CN114755758A - 用于光学信号处理的器件和系统及制造半导体器件的方法 - Google Patents

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CN114755758A CN202210086761.8A CN202210086761A CN114755758A CN 114755758 A CN114755758 A CN 114755758A CN 202210086761 A CN202210086761 A CN 202210086761A CN 114755758 A CN114755758 A CN 114755758A
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Abstract

本发明提供一种用于光学信号处理的器件和系统及制造半导体器件的方法。用于光学信号处理的器件包括第一层、第二层和波导层。透镜设置在第一层内且相邻于第一层的表面。第二层位于第一层下方且相邻于第一层的另一表面。波导层位于第二层下方，并配置成波导在波导层中传输的光束。光栅耦合器设置在波导层之上。透镜配置成从光栅耦合器或光引导器件中的一者接收光束，并将光束聚焦到光引导器件或光栅耦合器中的另一者。

Description

用于光学信号处理的器件和系统及制造半导体器件的方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种用于光学信号处理的器件和系统及制造半导体器件的方法。
背景技术
硅光子学(silicon photonics)是一种使能技术(enabling technology)，可提供具有低成本大规模制造能力的集成光子器件和系统。由于硅光子学不仅可应用在通信领域中，也可应用在传感领域中而引起关注。硅光子学的高集成密度带来的其中一个议题在于硅光子学的高效能集成波导器件与光纤或自由空间光学器件之间的介面。
发明内容
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其包括第一层、第二层和波导层。透镜设置在所述第一层内且相邻于所述第一层的表面。第二层位于所述第一层下方且相邻于所述第一层的另一表面。波导层，位于所述第二层下方，并配置成波导在所述波导层中传输的光束。光栅耦合器设置在所述波导层之上。所述透镜配置成从所述光栅耦合器或光引导器件中的一者接收所述光束，并将所述光束聚焦到所述光引导器件或所述光栅耦合器中的另一者。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的系统，其包括配置成使用光束传输一个或多个光学信号的第一光纤，以及配置成处理所述一个或多个光学信号的光子管芯。光子管芯包括：第一层，由对所述光束透明的材料形成；第一透镜，形成于所述第一层内且相邻于所述第一层的顶面，所述第一透镜与所述第一光纤相关联；第二层，位于所述第一层下方，所述第二层由对所述光束透明的材料形成；波导层，位于所述第二层下方，且配置成波导所述光束；以及第一光栅耦合器，与所述第一透镜相关联且形成在所述波导层之上。
本发明实施例的一种用于制造半导体器件的方法，其包括：提供衬底层；在所述衬底层之上形成第一氧化层；在所述第一氧化层之上形成用于波导光束的波导层；在所述波导层之上形成对具有目标波长的所述光束透明的第二氧化层；在所述第二氧化层之上形成对所述光束透明的半导体层；以及形成设置在所述半导体层内且相邻于所述半导体层的表面的透镜。
附图说明
结合附图阅读以下详细说明，会最佳地理解本公开的各个态样。应注意，根据本行业中的标准惯例，图式中的各种特征并非按比例绘制。事实上，为使论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1是说明示例性光电集成芯片的图，与本公开中的一些实施例一致。
图2A至图2E是分别说明光栅图案的可能示例的图，与本公开中的一些实施例一致。
图3是说明透镜的俯视图和侧视图的图，与本公开中的一些实施例一致。
图4是说明光电集成芯片的一部分的图，与本公开中的一些实施例一致。
图5是说明示例性透镜的图，与本公开中的一些实施例一致。
图6是说明示例性透镜的图，与本公开中的一些其他实施例一致。
图7是说明光电器件的示意图，与本公开中的一些实施例一致。
图8A是说明示例性光栅耦合器的图，与本公开中的一些实施例一致。
图8B是说明用于光电集成芯片的示例性光栅耦合器的图，与本公开中的一些实施例一致。
图9是说明用于光学信号处理的方法的流程图，与本公开中的一些实施例一致。
图10是说明用于制造用于光学信号处理的半导体器件的方法的流程图，与本公开中的一些实施例一致。
具体实施方式
以下公开内容提供用于实作本发明的不同特征的诸多不同的实施例或实例。以下阐述组件及排列的具体实例以简化本公开内容。当然，该些仅为实例且不旨在进行限制。举例而言，以下说明中将第一特征形成于第二特征“之上”或第二特征“上”可包括其中第一特征及第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征、进而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。另外，本发明可能在各种实例中重复使用参考编号及/或字母。此种重复使用是出于简洁及清晰的目的，但自身并不表示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
