CN114442223A - 具有隔离吸收器的多模光波导结构 - Google Patents

Abstract

本公开涉及半导体结构，更具体地涉及具有隔离吸收器的多模光波导结构和制造方法。该结构包括：波导结构，其包括锥形段；以及至少一个隔离波导吸收器，其沿波导结构的长度邻近波导结构。

Description

具有隔离吸收器的多模光波导结构

技术领域

本公开涉及半导体结构，更具体地涉及具有隔离吸收器的多模光波导结构和制造方法。

背景技术

半导体光波导结构(例如光子部件)是集成光电子系统的重要部件。例如，半导体光波导结构能够通过限制光向周围衬底中的扩展而以最小的能量损失引导光波(例如光)。光波导结构可用于许多不同的应用，其中包括例如半导体激光器、滤光器、开关、调制器、隔离器和光电探测器。半导体材料的使用还允许借助已知的制造技术实现到光电子器件中的单片集成。

光子器件的开放或未连接的端口或其他终端点可导致光信号泄漏或反向散射到芯片中。这还可导致与其他光子器件的串扰，以及光信号的整体干扰。为了防止此类问题发生，吸收器(例如吸收器)被耦合到光子器件的开放或未连接的端口或其他终端点。已知由Ge材料制成的吸收器，因为它们很容易集成到光子器件的制造工艺中。

发明内容

在本公开的一方面，一种结构包括：波导结构，其包括锥形段(tapered segment)；以及至少一个隔离波导吸收器，其沿所述波导结构的长度邻近所述波导结构。

在本公开的一方面，一种结构包括：波导结构，其包括半导体材料并具有沿其长度的至少一个锥形部分；以及至少一个波导吸收器，其包括半导体材料的组合，所述至少一个波导吸收器沿所述波导结构的长度定位。

在本公开的一方面，一种方法包括：形成包括锥形段的波导结构；以及形成沿所述波导结构的长度邻近所述波导结构的至少一个隔离波导吸收器。

附图说明

在下面的详细描述中，借助本公开的示例性实施例的非限制性示例，参考所提到的多个附图来描述本公开。

图1示出了根据本公开的一些方面的除其他特征之外的具有隔离吸收器的多模光波导结构以及相应的制造工艺。

图2A至图2E示出了根据本公开的一些方面的多模光波导结构和隔离吸收器的不同构造以及相应的制造工艺。

图3示出了根据本公开的一些方面的除其他特征之外的具有非锥形隔离吸收器的多模光波导结构以及相应的制造工艺。

图4示出了根据本公开的一些方面的除其他特征之外的沿波导结构的长度的连续隔离吸收器以及相应的制造工艺。

图5示出了根据本公开的另外一些方面的除其他特征之外的沿波导结构的长度的连续隔离吸收器以及相应的制造工艺。

图6示出了根据本公开的一些方面的除其他特征之外的沿其长度具有切口(cut)的连续隔离吸收器以及相应的制造工艺。

具体实施方式

本公开涉及半导体结构，更具体地涉及具有隔离吸收器的多模光波导结构和制造方法。更具体地，该多模光波导结构包括具有分段锥形体(piecewise taper)的多级Si波导结构，以选择性地将基阶和高阶模(fundamental and higher-order modes)耦合到相邻的隔离吸收器(例如衰减器)以进行光衰减。在实施例中，多模光波导结构和隔离吸收器通过利用各种Si光子模式和Si上Ge模式之间的倏逝波耦合以减少反向反射(back reflection)来提供无源衰减。此外，有利地，本文所述的结构能够衰减各种类型的光模(例如基阶和高阶模)，同时保持紧凑的占用面积(footprint)并且无需引入额外的制造步骤。

在实施例中，多模光波导结构包括具有一个或多个隔离波导段(例如吸收器)的分段锥形波导结构。这些隔离段可以位于波导结构的上方和/或下方。在实施例中，隔离段可以包括锥形输入部分(例如，缩减为最小特征尺寸)以减少反向反射。在另外的实施例中，隔离段可以相对于波导结构的锥形体偏移。此外，隔离段可以包括Si上Ge材料，其中Ge材料完全位于Si或其他半导体材料的边界内。多晶硅或Ge区域可以位于多模光波导结构的端部，其中多晶硅区域例如能够耦合横磁(TM)模。

