CN105372757B - 用于制造集成光路的方法 - Google Patents
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一种用于制造包括有源器件和无源波导电路的集成光路的方法包括：在源晶圆衬底(514)上应用(501)有源波导结构(510、511和512)；通过选择性移除所述有源波导结构(510、511和512)暴露(502)所述源晶圆衬底(514)的一部分(522)；在该源晶圆衬底(514)的所述暴露部分(522)上应用(503)无源波导结构(531、532和533)，其中，所述有源波导结构(510、511和512)和所述无源波导结构(531、532和533)的集合体形成所述有源器件(550)，所述有源器件(550)的下表面朝向所述源晶圆衬底(514)；从所述有源器件(550)移除(505)所述源晶圆衬底(514)；将所述有源器件(550)附着(506)于包括所述无源波导电路的目标衬底(562)，使得所述有源器件(550)的下表面朝向所述目标衬底(562)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造包括有源器件和无源波导电路的集成光路的方法，尤其涉及采用无源锥体的III-V族有源器件的异构集成。本发明还涉及一种集成光路，尤其涉及采用所述方法制造的光子集成光路。
背景技术
硅光子学作为一种通用技术平台正迅速得到重视，可广泛应用于电信、数据通信、互联和传感领域。它通过在高品质和低成本的硅衬底上使用与晶圆规模技术兼容的CMOS(互补金属氧化物半导体)来实现光子功能。然而，纯无源硅波导器件在插入损耗、相位噪声(会导致信道串音)和温度依赖性方面的性能仍受到限制。这是由于SiO2(二氧化硅)包层与Si(硅)内核之间的高折射率对比度、非均匀硅层的厚度以及硅的大热光效应导致的。
基于氮化硅的无源器件提供优越性能。经证实，采用厚度为640nm SiNx(氮化硅)内核的波导的传播损耗低于0.1dB/cm，而采用厚度为50nm内核的波导的传播损耗甚至低于0.1dB/m。另外，SiNx(n＝2)和SiO2(n＝1.45)与Si(n＝3.5)和SiO2(n＝1.45)之间略低的折射率对比度导致较少的相位噪声和较大的制造公差。这有利于制造出高性能但仍然十分紧凑的光路，如AWG(阵列波导光栅)和环形谐振器等。据报道，氮化硅波导不仅在有源硅光子芯片中可以作为高性能的无源波导层，而且还可以作为“独立”的无源光子芯片。由于其紧凑的尺寸，这些电路是实现低成本接收器和收发器的理想之选。然而，对于这些应用，需要高速检测器或激光器和调制器。在硅平台上无法制造激光器，然而在氮化硅平台上都无法制造检测器、激光器和调制器。
针对这个问题，有两种方案。传统上，采用InP/GaAs材料制造的有源器件是倒装式或耦合至无源波导电路的芯片。这极大地提高了所述芯片的复杂度，因为外部耦合器件需要主动校准。或者，可以选择把III-V族薄膜111键合到所述无源波导电路120上来整合该芯片上的所述有源器件110，以获得如图1所示的集成光学器件100。所述无源波导电路120包括SOI(绝缘硅)波导121内的混合波导结构125和锥体模式转换器123。所述有源器件110包括包含量子阱111的III-V族二极管，其中量子阱111附着于SOI电路113且被二氧化硅115上的金属触点覆盖。由于所有器件的加工都是在晶圆层面完成，所以无论集成少数几个或许多组件，这种集成的复杂度几乎是相同的。因此，随着芯片复杂度的增加，这种方法更为有效。
在多数异构集成的有源器件中，绝热锥体用于在所述无源电路与所述有源器件之间进行光转化。这个锥体是在用于创建所述有源器件的相同外延层上制造的。图2示出了描绘III-V族有源器件中示例性绝热锥体200的照片。在集成检测器中，所述锥体额外的长度增加了电容量，从而减少了可能的器件带宽。在集成激光器中，这些锥体需要注入电流以避免损耗。然而，在这种情况下，所述注入的电流在蚀刻侧壁附近流动，从而缩短了器件的使用寿命。在集成调制器中，所述锥体部分上的残余吸收是无法避免的。
目前所述绝热锥体使用中最主要的问题是由于掺杂质、器件电容量增加和需要为所述锥体注入电流所带来的超额损耗。尤其对于所述调制器，超额损耗与掺杂质和有源区相关。对于所述调制器，增加的器件电容量可以通过把所述锥体部分从主调制区域进行电绝缘得到解决，然而这种方法却不适用于所述检测器。需要给所述集成激光器上的锥体注入电流是为了避免过大的损耗。这可能会缩短所述激光器的使用寿命。在单片式III-V族波导平台上，无源区和有源区通过选择性生长有源波导区(有MQW多量子阱和掺杂质)和无源波导区(没有MQW和掺杂质)来区分。
图3为示出了单片式III-V族波导平台中有源区301与无源区311之间典型差异的示意图300。所述有源区301包括附着于公共n+-InP衬底310上的n-InP组成的底层307、MQW中间层305和p-InP组成的上层303。所述无源区311包括附着于所述公共n+-InP衬底310上的非掺杂InP组成的底层317，无源材料组成的中间层315，也称为四元层，和非掺杂InP组成的上层313。
然而，通过使用当前的异构集成技术，不可能使用再生长的III-V族晶圆。这是因为如图4的制造流程400所示，所述III-V族材料“正面朝下地”键合在目标晶圆上。未加工的III-V族冲模401通过“正面朝下”键合404附着402在SOI光子波导403上面，给所述SOI波导提供了键合的III-V族冲模405。需要注意的是，该III-V族冲模401的所述“正面朝下”键合404使所述外延层颠倒。然后，移除406衬底，并准备进一步加工薄膜器件407。无源区与有源区之间接口的不平坦表面拓扑结构防止使用再生长的III-V族晶圆，即应用“正面朝上”键合进行成功键合。
有源器件与无源波导电路之间需要进行光耦合，尤其通过使用异构键合到包含无源波导结构的单独晶圆上的III-V族有源器件之间的高性能和低损耗绝热锥体。
发明内容
本发明的目的是提供用于在有源器件与无源波导电路之间进行光耦合的技术。
该目的是通过独立权利要求的特征来实现的。结合从属权利要求、说明书和附图，更多的实现方式是显而易见的。
为详细描述本发明，将使用以下术语、缩写和符号：