另外，为易于说明，本文中可能使用例如“位于…之下(beneath)”、“位于…下方(below)”、“下部的(lower)”、“位于…之上(over)”、“位于…上方(above)”、“上部的(upper)”等的空间相对性用语来阐述图中所示的一个器件或特征与另一(其他)器件或特征的关系。除图中所绘示的定向之外，所述空间相对性用语还旨在囊括器件在使用或操作中的不同定向。设备可具有其他定向(旋转90度或处于其他定向)，且本文中所使用的空间相对性阐述语可同样相应地进行解释。
如本文所用，除非另有说明，否则当比较器件内的两个区域或半导体结构之间的距离时，半导体结构通过特征长度、宽度和高度横向和垂直延伸，用语“接近地(inproximity)”、“靠近(close to)”、“接近(proximate)”等表示区域间最多相隔所述特征长度、所述特征宽度或所述特征高度的10％。用语“特征长度”是半导体结构的最大沿长度方向的尺寸，用语“特征宽度”是是半导体结构的最大沿宽度方向的尺寸，用语“特征高度”是半导体结构的最大沿高度方向的尺寸。当比较半导体结构内的区域时，用语“接近地(inproximity)”、“靠近(close to)”、“接近(proximate)”等也可以指邻近区域(例如，区域彼此接触或彼此间隔开)。如本文所用，除非另有说明，否则用语“远程(remote)”表示区域彼此之间不是相邻的区域。
如本文所用，除非另有说明，否则用于可包括各种厚度的用语“厚度(thickness)”表示在整个层中测量到的层的最小厚度。
如本文所用，除非另有说明，否则当比较两个值时第一值大于第二值，用语“大于(greater)”、“高于(higher)”、“大于(larger)”、“高于(above)”等表示第一值至少比第二值大5％。类似地，除非另有说明，否则当比较两个值时第一值小于第二值，用语“少于(less)”、“低于(lower)”、“小于(smaller)”等表示第一值至少比第二值小5％。如本文所用，除非另有说明，否则当比较两个值时，用语“可比较的(comparable)”、“相似的(similar)”等表示一个值在另一个值的95％至105％的范围内。
另外，如本文所用，除非另有说明，否则用语“组(set)”表示一个或多个(即，至少一个)，并且片语“任何解决方案(any solution)”表示任何现在已知或以后开发的解决方案。此外，如本文所用，除非另有说明，否则在将第一组的值与第二组的值进行比较时，用语“基本上相同(substantially the same)”表示第一组的值中的值与第二组的值中的值最多相差10％。另外，在比较材料形成区域时，用语“基本上相同(substantially the same)”表示区域中的材料是相同的，除了用于形成区域的制造技术的变化导致的意外变化。另外，如本文所用，除非另有说明，当将第一值与第二值进行比较时，用语“基本上(substantially)”表示第一值与第二值最多相差10％。
另外，如本文所用，除非另有说明，否则在比较两个表面时，用语“平行(parallel)”表示平均来说，两个表面彼此平行定向，其中“平均来说(on average)”表示垂直于第一表面(在表面上的任何点)的第一法线和垂直于第二表面(在表面上的任何点)的第二法线可以与完美共线(perfect collinearity)相差最多10度的方式共线(collinear)。如本文所用，除非另有说明，否则当比较两个表面时，用语“不平行(nonparallel)”表示表面并非如上文所定义般的平行。
各种实施例大致上涉及包含光子结构的半导体器件，更具体来说，涉及包括波导层、光栅耦合器、光纤等的半导体器件。举例来说，半导体器件可包括用于处理电性信号的第一结构(在此称为电性管芯(electrical die)，“e-管芯(e-die)”)以及用于处理光学信号的第二结构(在此称为光子管芯(photonic die)，“p-管芯(p-die)”)。在各种实施例中，e-管芯和p-管芯形成在同一分层的半导体结构中，从而产生光电集成芯片。这种光电芯片可以是任何合适的集成电路的一部分，例如射频集成电路(radio-frequency integratedcircuit，RFIC)、功率集成电路(power integrated circuit，IC)、光子集成电路(photonicintegrated circuit，PIC)、类比IC(analog IC)、混合模式IC(mixed-mode IC)等。
图1是说明示例性光电集成芯片100的图，与本公开中的一些实施例一致。光电集成芯片100包括半导体层、介电层(例如氧化层)，以及与这些层中的各种区域的金属接触件。在一些实施例中，半导体层112是配置成对目标波长范围内的光辐射透明的硅层(此处，目标波长范围是器件被配置成进行操作的波长范围)。在一些实施例中，示例性目标波长在约1微米至约10微米的范围内。特别地，目标波长可以在约1260纳米至约1675纳米的范围内。在一些情况下，半导体层112可在需要透光的区域中薄化，从而提高半导体层112的透明度。应当注意，对于需要对不同波长范围(例如，可见范围或紫外范围)中的光透射的器件，可以采用不同的半导体层。举例来说，半导体层112可以是AlN层、Al2O3层、GaN层等。
