CN109425931B - 平滑波导结构和制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及平滑波导结构和制造方法。在被实现在绝缘体上半导体衬底中的集成光学结构(例如，硅‑氮化硅模式转换器)中，其侧壁基本上由与晶面一致的部分组成并且未横向延伸超过线波导的顶表面的线波导在性能和/或制造需要方面提供益处。这种线波导可以通过以下被制造：例如使用将半导体器件层向下干式蚀刻到绝缘体层以形成具有暴露侧壁的线波导，跟随有平滑结晶湿式蚀刻。

Description

平滑波导结构和制造方法

技术领域

本公开涉及集成光学结构以及用于制造集成光学结构的方法。一些实施例特别地涉及光模转换器。

背景技术

许多光子集成电路(PIC)包括将不同的器件层之间的光从一个波导传送到另一个波导的模式转换器。例如，以其他方式被实现在硅中的PIC可以在PIC的(一个或多个)输入和/或(一个或多个)输出处利用基于氮化硅的光栅耦合器，因为其可以跨比基于硅的耦合器更宽的温度范围进行操作。在这种情况下，模式转换器用于将光从硅器件层中的硅波导耦合到被布置在硅波导上面并且耦合到氮化硅光栅耦合器的氮化硅波导中(或者反之亦然)。在耦合区域中，硅波导被向下渐小到小截面。在锥形的大部分之上，光因此高度限于小截面面积，其使光对任何表面粗糙度更灵敏。利用传统制造技术实现的相对高表面粗糙度倾向于导致来自锥形的该部分的对应高散射损耗。高散射损耗进而有助于用于器件的较高的插入损耗，并且散射光的反向散射部分有助于较高的回损。

发明内容

在此公开了导致具有用于例如在低损耗模式转换器中使用的平滑侧壁的波导的半导体结构和制造方法。根据各个实施例，通过将绝缘体上半导体衬底的半导体器件层(例如，绝缘体上硅(SOI)衬底的硅器件层)向下蚀刻到绝缘体(例如，氧化硅)层所创建的半导体线波导通过附加的结晶蚀刻而被平滑，其导致与线波导的结晶平面一致的平滑侧壁部分。结晶平滑蚀刻可以被固定在衬底的绝缘体层与被布置在半导体器件层之上的蚀刻掩模层之间，其将截面三角形底切形成为线波导，其中侧壁部分从波导的顶表面和底表面的边缘向内延伸以在中间水平面处相接。在形状方面粗略地类似于“沙漏”的线波导的对应的截面中，(对应于中间平面处的“腰部”的)最小宽度小于线波导的顶表面处的宽度(在此还被称为“定义宽度”)，其是经由在线波导形成蚀刻中所使用的蚀刻掩模化的光刻图案化而定义的宽度。有益地，该形状减少波导的截面面积，与具有基本上直垂直侧壁的相同定义宽度的波导相比(其中“基本上”允许与完美地垂直侧壁的小制造偏差，例如具有多达5°的角度)，这允许较小的截面被实现，而不需要较小的图案化特征。

由于任何给定半导体制造过程(常常还被称为“过程节点”或者“技术节点”)由其能够实现的最小可图案化特征来限制，并且由于制造成本通常随着较小的特征大小显著地增加，因此在未减少定义宽度的情况下减少波导的截面的能力能够需要其中小波导截面是期望的应用中的成本节省。这样的应用包括例如模式转换器，其中(例如，由硅制成的)线波导的小截面可以用于将线波导的有效折射率与由具有较低的折射率的材料(诸如例如氮化硅)制成的第二波导的有效折射率进行匹配。重要地，由于减少的散射损耗和改进的相位相干性，与平滑波导侧壁同时地实现小波导截面改进器件性能。依赖于好的相位相干性的应用包括例如有限脉冲响应(FIR)滤波器，其包括具有其之间的固定和确定性相位偏移的两个或两个以上波导。