CMOS： 互补金属氧化物半导体
SiO2： 二氧化硅
SiNx： 氮化硅
AWG： 阵列波导光栅
III-V： 由元素周期表中III族元素和V族元素组成的III-V族化合物半导体
MQW： 多量子阱
RI： 折射率
SOI： 绝缘硅
Q 量子阱层
um： 微米
根据第一方面，本发明涉及一种用于制造包括有源器件和无源波导电路的集成光路的方法，所述方法包括：在源晶圆衬底上应用有源波导结构；通过选择性移除所述有源波导结构暴露所述源晶圆衬底的一部分；在该源晶圆衬底的所述暴露部分上应用无源波导结构，其中，所述有源波导结构和所述无源波导结构的集合体形成所述有源器件，所述有源器件的下表面朝向所述源晶圆衬底；从所述有源器件移除所述源晶圆衬底；将所述有源器件附着于包括所述无源波导电路的目标衬底，使得所述有源器件的下表面朝向所述目标衬底。
通过在该源晶圆衬底的所述暴露部分上应用无源波导结构，再生长技术可以应用于在无源材料中创建锥体部分，这产生了可能会很长的低损耗锥体，因为可以去除所述锥体部分中的最大损耗(自由载流子吸收，MQW吸收)。采用所述第一方面的所述方法，能够使用特殊的锥体结构，如3D锥体结构。不使用无源波导，这是不可能实现的，因为在此类锥体结构中，所述MQW区域是无法注入电流的。采用所述第一方面的所述方法，使得包含多个变细阶段的很长的锥体以绝热的方式逐渐变细至中等指数对比波导，因为没有相关的吸收损耗。
根据所述第一方面，在所述方法的第一种可能的实现方式中，所述方法包括使用中间衬底将所述有源器件附着于所述目标衬底。
通过使用中间衬底将所述有源器件附着于所述目标衬底，可以避免安装倒装芯片。所述有源器件的表面不需要颠倒，且所述有源器件的不平坦表面(凸块)可以得到有效处理。
根据所述第一方面或根据所述第一方面的第一种实现方式，在所述方法的第二种可能的实现方式中，所述方法包括使用转移印花将所述有源器件附着于所述目标衬底。
通过使用转移印花将所述有源器件附着于所述目标衬底，可以避免安装倒装芯片。所述有源器件的表面不需要颠倒，且所述有源器件的不平坦表面(凸块)可以得到有效处理。
根据所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实现方式，在所述方法的第三种可能的实现方式中，所述在源晶圆衬底上应用有源波导结构包括在所述源晶圆衬底上生长III-V族薄膜。
在所述源晶圆衬底上生长III-V族薄膜是一种用于在有源器件与无源波导电路之间进行光耦合的非常高效的技术。
根据所述第一方面的第三种实现方式，在所述方法的第四种可能的实现方式中，所述在该源晶圆衬底的所述暴露部分上应用无源波导结构包括在该源晶圆衬底的所述暴露部分上再生长所述III-V族薄膜。
再生长实现了在键合激光器中定义典型的隐埋脊型激光器。这些隐埋脊型激光器具有更好的散热和钝化的优势，因此产生了性能更佳的器件。
根据所述第一方面的第四种实现方式，在所述方法的第五种可能的实现方式中，所述在所述源晶圆衬底上生长III-V族薄膜包括在所述源晶圆衬底上设置嵌入掺杂层结构的多量子阱层；所述在该源晶圆衬底的所述暴露部分上再生长所述III-V族薄膜包括在该源晶圆衬底的所述暴露部分上设置嵌入非掺杂层结构的无源层。这些嵌入的层提供高效的光耦合。
根据所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实现方式，在所述方法的第六种可能的实现方式中，所述方法包括在将所述有源器件附着于所述目标衬底前，在所应用的有源和无源波导结构的上表面设置公共接触层，其中，所述应用的有源和无源波导结构的上表面与所述有源器件的下表面相对。
所述在所应用的有源和无源波导结构上设置公共接触层可以在将所述有源器件转移到所述目标衬底前实施。这有利于制造。
根据所述第一方面的第六种实现方式，在所述方法的第七种可能的实现方式中，所述公共接触层包括位于所述有源器件上表面的凸块，使得所述上表面不平坦，其中，所述有源器件的上表面与所述有源器件的下表面相对。
即使所述有源器件的上表面因所述凸块而不平坦，可以通过将所述有源器件转移到所述目标衬底得到有效解决。
根据第二方面，本发明涉及一种集成光路，所述集成光路包括：无源波导电路；附着于所述无源波导电路的有源器件，其中，所述有源器件的下表面朝向所述无源波导电路，其中，所述有源器件包括包含生长的III-V族薄膜的有源波导结构和包含再生长的III-V族薄膜的无源波导结构的集合体。
通过再生长在集成光路的无源材料中创建锥体部分，产生了可能会很长的低损耗锥体，因为可以去除所述锥体部分中的最大损耗(自由载流子吸收，MQW吸收)。所述集成光路可以实现特殊的锥体结构，如3D锥体结构。不使用无源III-V族波导，这是不可能实现的，因为在此类锥体结构中，所述MQW区域是无法注入电流的。所述集成光路使得包含多个变细阶段的很长的锥体以绝热的方式逐渐变细至中等指数对比波导，因为没有相关的吸收损耗。再生长实现了在键合激光器中定义典型的隐埋脊型激光器。这些隐埋脊型激光器具有更好的散热和钝化的优势，因此产生了性能更佳的器件。
根据所述第二方面，在所述集成光路的第一种可能的实现方式中，所述集成光路包括设置于所述有源器件上表面的公共接触层，其中，所述有源器件的上表面与所述有源器件的下表面相对，其中，所述公共接触层包括凸块，使得所述有源器件的上表面不平坦。
即使所述有源器件的上表面因所述凸块而不平坦，仍可以容易地制造所述集成光路。
根据所述第二方面或根据所述第二方面的第一种实现方式，在所述集成光路的第二种可能的实现方式中，所述有源器件附着于所述无源波导电路的部分包括锥体结构。
所述锥体结构用于将光从所述有源器件耦合至所述无源波导电路是十分高效的。
根据所述第二方面的第二种实现方式，在所述集成光路的第三种可能的实现方式中，所述锥体结构在该有源器件的所述无源波导结构中形成。
当在该有源器件的所述无源波导结构中形成所述锥体结构时，光十分高效地从所述有源器件耦合至所述无源波导电路。
根据所述第二方面的第二或第三种实现方式，在所述集成光路的第四种可能的实现方式中，所述锥体结构包括3D锥体结构。
3D锥体结构用于将光从所述有源器件耦合至所述无源波导电路是十分高效的。