光电集成芯片100包括e-管芯120(例如，用于处理和控制电性信号的第一结构)。在各种实施例中，e-管芯可包括用于处理和控制电性信号的已知半导体器件和结构。举例来说，e-管芯120可以包括场效应晶体管(例如，鳍式场效晶体管(FinFETS))、发光器件(例如，发光二极管、激光二极管)、双极晶体管或任何其他合适的半导体器件。另外，e-管芯120可包括被配置成隔离(电性和/或光学上)在e-管芯120内的半导体器件的区域。e-管芯120可包括由Si、Ge、SiGe、GaN、AlGaN、InN、GaAs、InAs或前述的任意组合等所形成的半导体层。另外，e-管芯120可包括介电层。介电子层的一些用以说明的材料可包括SiO、LaO、AlO、AlN、AlON、ZrO、HfO、SiN、Si、ZnO、ZrN、TiO、TaO、ZrAlO、YO、TaCN、ZrSi、HfSi、SiOCN、SiON、SiOC或SiCN。
光电集成芯片100包括对如上所述的目标波长范围内的光辐射透明的氧化层114。在一些实施例中，氧化层114可以是氧化硅或任何其他合适的透明氧化层。当制造e-管芯120和氧化层114时，可以使用任何合适的方法(例如，使用化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)、溅射、热氧化等)在半导体层112的表面119之上先形成氧化层114。接着，可以使用任何合适的方法(例如，干蚀刻、湿蚀刻等)蚀刻氧化层114的一部分，并在蚀刻氧化层114所产生的区域中沉积e-管芯层。替代地，在半导体层112的表面119之上先形成e-管芯120中的层，并可以使用任何合适的方法蚀刻所述层的一部分以形成蚀刻区，接着将氧化层114沉积在所述蚀刻区中。
如上所述，e-管芯120被配置成处理电性信号。所述处理可包括接收电性信号、调整电性信号和传输电性信号。在一些实施例中，e-管芯120被配置成通过一个或多个电性连接器件121(例如，接触件)从光电集成芯片100中的p-管芯130接收一个或多个电性信号。类似地，e-管芯120可以通过一个或多个电性连接器件121将电性信号传输到p-管芯130。一个或多个电性连接器件121可以是由诸如铜、金、银、铝等金属所形成的电性接触件，或者可以由重掺杂半导体材料(例如，掺杂多晶硅)形成。
在各种实施例中，e-管芯120能够处理或调整电性信号。举例来说，e-管芯120可以放大信号、改变电性信号的时间特性等，也可开启或关闭电性信号。在一些情况下，e-管芯120被配置成对一个或多个发光源供电，所述发光源例如发光二极管、激光二极管等。在一些情况下，发光源可以是e-管芯120的一部分。在其他一些实施例中，发光源是p-管芯130的一部分。
在一些实施例中，发光源经由任何合适的光学耦合(例如棱镜、波导等)，光学耦合至光电集成芯片100。如图1所示，在一些实施例中，发光源被配置成与光引导器件耦合，所述光引导器件例如光纤115。光纤115可以是用于承载目标波长的光的任何合适的光纤。或者说，光引导器件被配置成波导具有目标波长的光束。在一些实施例中，当目标波长在红外范围内时(例如，波长在约0.9微米至约2微米)，光纤115可由任何合适的已知材料制成，例如氧化硅、氟化物玻璃、磷酸盐玻璃、硅芯光纤(silicon core optical fibers)等。
在其他一些实施例中，发光源通过其他方式耦合至光电集成芯片100。举例来说，发光源可以通过另一个光纤耦合至光电集成芯片100，但本公开不限于此。在其他一些实施例中，发光源是光电集成芯片100的一部分。在这种情况下，光纤115被配置成接收从光电集成芯片100发出的光辐射。
如上所述，光电集成芯片100包括用于处理光学信号的p-管芯130。在一些实施例中，p-管芯130可包括衍射光栅耦合器132，所述衍射光栅耦合器132为p-管芯130中波导层131的一部分。如图1所示，可以存在底氧化(bottom oxide，BOX)层134和衬底层136以进一步促进光耦合和光导。衍射光栅耦合器132被配置成从光纤115接收光束117或向光纤115发射光束117。在一些实施例中，波导层131由硅形成，底氧化层134由氧化硅形成。在各种实施例中，底氧化层134形成在衬底层136上。在一些实施例中，衬底层136由硅形成。应当理解，其他配置和/或材料可以用于形成波导层131、衍射光栅耦合器132、底氧化层134和衬底层136中的一个或多个。
举例来说，在一些实施例中，底氧化层134可为由一组氧化硅和硅层所组成的布拉格反射层。在一些情况下，衬底层136包括金属层(例如，由Au或Al形成的层)，且被配置成反射来自底氧化层134的光束。在一些情况下，波导层131由不同于硅的材料制成。举例来说，波导层131可由SiN、多晶硅等制成。衍射光栅耦合器132可包括使用任何合适的光栅图案来图案化波导层131(例如，所述图案可包括波导层131中的突出部、波导层131中的腔等)。波导层131内的突出部和/或腔可包括条带(stripes)、圆弧形状的沟槽、周期性排列的具有圆形或矩形截面的圆柱孔，但本公开不限于此。或者说，波导层131内的突出部和/或腔可包括任何合适的图案。
