CN111048533A - 包括光电元件的集成电路器件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种集成电路(IC)器件，其包括光学IC衬底、位于所述光学IC衬底内部的局部沟槽和光电元件，所述光电元件包括掩埋在所述局部沟槽内部的光电转换层。所述光电转换层掩埋在所述光学IC衬底中的所述局部沟槽内部以形成所述光电元件。因此，所述IC器件可以抑制所述光学IC衬底的翘曲。

Description

包括光电元件的集成电路器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年10月10日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0120610的权益，其公开内容通过引用整体地并入本文。
技术领域
本发明构思涉及集成电路(IC)器件，并且更具体地，涉及包括被实现在光学IC衬底上的光电元件(或光电器件)的IC器件。
背景技术
为了满足对小型高速电子器件的需求，IC器件可以包括用于发送光信号的光电元件。光电元件可以包括在光学IC衬底上被形成到预定厚度的光电转换层或包覆层。当光电转换层或包覆层在光学IC衬底上被形成到预定厚度时，IC器件可能在光学IC衬底在制造过程期间或之后翘曲的情况下遭受翘曲现象。
发明内容
本发明构思提供一种集成电路(IC)器件，所述IC器件包括可以减小光学IC衬底和器件的翘曲并且不易受光学IC衬底和器件的翘曲影响的光电器件。
根据本发明构思的一个方面，提供了一种IC器件，所述IC器件包括光学IC衬底、位于所述光学IC衬底内部的局部沟槽以及光电元件(或器件)，所述光电元件(或器件)包括掩埋在所述局部沟槽内部的光电转换层。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种IC器件，所述IC器件包括光学IC衬底、位于所述光学IC衬底内部的局部沟槽、掩埋在所述局部沟槽中的掩埋绝缘层以及光电元件，所述光电元件包括形成在所述掩埋绝缘层内的光电转换层，所述光电转换层通过所述掩埋绝缘层电绝缘。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种IC器件，所述IC器件包括：光学IC衬底；局部沟槽，所述局部沟槽形成在所述光学IC衬底中；光电元件，所述光电元件包括掩埋在所述局部沟槽中的光电转换层；以及光波导层，所述光波导层光耦合到所述光电转换层。
附图说明
根据以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明构思的实施例，在附图中：
图1是根据实施例的集成电路(IC)器件的俯视图；
图2是根据实施例的光电元件的横截面图；
图3A至图3C是根据各种实施例的图1和图2的光波导层的透视图；
图4是根据实施例的光电元件的横截面图；
图5是根据实施例的光电元件的横截面图；
图6是根据实施例的光电元件的横截面图；
图7是根据实施例的光电元件的横截面图；
图8是根据实施例的光电元件的横截面图；
图9是根据实施例的光电元件的横截面图；
图10至图13是光波导层与可以在本文描述的IC器件实施例中实现的光电转换层之间的光耦合关系的横截面图；
图14是根据实施例的图12的光耦合器的横截面图；
图15是根据实施例的IC器件的俯视图；
图16是根据实施例的包括IC器件的IC系统的图；以及
图17是根据实施例的包括IC器件的计算系统的框图。
具体实施方式
图1是根据实施例的集成电路(IC)器件1000的俯视图。
具体地，IC器件1000可以包括光学IC衬底100、光学器件(OD)390和光接口400。
OD 390可以形成在光学IC衬底100上。光学IC衬底100可以是绝缘体上硅(SOI)衬底或体硅衬底。OD 390可以包括光电元件(还称为光电器件)300。光电元件300可以包括光电转换元件(还称为光电转换器件)。光电元件300可以包括光电检测器。光电元件300可以是光电二极管(PD)。光学器件390可以包括电光元件380或电光转换元件。电光元件380可以是激光二极管(LD)。
图1示出了光电元件300和电光元件380都被集成在光学IC衬底100上的情况。然而，电光元件380可以未被集成在光学IC衬底100上，而是可以形成在单独的衬底上并且与单独的模块或系统形成在一起。
光接口400可以形成在光学IC衬底100的一个面上(例如，形成在光学IC衬底100的有源表面上)。光接口400可以光耦合到光学IC衬底100。光接口400可以光耦合到形成在光学IC衬底100上的光波导层104。光波导层104可以是这样的层，即，在此层中形成有一个或更多个波导WG，以提供发送光(或光信号)所经过的一条或更多条路径。尽管OD 390和光波导层104在图1中被示为分开的，然而光波导层104还可以形成在OD 390中。光接口400可以是被配置为物理上且光学上连接到一个或更多个光纤404的光连接器。尽管光接口400在图1中被示为在光学IC衬底100上，然而光接口400可以被定位为与光学IC衬底100接触或分离。
IC器件1000还可以包括可以形成在光学IC衬底100上的电子IC器件(EICD)200。EICD 200可以位于光学IC衬底100上与OD 390间隔开的位置处。