在一个方面中，本公开提供了一种集成光学结构，其包括绝缘体上半导体衬底，其包括半导体器件层和被形成在半导体器件层中的线波导。线波导可以在宽度方面被渐小。线波导具有顶表面和侧壁，并且沿着其长度的至少一部分，侧壁未横向延伸(这意味着沿着由波导截面与衬底的平面的交叉所定义的方向)超过线波导的顶表面(对应于定义宽度的)，并且基本上由与线波导的结晶平面一致的侧壁部分组成。(在该上下文中，术语“基本上”允许侧壁部分之间或者侧壁部分与不必与结晶平面一致的波导的顶表面或者底表面之间的小过渡区。这样的过渡区(如果确实存在的话)总计达总体侧壁区域的仅小部分(例如，小于1％))。侧壁部分可以沿着线波导的长度的至少部分包括以相对于线波导的顶表面的锐角(即，小于90°的角度)从线波导的顶边缘延伸的一个或多个平面上部以及以相对于线波导的底表面的锐角从线波导的底边缘延伸的一个或多个平面下部，上部和下部在线波导的中间水平面处相接。多平面上部和下部可以沿着波导的长度发生(例如，作为在宽度方面减小的波导的结果)。与结晶平面一致的个体侧壁部分可以各自是原子级平滑的。波导壁的表面粗糙度(例如，在根均方粗糙度方面所测量的，其是表面位置的标准偏差)可以是亚纳米，这提供在标准操作波长处的光学平滑的侧壁(其大约一微米)。在一个实施例中，线波导沿着具有小于0.5μm的宽度的波导的至少部分具有跨操作波长范围(例如，从1200nm到1400nm的范围)的小于-40dB/mm的回损。

集成光学结构还可以包括被形成在线波导之上并且平行于线波导的半导体器件层中的脊形波导，并且脊形波导可以在沿着脊形波导的长度(或者轴)的与线波导相同方向上在宽度和/或高度方面被渐小。此外，在渐小的线波导的窄端处，由不同的材料制成的第二波导可以被布置在线波导上面或者下面(可选地利用线波导与第二波导之间的覆盖层)，线波导和第二波导一起形成波导模式转换器。在各个实施例中，线波导材料的折射率大于第二波导的材料的折射率。例如，线波导可以由硅制成，并且第二波导由氮化硅制成。

在另一方面中，可以提供一种包括光模转换器的PIC。光模转换器可以包括由第一材料制成并且朝向一端渐小的第一波导以及由第二材料制成的第二波导，第二波导在渐小端处被布置在第一波导上面或者下面，第一材料的折射率大于第二材料的折射率。第一波导是具有顶表面和侧壁的线波导，侧壁沿着线波导的长度的至少部分未横向延伸超过线波导的顶表面并且基本上由与线波导的结晶平面一致的侧壁部分组成。线波导可以被形成在绝缘体上硅衬底的硅器件层中，并且第二波导可以被形成在被布置在硅器件层上面的氮化硅层中(硅和氮化硅层可选地由覆盖层分离)。PIC还可以包括耦合到第二波导的氮化硅光栅耦合器以及耦合到线波导的一个或多个硅器件。

在又一方面中，本公开涉及一种制造集成光学结构的方法。方法包含在绝缘体上半导体衬底的半导体器件层上面创建线波导蚀刻掩模，将掩模化的半导体器件层向下干式蚀刻到衬底的绝缘体层以形成具有暴露侧壁的半导体线波导，并且结晶地湿式蚀刻半导体线波导以使暴露侧壁平滑，蚀刻被固定在衬底的绝缘体层与线波导掩模之间。对于结晶湿式蚀刻而言，可以使用具有至少20的蚀刻速率比的各向异性蚀刻剂。蚀刻剂可以例如包括四甲基氢氧化铵。方法还可以包括在创建线波导蚀刻掩模之前，在半导体器件层上面创建脊形波导蚀刻掩模并且部分地蚀刻半导体器件层以形成半导体脊形波导，其中半导体线波导被形成至少部分在脊形波导下面运行。脊形波导蚀刻掩模和线波导蚀刻掩模可以二者被渐小以便导致半导体脊形波导和半导体线波导在共同方向上的渐小。在一些实施例中，半导体脊形波导被垂直地向下减小到消失。半导体器件层和半导体线波导可以由硅制成，并且氮化硅波导还可以被创建在硅线波导上面，将氮化硅层沉积在顶硅层上面，并且图案化和蚀刻氮化硅层。