图2A至图2E是分别说明光栅图案的可能示例的图，与本公开中的一些实施例一致。举例来说，如图2A所示，衍射光栅耦合器132包括一个或多个突出器件211。如图2B所示，衍射光栅耦合器132包括一个或多个腔213，所述腔213可以是圆柱孔。如图2C所示，一个或多个突出部215以圆弧形延伸通过衍射光栅耦合器132。如图2D所示，衍射光栅耦合器132被配置成使用包括以形成矩形网格的方式排列的圆柱形腔的光栅图案，将非偏振光束TE0分裂成两个基本上垂直的方向。如图2E所示，光栅的示例性图案为以沟槽220形成的腔，所述图案包括相对于波导层131的表面222的倾斜定向。应当理解，如图2A至图2E中所示的衍射光栅耦合器仅是说明性示例。任何其他类型的光栅耦合器也可用于将来自光纤115的光耦合至波导层131。
在各种实施例中，p-管芯130和e-管芯120被配置成交换电性或光学信号中的一者。举例来说，p-管芯130可以被配置成处理一个或多个光学信号，并且使用任何合适的光/电信号转换器件将一个或多个光学信号转换成与一个或多个光学信号相关联的一个或多个对应电性信号，所述光/电信号转换器件例如p-n光电二极管、p-i-n光电二极管、雪崩光电二极管(avalanche photodiodes)、光电晶体管或任何其他类型的光电二极管；或其他合适的器件，例如利用光电效应的光电器件。接着，可以将生成的电性信号传送到e-管芯120以进行进一步处理。
在其他一些实施例中，e-管芯120可包括发光器件，例如激光、激光二极管、发光二极管等，其被配置成将光束发射到p-管芯130的接收端口(receiving port)中。在一些实施例中，p-管芯130的接收端口可以是合适的光栅耦合器，类似于如图1所示的衍射光栅耦合器132，为简洁起见，在此省略进一步说明。
在各种实施例中，从光纤115传输的光束可以通过位于光纤115和衍射光栅耦合器132之间的一个或多个光学器件聚焦到衍射光栅耦合器132上。举例来说，所述光学器件之一可以是位于与衍射光栅耦合器132相距H1的距离处的透镜110。
在一些实施例中，透镜110被配置成从光纤115接收光束，并将光束聚焦在衍射光栅耦合器132上。在一些实施例中，选择透镜110的特性和透镜110和衍射光栅耦合器132之间的距离H1，使得衍射光栅耦合器132位于接近透镜110的焦点的位置，或者位于透镜110的焦点处。举例来说，可以将透镜110选择为具有曲率半径R的平凸透镜(plano-convexlens)，使得透镜110的焦点位于衍射光栅耦合器132。应当理解，透镜110的焦点位置取决于围绕透镜110的材料的折射率。在一些实施例中，光纤115和透镜110通过光透明的材料(例如，光学凝胶113)光学连接，所述材料用作跨越光纤115和半导体层112之间的间隙的光桥。
在一些实施例中，光学凝胶113可与光纤115指数匹配。举例来说，光学凝胶113可具有约1.2至约1.6范围内的折射率，且光纤115可具有约1.4至约1.6范围内的折射率。举例来说，若光纤115由氧化硅形成，则对于波长约1.2微米的光而言光纤115的折射率约1.45。类似的折射率可用于光学凝胶113。应该注意的是，所述波长处的硅折射率约3.5，因此导致光学凝胶113和半导体层112(对于半导体层112由硅形成的情况)之间的折射率变化约为2。在一些实施例中，透镜110的焦点可与透镜110的曲率半径R具有相同的数量级。
应当理解，光电集成芯片100和透镜110允许将光准确地聚焦到衍射光栅耦合器132上(或对于衍射光栅耦合器132发出光的情况，将光聚焦到光纤115上)。在各种实施例中，透镜110的存在可增加各种层的横向对准公差并获得更好的耦合效率。另外，由于聚焦光和对对准公差的较低要求，当大规模进行芯片的测试时，透镜110可以加速此类测试。另外，透镜110的存在可允许具有较低公差的芯片封装。因此，可以降低整体封装成本。
图3是说明透镜110的俯视图和侧视图的图，与本公开中的一些实施例一致。如图3所示，在一些实施例中，透镜110可直接从半导体层112蚀刻出来。举例来说，半导体层112的区310可以从半导体层112去除(例如，蚀刻)，以如透镜110的侧视图所示在半导体层112之上形成透镜110。或者说，在一些实施例中，透镜110形成在半导体层112中的蚀刻区310内。
在一些实施例中，为了在光纤115和半导体层112之间形成耦合，先形成透镜110，接着在透镜110之上形成光学凝胶113。虽然蚀刻半导体层112以形成透镜110是一些实施例中的一种可能方法，但应当理解，可以使用任何其他方法来形成透镜110。举例来说，在其他一些实施例中，透镜110由任何合适的材料单独制造，并使用任何合适的方法将透镜110贴附到半导体层112。在一个示例中，透镜110通过光学凝胶113或通过合适的机械器件(例如夹子)附接到半导体层112，但本公开不限于此。
图4是说明光电集成芯片100的一部分的图，光电集成芯片100包括光纤115、光学凝胶113、透镜110和各种层112～层136，与本公开的一些实施例一致。在一些实施例中，由光学凝胶113所形成的器件的高度411可在数十到数百微米之间的范围内(例如，10微米、50微米、100微米、200微米、300微米、400微米等)。在一些实施例中，透镜110中的直径W1足够大，以克服光纤平移偏移。举例来说，在一些实施例中，透镜110的最大直径(maximumdiameter，CD)可以大于100μm，且在100μm到200μm左右的范围内。