光学IC还可以包括电接口500，在一些示例中，电接口500可以安装在光学IC衬底100的另一面上。电接口500可以通过布线(例如，作为IC器件1000的一部分而形成的导电金属线)耦合到EICD 200。图1示出了连接到电接口500并在电接口500处端接的接口互连线503(例如，布线)。接口互连线503中的至少一条可以通过第一电路互连线103连接到EICD200。电接口500可以包括常规的半导体器件端子，诸如芯片焊盘、TSV(贯穿衬底通孔)、形成球栅阵列(BGA)的导电凸块(例如，焊球或焊料柱等)等。OD 390可以通过第二电路互连线103(例如，诸如导电金属线的布线)电耦合到EICD 200。电接口500可以位于光学IC衬底100上方和IC器件1000的有源表面的一部分上方，或者可以位于IC器件1000的背面(与有源表面的面相反)上并且可以与光学IC衬底接触。应当明白的是，接口互连线503和光纤404可以连接到IC器件1000，然而图1中所示的其他元件可以整体地形成为IC器件1000的一部分。当IC器件1000被具体实现为半导体芯片(例如，与其他IC器件1000一起形成在晶片上并从晶片切割(单分出来))时，电路互连线103、EICD 200、光学器件390和光波导—包括光波导层(WG)104—可以整体地形成为半导体芯片的元件并且与半导体芯片的其他电/光电路元件整体地形成在一起。光接口400和电接口500的全部或部分也可以被形成为这种半导体芯片的一部分。例如，光接口400和电接口500分别可以是被配置为分别连接到外部信号传输线(诸如互连线503和光纤404)的电端子(诸如芯片焊盘)和光学端子(诸如波导的端部，例如，光波导层(WG)104的图案化元件的端部)。在下文中，将描述OD 390、光接口400、EICD 200和电接口500之间的信号传输关系。应当明白的是，虽然本说明书涉及一个信号的信号路径，但是这仅用于说明的目的，并且可以通过IC器件1000形成多个信号路径(以及因此多个电及光学传输元件和转换元件)以同时地(例如，并行地)操作来发送多个信号(即，可以在IC器件1000内重复图1的OD 390、EICD 200、电路互连线103和波导以在光接口400与电接口500之间提供多个信号路径)。
通过连接到电接口500的接口互连线503发送的电信号可以由EICD 200和OD 390通过电路互连线103接收。当OD 390是电光元件380(例如，LD器件)时，光信号可以由OD 390响应于所接收到的电信号而生成并且被发送到连接到光纤404的外部器件(从OD 390通过光波导层104(作为光波导的芯层)和连接到光接口400的光纤404)。在OD 390与光接口400之间延伸的光波导层104的各部分可以形成一个或更多个光波导的芯，其中光波导的包覆层(cladding)包围光波导的芯。IC器件1000内的光波导可以按照各种配置而形成并且在光接口400与LD 380和PD 300中的一个或两个之间提供光信号路径。
由光纤404通过光接口400接收的光信号可以通过光波导层104传输到OD 390(例如，光电元件300)。光信号可以由光电元件300转换成电信号，并且电信号可以从EICD 200并经由电接口500和互连线503传输到连接到接口互连线503的外部器件。
图2是根据实施例的光电元件300-1的横截面图。
光电元件300-1是图1的IC器件1000的光电元件300的一个示例。光电元件300-1可以包括PD。
光电元件300-1可以形成有光学IC衬底302。光学IC衬底302可以是图1的光学IC衬底100。光学IC衬底302可以是绝缘体上硅(SOI)衬底，所述SOI衬底包括基础硅层302a、形成在基础硅层302a上的掩埋绝缘层302b以及形成在掩埋绝缘层302b上的硅层302c。硅层302c可以是SOI衬底302的最上硅层。
基础硅层302a和硅层302c中的每一个均可以是结晶硅层。形成在基础硅层302a的上表面内的区域306c掺杂有第一导电类型杂质，例如，N型杂质。掩埋绝缘层302b可以是氧化硅层。
硅层302c可以被图案化并且用作光波导层WG。具体地，硅层302c可以是光波导层104并且具有形成一个或更多个光波导的一个或更多个芯层的图案化元件。形成在硅层302c下方的掩埋绝缘层302b可以用作这种光波导的下包覆层。光波导层WG(302c)可以与图1的光波导层104相同并且形成一个或更多个波导的芯。如图2中所示，光波导层WG(104)可以被图案化成在其截面图中彼此分离的部分(并且可以被图案化以形成彼此隔离以形成分立光波导的分立图案元件)。尽管在图2中硅层302c被示出为用作光波导层WG，然而不使用硅层302c来形成光波导的其他实施方式是可能的。
局部沟槽304可以形成在光学IC衬底302内。局部沟槽304可以部分地贯穿到包括在光学IC衬底302中的掩埋绝缘层302b中。局部沟槽304可以具有由掩埋绝缘层302b形成的侧壁，并且可以具有由基础硅层302a形成的底部(当沟槽贯穿掩埋绝缘层302b时，如图2中所示)或者具有由掩埋绝缘层302b的下部形成的底部(依照本文描述的其他示例)。