根据所述第二方面或根据所述第二方面任一前述实现方式，在所述集成光路的第五种可能的实现方式中，所述无源波导电路包括内核和覆盖所述内核的包层；所述内核的材料是高指数对比材料(尤其是硅)和中等指数对比材料(尤其是SiN、SiON、Ta2O5和SiC其中一种)其中的一种。
当使用高或中等指数对比材料时，光可以高效地从所述有源器件耦合至所述无源波导。
根据所述第二方面或根据所述第二方面的任一前述实现方式，在所述集成光路的第六种可能的实现方式中，所述集成光路包括以下器件的其中一种：集成检测器、集成激光器和集成调制器。
因此，所述集成光路可以高效地实现许多电路处理光。
根据第三方面，本发明涉及异构集成的III-V族有源器件与中等或高指数对比波导之间的耦合方案，其中，在键合前，选择性区域再生长用于定义III-V族试片上的有源和无源波导区域；键合的使用是基于中间操作，尤其是同质衬底被移除的中间操作，然后，外延置于所述目标衬底上面，使得外延堆栈不会“正面朝下”或颠倒。
根据所述第三方面，在所述耦合方案的第一种可能的实现方式中，所述键合为转移印花。
根据所述第三方面，在所述耦合方案的第二种可能的实现方式中，所述高指数对比材料为硅。
根据所述第三方面，在所述耦合方案的第三种可能的实现方式中，所述中等指数材料是SiN、SiON、Ta2O5、SiC或折射率范围为1.9-2.4的其他材料的其中一种。
根据所述第三方面，在所述耦合方案的第四种可能的实现方式中，在所述无源电路波导与无源III-V族波导区域中的所述III-V族有源器件之间定义所需要的锥体部分，以避免吸收损耗和减少III-V族有源器件的电容量。
根据所述第三方面，在所述耦合方案的第五种可能的实现方式中，所述无源锥体也是垂直呈锥体的。
根据所述第三方面，在所述耦合方案的第六种可能的实现方式中，所述再生长用于在键合前定义典型的隐埋脊型激光器结构。所述增加的InP区域将改善热耗散和减少器件发热的影响。
本发明各个方面涉及III-V族有源器件的异构晶圆键合到第二晶圆上。所述第二晶圆可以接触所述无源结构。III-V族芯片可以在转移前选择性再生长。然后，转移印花或其他中级操作技术可以用来创建非常高效的锥体。
通过再生长在无源材料中创建所述锥体部分，产生了可能会很长的低损耗锥体，因为可以去除所述锥体部分中的最大损耗(自由载流子吸收，MQW吸收)。采用本发明所描述的方法和器件，能够使用特殊的锥体结构，如3D锥体结构。不使用无源III-V族波导，这是不可能实现的，因为在此类锥体结构中，所述MQW区域是无法注入电流的。采用本发明所描述的方法和器件，使得包含多个变细阶段的很长的锥体以绝热的方式逐渐变细至中等指数对比波导，因为没有相关的吸收损耗。再生长实现了在键合激光器中定义典型的隐埋脊型激光器。这些隐埋脊型激光器具有更好的散热和钝化的优势，因此产生了性能更佳的器件。
附图说明
本发明的更多实施例将结合以下附图进行描述，其中：
图1示出了说明集成光路100的方框图，其中，通过将III-V族薄膜111键合到无源波导电路120把有源器件110集成到芯片上；
图2示出了描绘III-V族有源器件中示例性绝热锥体200的照片；
图3示出了单片式III-V族波导平台中有源区301与无源区311之间典型差异的示意图300；
图4示出了采用“正面朝下”的方式将III-V族材料键合至目标晶圆的制造流程400的示意图；
图5a至5g示出了一种实现方式提供的用于制造集成光学芯片的方法的制造步骤501、502、503、504、505、506和507；
图6示出了一种实现方式提供的使用中级操作晶圆进行异构晶圆键合的方法600的制造步骤601、603和605的示意图；
图7示出了一种实现方式提供的使用弹性印章进行晶圆键合的方法700的实现步骤701和703的示意图；
图8a和图8b示出了一种实现方式提供的绝热锥体使用无源锥体耦合至硅波导的俯视图(图8a)和侧视图(图8b)；
图9a和图9b示出了一种实现方式提供的绝热锥体使用包含垂直锥体的无源锥体耦合至如SiN等中等指数对比波导的侧视图的示意图，其中，图9a描绘了所述绝热锥体的第一结构900a，图9b描绘了所述绝热锥体的第二结构900b；
图10a和图10b示出了一种实现方式提供的使用有源锥体(图10a)或无源锥体(图10b)的锥体设计(从EA调制器到硅)的对比示意图；
图11示出了当锥体形成但用于调制器的相同的有源外延没有再生长时，说明包括锥尖的集成器件1100的示意图；
图12示出了当锥体形成但用于调制器的相同的有源外延没有再生长时，说明包括锥底的集成器件1200的示意图；
图13示出了一种实现方式提供的当锥体采用无源材料制造时，说明包括波导截面锥尖的集成器件1300的示意图；
图14示出了一种实现方式提供的当锥体采用无源材料制造时，说明包括波导截面锥底的集成器件1400的示意图；
图15a和图15b示出了一种实现方式提供的在无源锥体中使用垂直锥体以实现III-V族有源器件与中等指数对比波导之间的耦合的集成器件1500的俯视图(图15a)和侧视图(图15b)的示意图；
图16示出了对于图15所示的集成器件1500，输入波导的TE1模式与上输出波导的TE0模式之间耦合效率的示意图。
具体实施方式
以下结合附图进行详细描述，所述附图是描述的一部分，并通过图解说明的方式示出可以实施本发明的具体方面。可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其他方面，并可以做出结构上或逻辑上的改变。因此，以下详细的描述并不当作限定，本发明的范围由所附权利要求书界定。
此处描述的器件和方法可以是基于有源器件和无源光波导。可以理解的是，与所描述方法有关的评论对于用于执行所述方法的对应器件或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了一个具体的方法步骤，对应的器件可以包括用于执行所描述方法步骤的单元，即使这样的单元并没有在附图中明确阐述或说明。进一步地，可以理解的是，此处描述的各种示例性方面的特征可以互相结合，除非有特别说明。
此处描述的所述方法和器件可用于实现制造集成光学芯片。所描述的器件和系统可以包括软件单元和硬件单元。所描述的器件和系统可以包括集成电路和/或无源器件，并可根据各种技术进行制造。例如，所述电路可以被设计为逻辑集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路、光学电路、存储器电路和/或集成无源器件。