在一些实施例中，透镜110可具有约一百微米的直径W1和数百微米的曲率半径R(例如，曲率半径R可为约100微米到500微米)。也就是说，透镜110的直径W1可以小于透镜110的曲率半径R。在一些实施例中，透镜110的直径W1可比曲率半径R小两到三倍。另外，透镜110的曲率半径R小于从透镜110到衍射光栅耦合器132的距离H1。举例来说，透镜110的曲率半径R可比从透镜110到衍射光栅耦合器132的距离H1小两到三倍。在一些实施例中，透镜110的曲率半径R大于240μm。
如上所述，透镜110可以通过蚀刻半导体层112的顶部(例如，区310)来制造或者可以通过任何其他合适的手段形成。在一些实施例中，半导体层112的厚度413可大于300微米，且在300微米～1000微米的范围内；氧化层114的厚度415可在数微米或数十微米之间。在一些情况下，厚度415可小于一微米。举例来说，厚度415可以在约0.1微米至约10微米的范围内。
在一些实施例中，由光学凝胶113所形成的器件的顶面和衍射光栅耦合器132的顶面之间的距离420可以在约200到2000微米的范围内。在一些实施例中，距离420可被选择为600微米、650微米、700微米、750微米、800微米等。在各种实施例中，合并的波导层131和衍射光栅耦合器132的厚度417可为数微米。举例来说，衍射光栅耦合器132的厚度可以是数百纳米(例如，约100纳米到500纳米)，而波导层131的厚度可以是数微米(例如，约1微米到5微米)。用于衍射光栅耦合器132的光栅器件的特征尺寸可在数十或数百纳米的范围内。在一些情况下，合并的波导层131和衍射光栅耦合器132的厚度可相似并且在约0.2微米至5微米的范围内。
虽然波导层131可以由硅形成，但也可使用其他材料。举例来说，波导层131可以由氮化硅(silicon nitride)形成或者可以是包括硅和氮化硅两者的复合物层。
在各种实施例中，衍射光栅耦合器132的各种细节可取决于用于耦合衍射光栅耦合器132和光纤115的光的偏振。举例来说，对于横向电性(transverse electric，TE)偏振，可以使用对衍射光栅耦合器132的第一尺度，并且对于横向磁性(transverse magnetic，TM)偏振，可以使用对衍射光栅耦合器132的第二尺度。在一些情况下，不均匀衍射光栅耦合器132可用于TE偏振和TM偏振两者，以改善衍射光栅耦合器132和光纤115之间的整体耦合效率。所述不均匀衍射光栅耦合器132表示光栅图案在衍射光栅耦合器132的不同位置在大小或形状上发生变化。
如上所述，需要选择光电集成芯片100的器件的各种尺寸，以确保从光纤115到达的光束集中在衍射光栅耦合器132上。在一些实施例中，来自光纤115的光束可聚焦到直径约数微米的基本上圆形的光点上。举例来说，圆形光点可以是直径约1微米到20微米的程度，且直径例如可以是7微米、8微米、9微米或10微米。
图5是说明示例性透镜110的图，与本公开中的一些实施例一致。在一些实施例中，透镜110可包括额外的层5A～层5D。在一些情况下，层5A～层5D可以是减反射涂布(anti-reflective coating，ARC)层。在一些实施例中，层5A～层5D由对目标光波长(例如，对红外辐射的光波长)透明的任何合适的层形成。在一些实施例中，层5A～层5D可以包括硅氧化层或氮化硅(Si3N4)层。
举例来说，层5A可以是SiO2层且厚度约为50纳米到200纳米，层5B可以是Si3N4层且厚度约为30纳米到100纳米，层5C可以是SiO2层且厚度约为100纳米到400纳米，层5D可以是Si3N4层且厚度约为100纳米至400纳米。在各种实施例中，透镜110中的器件511可先在半导体层112中被蚀刻，然后层5A～层5D可形成在器件511之上，从而产生如图5所示的透镜110的结构。可使用任何合适的方法例如化学气相沉积、溅射、蒸镀(evaporation)等在器件511之上形成层5A～层5D。
透镜110的器件511可以具有由曲线512表示的轮廓。在一些实施例中，直径W1可为约100微米，而器件511的高度e可通过角ΘC表示为e＝R(1-cos(ΘC))。在一些实施例中，高度e可为数微米(例如，约2微米到10微米)。在一些实施例中，角ΘC可在约5度到20度之间。
如上述在图5的实施例中所说明，透镜110可以包括硅芯(例如，器件511)和沈积在硅芯上的层5A～层5D。在一些实施例中，层5A～层5D至少包括具有折射率低于硅的折射率的层(例如，SiO2层5C)，以及具有折射率低于硅的折射率但高于SiO2层5C的折射率的另一层(例如，Si3N4层5B)。此外，Si3N4层5B的厚度低于SiO2层5C的厚度。在一些实施例中，透镜110的整体厚度在约1μm至约50μm的范围内。在一些实施例中，透镜110的厚度大于约5μm，但本公开不限于此。