光电转换层306可以掩埋在局部沟槽304内部。光电转换层306可以包括多个半导体层，例如，第一半导体层306a和第二半导体层306b。基础硅层302a的区域306c的部分也可以形成光电转换层306。光电转换层306可以由一个或更多个硅(Si)层或锗(Ge)层或其他半导体材料形成，以形成PIN光电二极管或PN光电二极管。光电转换层306可以包括一个或更多个结晶硅层和/或结晶锗层。第一半导体层306a可以是使用基础硅层302a作为种子层外延地生长的结晶锗层。因此，光电二极管半导体结构由光电转换层306形成，从而包括从由N型区域306c所形成的阴极延伸到由P型第二半导体层306b所形成的阳极的功能层的堆叠件。耗尽区域可以形成在阴极与阳极之间，并且当被暴露于光时，光子可以产生电子-空穴对以跨越阳极和阴极(在此示例中，分别为306c和306b)引起光电流和电压。光电二极管半导体结构可以采取许多形式，包括常规的PN光电二极管、PIN光电二极管、金属-半导体-金属光电二极管等。光电二极管半导体结构的半导体功能层的堆叠件的每个层可以是结晶半导体层。将明白的是，光电二极管半导体结构的掺杂半导体功能层的堆叠件可以在其功能层的堆叠件中包括附加半导体层并且/或者用与除本文描述的示例性材料以外的其他类型的半导体材料形成。还应当理解的是，可以形成光电二极管半导体结构(光电转换层306)，使得阳极(最外面的N型功能层)形成为光电二极管半导体结构的最上层并且阴极(最外面的P型功能层)形成为光电二极管半导体结构的最下层。
在一些实施例中，第一半导体层306a可以是未掺杂的本征结晶锗层，第二半导体层306b可以是掺杂有第二导电类型的杂质(例如，P型杂质)的结晶硅层，第二导电类型与第一导电类型(其被掺杂在基础硅层302a的区域306c中)相反。
在实施例中，包括P型硅层的第二半导体层306b、包括未掺杂的本征锗层的第一半导体层306a以及包括N型硅区域306c的基础硅层302a可以构成PIN PD。
PIN PD可以是光电元件300-1的主要组件。在狭义上，PIN PD可以被称为光电元件300-1。光电元件300-1可以光耦合到光波导层WG。
尽管PIN PD被示出为图1中的光电元件300-1的主要组件，然而光电元件300-1可以采用PN PD或金属-半导体-金属PD。因为光电转换层306(具体地，第一半导体层306a)掩埋在局部沟槽304内部，所以当光学IC衬底302翘曲时光电元件300-1可以不易受翘曲现象影响以及较小地导致IC器件1000的翘曲。
层间绝缘层312可以形成在其中形成有光电转换层306和光波导层WG的光学IC衬底302上。层间绝缘层312可以是/包括氧化硅层。层间绝缘层312可以用作使用硅层302c作为光波导的芯层所形成的光波导的上包覆层。基础硅层302a(具体地，N型硅区域306c)可以电连接到局部沟槽304外部的第一导电线308。第一导电线308可以包括：第一接触插塞(例如，通孔)308a，其可以形成在形成于层间绝缘层312中的接触孔和形成于掩埋绝缘层302b中的接触孔内部；以及第一互连层308b(例如，在IC器件1000内水平地延伸的布线)，其可以电连接到第一接触插塞308a并且形成在层间绝缘层312中。
包括在光电转换层306中的第二半导体层306b(例如，P型硅层)可以电连接到第二导电线310。第二导电线310可以包括：第二接触插塞310a，其可以形成在通过层间绝缘层312延伸的接触孔中；以及第二互连层310b(例如，在IC器件1000内水平地延伸的布线)，其可以电连接到第二接触插塞310a并且形成在层间绝缘层312中。第一互连层308b和第二互连层310b可以是由图案化的金属层形成的布线。
在光电元件300-1中，第一导电线308和第二导电线310可以分别电连接到N型硅区域306c和P型硅层(即，第二半导体层306b)，所述N型硅区域306c和P型硅层可以分别位于包括本征锗层的第一半导体层306a下方和位于包括本征锗层的第一半导体层306a上，从而构成PIN PD。
第一导电线308和第二导电线310可以分别电连接到PIN PD的下部(即，由基础硅层302a的N型区域306c所形成的阳极)和PIN PD的上部(即，由沿竖直方向堆叠在N型硅区域306c上的P型第二半导体层306b所形成的阴极)。因此，光电元件300-1可以是垂直光电元件。
在光电元件300-1中，由光波导层WG或104发送的光信号可以由包括光电转换层306的PIN PD转换成电信号并且通过第一导电线308的第一互连层308b或第二导电线310的第二互连层310b传输到EICD(参考图1中的200)。光电元件300-1无需通过使用硅层302c的波导来将光信号传输到PIN PD，而是可以通过其他手段来传输光信号。例如，光信号可以从外部源施加到包括光电转换层306的PIN PD并且诸如通过形成在PIN PD上方的开口或波导转换成电信号。
图3A至图3C是根据各种实施例的图1和图2的光波导层的透视图。
具体地，图1和图2的光波导层104(WG)可以被图案化为具有形成图3A至图3C的光波导芯1004a、1004b和/或1004c的部分。在图3A至图3C中，Z表示竖直方向，X表示光波导芯的宽度方向，Y表示长度方向(沿着与光信号传输路径相对应的光波导芯的长度)。
参考图3A，光波导芯1004a可以形成为作为一维(1D)平面板型位于下包覆层1002a上的芯层。空气层可以用作上包覆层。或者，层间绝缘层或其他绝缘层可以用作上包覆层，如图2所示。在操作上，仅在深度方向(Z)上会发生折射率的变化，穿过光波导芯1004a的光信号仅会相对于深度方向(Z)反射。在图3A中，输入到光波导芯1004a的一侧的光信号可以从其另一侧输出。可以通过平板型芯层1004a在多个光学器件390(LD 380或PD 300)与对应的光纤404之间同时地传输多个离散地分开的信号。
参考图3B，光波导芯1004b可以形成为位于下包覆层1002b上的沟道型芯。空气层可以用作上包覆层。或者，层间绝缘层可以用作上包覆层，如图2所示。在这种情况下，会在沟道类型的光波导芯1004b的深度方向(Z)和宽度方向(X)两者上发生折射率的变化。在图3B中，输入到光波导芯1004b的一侧的光信号可以从其另一侧输出。