以下将详细描述采用III-V族材料的方法和器件。通过将Al、Ga和In等第III族元素和N、P、As和Sb等第V族元素结合可以得到III-V族化合物半导体。对于以上例举的元素，有大约12种可能的组合，其中最重要的组合可能是GaAs、InP、GaP和GaN。在以下描述的示例中，InP作为III-V族材料的示例性成员。可以理解的是，InP的使用仅是一个举例，第III族元素和第V族元素的任何其他组合，如GaAs、GaP或GaN也可以使用。
以下描述采用薄膜和外延(epi)层生长/再生长的方法和器件。薄膜为厚度介于纳米级到几微米之间的材料层。应用薄膜到表层也称为薄膜淀积。将薄膜材料沉淀到衬底或先前淀积的层上的任何技术都称为薄膜淀积。“薄”是个相对的术语，但是在大多淀积技术中，控制层的厚度在几十纳米内。外延指的是水晶衬底上淀积的水晶重迭层。所述重迭层也称为外延(epi)薄膜或者外延层。在一些应用中，可以预期所述淀积的材料会形成水晶重迭层，其中，所述水晶重迭层在衬底晶体结构中有明确的方向。外延薄膜可以从气态或液态前驱体中生长或再生长。由于所述衬底作为晶种，所述淀积的膜可能会在衬底晶体中受限于一种或多种晶体方向。
以下描述采用AWG的方法和器件。在波分复用(WDM)系统等光系统中，阵列波导光栅是可以作为光合波器或分波器的光波电路。AWG能够把大量的波长复用到单一的光纤上，从而增加光网络的传输容量。AWG可以是可通过在硅衬底上淀积掺杂和未掺杂的硅层来制造的平面光波电路。
以下描述采用MQW的方法和器件。MQW是包含夹在更高带隙材料组成的两个阻挡区之间的由大块半导体材料组成的约10nm厚超薄层的结构。这限制了电子和空穴的运动，并迫使用于运动的能量进行量子化，只有分立能量才会发生量子化。
图5a至5g示出了一种实现方式提供的用于制造包括有源器件和无源波导电路的集成光路的方法的处理步骤501、502、503、504、505、506和507。
如以下图5a至5g更详细的描述，所述方法一般包括以下步骤：在源晶圆衬底514上应用501有源波导结构510、511和512；通过选择性移除所述有源波导结构510、511和512暴露502所述源晶圆衬底514的一部分522；在该源晶圆衬底514的所述暴露部分522上应用503无源波导结构531、532和533，其中，所述有源波导结构510、511和512和所述无源波导结构531、532和533的集合体形成所述有源器件550，所述有源器件550的下表面朝向所述源晶圆衬底514；从所述有源器件550移除505所述源晶圆衬底514；将所述有源器件550附着506于包括所述无源波导电路的目标衬底562，使得所述有源器件550的下表面朝向所述目标衬底562。可以使用600中间衬底612将所述有源器件550附着于所述目标衬底562。可以使用转移印花722将所述有源器件550附着于所述目标衬底562。所述在源晶圆衬底514上应用501有源波导结构510、511和512可以包括在所述源晶圆衬底514上生长III-V族薄膜。所述在该源晶圆衬底514的所述暴露部分522上应用503无源波导结构531、532和533可以包括在该源晶圆衬底514的所述暴露部分522上再生长所述III-V族薄膜。所述在所述源晶圆衬底514上生长III-V族薄膜可以包括在所述源晶圆衬底514上设置嵌入掺杂层结构的多量子阱层；所述在该源晶圆衬底514的所述暴露部分522上再生长所述III-V族薄膜可以包括在该源晶圆衬底514的所述暴露部分522上设置嵌入非掺杂层结构的无源层。所述方法可以包括：在将所述有源器件附着于所述目标衬底前，在所应用的有源和无源波导结构的上表面设置504公共接触层541和543，其中，所述应用的有源和无源波导结构的上表面与所述有源器件的下表面相对。所述公共接触层541和543可以包括位于所述有源器件550上表面的凸块543，使得所述上表面不平坦，其中，所述有源器件的上表面与所述有源器件的下表面相对。
图5a示出了第一处理步骤501，用于将有源波导结构510、511和512应用到源晶圆衬底514。可以通过如薄膜生长等使所述有源波导结构生长，例如，在所述源晶圆衬底514上生长III-V族薄膜，来执行应用所述有源波导结构的操作。所述有源波导结构可以包括由n-InP组成的第一层或底层512、作为有源多量子阱层的第二层或中间层511和由p-InP组成的第三层或顶层510。这些层512、511和510附着在由InP组成的源晶圆衬底514上。脱模层513可以用于将所述有源波导结构510、511和512附着于所述源晶圆衬底514。
图5b示出了第二处理步骤502，用于通过选择性移除所述有源波导结构暴露所述源晶圆衬底的一部分。移除可以是对图5a描述的包含所述第一层512、第二层511和第三层510的有源波导结构进行蚀刻、研磨或打薄。在图5b的示例中，移除并不包括所述脱模层513。在另一示例中，移除可以包括所述脱模层513。在执行选择性移除的处理步骤502后，所述有源波导结构510、511和512从第一区域522移除，即该源晶圆衬底514的所述暴露部分，但并没有从所述源晶圆衬底514的第二区域524移除。在图5b中，所述第一区域522在所述第二区域524的周围，从而在所述源晶圆衬底514上形成有源波导材料组成的条状或带状的内部结构。然而，任何其他配置也有可能，例如，在所述源晶圆衬底514上形成多个小条状或带状的有源波导结构510、511和512。
图5c示出了第三处理步骤503，用于将无源波导结构应用到该源晶圆衬底514的所述暴露部分522。可以通过再生长所述无源波导结构，如通过薄膜再生长，例如，通过在该源晶圆衬底514的所述暴露部分522上再生长III-V族薄膜，来执行应用所述无源波导结构的操作。
所述无源波导结构可以包括由n-InP(非掺杂)组成的第一层或底层533、作为无源(四元)层的第二层或中间层532和由InP(非掺杂)组成的第三层或顶层531。这些层533、532和531附着在该源晶圆衬底514的所述暴露部分522上。所述脱模层513可以用于将所述无源波导结构533、532和531附着于所述源晶圆衬底514。