本公开的具有隔离吸收器的多模光波导结构可以使用多种不同的工具，以多种方式来制造。然而，通常，使用方法和工具来形成具有微米和纳米级尺寸的结构。已经根据集成电路(IC)技术采用了用于制造本公开的多模光端接器的方法(即，技术)。例如，这些结构建立在晶片上，并在晶片顶部上借助光刻工艺图案化的材料膜中实现。特别地，具有隔离吸收器的多模光波导结构的制造使用三个基本构造块：(i)在衬底上沉积材料薄膜；(ii)通过光刻成像在膜顶部上施加图案化掩模；以及(iii)对掩模有选择性地蚀刻膜。

图1示出了除其他特征之外的具有隔离吸收器的多模光波导结构以及相应的制造工艺。更具体地，图1所示的结构10包括由任何合适的半导体材料构成的波导结构12，该半导体材料包括但不限于Si、SiN、SiCON、聚合物等。在实施例中，波导结构12可以包括单一半导体材料(例如体硅)或绝缘体上半导体(SOI)技术，该技术是本领域中公知的，因此不需要进一步解释便可完全理解本公开。波导结构12可以制造在下伏的绝缘体材料15(例如SiO₂)上或SOI技术中的掩埋氧化物层上。本领域普通技术人员应当理解，在每个实施例中，绝缘体材料15还围绕(包覆)波导结构12和隔离区域16(例如吸收器)，如图2A至图2E进一步所示。

在任何不同情形中，波导结构12包括用于TE模(例如TEn、TE1、TE2等)的多个平面段12a，其中TE代表横电耦合模。平面段12a(例如非锥形段)可通过锥形段12b耦接在一起。以此方式，波导结构12为分段锥形波导结构。

多晶硅材料14可以设置在波导结构12的输出端处，完全位于半导体(例如波导结构12的材料)的边界内。在实施例中，多晶硅材料14可用于将TM模耦合到隔离段16的Ge区域。多晶硅材料14例如可以如图2A所示是全高度，如图2B所示凹陷到波导结构12中，或者如图2C所示通过中间氧化物层14a与波导结构12的半导体材料分隔开，图2A、图2B、图2C都表示沿图1的线“A”-“A”截取的截面图。在另外的实施例中，多晶硅材料14可以用Ge材料代替，具体取决于结构10的特定设计参数和所需功能。

仍参考图1，多个隔离段16(例如吸收器)可以被定位为邻近波导结构12，但与波导结构12分隔开一预定距离(例如距离“W4”)。隔离段16可以充当滤模器以选择性地衰减特定的(单个)或多个模。在本文所述的任何实施例中，隔离段16可沿波导结构12的长度位于波导结构12上方和/或下方。此外，每个隔离段16可以包括锥形输入端18以减少反向反射。例如，锥形输入端18可以逐渐变细到最小特征尺寸以减少反向反射。锥形输入端18可以与波导结构12的锥形段12b对准或相对于锥形段12b偏移。例如，尽管不是限制性特征，波导结构12的锥形段12b和隔离段16之间的偏移可以在0.09μm至0.5μm的范围内。

多个隔离段16可以由与波导结构12相同的半导体材料或不同的半导体材料构成。例如，隔离段16和波导结构12可以由Si材料构成。此外，作为另一说明性示例，波导结构12可以由SiN构成，并且多个隔离段16可以由在与波导结构12不同的层级(位于更高的层级)的Si、SiN等构成。

如图1进一步所示，多个隔离段16包括位于多个隔离段16的边界内的Ge材料20，例如，Ge材料20的边界完全位于隔离段16的边界内。Ge材料20可以如图2D所示是全高度，或者如图2E所示凹陷到隔离段16中，图2D、图2E中的每个图代表沿图1的线“B”-“B”截取的截面图。本领域技术人员应当理解，Ge材料20有效地且被动地吸收光。此外，如图2A至图2E所示，波导结构12和多个隔离段16被绝缘体材料15(例如氧化物)包覆。