参考图3C，光波导层104可以包括作为分支沟道类型形成在下包覆层1002c上的芯1004c。空气层可以用作上包覆层。或者，层间绝缘层可以用作上包覆层，如图2所示。在图3C中，输入到光波导层104的芯1004c的一侧的光信号可以从其另一侧输出。光波导层104的芯1004c可以将输入光信号分割成两个输出信号。
图4是根据实施例的光电元件300-2的横截面图。
具体地，除了光学IC衬底302-1是双SOI衬底之外，光电元件300-2可以与图2的光电元件300-1相同。光电元件300-2可以包括PD。在图4中，相同的附图标记用于表示与图1和图2中的元件相同的元件，并且将省略或者简要地提供重复描述。
光学IC衬底302-1可以是双SOI衬底，所述双SOI衬底包括基础硅层302a-1、形成在基础硅层302a-1上的第一掩埋绝缘层302d-1、形成在第一掩埋绝缘层302d-1上的掩埋硅层302e、形成在掩埋硅层302e上的第二掩埋绝缘层302b-1以及形成在第二掩埋绝缘层302b-1上的硅层302c。光学IC衬底302-1可以是通过顺序地且重复地形成硅层和绝缘层而获得的SOI衬底。
第一掩埋绝缘层302d-1和第二掩埋绝缘层302b-1可以是氧化硅层。掩埋硅层302e可以是结晶硅层。掩埋硅层302e可以是掺杂有第一导电类型的杂质(例如，N型杂质)的硅层306d，因此是N型硅层。局部沟槽304可以形成在第二掩埋绝缘层302b-1中。局部沟槽304可以具有由第二掩埋绝缘层302b-1所形成的侧面和由掩埋硅层302e所形成的底部。
光电转换层306可以掩埋在局部沟槽304内部。光电转换层306可以包括第一半导体层306a和第二半导体层306b以及硅层302e的位于第一半导体层306a下方的部分。第一半导体层306a可以是使用掩埋硅层302e作为种子层外延地生长的结晶锗层。
如上所述，可以通过使用掩埋硅层302e作为种子层在沟槽304内外延地生长第一半导体层306a来容易地形成光电元件300-2。光电元件300-2可以具有通过第一掩埋绝缘层302d-1与基础硅层302a-1分开的掩埋硅层302e，并且可以进一步抑制光学IC衬底302-1的翘曲。
图5是根据实施例的与EICD组合的光电元件300-3的横截面图。
光电元件300-3可以与图2的光电元件300-1相同。光电元件300-3可以是PD并与EICD组合。在图5中，相同的附图标记用于表示与图1和图2中的元件相同的元件。在图5中，将省略或者简要地提供与在图1和图2中相同的描述。
EICD可以集成在光学IC衬底302中并且包括形成在光学IC衬底302中的元件。EICD可以是图1的EICD 200。EICD可以是包括多个互连的晶体管(诸如包括图5中所示的栅电极314以及源极和漏极区域316的MOS晶体管)的IC器件1000的集成电路。EICD 200和光电元件300-3可以集成在半导体芯片中。
源极和漏极区域316可以由形成在掩埋绝缘层302b上的硅层302c的一部分形成。第三导电线318可以形成在栅电极314以及源极和漏极区域316上。每条第三导电线318可以包括：第三接触插塞318a，其形成在层间绝缘层312的接触孔内部；以及第三互连层318b，其电连接到第三接触插塞318a并且形成在层间绝缘层312中。第一互连层308b、第二互连层310b和第三互连层318b可以由相同导电层的各部分形成。
因为EICD进一步集成在如上所述的光学IC衬底302中，所以光电元件300-3可以容易地控制电信号。
图6是根据实施例的光电元件300-4的横截面图。
除了光学IC衬底302-2被形成为体硅衬底之外，光电元件300-4可以与图2的光电元件300-1相同。光电元件300-2可以是PD。在图6中，相同的附图标记用于表示与图1和图2中的元件相同的元件，并且将省略或者简要地提供相同的描述。
可以在光学IC衬底302-2上和/或在光学IC衬底302-2内形成光电元件300-4。光学IC衬底302-2可以是图1的光学IC衬底100。光学IC衬底302-2可以是诸如体结晶硅衬底(例如，从结晶硅锭切割)的体硅衬底。
局部沟槽304a可以形成在体硅衬底302-2的上部中。可以通过蚀刻体硅衬底302-2的上部303a(即，体硅层303a的上部)来形成局部沟槽304a。
可以形成多个局部沟槽304a并使它们彼此分开。每个沟槽可以具有由体硅衬底302-2所形成的侧面和底部。掩埋绝缘层320可以形成在体硅衬底302-2的局部沟槽304a中。
在实施例中，掺杂有第一导电类型的杂质(例如，N型杂质)的N型硅区域306e可以形成在位于局部沟槽304a下方的体硅层303a的一个表面中。光电转换层306可以形成在局部沟槽304a内部。光电转换层306可以由形成在局部沟槽304a内部的掩埋绝缘层320包围。掩埋绝缘层320可以是氧化硅层。
光电转换层306可以包括如在本文中其他地方所描述的多个半导体层，例如，第一半导体层306a和第二半导体层306b。光电转换层306可以包括硅层或锗层以及硅区域306e的位于第一半导体层306a下方的部分。光电转换层306可以包括结晶硅层或结晶锗层。第一半导体层306a可以包括使用体硅层303a作为种子层外延地生长的锗层。
在实施例中，第一半导体层306a可以是/包括未掺杂的本征锗层，并且第二半导体层306b可以是/包括掺杂有与第一导电类型相反的第二导电类型的杂质(例如，P型杂质)的P型硅层。在实施例中，包括P型硅层的第二半导体层306b、包括未掺杂的本征锗层的第一半导体层306a以及包括N型硅层306e的体硅层303a可以构成PIN PD。