附图说明

特别地，当结合附图理解时，将从各个示例实施例的以下详细描述更容易地理解前述内容，其中：

图1A是根据各个实施例的被实现在绝缘体上半导体衬底中的示例线波导的示意性横截面图。

图1B是图1A的线波导的放大详细视图。

图2A示出了硅晶体晶格的单位晶胞。

图2B图示了根据各个实施例的示例(100)SOI晶圆的俯视图中的各个晶体方向。

图2C图示了根据各个实施例的在[110]方向上定向的示例线波导的横截面图中的各个晶体方向。

图3A和图3B分别地是根据各个实施例的模式转换器的俯视图和截面侧视图。

图3C至图3H是图3A和图3B中所示的模式转换器的沿着波导轴的各个位置处的横截面图。

图4是根据各个实施例的包括输入/输出耦合器和模式转换器的示例PIC的俯视图。

图5是根据各个实施例的制造包括线波导的模式转换器的方法的流程图。

图6A至图6M是图5的制造方法的各个阶段处的光学结构的横截面图。

具体实施方式

在各个实施例中，本公开涉及被实现在绝缘体上半导体衬底上的集成光学结构，在此被理解为包括被布置在电绝缘介电层之上的半导体层的分层衬底，其进而通常被布置在用作机械基础层或者“柄(handle)”的另一半导体层上。光学结构至少部分地被形成在顶半导体层中，其因此还被称为“半导体器件层”。在SOI衬底中，柄和半导体器件层由硅制成，并且绝缘体层常常由二氧化硅制成。备选绝，缘体上半导体衬底可以使用例如锗、硅锗或者化合物半导体，诸如用于半导体器件层的III-V材料(例如，砷化镓或者磷化铟)。附加的材料层或者器件部件(诸如电介质覆盖层)、一个或多个进一步的半导体部件和/或用于电气连接的金属触头可以被布置在半导体器件层上面。在缺乏覆盖层的情况下，空气用作覆盖层。在此所描述的某些实施例包括形成在SOI衬底中的硅波导，在一些实例中结合被布置在硅波导上面的氮化硅波导。然而，在此所讨论的原理、结构特征和制造步骤通常还适用于受给定应用的任何需要或者偏好影响的其他材料和材料组合。例如，取代绝缘体上半导体衬底的半导体器件层中的波导，如在以下中所描述的半导体(例如，磷化铟)波导可以随着半导体(例如，磷化铟)衬底上的一个或多个中间外延层而被成长；在这种情况下，代替绝缘体上半导体衬底的绝缘体层使用的(一个或多个)外延层用作停止层。

图1A和图1B图示了根据各个实施例的示意性横截面图中的线波导100。在此“线波导”表示直接地坐落在半导体器件层下面的绝缘体层之上的波导，其中该波导被形成——如与例如脊形波导相区分，其坐落在脊形波导由其制成的相同半导体材料的中间层或者平板上。线波导通过将衬底的半导体器件层一直向下蚀刻到绝缘体层而被创建，然而脊形波导可以起因于半导体器件层的部分蚀刻。图1A示出了由被布置在绝缘体层102上的半导体材料(在此由截面线指示)制成的线波导100，其自身被布置在半导体(例如，硅)柄104(仅部分地示出)上。在所示的衬底的部分中，除了形成线波导100的材料之外，半导体器件层被完全地移除。线波导100具有平面的顶表面106和底表面108(底表面108被形成在与绝缘体层102的接口处)、以及各自由两个平面部分形成的侧壁110、112。

如图1B所示，在放大详细视图中，侧壁110、112具有以相对于顶表面106的相应锐角118从顶边缘116(对应于横截面图中的角)延伸的上部114。类似地，侧壁110、112的下部120以相对于底表面108的相应锐角124从底边缘122延伸(在所描绘的实施例中，角118、124全部具有相同大小)。上侧壁部分114和下侧壁部分120在中间水平面126(由虚线所指示的)处在线波导100的高度近似地一半处相接，形成可以被描述为“沙漏”形状的东西。如下面更详细地描述的，该形状可以通过结晶地蚀刻初始地直垂直侧壁而被实现，其中材料被移除以形成与结晶平面一致的侧壁部分114、120。

如由本领域的普通技术人员将理解到，沿着其长度(即，在垂直于附图的平面的方向上)的线波导100的宽度中的变化引起通常地导致沿着线波导100的长度的多个平面上侧壁部分114和下侧壁部分120的不连续性。例如，如在各个实施例中所使用的线波导100的宽度锥形可以起因于在厚度方面各自近似原子层的许多不连续性。这些不连续性形成个体的平面上侧壁部分114和下侧壁部分120的边界。换句话说，以其整体的侧壁各自与用于上部分的单个结晶平面和用于下部分的单个结晶平面不一致；然而，在恒定宽度的每个波导段内，对应的上侧壁部分114和下侧壁部分120与相应的结晶平面一致。单独的侧壁部分倾向于由于其与结晶平面的一致性而被原子级平滑，并且沿着起因于不连续性的锥形的长度的残余表面粗糙度(例如，根均方粗糙度)大约单个原子层厚度。因此，甚至在渐小的区域中，侧壁的表面粗糙度比随着标准光刻法和干式蚀刻过程发生的粗糙度的自然变化小得多。在各个实施例中，线波导100的侧壁具有亚纳米范围中的表面粗糙度，其小于引导光的波长的数量级(其可以是例如1300nm或1550nm，这取决于应用)；在该意义上，侧壁是光学平滑的。有益地，不仅侧壁的平滑度提供低散射损耗，而且侧壁未横向地延伸超过(并且实际上形成小于其的腰部)线波导的定义宽度，其减少截面面积。