通过将所述无源波导结构533、532和531应用到组成所述有源波导结构510、511和512的部分524下面的所述暴露部分522，所述有源波导结构和所述无源波导结构的集合体形成所述有源器件550。所述有源器件550的下表面朝向所述源晶圆衬底514，并且上表面与所述下表面相对。
图5d示出了第四处理步骤504，用于将公共顶部接触层541和543附着于所述有源器件550，并例如，通过掺杂的方式，植入所述共同顶部接触层541和543的区域543。可以通过在所述有源器件550上设置薄膜接触层来执行附着所述共同顶部接触层541和543的操作，例如，通过在所述接触层中再生长薄膜和形成凸块的方式。可以从非掺杂的InGaAs/InP层中形成所述顶部接触层的非植入区域541。可以从掺杂的InGaAs/InP层中形成所述顶部接触层的植入区域543。可以从与所述无源波导结构的顶层531相同的材料中形成所述接触层的区域541。这样的处理可能会导致公共接触层541和543的表面不平坦。在附着所述共同顶部接触层541和543后，所述有源器件550包括这些层。
图5e示出了第五处理步骤505，用于例如，通过打开和释放InP试片的方式，将所述源晶圆衬底514从所述有源器件550中移除。可以通过移除附着在有源器件550与源晶圆衬底514之间的所述脱模层513来执行所述移除操作，从而释放有源器件550和源晶圆衬底514间的键合。
图5f示出了第六处理步骤506，用于将所述有源器件550转移到目标衬底562，并将所述有源器件550附着于所述目标衬底562，使得所述有源器件550的下表面朝向所述目标衬底562。所述目标衬底562可以包括所述有源器件550将被附着到的所述无源波导电路。将可选的键合层561附着到所述键合层561和所述有源器件550可以附着到的所述目标衬底562上。
可以通过不同的处理技术来执行将所述有源器件550转移到所述目标衬底562上的操作，例如，使用如下图6中所描述中级操作晶圆的晶圆键合600，或者使用如下图7中所描述的弹性印章的晶圆键合700。
图5g示出了第七处理步骤507，用于后处理包括有源器件550和目标衬底562的所述器件。可以将层533、532和541削薄形成锥体结构。
图6示出了一种实现方式提供的用于使用中级操作晶圆进行异构晶圆键合的方法600的制造步骤601、603和605的示意图。
在第一处理步骤601中，将包括有源器件616的源晶圆衬底610暂时键合到中间衬底612上，例如，通过使用临时键合层618将不朝向所述源晶圆衬底610的所述有源器件的第一表面附着到所述中间衬底612上。然后，在第二处理步骤602中，原晶圆的衬底，即所述源晶圆衬底610通过蚀刻和研磨等进行削薄。在第三处理步骤603中，将包括所述有源器件616的所述中间衬底612键合到目标衬底614上，使得与所述第一表面相对的所述有源器件的第二表面附着到所述目标衬底614上，其中所述第二表面已经从所述源晶圆衬底610上削薄，且所述中间衬底612得到释放。如图6所示，该方法可以用于异构集成。在这种情况下，外延顺序没有颠倒，因为从第一处理步骤601到第三处理步骤603，所述有源器件的第一表面和第二表面不需要颠倒。因此，再生槽622不会给晶圆键合造成问题。
因此，这种方案使得绝热锥中无源波导的使用可以用于已异构键合到包含无源波导的不同晶圆上的III-V族有源器件间进行光耦合。高性能机器可以暂时用于晶圆键合。它允许执行所述方法600将高吞吐量的非同质衬底上的小型III-V族试片转移。当应用于异构集成时，所述方法600描述了如何使用中级操作晶圆衬底来转移III-V族试片的一个示例。
使用中级操作晶圆进行异构晶圆键合的处理步骤601、603和605可以用于将所述有源器件550从所述源晶圆衬底514转移到如以上图5f所描述的目标衬底562上。
图7示出了一种实现方式提供的采用弹性印章进行晶圆键合的方法700的制造步骤701和703的示意图。
在第一处理步骤701中，将弹性印章722暂时附着到包括有源器件716的源晶圆衬底710上，使得不朝向该源晶圆衬底710的所述有源器件716的第一表面附着到所述弹性印章722上。用于将所述有源器件716键合到所述源晶圆衬底710的牺牲层718通过蚀刻得到释放。通过执行该第一处理步骤701，所述有源器件716暂时附着到所述弹性印章722上，并且能够在第二处理步骤702中转移705到所述目标衬底712上，最后所述弹性印章722得到释放。如图7所示，该方法可以用于异构集成。在这种情况下，外延顺序没有颠倒，因为从第一处理步骤701到第二处理步骤702，所述不朝向该源晶圆衬底710的所述有源器件716的所述第一表面不需要颠倒。因此，再生槽720不会给晶圆键合造成问题。
因此，这种方案使得绝热锥中无源波导的使用可以用于已异构键合到包含无源波导的不同晶圆上的III-V族有源器件间进行光耦合。高性能机器可以用于微转移印花。它允许在高吞吐量的非同质衬底上拾取和放置小型III-V族试片。当应用于异构集成时，所述方法700描述如何采用弹性印章722作为中级“操作晶圆”来转移所述III-V族试片的一个示例。
使用弹性印章进行晶圆键合的异构晶圆键合中的处理步骤701和702可以用于将所述有源器件550从所述源晶圆衬底514转移到如以上图5f所描述的目标衬底562上。
图8a和图8b示出了一种实现方式提供的说明绝热锥体800使用无源锥体耦合至硅波导的俯视图(图8a)和侧视图(图8b)。
在将III-V族器件(有源器件550)键合到所述包含无源结构的晶圆(目标衬底562)以及结合以上图5a至图5g所描述的创建锥体的后续处理后，所述结构如图8a和图8b的示意图所示。
绝热锥800包括有源区801和无源区803。所述有源区801可以包括第一层812，所述第一层由p-InP组成且设置于第二层816上方，所述第二层816是设置于第三层810上方的多量子阱层，所述第三层810由n-InP组成。所述层的排列可以对应以上图3所描述的有源区301的表示法。
所述锥体在可包括第一区域803a和第二区域803b的所述无源区803中形成。该无源区803的所述第一区域803a可以包括由i-InP组成的第一层820和位于所述第一层810上方的第二层822，其中，所述第二层822可以作为四元无源层。所述层的排列可以对应以上图3所描述的无源区311的表示法。
该无源区803的所述第二区域803b可以包括设置于组成波导的硅衬底826上方的该第一区域803a的所述第二层822的延续部分。