光波导层WG可以形成在绝缘层320的一部分上。光波导层WG可以对应于图1的光波导层104。光波导层WG可以是结晶硅层，所述结晶硅层可以是通过在掩埋绝缘层320上形成非晶多晶硅层并且使非晶多晶硅层结晶而形成的。尽管在图6中示出了光波导层WG，然而可以省略光波导层WG。
体硅层303a(即，N型硅层306e)可以电连接到局部沟槽304a内部的第一导电线308。第一导电线308可以包括：第一接触插塞308a，其可以形成在层间绝缘层312的接触孔和掩埋绝缘层320的接触孔内部；以及第一互连层308b，其可以电连接到第一接触插塞308a并且形成在层间绝缘层312中。
包括在光电转换层306中的第二半导体层306b(例如，P型硅层)可以电连接到第二导电线310。第二导电线310可以包括：第二接触插塞310a，其可以形成在层间绝缘层312的接触孔内部；以及第二互连层310b，其可以电连接到第二接触插塞310a并且形成在层间绝缘层312中。
在光电元件300-4中，第一导电线308可以电连接到可位于第一半导体层306a(例如，未掺杂的本征锗层)下方的N型硅层306e，第二导电线310可以电连接到可位于第一半导体层306a(例如，未掺杂的本征锗层)上的P型硅层(即，第二半导体层306b)，从而构成PINPD。因此，光电元件300-4可以是垂直光电元件。
图7是根据实施例的光电元件300-7的横截面图。
具体地，除了光电转换层306形成在掩埋绝缘层320(其形成在局部沟槽304a内)内并与体硅衬底302-2电绝缘，并且除了光电元件300-5可以形成为金属-半导体-金属PD之外，光电元件300-5可以与图8的光电元件300-6相同。光电元件300-7可以是PD并且可以与EICD组合。在图7中，相同的附图标记用于表示与图6中的元件相同的元件，并且将省略或者简要地提供相同的描述。
光电转换层306可以形成为与由体硅衬底302-2所形成的局部沟槽304a的底部304S分离。掩埋绝缘层320可以在局部沟槽304a的内部形成在局部沟槽304a的侧壁和底部上。光电转换层306可以形成在掩埋在局部沟槽304a内部的掩埋绝缘层320中并与体硅衬底302-2电绝缘。光电转换层306可以与局部沟槽304a的底部304S((即，体硅层303a的表面)间隔开并且在局部沟槽304a内部。光电转换层306包括金属层306f和第一半导体层306a。
光电元件300-5还可以包括电连接到金属层306f的第一部分的第一导电线308和电连接到金属层306f的第二部分的第二导电线310。
因此，光电元件300-5可以是横向光电元件，因为第一导电线308和第二导电线310形成为在金属层306f的表面上彼此隔开。横向光电元件可以是金属-半导体-金属光电二极管。光波导层WG可以形成在掩埋绝缘层320上。施加到光波导层WG的光信号可以由包括光电转换层306的横向光电元件300-7转换成电信号。
图8是根据实施例的与EICD组合的光电元件300-6的横截面图。
具体地，除了光学IC衬底302是SOI衬底之外，光电元件300-6可以与图7的光电元件300-5相同。光电元件300-6可以是PD并与EICD组合。在图8中，相同的附图标记用于表示与图7中的元件相同的元件，并且将省略或者简要地提供与在图7中相同的描述。
光学IC衬底302可以是SOI衬底，所述SOI衬底包括基础硅层302a、形成在基础硅层302a上的掩埋绝缘层302b和形成在掩埋绝缘层302b上的硅层302c。硅层302c可以被图案化并且用作光波导芯层WG以形成一个或更多个光波导的一个或更多个芯。硅层302c可以被图案化并用作EICD的有源层。
局部沟槽304b可以形成在光学IC衬底302的掩埋绝缘层302b中。局部沟槽304b的底部可以形成为与基础硅层302a的表面302S分开，诸如通过掩埋绝缘层302b的表面形成或者通过沉积于形成在掩埋绝缘层302b内的初始较大沟槽内的附加绝缘层形成。光电转换层306可以与基础硅层302a的表面302S间隔开并且掩埋在局部沟槽304b内部。光电转换层306可以与基础硅层302a的表面302S间隔开并且掩埋在掩埋绝缘层302b中。光电元件300-6可以是金属-半导体-金属PD。施加到光波导层WG的光信号可以由包括光电转换层306的光电元件300-6转换成电信号。
图9是根据实施例的光电元件300-7的横截面图。
光电元件300-7可以与图2的光电元件300-1相同，并且示出光耦合到光电转换层306的侧表面的光波导层WG的细节。光电元件300-7可以是PD。在图9中，相同的附图标记用于表示与图2中的元件相同的元件，并且将省略或者简要地提供相同的描述。
光电转换层306可以掩埋在形成在光学IC衬底302中的局部沟槽304内部。光电转换层306可以包括第一半导体层306a和形成在第一半导体层306a上的第二半导体层306b。光电转换层306可以包括一个或更多个结晶硅层和结晶锗层。
光学IC衬底302的硅层302c可以被图案化并用作光波导层WG。光波导层WG可以对应于图1的光波导层104并且其一部分可以形成光电元件300-7的光波导的一个或更多个芯。如由图9的区域EL1所指示的，光波导层WG的一个侧表面可以光耦合到(并接触)光电转换层306的一个侧表面(这里，第二半导体层306b的一个侧表面)。光波导层WG(104)的与光电转换层306的侧表面面对并接触的侧表面可以形成具有光波导层WG(104)作为芯的光波导的末端。光波导层WG或104可以光耦合到包括光电转换层306的PIN PD，使得施加到光波导层WG 104的光信号可以被传输以撞击在光电转换层306上并且容易地转换成电信号。