图2A示出了由平移向量

横跨的硅晶体晶格的单位晶胞200。如可以看到，单晶硅具有菱形立方体晶体结构，也即，其利用与在坐标(0,0,0)和(1/4,1/4,1/4)处的fcc晶格的每个晶格点相关联的两个原子的基础而形成面心立方(fcc)晶格(以平移向量

的倍数表达并且相对于相应的晶格点取得)。晶体方向使用基础向量用作平移向量

在向量分量注释被直接地表达；晶体方向通常通过密封方括号中的向量分量来注释，并且通过对称性等效的方向族以尖括号(“<>”)被注释。对于立方晶格而言，平移向量

还可以用作具有其晶格内的单位晶胞200的角中的一个处的原点的笛卡儿坐标系的标准基础向量。晶面通常由米勒指数来表征，其是相应平面与晶体轴的截距的倒数(其沿着平移向量

延伸通过原点)，标准化以形成整数的三元组；米勒指数通常被封闭在括号内，并且通过对称性等效的平面族在大括号中被注释。负值由相应指数上面的条来指示。对于立方晶格而言，给定平面的米勒指数也是垂直于该平面的结晶方向的向量分量。例如，(100)平面垂直于[100]方向。

硅和SOI晶圆在其宏观特征(诸如其顶表面106，并且如果适用的话，否则圆形晶圆的分段被切断沿着的“平坦的”)相对于硅晶体定向的不同的定向上出现。图2B示出了例如俯视图中的(100)SOI晶圆220。在(100)SOI晶圆220中，硅器件层的法线(即，硅器件层的顶表面106和底表面108的法线)在[100]方向上。被覆盖到晶圆形状上，图2B还示出了晶圆220的平面内的各个晶体方向(例如，[010]、[001]等)。为了物理地区分晶体方向，晶圆220可以利用其周长中的平坦或者凹口而被标记。例如，在图2B中示出的凹口222指示周长与和

方向对齐的晶圆220的半径的交点。

在一些实施例中，(100)SOI晶圆220内的线波导在[011]或

方向上被定向；因此，其截面(垂直于波导轴)分别地平行于(011)和

晶体平面。图2C示出了在[011]方向上定向的线波导240。这样的线波导240的直垂直侧壁242(用虚线指示)将对应于平行于

晶体平面的平面。如果这些壁还利用各向异性蚀刻剂而被蚀刻，然而，蚀刻剂移除材料直到其到达{111}族内的第一平面，并且然后减慢或者停止蚀刻，因为{111}平面比其他晶体平面更密集。因此，利用各向异性蚀刻，创建{111}族中的表面。如果蚀刻被“固定”在线波导240的顶表面106与底表面108之间(例如，借助于对应用到顶部的蚀刻剂有抵抗的掩模层)，蚀刻将从底表面108向上并且从顶表面106向下同时地进行，这导致上侧壁部分114和下侧壁部分120在中间平面126处相接，如在图1B中所描绘的。侧壁部分114、120与顶表面106和底表面108之间的角118、124分别地是(111)结晶平面与(100)结晶平面之间的角，其是54.7°。SOI晶圆220和/或线波导240相对于晶体方向的不同的定向或者具有不同的晶体结构的材料的使用可以导致侧壁部分114、120的不同角度118、124。

如上文所描述的，线波导100、240可以找到各种应用中的使用。例如，在具有不同的相应的折射指数的不同的材料的波导(例如，硅和氮化硅)之间耦合光的模式转换器中，具有较高的折射指数的波导可以在耦合区域中被渐小以匹配另一波导的有效折射指数，并且为了实现低截面同时避免锥形的窄端处的过度的散射损耗并且维持好的相位相干性，渐小的波导可以采取具有向内倾斜以形成比波导宽度更窄的腰部的原子级平滑侧壁的线波导100、240的形状。模式转换器可以被用作FIR滤波器的(一个或多个)延迟臂内的子部件(例如，单延迟滤波器(诸如非对称马赫曾德干涉仪)、或者多延迟滤波器(诸如晶格滤波器或者阵列波导光栅(AWG)))，其允许(一个或多个)延迟以完全地被实现在氮化硅(或者具有低温度灵敏度的另一材料)中，以致使滤波器光谱温度不灵敏。在这种情况下，模式转换器可以将光从(一个或多个)氮化硅延迟截面传送到波导的温度灵敏截面，其可以在跨干涉仪臂的长度方面保持相等，使得其温度依赖性未使得光谱随着周围温度移动。备选地，所有干涉仪臂可以包括硅截面和氮化硅截面二者，其长度可以以这样的方式在干涉仪臂之间不同：滤波器的总体温度灵敏度(考虑到氮化硅的较小的但是非零的灵敏度)进一步被减小。类似原理可以被应用到不同的偏振灵敏度的波导(使用模式转换器在其之间传送光)来制造偏振灵敏滤波器。各种这些应用视好的相位相干性而定。