在实施例中，波导结构12的非锥形段12a和锥形段12b以及多个隔离段16可通过本领域技术人员公知的常规光刻和蚀刻工艺形成。例如，使形成在半导体材料上方的抗蚀剂暴露于能量(光)下以形成图案(开口)。使用具有选择性化学作用的蚀刻工艺(例如反应离子蚀刻(RIE))通过抗蚀剂的开口去除半导体材料，从而形成非锥形段12a、锥形段12b和隔离段16的图案。在图2B或图2E所示的实施例中，例如可以对下伏的半导体材料进一步执行减薄工艺。然后可以通过常规的氧灰化工艺或其他已知的剥离剂去除抗蚀剂。

多晶硅材料14(或替代地，Ge材料)和Ge材料20可以在形成(例如沉积)在波导结构12和隔离段16的半导体材料上之后，以类似的方式进行图案化。在沉积工艺之前，例如在图2B或图2E的实施例中，可以使用例如定时干法蚀刻工艺对下伏的半导体材料执行额外的减薄步骤。在实施例中，多晶硅材料14(或替代地，Ge材料)和Ge材料20可通过常规沉积方法(例如化学气相沉积等)形成在半导体材料的减薄部分内或非减薄部分上方。

波导结构12和隔离段16的尺寸可根据特定应用(例如衰减模式)而变化。例如，表1示出了波导结构12和隔离段16的图案化特征的不同尺寸的说明性非限制示例，因为它涉及图1所示的不同尺寸参考，其中包括锥形构造12b、18。

表1

图3示出了除其他特征之外的具有非锥形隔离吸收器的多模光波导结构。更具体地，图3所示的结构10a包括具有非锥形隔离区域16a的波导结构12。此外，在实施例中，对于每个后续非锥形隔离区域，每个非锥形隔离区域16a的宽度“W”沿波导结构12的长度变窄。图3的其余特征可以类似于关于图1至图2E描述的特征。

图4示出了沿波导结构12的长度的连续隔离吸收器16b。更具体地，图4所示的结构10b包括具有连续隔离区域16b的波导结构12，连续隔离区域16b在其输入端处包括锥形体18。连续隔离区域16b可以位于波导结构12的上方和/或下方。此外，在实施例中，连续隔离区域16b包括若干个轮廓(段)18a，这些轮廓跟随(follow)并且在实施例中平行于波导结构12的非锥形段12a和锥形段12b。在另外的实施例中，连续隔离区域16b包括位于隔离区域16b的边界内的材料20，例如Ge材料。如在之前的实施例中，Ge材料20可以凹陷在隔离区域16b的半导体材料内或处于隔离区域16b的半导体材料上方的全高度上。此外，Ge材料20可以包括锥形输入端20a。Ge材料20还可以包括跟随并且在实施例中平行于波导结构12的非锥形段12a和锥形段12b的轮廓。图3的其余特征可以类似于关于图1至图3描述的特征。

在图5的实施例中，波导结构12包括在不同于连续隔离吸收器16b的层级处图案化的SiN材料。在该实施例中，连续隔离吸收器16b包括Si材料和位于Si材料的边界内的Ge材料20的组合。而且，波导结构12在其输出端处不包括任何多晶硅材料。图3的其余特征可以类似于关于图1至图4描述的特征。

图6示出了沿波导结构12的长度的替代的分段隔离吸收器16c。在该实施例中，可将图4或图5的连续隔离吸收器16b切割(例如图案化)成沿波导结构12的长度的各个段。在优选实施例中，切口22与波导结构12的锥形体12b相一致(coincide)。图5的其余特征可以类似于关于图4或图5描述的特征。

可以在片上系统(SoC)技术中利用所述具有隔离吸收器的多模光波导结构。本领域技术人员应当理解，SoC是将电子系统的所有部件集成在单个芯片或衬底上的集成电路(也称为“芯片”)。由于部件集成在单个衬底上，因此与具有等效功能的多芯片设计相比，SoC消耗的功率少得多，占用的面积也小得多。因此，SoC正成为移动计算(例如智能手机)和边缘计算市场中的主导力量。SoC也常用于嵌入式系统和物联网。