图10至图13是光波导层WG与光电转换层306之间的光耦合的横截面图。图10至图13的光耦合示出了与图9的EL1相对应的区域并且包括具有波导芯的波导，所述波导芯由与光电转换层306相邻端接并且光耦合到光电转换层306的光波导层WG(104)形成。图10至图13的替代结构可以不仅与图9的器件一起使用，而且与本文描述的任何实施例一起使用。还应当明白的是，图9至图13的耦合示例可以包括设置在波导的末端与光电转换层306之间以将光波导(具有由波导层WG形成的波导芯(104))光耦合到光电转换层306的附加光学元件(例如，该附加光学元件可以是另一光学透射元件的一部分，诸如绝缘层，诸如312或302c)。
具体地，如由图10至图13的EL1a、EL1b、EL1c和EL1d所指示的，图9的光波导层WG可以容易地光耦合到光电转换层306。在图10至图13中，相同的附图标记用于表示相同的元件。
如图10所示，光波导层WG的一个侧表面可以接触并光耦合到包括第一半导体层306a-1的光电转换层306的一个侧表面。光波导层WG的顶表面可以位于比光电转换层306的顶表面低的水平高度处。光电转换层306的顶表面可以在光学IC衬底的基础硅层302a上沿竖直方向位于比光波导层WG的顶表面高的水平高度处。第一半导体层306a-1可以是结晶硅层或结晶锗层。第一半导体层306a-1可以是光电转换层306的最上层并且形成光电转换层306的顶表面，或者另一层(诸如第二半导体层306b(未示出))可以形成在第一半导体层306a-1的顶表面上并且形成光电转换层306的顶表面。在实施例中，第一半导体层306a-1可以是结晶锗层，位于第一半导体层306a-1上的第二半导体层306b(在图10中未示出)可以是结晶硅层。
如图11所示，光波导层WG的侧表面可以接触并光耦合到包括半导体层306a-2和306b-1的光电转换层306的一个侧表面。光波导层WG的顶表面可以位于比光电转换层306的顶表面高的水平高度处并且可以位于比第一半导体层306a-2的整个顶表面高。光电转换层306的大部分顶表面(以及覆盖第一半导体层306a-2的第二半导体层306b-1的大部分顶表面)可以在光学IC衬底的基础硅层302a上沿竖直方向位于比光波导层WG的顶表面低的水平高度处。
光电转换层306可以包括第一半导体层306a-2和第二半导体层306b-1，第二半导体层306b-1形成在第一半导体层306a-2和光波导层WG上。第二半导体层306b-1可以形成在光波导层WG的上表面的一部分上。光电转换层306可以形成为在光波导层WG的顶部上延伸。
光电转换层306可以包括一个或更多个结晶硅层和结晶锗层。在实施例中，第一半导体层306a-2可以是结晶锗层，第二半导体层306b-1可以包括结晶硅层。
如图12所示，光波导层WG的一个侧表面可以接触并光耦合到包括半导体层306a和306b的光电转换层306的一个侧表面。光波导层WG的顶表面可以位于与光电转换层306的顶表面相同的水平高度处。
光电转换层306可以包括第一半导体层306a和位于第一半导体层306a上的第二半导体层306b。光电转换层306可以包括一个或更多个结晶硅层和结晶锗层。在实施例中，第一半导体层306a可以是结晶锗层，第二半导体层306b可以是结晶硅层。
光耦合器322可以形成在第二半导体层306b的一个表面中。光波导层WG可以通过光耦合器322光耦合到光电转换层306内的耗尽区域(例如，其可以形成在第一半导体层306a内)，使得可以将施加到光波导层WG的光信号容易地转换成电信号。光耦合器322可以是作为蚀刻到第二半导体层306b的顶表面中的一系列均匀隔开的沟槽而形成的光栅。光耦合器322可以用来将由光波导层WG(302c)(作为光波导的芯)沿水平方向透射的光沿向下方向反射到第一半导体层306a中。尽管光耦合器322(光栅)被示出为形成在光电转换层306的顶表面中，但是光耦合器322(光栅)可以形成在其他地方，诸如在形成为在光电转换层306(其可以是波导的不是由硅层302c形成的部分)上方延伸的光波导的顶表面内。
如图13所示，光波导可以光耦合到渐逝耦合的(evanescently coupled)光电转换层306(例如，形成渐逝耦合的光电二极管)。在图13的示例中，光波导形成为具有由硅层302c所形成的波导芯。由硅层302c所形成的光波导层WG的侧表面可以接触第二半导体层306b。波导的下包覆层可以由掩埋绝缘层302b形成。光波导的上包覆层可以与在其他地方描述的上包覆层(例如，空气、层间电介质312等)相同。光波导可以光耦合到包括第一半导体层306a和第二半导体层306b的光电转换层306。光波导层WG的顶表面可以与光电转换层306的顶表面处于相同的水平高度处(例如，共面)，其中，光电转换层306的顶表面由第二半导体层306b的顶表面形成。光波导层WG的底表面可以与第二半导体层306b的低表面处于相同的水平高度处(例如，共面)。
光电转换层306可以包括第一半导体层306a和第二半导体层306b。绝缘层324可以形成在第一半导体层306a和第二半导体层306b之间。绝缘层324可以是氧化硅层。尽管第二半导体层306b不接触第一半导体层306a(由绝缘层324隔离开)，但是由于绝缘层324被制得纤薄以在第一半导体层306a和第二半导体层306b之间提供渐逝耦合(evanescentcoupling)，所以仍可以在光电转换层306中发生光电转换。
图14是根据实施例的图12的光耦合器322的横截面图。