图9a和图9b示出了一种实现方式提供的绝热锥体900a和900b使用包含垂直锥体的无源锥体耦合至如SiN等中等指数对比波导的侧视图的示意图，其中，图9a描绘了所述绝热锥体的第一结构900a，图9b描绘了所述绝热锥体的第二结构900b。
使用再生长也可以在不需要中间硅层的情况下，使得锥体适合在中等指数对比波导(如SiN)上异构集成的III-V族有源器件间实现直接耦合。如图9所描述，这可以通过在所述无源波导中使用垂直锥体实现。
根据所述第一结构，所述绝热锥体900a包括有源区901和无源区903。所述有源区901可以包括第一层912，所述第一层912由p-InP组成且设置于第二层916上方，所述第二层916是设置于第三层910上方的多量子阱层，所述第三层910由n-InP组成。所述层的排列可以对应以上图3所描述的有源区301的表示法。
所述锥体在所述无源区903中形成，其中，所述无源区903可以包括第一层920a，所述第一层920a由InP(非掺杂)组成且位于第二层922a上方，所述第二层922a作为四元无源层位于第三层924a上方，所述第三层924a由InP(非掺杂)组成。所述层的排列可以对应以上图3所描述的无源区311的表示法。所述三个层920a、922a和924a设置在由SiN、SiON、Ta2O5或SiC等组成的中等指数对比波导926上方。
根据所述第二结构，所述绝缘锥体900b包括有源区901和无源区903。所述有源区901可以包括第一层912，所述第一层912由p-InP组成且设置于第二层916上方，所述第二层916是设置于第三层910上方的多量子阱层，所述第三层910由n-InP组成。所述层的排列可以对应以上图3所描述的有源区301的表示法。
所述锥体在所述无源区903中形成，所述无源区903可以包括第一层920b，所述第一层920b由InP(非掺杂)组成且位于第二层922b上方，所述第二层922b作为四元无源层位于第三层920c上方，所述第三层920c可以由与所述第一层920b相同的材料组成且位于第四层922c上方，所述第四层922c可以由与所述第二层922b相同的材料组成。所述四个层920b、922b、920c和922c可以设置在由SiN、SiON、Ta2O5或SiC等组成的中等指数对比波导926上方。
虽然图9a示出的所述绝缘锥体900a的第一结构在不断地变细，但图9b示出的所述绝缘锥体900b的第二结构以阶梯状的方式在间断地变细。
图9a和图9b示出了采用再生长在中等指数对比波导上异构集成的III-V族有源器件中创建有源和无源波导，从而能够使用特殊的锥体结构，如3D锥体结构。不使用无源III-V族波导，这是不可能实现的，因为在此类锥体结构中，所述MQW区域是无法注入电流的。采用再生长还能够实现包含多个变细阶段的很长的锥体以绝热的方式逐渐变细至中等指数对比波导，因为没有相关的吸收损耗。
图10a和图10b示出了一种实现方式提供的使用有源锥体(图10a)或无源锥体(图10b)的锥体设计(从EA调制器到硅)的对比示意图。
图10a描述了无再生长的情况，其中，有源波导1004遍布锥体部分1001，而图10b描述了有再生长的情况，其中无源波导1006在该锥体部分1001中的所述有源波导1004下面。在两种锥体设计中，所述锥体部分1001都在Si衬底层1002下面。所述无源波导1006可以根据以上图3描述的无源区311的结构来构建。所述有源波导1004可以根据以上图3描述的有源区301的结构来构建。图10b示出的锥体设计可以通过结合以上图5a至图5g描述的方法产生。
根据图10a中不采用再生长的锥体设计适用于以下图11和图12所描述的器件1100和1200。根据图10b中采用再生长的锥体设计适用于以下图13和图14所描述的器件1300和1400。
图10b也示出了包括无源波导电路1002和附着于所述无源波导电路1002的有源器件1010的集成光路1000b，其中，所述有源器件1010的下表面朝向所述无源波导电路1002。所述有源器件1010包括包含生长的III-V族薄膜的有源波导结构1004和包含再生长的III-V族薄膜的无源波导结构1006的集合体。
所述集成光路1000b可以通过以上图5a至图5g所描述的方法制造，且可以对应于图5g所示的器件。所述集成光路1000b可以包括设置于所述有源器件1010上表面的公共接触层541和543，其中所述有源器件1010的上表面与所述有源器件1010的下表面相对。所述公共接触层541和543可以包括凸块543，使得所述有源器件1010的上表面不平坦。所述集成光路1000b的一部分可以包括锥体结构1012，其中所述有源器件1010附着于所述无源波导电路1002。所述锥体结构1012可以在该有源器件1010的所述无源波导结构1006中形成。这也可以从图8和图9中看出，其中描绘的集成光路的侧视图可以与图10b描绘的所述集成光路1000b对应。所述锥体结构1012可以包括3D锥体结构，即，在所有三个维度上都是逐渐变细。
所述无源波导电路1002可以包括内核和覆盖所述内核的包层。
在一个示例中，所述内核的材料可以是硅。在一个示例中，所述包层的材料可以是SiO2(二氧化硅)。在一种实现方式中，所述内核的材料可以是高指数对比材料，如硅。在一种实现方式中，所述内核的材料可以是中等指数对比材料，如SiN、SiON、Ta2O5或SiC。
高指数对比材料指的是在所述包层的材料如折射率n＝1.45的SiO2(二氧化硅)与所述内核的材料如折射率n＝3.5的Si(硅)之间提供高折射率对比度的材料。
中等指数对比材料指的是在所述包层的材料如折射率n＝1.45的SiO2(二氧化硅)与所述内核的材料如折射率n＝2的SiNx之间提供中等折射率对比度的材料。
基于所述中等指数对比材料的所述集成光路的实现在插入损耗、相位噪声(会导致低信道串音)和温度依赖性方面提供高性能。基于氮化硅的无源器件提供优越性能。对于采用厚度为640nm SiNx(氮化硅)内核的波导，传播损耗低于0.1dB/cm是可以实现的，而对于采用厚度为50nm内核的波导，甚至可以实现传播损耗低于0.1dB/m。另外，SiNx(n＝2)和SiO2(n＝1.45)与Si(n＝3.5)和SiO2(n＝1.45)之间略低的折射率对比度导致较少的相位噪声和较大的制造公差。这能够制造出高性能但仍然十分紧凑的集成光路1000b，如AWG和环形谐振器等。基于氮化硅波导的集成光路不仅可以作为有源硅光子芯片上的高性能无源波导层实现，而且还可以作为“独立的”无源光子芯片实现。