图6是说明示例性透镜610的图，与本公开中的一些其他实施例一致。在图6所示的实施例中，透镜610可为菲涅耳透镜(Fresnel lens)。可以使用任何合适的方法(例如，蚀刻)来制造菲涅耳透镜610。在一些情况下，菲涅耳透镜610可以单独形成，然后贴附到半导体层112。与图5所示的透镜110类似，菲涅耳透镜610可包括ARC层，例如如图5所示的层5A～层5D。
图7是说明具有两个光纤715A和715B以及两个光栅耦合器732A和732B的光电器件700的图，与本公开中的一些实施例一致。在一些实施例中，与图1中所描绘的相同或相似的层112、层114、层130、层134和层136被赋予相同的附图标记，并省略其详细描述。如图7所示，光电器件700中的波导层731可以类似于图1中所描绘的波导层131。与图1的波导层131相比，光电器件700中的波导层731包括形成在波导层731的顶部内的两个光栅耦合器732A和732B。光栅耦合器732A和光栅耦合器732B可以具有与图1和图2A至图2E中所描绘的衍射光栅耦合器132相同或相似的结构。
在一些实施例中，光电器件700被配置成接收来自光纤715A的光束，通过光栅耦合器732A将接收到的光束耦合至波导层731，将光束传输到光栅耦合器732B，并通过光栅耦合器732B将光束重新发射到光纤715B中。如图7所示，光束717A通过透镜710A聚焦到光栅耦合器732A上，透镜710B用于将光栅耦合器732B发出的光束717B聚焦到光纤715B上。与图1中所描绘的光电集成芯片100类似，光纤715A和光纤715B可以使用各自的光学耦合器件713A和光学耦合器件713B进行光学连接。在一些实施例中，光学耦合器件713A和光学耦合器件713B使用如上所述的光学凝胶形成。
图8A是说明示例性光栅耦合器732A和示例性光栅耦合器732B由波导层731连接的俯视图的图，与本公开中的一些实施例一致。如先前在图7中所示，光纤715A和光纤715B分别放置在光栅耦合器732A和光栅耦合器732B上方，使得来自/到达光纤715A和光纤715B的光束通过光栅耦合器732A和光栅耦合器732B与波导层731耦合。在各种实施例中，光栅耦合器732A和光栅耦合器732B位于半导体层112下方，如图7所示。
图8B是说明用于光电集成芯片100的光栅耦合器834、光栅耦合器836和光栅耦合器838的顶视图的图，与本公开中的一些实施例一致。在一些实施例中，每一光栅耦合器834、836和838皆耦合至各别的光纤844、846和848。如图8B所示，在一些实施例中，光栅耦合器834具有第一光栅图案(例如，条带)，而光栅耦合器836和光栅耦合器838具有第二光栅图案(例如，腔)，但本公开不限于此。在一些实施例中，第二光栅图案允许例如光栅耦合器836将来自光纤846所接收的光耦合至波导层851和波导层853。在各种实施例中，波导层851和波导层853具有与如图1所示的波导层131相似的几何形状。此外，波导层851和波导层853可由与波导层131相同或相似的材料制成。
在一些实施例中，来自光纤846的光束被光栅耦合器836接收，并通过波导层851和波导层853分配给光栅耦合器834和光栅耦合器838。替代地，光束可由光栅耦合器834和光栅耦合器838中的一者(或两者)接收，并经由波导层851和波导层853中的一者(或两者)耦合至光栅耦合器836。在一些实施例中，光栅耦合器836所接收的光束发射至光纤846。应当理解，可以根据实际需要使用接收或发射到光纤844、光纤846和光纤848的信号的任何其他组合。另外，光栅耦合器834、光栅耦合器836和光栅耦合器838、波导层851和波导层853以及光纤844、光纤846和光纤848的光子电路(photonic circuit)仅是各种可能电路的说明性示例。在各种应用中，可以相应地使用其他配置的光子电路。
在一些实施例中，当光纤(例如，光纤844、光纤846和光纤848)耦合至光栅耦合器(例如，光栅耦合器834、光栅耦合器836和光栅耦合器838)时，可以使用一个或多个透镜器件(例如透镜110)来将光纤所发出的光聚焦至光栅耦合器，或将从光栅耦合器所发出的光聚焦至光纤中。在各种实施例中，通过可由光学凝胶形成的光学器件来促进光纤和光栅耦合器之间的所述耦合。在一些实施例中，光学器件的横向尺寸等于透镜110的直径。光纤(例如，光纤844、光纤846和光纤848)可经由光学器件耦合至透镜，其中光学器件具有与光纤的第二折射率基本上匹配的第一折射率。
请参照图9。图9是说明用于光学信号处理的方法900的流程图，与本公开中的一些实施例一致。为了更好地理解本公开，与图1至图8A和图8B所示的实施例相关来说明方法900，但不限于此。如图9所示，在一些实施例中，方法900包含操作910～操作960。
在操作910中，一个或多个光学信号通过光束中的第一光纤(例如，图7中的光纤715A)传输。在操作920中，第一层(例如，图7中的层112)内形成的第一透镜(例如，图7中的透镜710A)将从第一光纤发出的光束，经由位于波导层上的第一层和第二层(例如，图7中的氧化层114)聚焦至波导层(例如，图7中的波导层731)内的第一光栅耦合器(例如，图7中的光栅耦合器732A)上。在操作930中，波导层中的光束由第一光栅耦合器中的光栅图案波导。