具体地，光耦合器322可以包括光栅耦合器。可以通过在半导体层306b(或302c)的表面中形成光栅(例如，G1和G2)来实现光耦合器322。光耦合器322可以通过使用与光栅G1和G2相遇的光的衍射来接收和透射光。另外，光耦合器322可以通过调整光栅G1与光栅G2之间的距离来过滤光。光栅G1和G2可以用来将光向下透射到形成在光电转换层306中的耗尽区域中(例如，向下到达形成有耗尽区域的第一半导体层306a)。
形成在光耦合器322中的光栅的大小(即，周期)可以通过入射光的宽度“w”和波数矢量(k-矢量)来确定。因此，通过在光耦合器322中形成适当的光栅，入射光可以具有高的光耦合效率并且光耦合到光耦合器322。
图15是根据实施例的IC器件1100的俯视图。
具体地，除了用作OD的光电元件300和电光元件380在光学IC衬底100上彼此进一步分开并且光调制器件385进一步集成在光学IC衬底100中之外，IC器件1100可以与图1的IC器件1000相同。光调制器件385可以是调制(MOD)器件。在图15中，相同的附图标记用于表示与图1中的元件相同的元件，并且将省略或者简要地提供其重复描述。
通过电接口500的接口互连线503接收的电信号可以通过电路互连线103传输到EICD 200、电光元件380和光调制器件385。电光元件380可以产生光信号并且将光信号发送到光调制器件385。
光调制器件385可以响应于通过电路互连线103传输的电信号来对光信号进行调制并且通过光波导层104将调制后的光信号传输到光接口400。可以通过光接口400的光纤404将调制光信号传输到外部器件。EICD 200可以根据需要使用电路互连线103来控制电光元件380。
通过包括在光接口400中的光纤404接收的光信号可以通过光波导层104被施加到光电元件300。光电元件300可以将光信号转换成电信号并且通过EICD 200和电路互连线103来将电信号传输到电接口500。可以通过电接口500的接口互连线503来将电信号传输到外部器件。
图16是根据实施例的包括IC器件2004和2006的IC系统2000的图。
具体地，IC系统2000可以包括中央处理单元(CPU)2002，后者可以经由连接系统2013与至少一个存储器模块2008进行通信。存储器模块2008可以是例如双列直插存储器模块(DIMM)。DIMM可以是动态随机存取存储器(DRAM)模块。存储器模块2008可以包括多个单独的存储器电路(例如，DRAM存储器电路)2020。
在本实施例中，CPU 2002和存储器模块2008可以生成或者处理电信号。连接系统2013可以包括被配置为在CPU 2002与存储器模块2008之间传输光信号的光通信信道2012(例如，光纤)。
因为CPU 2002和存储器模块2008使用电信号，所以提供将CPU 2002和存储器模块2008的电信号转换成光信号的电光转换过程以在光通信信道2012上传输光信号。另外，可能需要光电转换过程以将光通信信道2012上的光信号转换成电信号以由CPU 2002和存储器模块2008处理。
连接系统2013可以包括位于光通信信道2012的两侧的IC器件2004和2006。根据实施例，IC器件2004和2006中的每一个均可以由本文描述的任何IC器件来实现(例如，图1的IC器件1000或图15的IC器件1100)。光通信信道2012可以是连接到IC器件2004和2006的光接口400的一条或更多条光纤。
CPU 2002可以经由电气总线2010向IC器件2004传输电信号并且从IC器件2004接收电信号。存储器模块2008可以经由电气总线2014向IC器件2006传输电信号并且从IC器件2006接收电信号。IC器件2004和2006可以向彼此发送光信号并且从彼此接收光信号。电气总线2010和2014可以连接到IC器件2004和2006的电接口500。
IC器件2004可以包括光电元件2016和电光元件2017。IC器件2006可以包括光电元件2018和电光元件2019。电光元件2017和2019可以向光通信信道2012(例如，光纤)发送光信号。光电元件2016和2018可以从光通信信道2012接收光信号。光电元件2016和2018可以对应于图1的光电元件300。
图17是根据实施例的包括IC器件的计算系统2200的框图。
一般来讲，计算系统可以包括信号处理系统、显示系统、通信系统或能够光学上发送信号的系统。
具体地，在图17的实施例中，计算系统2200可以包括处理器2210，后者可以通过光学总线2250与另一元件进行通信。根据实施例，处理器2210可以包括图1的IC器件1000或图15的IC器件1100。
半导体存储设备2220可以耦合到光学总线2250。根据实施例，半导体存储设备2220可以包括图1的IC器件1000或图15的IC器件1100。因此，半导体存储设备2220可以通过光学总线2250与另一元件进行通信。电源设备2240可以通过光学总线2250与另一元件进行通信。用户接口2230可以接收来自用户的输入并且向用户提供输出。
虽然已经参考本发明构思的实施例具体示出并描述了本发明构思，但是应理解的是，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节上的各种变化。例如，虽然已经将IC器件1000的衬底302描述为体硅或SOI衬底，但是可以使用其他半导体结晶材料，诸如体锗和绝缘体上锗衬底。

Claims (20)

1.一种集成电路器件，所述集成电路器件包括：
光学集成电路衬底；
局部沟槽，所述局部沟槽形成在所述光学集成电路衬底中；以及
光电元件，所述光电元件包括形成在所述局部沟槽中的光电转换层。