在模式转换器的范围之外，如在此所描述的线波导100、240可以被使用，例如在任何器件的弯曲部分中以减少器件的占用面积。作为另一示例，干涉波长锁装置可以利用不同的宽度的两个波导作为干涉仪臂，通过使用在一个臂中的脊形波导和在另一臂中的线波导100、240实现不同的宽度。又一应用涉及将线波导层用作PIC中的光栅耦合器层。

图3A和图3B分别是根据各个实施例的模式转换器300的俯视图和截面侧视图；视图被对齐以使波导宽度和沿着波导的长度的波导的垂直结构相关。进一步地，图3C至图3H示出了垂直于沿着波导的长度的各个位置处的波导轴取得的模式转换器300的截面。图3B至图3H中的截面侧视图和横截面图还示出了绝缘体层102和在其中模式转换器300被形成的衬底的半导体柄104的部分。

模式转换器300包括线波导302、顶波导304以及脊形波导306。被投影到晶圆220的平面中(如在图3A中所描绘的)，三个波导302、304、306沿着共同轴308被对齐，并且线波导302与脊形波导306在一端并且与顶波导304在另一端重叠。因此，线波导302充当脊形波导306与可以将光从一个耦合到另一个的顶波导304之间的桥接。线波导302直接地在脊形波导306下面运行，并且利用脊形波导306形成集成结构。线波导302和脊形波导306由第一半导体材料制成，并且顶波导304由具有较低的折射指数的第二不同的电介质或者半导体材料制成。在某些实施例中，线波导302和脊形波导306是例如硅波导，其具有在光学和红外线体制中大约3.4的折射指数，并且顶波导304由氮化硅制成，其折射指数是大约2.0。顶波导304的备选材料包括例如五氧化二钽(还具有大约2.0的折射指数)和二氧化钛。如所示出的，线波导302和顶波导304可以由电介质覆盖层310的中间层垂直地分离。然而，顶波导304直接地坐落在重叠区域中的线波导302之上并且与其接触的实施例也是可想象的。如果电介质覆盖层310存在，则其折射指数小于顶波导304的折射指数。常用覆盖层材料是例如二氧化硅，其具有大约1.4的折射指数。

参考图3A至图3C，脊形波导306通常起因于仅部分地蚀刻SOI衬底的半导体器件层，留下脊形波导306从其延伸的半导体材料的平板312。线波导302通过将半导体器件层一直向下蚀刻到绝缘体层102而被形成在该平板312内，仅留下在脊形波导306下运行的半导体材料的条带(条带比脊形波导306自身更宽)，如例如在图3D中所图示的。脊形波导306可以在重叠线波导302的区域和/或立即地先前的区域中的宽度(如在图3A中所示)和/或高度(如在图3B中所示)方面被渐小；在一些实施例中，脊形波导306在重叠区域中渐小到消失(在点314处)。脊形波导锥形还以在图3C至图3F中所描绘的截面的顺序被图示，其中图3C至图3F示出了具有逐渐地减小的宽度和高度的脊形波导306，并且图3F描绘了超过消失点的截面，其中脊形波导306已经完全地消失。

线波导302可以同样地被渐小(在宽度方面)，如在图3A和图3D至图3G中所示出的，并且该锥形沿着波导的长度(或者换句话说，沿着轴308)在与类型波导锥形相同的方向上，使得线波导302和脊形波导306的截面面积在相同的方向上减小。渐小线波导302延伸经过脊形波导306的消失点314。在其中线波导302的截面已经变得非常小的区域中(图3G)，顶波导304开始。在某一时刻(点316)，线波导302停止，仅留下顶波导304。在线波导302与顶波导304之间的重叠区域中，在线波导302中行进的光从线波导302中“排出”并且进入上面的顶波导304中。线波导302的减少的截面面积(与顶波导304的截面面积相比较)用于匹配用于有效耦合的重叠区域中的两个波导的有效折射指数(或者至少减小有效折射指数差异)。顶波导304可以具有恒定的宽度和高度，如在图3A、图3B、图3G和图3H中所示，或者可以备选地被渐小。如果被渐小，则顶波导304的宽度和/或高度可以在其中脊形波导306和线波导302的宽度和/或高度减小的方向上增加。如上文所讨论的，模式转换器300可以用在各种应用中，例如，结合在图4中如下文所描述的PIC的输入输出耦合器，或者在使用用于一个波导臂的硅和用于另一个的氮化硅的AWG中，以便利用用于经改进的波长稳定性的氮化硅的较低的温度灵敏度。