在操作940中，波导层中的光束从第一光栅耦合器传输至波导层中的第二光栅耦合器(例如，图7中的光栅耦合器732B)。在操作950中，来自第一光栅耦合器的光束被第二光栅耦合器经由第二层和第一层发射到在第一层内形成的第二透镜(例如，图7中的透镜710B)。在操作960中，光束被第二透镜聚焦到第二光纤上(例如，图7中的光纤715B)。
在一些实施例中，方法900还包括操作970和操作980。在操作970中，一个或多个光学信号被转换成与一个或多个光学信号相关联的一个或多个对应电性信号。在操作980中，一个或多个对应电性信号被传送到电性管芯(例如，图1中的e-管芯120)，以处理一个或多个对应电性信号。
请参照图10。图10是说明用于制造用于光学信号处理的半导体器件的方法1000的流程图，与本公开中的一些实施例一致。为了更好地理解本公开，与图1至图8A和图8B所示的实施例相关来说明方法1000，但不限于此。如图10所示，在一些实施例中，方法1000包括操作1010～操作1060。
在操作1010中，提供衬底层(例如，图1中的层136)。在操作1020中，在衬底层之上形成第一氧化层(例如，图1中的层134)。在操作1030中，在第一氧化层之上形成用于波导光束的波导层(例如，图1中的层131)。在一些实施例中，在波导层之上形成且设置光栅耦合器(例如，图1中的衍射光栅耦合器132)。
在操作1040中，在波导层之上形成对具有目标波长的光束透明的第二氧化层(例如，图1中的层114)。在操作1050中，在第二氧化层之上形成对光束透明的半导体层(例如，图1中的层112)。在操作1060中，形成设置在半导体层内且相邻于半导体层的表面的透镜(例如，图1中的透镜110)。在一些实施例中，透镜可以在半导体层中的蚀刻区(例如，图3中的蚀刻区310)内形成，或者可以由任何合适的材料单独制造并贴附到半导体层。
在一些实施例中，透镜的曲率半径小于透镜到光栅耦合器的距离。在一些实施例中，透镜是通过形成硅芯(例如，图5中的器件511)并形成沉积在硅芯之上的多个层(例如，图5中的层5A～层5D)而形成。多个层包括具有折射率低于硅的折射率的一个层(例如，图5中的SiO2层5C)，以及具有折射率低于硅的折射率但高于所述一个层的折射率的另一个层(例如，图5中的Si3N4层5B)。
通过在三维系统整合芯片(3D SOIC)中布置一个或多个微透镜来准直发散的光束并将来自外部源的准直后的光束聚焦到三维系统整合芯片中对应的光栅耦合器上，通过硅层上的凸形微透镜，可减少光纤光损耗。可提高横向对准公差，并在保持光束尺寸不变的情况下，在三维封装结构下获得改进的耦合效率效能。此外，可以提高晶片级测试速度并使测试更容易进行。据此，可以更有效地进行测试工艺，并且可以实现低成本的封装工艺，而没有技术依赖性地适用于各种三维结构。举例来说，各种实施例中所公开的结构和方法可以应用于各种硅光子(silicon photonics)输入/输出和/或高速应用中，并减少具光纤平移损耗的工艺偏移。
在一些实施例中，公开一种用于光学信号处理的器件，其包括第一层、第二层和波导层。透镜设置在所述第一层内且相邻于所述第一层的表面。第二层位于所述第一层下方且相邻于所述第一层的另一表面。波导层位于所述第二层下方，并配置成波导在所述波导层中传输的光束。光栅耦合器设置在所述波导层之上。所述透镜配置成从所述光栅耦合器或光引导器件中的一者接收所述光束，并将所述光束聚焦到所述光引导器件或所述光栅耦合器中的另一者。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述第一层和所述第二层由对具有目标波长的所述光束透明的材料形成。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述光引导器件被配置成波导具有所述目标波长的所述光束。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述透镜形成于所述第一层中的蚀刻区内。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述透镜的曲率半径小于所述透镜至所述光栅耦合器的距离。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述透镜的直径小于所述透镜的所述曲率半径。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述光引导器件包括将所述光束耦合至所述透镜的光纤。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述光纤经由具有第一折射率的光学器件耦合至所述透镜，所述第一折射率与所述光纤的第二折射率基本上匹配。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述光学器件由光学凝胶形成，且所述光学器件具有等于所述透镜的直径的横向尺寸。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述透镜包括硅芯和沈积在所述硅芯之上的多个层，其中所述多个层包括至少一具有折射率低于硅的折射率的第三层。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述多个层包括具有折射率低于所述硅的折射率但高于所述第三层的所述折射率的第四层。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的器件，其中所述第四层的厚度低于所述第三层的厚度。