2.根据权利要求1所述的集成电路器件，所述集成电路器件还包括：
第一导电线，所述第一导电线电连接到所述光学集成电路衬底；以及
第二导电线，所述第二导电线电连接到所述光电转换层，
所述光电元件是垂直光电元件。
3.根据权利要求1所述的集成电路器件，所述集成电路器件还包括光耦合到所述光电元件的所述光电转换层的光波导，
其中，所述光电转换层包括多个半导体层。
4.根据权利要求1所述的集成电路器件，其中，所述光学集成电路衬底包括绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括基础硅层、位于所述基础硅层上的掩埋绝缘层和位于所述掩埋绝缘层上的硅层。
5.根据权利要求4所述的集成电路器件，所述集成电路器件还包括光耦合到包括所述光电转换层的所述光电元件的光波导，
其中，所述局部沟槽形成在所述绝缘体上硅衬底的所述掩埋绝缘层中，
其中，所述光波导包括由所述绝缘体上硅衬底的所述硅层形成的芯。
6.根据权利要求1所述的集成电路器件，其中，所述光学集成电路衬底包括体硅衬底。
7.根据权利要求6所述的集成电路器件，所述集成电路器件还包括光耦合到所述光电元件的所述光电转换层的光波导，
其中，所述局部沟槽形成在所述体硅衬底的上部中，
其中，在所述体硅衬底的所述局部沟槽中形成有掩埋绝缘层，
其中，所述光波导包括位于所述掩模绝缘层上的芯，所述芯包括硅层。
8.根据权利要求1所述的集成电路器件，其中，所述光学集成电路衬底包括双绝缘体上硅衬底，所述双绝缘体上硅衬底包括基础硅层、位于所述基础硅层上的第一掩埋绝缘层、位于所述第一掩埋绝缘层上的掩埋硅层、位于所述掩埋硅层上的第二掩埋绝缘层和位于所述第二掩埋绝缘层上的硅层。
9.根据权利要求8所述的集成电路器件，所述集成电路器件还包括光耦合到所述光电元件的所述光电转换层的光波导，
其中，所述局部沟槽形成在所述双绝缘体上硅衬底的所述第二掩埋绝缘层中，
所述光波导包括由所述双绝缘体上硅衬底的所述硅层形成的芯。
10.根据权利要求1所述的集成电路器件，所述集成电路器件还包括形成在所述光学集成电路衬底上的电子集成电路器件。
11.一种集成电路器件，所述集成电路器件包括：
光学集成电路衬底；
局部沟槽，所述局部沟槽形成在所述光学集成电路衬底中；
掩埋绝缘层，所述掩埋绝缘层形成在所述局部沟槽内；以及
光电元件，所述光电元件包括形成在所述局部沟槽内的光电转换层，所述光电元件位于所述掩埋绝缘层上，所述光电转换层通过所述掩埋绝缘层与所述光学集成电路衬底的半导体部分间隔开。
12.根据权利要求11所述的集成电路器件，所述集成电路器件还包括：
第一导电线，所述第一导电线电连接到所述光电转换层的第一部分；以及
第二导电线，所述第二导电线电连接到所述光电转换层的第二部分，
其中，所述光电元件是横向光电元件。
13.根据权利要求11所述的集成电路器件，
其中，所述光学集成电路衬底包括绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括基础硅层、位于所述基础硅层上的所述掩埋绝缘层和位于所述掩埋绝缘层上的硅层，
其中，所述光电元件通过所述掩埋绝缘层的一部分与所述基础硅层的上表面间隔开。
14.根据权利要求13所述的集成电路器件，所述集成电路器件还包括述光耦合到所光电元件的所述光电转换层的光波导，
其中，所述局部沟槽形成在所述绝缘体上硅衬底的所述掩埋绝缘层中，
其中，所述光电转换层形成为与所述绝缘体上硅衬底的所述掩埋绝缘层接触并且通过所述掩埋绝缘层电绝缘，
其中，所述光波导包括由所述绝缘体上硅衬底的所述硅层形成的芯。
15.根据权利要求11所述的集成电路器件，
其中，所述光学集成电路衬底包括体硅衬底，所述局部沟槽形成在所述体硅衬底中，
其中，所述光电转换层通过所述掩埋绝缘层与所述局部沟槽的底部间隔开，
其中，所述集成电路器件还包括光耦合到所述光电元件的所述光电转换层的光波导，
其中，所述局部沟槽形成在所述体硅衬底的上部中，并且在所述体硅衬底的所述局部沟槽中形成有掩埋绝缘层，
其中，所述光波导包括位于所述掩模绝缘层上的芯，所述芯包括硅层。
16.一种集成电路器件，所述集成电路器件包括：
光学集成电路衬底；
局部沟槽，所述局部沟槽形成在所述光学集成电路衬底内；
光电元件，所述光电元件包括光电转换层，所述光电转换层形成在所述局部沟槽中并且与所述局部沟槽的一个或更多个表面接触或与掩埋在所述局部沟槽中的掩埋绝缘层接触；以及
光波导芯层，所述光波导芯层光耦合到所述光电转换层。
17.根据权利要求16所述的集成电路器件，其中，所述光电转换层的顶表面在所述光学集成电路衬底上沿竖直方向形成在比所述光波导芯层的顶表面高的水平高度处。
18.根据权利要求16所述的集成电路器件，
其中，所述光电转换层的顶表面在所述光学集成电路衬底上沿竖直方向形成在比所述光波导芯层的顶表面低的水平高度处，
其中，所述光电转换层形成为在所述光波导芯层上延伸。
19.根据权利要求16所述的集成电路器件，
其中，所述光电转换层的顶表面在所述光学集成电路衬底上沿竖直方向形成在与所述光波导芯层的顶表面相同的水平高度处，
其中，所述光电转换层的所述顶表面上形成有光栅。
20.根据权利要求16所述的集成电路器件，
其中，所述光电转换层包括多个半导体层，所述多个半导体层包括第一半导体层和第二半导体层，
其中，在所述光电转换层的所述第一半导体层和所述第二半导体层之间形成有绝缘层，
其中，所述第一半导体层与所述第二半导体层渐逝地耦合。
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