在一个示例中，所述集成光路1000b可以是集成检测器。在一个示例中，所述集成光路1000b可以是集成激光器。在一个示例中，所述集成光路1000b可以是集成调制器，如以下图13至图16所描述。
图11示出了当锥体形成但用于调制器的相同的有源外延没有再生长时，说明包括锥尖的集成器件1100的示意图。
高度1106为1800nm的锥体p-InP层1103设置于由InGaAsP(Q1.2)SCH组成的第一层1105上面，所述第一层1105设置于由9x11nm InGaAsP(Q1.49)QW组成的第二层1107上面，所述第二层1107设置于由8x7nm InGaAsP(Q1.2)QW组成的第三层1109上面。所述三个层1105、1107和1109的高度1108是350nm。所述锥体p-InP层1103的尖部长度1102是1.0um，并以角度1110为8度不断减少其长度，例如，通过从尖部到底部进行湿法刻蚀制造，所述底部设置于所述三个层1105、1107和1109上面。所述三个层1105、1107和1109的长度相同，比所述锥体p-InP层1103的尖部长度1102更小。高度1104为200nm、长度为1.0um(微米)的p-InGaAs层1101附着于所述锥体p-InP层1103的尖部。所述三个层1105、1107和1109与所述层1103和1101一起设置于高度1116为150nm的n-InP层1111上面，所述n-InP层1111设置于尺寸高度1114为400nm、长度1112为1um的硅衬底1113上方。
图片1100a说明了使用所述集成器件1100时的光耦合效率。
图12示出了当锥体形成但用于调制器的相同的有源外延没有再生长时，说明包括锥底的集成器件1200的示意图。所述集成器件1200的结构对应以上图11所描述的所述集成器件1100的结构。然而，锥体p-InP层1103尖部的长度1202是1.5um，所述三个层1105、1107和1109的长度1207是2.5um且与锥体p-InP层1103底部的长度不同。进一步地，所述硅衬底1113的长度1212是0.75um。
图片1200a说明了使用所述集成器件1200时的光耦合效率。
图13示出了一种实现方式提供的当锥体采用无源材料制造时，说明包括波导截面锥尖的集成器件1300的示意图。
所述集成器件1300的尺寸对应以上图11所描述的所述集成器件1100的尺寸。然而，所述三个层1105、1107和1109以由InGaAsP(Q1.3)组成的单层1305、由In-P组成的锥体层1103、由InGaAs组成的层1101和由InP组成的层1111实现。
图片1300a说明了使用所述集成器件1300时的光耦合效率。
图14示出了一种实现方式提供的当锥体采用无源材料制造时，说明包括波导截面锥底的集成器件1400的示意图。
所述集成器件1400的尺寸对应以上图12所描述的所述集成器件1200的尺寸。然而，所述三个层1105、1107和1109以由InGaAsP(Q1.3)组成的单层1405、由In-P组成的锥体层1103、由InGaAs组成的层1101和由InP组成的层1111实现。
图片1400a说明了使用所述集成器件1400时的光耦合效率。
图15a和图15b示出了一种实现方式提供的在无源锥体中使用垂直锥体以实现III-V族有源器件与中等指数对比波导之间的耦合的集成器件1500的俯视图(图15a)和侧视图(图15b)的示意图。图15a和图15b描述了SiN的3D锥体。
无源锥体部分1501包括第一区域1505、第二区域1507和第三区域1509。在所述第一区域1505中，由InP组成的第一层1513的长度从0.4um增加到1.2um。所述第一层1513厚度为50nm，放置于长2um、厚405nm的SiN载流子1511上方。
在所述第二区域1507中，第二(四元)层1517设置于由InP组成的所述第一层1513上面。所述第二层1517的厚度不断从0增加到450nm，长度从1.2um增加到1.5um。在第二区域1507中，所述第一层1513的厚度恒定不变(50nm)。
在所述第三区域1509中，由InP组成的第三层1519设置于所述第二(四元)层1517上面。在所述第三区域1509中，所述第一层1513的厚度恒定不变(50nm)。在所述第三区域1509中，所述第二层1517的厚度恒定不变(450nm)。在所述第三区域1509中，所述第三层1519的厚度恒定不变(1.8nm)。
在所述有源区1503中，由InP组成的长度为1.5um的第一层1523设置于长度为2.5um的第二(Q)层1521上面。
图16示出了对于图15所示的集成器件1500，输入波导的TE1模式与上输出波导的TE0模式之间耦合效率的示意图。在区域I 1505中，采用8um长的锥体进行绝热跃迁。在区域II 1507中，采用40um长的锥体进行绝热跃迁(结合区域I，总损耗小于0.07dB)。在区域III1509中，采用20um长的锥体进行绝热跃迁(损耗小于0.04dB)。从无源区到有源区的跃迁与图15中的示例相同。
图片1600a说明了区域I 1505起始部分光耦合的效率。图片1600b说明了区域I1505与区域II 1507之间光耦合的效率。图片1600c说明了区域II1507与区域III 1509之间光耦合的效率。
本文描述的方法、系统和器件可在数字信号处理器(DSP)的芯片、集成电路或专用集成电路(ASIC)中作为硬件电路来实现。本发明可以在数字和/或模拟电子电路中实现。
尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实现方式中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其他实现方式中的一个或多个特征或方面相结合，只要对于任何给定或特定的应用是有需要或有利。而且，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其他变形在详细的说明书或权利要求书中使用，这类术语和所述术语“包含”是类似的，都是表示包括的含义。此外，术语“示例性”、“例如”和“如”仅表示举例，而不表示最好或最佳的。可能已经使用术语“耦合”和“连接”及其变形。需要理解的是，这些术语可能已经用于表示两种元素相互配合或交互，无论它们是以直接物理或电气接触的方式，或它们之间并不直接相互接触。