图4在俯视图中示出了根据各个实施例的如上文所描述的利用模式转换器300的示例PIC 400的一部分。PIC 400包括输入/输出耦合器(或者“收发器”)402，其用于从在芯片外源接收输入光学信号和/或用于在芯片外路由输出光学信号。输入/输出耦合器402具有两个PIC侧输入波导406、408，并且可以被实现为由氮化硅制成的光栅耦合器，或者具有比硅更低的折射指数的某种其他材料。与硅相比较，氮化硅可以具有更低的光学损耗，并且是不太温度灵敏的，这允许基于氮化硅的输入/输出耦合器402跨更宽的温度范围更可靠地操作。然而，对于PIC 400中的大多数其他(或者全部)其他器件而言，通常使用硅。有益地，基于硅的PIC 400虑及光学部件和电子部件的无缝集成以及具有有效磷化铟部件的集成(同时还使用硅衬底)，并且提供低传播损耗以及高限制以及实现波长的温度调谐的折射指数变化的可再现的大温度系数。为了在基于氮化硅的光栅耦合器(实现输入/输出耦合器402)与PIC 400的主要地基于硅的剩余部分之间耦合光，由类似输入/输出耦合器402的氮化硅制成的两个输入波导406、408经由模式转换器300被耦合到两个相应的硅波导410、412。硅波导410、412可以是脊形波导306，其可以在相应的模式转换器300的区域中各自被渐小，将光耦合到被形成在下面的线波导302中，光从其然后被耦合到顶波导304中。

在线波导302的渐小区域中，如在此所描述的(例如，关于图1B)，平滑侧壁防止高水平的回损(由于散射)，其可能以其他方式结合小截面面积中的光模的限制由高表面粗糙度造成。利用被操作为输出耦合器的输入/输出耦合器402，这样的回损将不仅减少被耦合到氮化硅波导中的光的量，并且因此，最终地由输出耦合器402传送，而且反向散射光可以干扰PIC 400中的其他设备的操作，特别地激光器或者包含有效介质的其他设备，其中反向散射光将被放大。因此，具有原子级平滑的侧壁的线波导302(借助于与结晶平面一致)可以提供显著的性能改进。

波导中的前向传播光模与后向传播光模之间的功率耦合通常与表面变化成正比(即，标准偏差平方)(参见例如F.Ladouceur和L.Poladian的“Surface roughness andbackscattering,”Optics Letters,第21卷第22期，1996年11月15日)。进一步地，光模的直径越小，光模对于表面粗糙度而言越灵敏。在根据各个实施例的光模转换器中，其中沿着波导锥形的模直径可以变为与例如250nm一样小，起因于传统制造过程的表面粗糙度倾向于引起有问题地高回损。在一些实施例中，根据此的线波导的侧壁平滑可以将回损减少大约10dB。在一个实施例中，包括具有平滑侧壁的线波导的模式转换器具有总体回损，这解释沿着壁的反向散射和跨从1260nm到1360nm的操作波长范围的小于-30dB的锥形的尖端处的反射二者。在一些实施例中，作为根据此的侧壁平滑的结果，具有小于0.5μm的宽度的线波导(如可以可用于实现强模限制)可以实现小于-40dB/mm的波导的每单位长度的回损。

现在结合图6A至图6M的横截面图参考图5的流程图，将描述制造包括具有平滑侧壁和不超过波导的定义宽度的最小宽度的线波导100、302的模式转换器300的方法500。图6B至图6M图示了在制造过程的各阶段处产生的光学结果，每个示出沿着对应于图3C、图3D、图3G和图3H的最后结构的波导轴308的不同的截面。出于特殊性的缘故，讨论将聚焦于硅/氮化硅模式转换器300。然而，本领域的技术人员将知道如何实现用于其他材料组合的方法500。进一步地，虽然根据此创建线波导100、302将在制造模式转换器300的上下文中被描述，但是对于本领域的普通技术人员将容易明显的是如何修改方法500(例如，通过省略一些步骤和/或添加其他步骤)以结合除模式转换器300之外的集成光学结构或者作为其一部分实现线波导100。

方法500的开始点502是(在图6A中所示的)SOI衬底600。在一些实施例中，衬底600的硅器件层602是500nm厚并且被布置在大约1000nm与1200nm厚之间的二氧化硅层604之上。厚得多的硅柄606(具有例如大约0.725mm的厚度)仅部分地被示出，并且从图6B至图6M被省略。为了创建硅器件层602中的脊形波导306，例如氮化硅的硬掩模层608被沉积在图6B中所示的硅器件层602之上(动作504)，并且光刻法图案化并且蚀刻(例如，以本领域已知的方式)以形成脊形波导蚀刻掩模610(动作506)，如在图6C中所示。脊形沟槽蚀刻可以然后被用于部分地蚀刻硅器件层602从而形成脊形波导306(动作508)，如在图6D中所示。

