方法，包括提供由半導(dǎo)體材料制成的襯底；在所述襯底的上表面上形成電介質(zhì)層；在所述電介質(zhì)層的上表面上形成光學(xué)活性層，所述光學(xué)活性層包括摻雜有稀土元素的Si納米晶體；以及在所述光學(xué)活性層的上表面上形成光學(xué)腔來攔住來自所述光學(xué)活性層的光。
26.如權(quán)利要求25的方法，其中在所述光學(xué)活性層的上表面上形成所述光學(xué)腔來反射從所述光學(xué)活性層發(fā)出的光包括在所述光學(xué)活性層的上表面上沉積另一個電介質(zhì)層；以及將第一組光柵齒和第二組光柵齒蝕刻到所述另一個電介質(zhì)層中，以便提供第一反射表面和第二反射表面來反射從所述光學(xué)活性層發(fā)出的光。
27.如權(quán)利要求25的方法，其中在所述電介質(zhì)層的上表面上形成光學(xué)活性層包括在所述電介質(zhì)層的上表面上沉積一層SiO2；將所述沉積的層退火來形成Si納米晶體；以及用離子注入在所述Si納米晶體層中注入稀土元素的原子。
28.如權(quán)利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si納米晶體層中注入鐠原子。
29.如權(quán)利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si納米晶體層中注入鈥原子。
30.如權(quán)利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si納米晶體層中注入鐿原子。
31.如權(quán)利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si納米晶體層中注入鈰原子。
32.如權(quán)利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si納米晶體層中注入銩原子。
33.一種系統(tǒng)，包括由半導(dǎo)體襯底形成的第一集成電路(IC)芯片，所述第一IC芯片包括發(fā)光器件，所述發(fā)光器件具有摻雜有稀土元素的Si納米晶體的光學(xué)活性層和反射所述光學(xué)活性層發(fā)出的光的光學(xué)腔；光學(xué)通道，所述光學(xué)通道在第一光學(xué)通道端被光耦合到所述發(fā)光器件；以及具有光探測器的第二IC芯片，所述光探測器被光耦合到第二光學(xué)通道端。
34.如權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中所述發(fā)光器件具有摻雜有稀土元素的Si納米晶體的光學(xué)活性層和限制所述光學(xué)活性層發(fā)出的光的光學(xué)腔，所述發(fā)光器件包括摻雜有稀土元素的Si納米晶體的光學(xué)活性層，所述光學(xué)活性層位于下電介質(zhì)層和上電介質(zhì)層之間，其中所述光學(xué)腔通過將間隔設(shè)置的光柵蝕刻到所述上電介質(zhì)層中來形成，以反射從所述光學(xué)活性層發(fā)出的光。
35.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中所述具有摻雜有稀土元素的Si納米晶體的光學(xué)活性層包括摻雜有鐠的Si納米晶體的光學(xué)活性層。
36.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中所述具有摻雜有稀土元素的Si納米晶體的光學(xué)活性層包括摻雜有鈥的Si納米晶體的光學(xué)活性層。
37.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中所述具有摻雜有稀土元素的Si納米晶體的光學(xué)活性層包括摻雜有鐿的Si納米晶體的光學(xué)活性層。
38.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中所述具有摻雜有稀土元素的Si納米晶體的光學(xué)活性層包括摻雜有鈰的Si納米晶體的光學(xué)活性層。
39.如權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中所述具有摻雜有稀土元素的Si納米晶體的光學(xué)活性層包括摻雜有銩的Si納米晶體的光學(xué)活性層。
40.如權(quán)利要求33的系統(tǒng)，還包括發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管與所述發(fā)光器件處于光連通狀態(tài)，以光泵浦所述發(fā)光器件。
41.如權(quán)利要求33的系統(tǒng)，還包括被電氣連接到所述發(fā)光器件的驅(qū)動器。
42.一種系統(tǒng)，包括具有Si納米晶體的光學(xué)活性層和光學(xué)腔的發(fā)光器件，所述Si納米晶體的光學(xué)活性層摻雜有稀土元素，所述光學(xué)腔限制構(gòu)成在半導(dǎo)體襯底上的光學(xué)活性層發(fā)出的光；以及具有第一端的光纖，所述第一端與所述發(fā)光器件處于光連通狀態(tài)。
43.如權(quán)利要求42的系統(tǒng)，還包括構(gòu)成在所述半導(dǎo)體襯底上的激發(fā)源，所述激發(fā)源導(dǎo)致所述發(fā)光器件發(fā)光。
44.如權(quán)利要求43的系統(tǒng)，還包括光探測器，所述光探測器與所述光纖的第二端處于光連通狀態(tài)，以接收從所述發(fā)光器件發(fā)出的光。
45.如權(quán)利要求44的系統(tǒng)，還包括構(gòu)成在所述半導(dǎo)體襯底上的調(diào)制器，以對所述發(fā)光器件發(fā)出的光進行調(diào)制。
全文摘要
改進的發(fā)光器件可以包括一個波導(dǎo)，所述波導(dǎo)是用摻雜有光學(xué)活性元素的Si納米晶體制成。所述發(fā)光器件可以適合于在芯片對芯片和芯片上的互連中使用。
文檔編號H01S3/16GK1778021SQ200480010575
公開日2006年5月24日 申請日期2004年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月21日
發(fā)明者唐納德·加德納 申請人:英特爾公司