尽管本文已说明和描述具体的方面，但本领域普通技术人员应了解在不脱离本发明范围的情况下，各种替代性的和/或等效的实现方式可以替代所示和描述的具体方面。本申请旨在涵盖本文讨论的所述具体方面的任何改编或变化。
尽管以下权利要求书中的各元素是借助对应的标签按照特定顺序列举的，除非对权利要求的阐述另有暗示用于实现部分或所有这些元素的特定顺序，否则这些元素并不一定限于以所述特定顺序来实现。
通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代方案、修改和变化将是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其他应用。
虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实施本发明。
Claims (13)
1.一种用于制造包括有源器件和无源波导电路的集成光路的方法，其特征在于，所述方法包括：
在源晶圆衬底（514）上应用（501）有源波导结构（510、511和512）；
通过选择性移除所述有源波导结构（510、511和512）暴露（502）所述源晶圆衬底（514）的一部分（522）；
在该源晶圆衬底（514）的暴露部分（522）上应用（503）无源波导结构（531、532和533），其中，所述有源波导结构（510、511和512）和所述无源波导结构（531、532和533）的集合体形成所述有源器件（550），所述有源器件（550）的下表面朝向所述源晶圆衬底（514）；
在所应用的有源和无源波导结构的上表面设置（504）公共接触层（543和541），其中，所述应用的有源和无源波导结构的上表面与所述有源器件的下表面相对；从所述有源器件（550）移除（505）所述源晶圆衬底（514）；
将所述有源器件（550）附着（506）于包括所述无源波导电路的目标衬底（562），使得所述有源器件（550）的下表面朝向所述目标衬底（562）；
对所述有源器件进行处理，使得所述有源器件与所述无源波导电路相连的部分包括锥体结构，所述锥体结构仅在所述无源波导结构和位于所述无源波导结构上方的公共接触层中形成，而不在所述有源波导结构中形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
使用（600）中间衬底（612）将所述有源器件（550）附着于所述目标衬底（562）。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括：
使用（700）转移印花（722）将所述有源器件（550）附着于所述目标衬底（562）。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述在源晶圆衬底（514）上应用（501）有源波导结构（510、511和512）包括在所述源晶圆衬底（514）上生长III-V族薄膜。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述在该源晶圆衬底（514）的所述暴露部分（522）上应用（503）无源波导结构（531、532和533）包括在该源晶圆衬底（514）的所述暴露部分（522）上再生长所述III-V族薄膜。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述在所述源晶圆衬底（514）上生长III-V族薄膜包括在所述源晶圆衬底（514）上设置嵌入掺杂层结构的多量子阱层；
所述在该源晶圆衬底（514）的所述暴露部分（522）上再生长所述III-V族薄膜包括在该源晶圆衬底（514）的所述暴露部分（522）上设置嵌入非掺杂层结构的无源层。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述公共接触层（543和541）包括位于所述有源器件（550）上表面的凸块（543），使得所述上表面不平坦，其中，所述有源器件的上表面与所述有源器件的下表面相对。
8.一种集成光路（1000b），其特征在于，包括：
无源波导电路（1002）；
附着于所述无源波导电路（1002）的有源器件（1010），其中，所述有源器件（1010）的下表面朝向所述无源波导电路（1002），
其中，所述有源器件（1010）包括包含生长的III-V族薄膜的有源波导结构（1004）和包含再生长的III-V族薄膜的无源波导结构（1006）的集合体；
设置于所述有源器件（1010）上表面的公共接触层（543和541），其中，所述有源器件（1010）的上表面与所述有源器件（1010）的下表面相对；
所述有源器件附着于所述无源波导电路的部分包括锥体结构；所述锥体结构在所述有源器件的所述无源波导结构和位于所述无源波导结构上方的公共接触层中形成，而不在所述有源波导结构中形成。
9.根据权利要求8所述的集成光路（1000b），其特征在于，包括：
所述公共接触层（543和541）包括凸块（543），使得所述有源器件（1010）的上表面不平坦。
10.根据权利要求8或9所述的集成光路（1000b），其特征在于，
所述锥体结构包括3D锥体结构。
11.根据权利要求8或9所述的集成光路（1000b），其特征在于，
所述无源波导电路包括内核和覆盖所述内核的包层；
所述内核的材料是高指数对比材料或中等指数对比材料。
12.根据权利要求11所述的集成光路（1000b），其特征在于，
所述高指数对比材料包括硅；
所述中等指数对比材料包括SiN、SiON、Ta2O5和SiC中的其中一种。
13.根据权利要求8或9所述的集成光路（1000b），其特征在于，
所述集成光路包括以下器件中的其中一种：
集成检测器；
集成激光器；
集成调制器。
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