上述方法用于集成电路芯片的制造。所得到的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)，作为裸芯或以封装形式分发。在后一种情况下，芯片以单芯片封装(例如塑料载体，其引线固定到主板或其它更高级别的载体)或多芯片封装(例如陶瓷载体，其具有表面互连和/或掩埋互连)的形式被安装。在任何情况下，芯片然后与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理器件集成，作为(a)中间产品(例如主板)或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备以及中央处理器的高级计算机产品。

本公开的各种实施例的描述已经出于说明的目的给出，但并非旨在是穷举的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。本文中所用术语的选择旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能够理解本文公开的实施例。

Claims (20)

1.一种结构，包括：

波导结构，其包括锥形段；以及

至少一个隔离波导吸收器，其沿所述波导结构的长度邻近所述波导结构。

2.根据权利要求1所述的结构，还包括位于所述波导结构的输出端处的多晶硅材料，其中所述多晶硅材料的边界位于所述波导结构的边界内。

3.根据权利要求2所述的结构，其中所述波导结构的半导体材料包括凹槽，并且所述多晶硅材料位于所述凹槽内。

4.根据权利要求2所述的结构，其中所述波导结构包括Si材料，并且所述至少一个隔离波导吸收器包括Si材料和Ge材料。

5.根据权利要求4所述的结构，其中所述Ge材料凹陷到所述至少一个隔离波导吸收器的所述Si材料中。

6.根据权利要求2所述的结构，还包括绝缘体材料，所述绝缘体材料将所述多晶硅材料与所述波导结构的半导体材料分隔开。

7.根据权利要求1所述的结构，其中所述至少一个隔离波导吸收器包括沿所述波导结构的长度的多个波导吸收器。

8.根据权利要求7所述的结构，其中所述多个波导吸收器中的每一个包括锥形输入端。

9.根据权利要求8所述的结构，其中所述多个波导吸收器中的每一个的所述锥形输入端相对于所述波导结构的所述锥形段偏移。

10.根据权利要求1所述的结构，其中所述至少一个隔离波导吸收器包括沿所述波导结构的长度的单个连续的波导吸收器，并且所述单个连续的波导吸收器包括Si材料和Ge材料。

11.根据权利要求1所述的结构，其中所述波导结构包括在与所述至少一个隔离波导吸收器不同的层级上的SiN材料。

12.根据权利要求1所述的结构，其中所述波导结构和所述至少一个隔离波导吸收器被包覆在氧化物中。

13.根据权利要求1所述的结构，其中所述至少一个隔离波导吸收器包括位于所述波导结构的上方和下方中的至少一者的多个波导吸收器。

14.一种结构，包括：

波导结构，其包括半导体材料并具有沿其长度的至少一个锥形部分；以及

至少一个波导吸收器，其包括半导体材料的组合，所述至少一个波导吸收器沿所述波导结构的长度定位。

15.根据权利要求14所述的结构，其中所述至少一个波导吸收器包括多个波导吸收器，所述多个波导吸收器中的每一个包括相对于所述波导结构的所述至少一个锥形部分偏移的锥形输入端。

16.根据权利要求14所述的结构，其中所述至少一个波导吸收器包括基本平行于所述波导结构的轮廓延伸的单个连续的波导吸收器。

17.根据权利要求16所述的结构，其中所述单个连续的波导吸收器包括锥形输入端并且包括两种不同的半导体材料。

18.根据权利要求14所述的结构，其中所述波导结构包括SiN材料，所述至少一个波导吸收器包括Si材料和Ge材料，并且所述波导结构位于与所述至少一个波导吸收器不同的层级上。

19.根据权利要求14所述的结构，还包括位于输出端处且在所述波导结构的所述半导体材料的边界内的多晶硅材料。

20.一种方法，包括：

形成包括锥形段的波导结构；以及

形成沿所述波导结构的长度邻近所述波导结构的至少一个隔离波导吸收器。

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