跟随脊形波导306的创建，(在图6E中所示的)二氧化硅盖层612或者其他材料层可以被沉积(动作510)并且被光刻法图案化并且蚀刻(动作512)以形成线波导蚀刻掩模614，如在图6F中所示。掩模化的半导体器件层602(现在已经包括脊形波导306)可以然后向下干式蚀刻(例如，以本领域中已知的方式)到二氧化硅层604以形成具有暴露侧壁的线波导616(动作514)，如在图6G中所示。侧壁是初始地直的垂直壁。在以下结晶湿式蚀刻期间(动作516)，然而，三角形底切被创建并且侧壁同时被平滑，这导致上文所描述并且在图6H中所示的沙漏状线波导302。对于湿式蚀刻而言，使用各向异性蚀刻剂(诸如，例如四甲基氢氧化铵(TMAH))。该蚀刻剂优选地利用超过100:1的选择性(即，<100>方向中的蚀刻速率相对于<111>方向中的蚀刻速率的比)沿着晶体方向的<100>族进行蚀刻。备选蚀刻剂可以具有至少50:1的蚀刻速率比，并且包括例如氢氧化铵，以及氢氧化钾。一般来说，蚀刻剂的选择至少部分地取决于待蚀刻的半导体材料。如果半导体器件层和线波导302例如由化合物半导体而不是硅制成，则盐酸盐可以是更适合的各向异性蚀刻剂。在任何情况下，根据此，结晶湿式蚀刻被固定在线波导掩模614与二氧化硅绝缘体层604之间，其二者对于蚀刻剂而言在化学上有抵抗。线波导掩模614保护线波导302的顶表面106，并且因此，线波导302未向下蚀刻到梯形截面形状，但是保持其高度并且假定关于中间平面126对称的形状(如参考图1B详细描述的)。

跟随创建线波导302并且使其侧壁平滑，PIC可以利用电介质(例如，氧化物、聚合物或者通常具有比顶波导304更低的折射指数的任何介电材料)填充物(在图6I中所示的)而被平面化，跟随有将填充电介质618向下移除(例如，通过化学机械抛光)到脊形波导306的顶表面620(在图6J中所示的)(动作518)。盖氧化物层622(在图6K中所示的)可以然后被沉积(动作520)。最后，为了形成完成模式转换器300的氮化硅顶波导304，氮化硅层624(在图6L中所示的)被沉积在盖氧化物层622之上(动作522)并且然后被图案化并且被蚀刻以仅留下顶波导304(在图6M中所示的)(动作524)。

虽然在图3A至图3H中所描绘的模式转换器300具有被布置在作为顶波导304的线波导302上面的低指数(氮化硅)波导，但是也可能的是，在备选实施例中，将高指数(例如，硅)线波导布置在第二低指数波导上面。例如，氮化硅波导可以被嵌入在二氧化硅层中，并且硅线波导可以被创建在被布置在该二氧化硅层之上的硅器件层中。可以通过在硅衬底上形成二氧化硅层、将氮化硅层沉积在二氧化硅层之上并且然后充满另一层二氧化硅，来创建嵌入式氮化硅波导。对于得到的顶二氧化硅层，SOI衬底可以然后将顶面向下结合，并且SOI衬底的硅柄和绝缘体层可以随后地被移除以使硅器件层暴露。具有嵌入式氮化硅波导的结果的硅上二氧化硅衬底可以然后根据方法500的动作504-516(并且可选地518、520)进一步被处理以创建具有平滑侧壁的硅线波导。作为又一变型，在一些实施例中，较低指数波导可以对较高指数线波导进行封装，使得波导从高指数波导的顶表面和侧表面处接触。平滑线波导还可以找到用于边缘耦合的模式转换器中的使用，其中在硅线波导下面的氧化物被蚀刻掉，留下悬挂式线锥形，其对于表面粗糙度而言高度灵敏。本领域的普通技术人员可以想到还利用上文所讨论的原理创建具有平滑侧壁的线波导的进一步的结构变型。

虽然已经参考特定示例实施例描述了实施例，但是将明显的是，在不脱离本公开的较宽范围的情况下，可以对这些实施例做出各种修改和改变。因此，说明书和附图将被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (19)

1.一种集成光学结构，包括：

绝缘体上半导体衬底，其包括半导体器件层；

线波导，其被形成在所述半导体器件层中，所述线波导具有顶表面和侧壁并且包括在宽度方面朝向窄端减小的渐小的区域；以及

第二波导，其被布置在所述线波导在所述窄端处的所述渐小的区域上面或者下面，所述第二波导由与所述线波导不同的材料制成，并且所述第二波导和所述线波导一起形成光模转换器，

其中所述侧壁在所述渐小的区域中沿着所述线波导的长度未横向延伸超过所述线波导的所述顶表面，并且所述侧壁由与所述线波导的晶面一致的侧壁部分组成，以及

其中沿着所述线波导的、具有小于0.5μm的宽度的所述渐小的区域的一部分，回损跨操作波长范围小于-40dB/mm。

2.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述侧壁部分在所述渐小的区域中沿着所述线波导的所述长度包括一个或多个平面上部以及一个或多个平面下部，所述一个或多个平面上部以相对于所述线波导的所述顶表面的锐角从所述线波导的顶边缘延伸，所述一个或多个平面下部以相对于所述线波导的底表面的锐角从所述线波导的底边缘延伸，所述上部和所述下部在所述线波导的中间水平面处相接。

3.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述侧壁在所述渐小的区域中沿着所述长度具有亚纳米表面粗糙度。

4.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述衬底是绝缘体上硅衬底。

5.根据权利要求1所述的集成光学结构，还包括脊形波导，所述脊形波导被形成在所述线波导之上并且平行于所述线波导的所述半导体器件层中，所述脊形波导沿着所述脊形波导的长度在与所述线波导相同的方向上在宽度和高度中的至少一个方面被渐小。

6.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述线波导的材料的折射率大于所述第二波导的所述材料的折射率。

7.根据权利要求6所述的集成光学结构，其中所述线波导由硅制成，并且所述第二波导由氮化硅制成。

8.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述侧壁部分是原子级平滑的。

9.一种光子集成电路(PIC)，包括：

光模转换器，其包括由第一材料制成并且朝向一端被渐小的第一波导以及由第二材料制成的第二波导，所述第二波导被布置在渐小的所述端处并且在所述第一波导上面或者下面，所述第一材料的折射率大于所述第二材料的折射率，

其中所述第一波导是具有顶表面和侧壁的线波导，并且其中所述侧壁在渐小的所述端处沿着所述线波导的长度的至少部分未横向延伸超过所述顶表面，并且所述侧壁由与所述线波导的晶面一致的侧壁部分组成。

10.根据权利要求9所述的光子集成电路，其中所述线波导被形成在绝缘体上硅衬底的硅器件层中，并且所述第二波导被形成在被布置在所述硅器件层上面的氮化硅层中，所述PIC还包括被耦合到所述第二波导的氮化硅光栅耦合器以及被耦合到所述线波导的一个或多个硅器件。

11.根据权利要求9所述的光子集成电路，其中所述侧壁部分沿着所述线波导的所述长度的至少所述部分包括：一个或多个平面上部以及一个或多个平面下部，所述一个或多个平面上部以相对于所述线波导的所述顶表面的锐角从所述线波导的顶边缘延伸，所述一个或多个平面下部以相对于所述线波导的底表面的锐角从所述线波导的底边缘延伸，所述上部和所述下部在所述线波导的中间水平面处相接。

12.根据权利要求9所述的光子集成电路，其中所述侧壁沿着所述线波导的所述长度的至少所述部分具有亚纳米表面粗糙度。

13.根据权利要求10所述的光子集成电路，还包括脊形波导，所述脊形波导被形成在所述线波导之上并且平行于所述线波导的所述硅器件层中，所述脊形波导沿着所述脊形波导的长度在与所述线波导相同的方向上在宽度和高度中的至少一个方面被渐小。

14.一种制造集成光学结构的方法，所述方法包括：

在绝缘体上半导体衬底的硅器件层上面创建线波导蚀刻掩模；

将掩模化的所述硅器件层向下干式蚀刻到所述衬底的绝缘体层，以形成具有暴露侧壁的硅线波导；

结晶地湿式蚀刻所述硅线波导，以使所述暴露侧壁平滑，所述蚀刻被固定在所述衬底的所述绝缘体层与所述线波导掩模之间；以及

通过将氮化硅层沉积在顶硅层上面并且图案化和蚀刻所述氮化硅层，在所述硅线波导上面创建氮化硅波导。

15.根据权利要求14所述的方法，其中具有至少20的蚀刻速率比的各向异性蚀刻剂被用于所述结晶地湿式蚀刻。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述蚀刻剂包括四甲基氢氧化铵。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括：在创建所述线波导蚀刻掩模之前，在所述硅器件层上面创建脊形波导蚀刻掩模并且部分地蚀刻所述硅器件层以形成半导体脊形波导，其中所述硅线波导被形成使得至少部分地在所述脊形波导下面运行。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述脊形波导蚀刻掩模和所述线波导蚀刻掩模二者被渐小，以便导致所述半导体脊形波导和所述硅线波导在共同方向上的渐小。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述半导体脊形波导垂直地向下被渐小到消失。

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