在一些实施例中，还公开一种用于光学信号处理的系统，其包括配置成使用光束传输一个或多个光学信号的第一光纤，以及配置成处理所述一个或多个光学信号的光子管芯。光子管芯包括：第一层，由对所述光束透明的材料形成；第一透镜，形成于所述第一层内且相邻于所述第一层的顶面，所述第一透镜与所述第一光纤相关联；第二层，位于所述第一层下方，所述第二层由对所述光束透明的材料形成；波导层，位于所述第二层下方，且配置成波导所述光束；以及第一光栅耦合器，与所述第一透镜相关联且形成在所述波导层之上。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的系统，还包括：电性管芯，配置成处理一个或多个电性信号，其中所述光子管芯与所述电性管芯集成，并配置成将所述一个或多个光学信号转换为所述一个或多个电性信号。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的系统，其中所述光子管芯还包括：第二光纤，配置成传输所述一个或多个光学信号；第二透镜，形成于所述第一层内且相邻于所述第一层的顶面，所述第二透镜与所述第二光纤相关联；以及第二光栅耦合器，与所述第二透镜相关联且形成在所述波导层之上。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的系统，其中：所述第一透镜配置成接收来自所述第一光纤的所述光束，并使用所述第一透镜将所述光束聚焦到所述第一光栅耦合器上；所述第一光栅耦合器配置成将所述光束传输到所述第二光栅耦合器；所述第二光栅耦合器配置成向所述第二透镜发射所述光束；以及所述第二透镜配置成将所述光束聚焦到所述第二光纤。
本发明实施例的一种用于光学信号处理的系统，其中所述第一光栅耦合器和所述第二光栅耦合器形成在所述波导层的顶部内。
在一些实施例中，还公开一种用于制造半导体器件的方法，其包括：提供衬底层；在所述衬底层之上形成第一氧化层；在所述第一氧化层之上形成用于波导光束的波导层；在所述波导层之上形成对具有目标波长的所述光束透明的第二氧化层；在所述第二氧化层之上形成对所述光束透明的半导体层；以及形成设置在所述半导体层内且相邻于所述半导体层的表面的透镜。
本发明实施例的一种用于制造半导体器件的方法，其中形成所述波导层包括：形成设置在所述波导层之上的光栅耦合器，所述透镜的曲率半径小于所述透镜到所述光栅耦合器的距离。
本发明实施例的一种用于制造半导体器件的方法，其中形成所述透镜包括：形成硅芯；以及形成沉积在所述硅芯上的多个层，所述多个层包括具有折射率低于硅的折射率的第三层和具有折射率低于所述硅的折射率但高于所述第三层的所述折射率的第四层。
随附的图和本说明书描绘和说明了各种实施例和特征及其组成。所属领域中的技术人员将理解，在本说明书中所使用的任何特定命名法仅仅是为了方便起见，因此各种实施例不应受此等命名法所明示和/或暗示的特定过程限制。因此，期望在此说明的实施例在所有方面都被认为是阐述性而非限制性，并且请参照所附权利要求书来确定各种实施例的范围。
以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本公开的各个方面。所属领域中的技术人员应理解，他们可容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的和/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本公开的精神及范围，而且他们可在不背离本公开的精神及范围的条件下对其作出各种改变、代替及变更。

Claims (10)

1.一种用于光学信号处理的器件，包括：
第一层，透镜设置在所述第一层内且相邻于所述第一层的表面；
第二层，位于所述第一层下方且相邻于所述第一层的另一表面；以及
波导层，位于所述第二层下方，并配置成波导在所述波导层中传输的光束，光栅耦合器设置在所述波导层之上，其中
所述透镜配置成从所述光栅耦合器或光引导器件中的一者接收所述光束，并将所述光束聚焦到所述光引导器件或所述光栅耦合器中的另一者。
2.根据权利要求1所述的用于光学信号处理的器件，其中所述透镜的曲率半径小于所述透镜至所述光栅耦合器的距离。
3.根据权利要求1所述的用于光学信号处理的器件，其中所述光引导器件包括将所述光束耦合至所述透镜的光纤。
4.根据权利要求1所述的用于光学信号处理的器件，其中所述透镜包括硅芯和沉积在所述硅芯之上的多个层，其中所述多个层包括至少一具有折射率低于硅的折射率的第三层。
5.一种用于光学信号处理的系统，所述系统包括：
第一光纤，配置成使用光束传输一个或多个光学信号；以及
光子管芯，配置成处理所述一个或多个光学信号，所述光子管芯包括：
第一层，由对所述光束透明的材料形成；
第一透镜，形成于所述第一层内且相邻于所述第一层的顶面，所述第一透镜与所述第一光纤相关联；
第二层，位于所述第一层下方，所述第二层由对所述光束透明的材料形成；
波导层，位于所述第二层下方，且配置成波导所述光束；以及
第一光栅耦合器，与所述第一透镜相关联且形成在所述波导层之上。
6.根据权利要求5所述的用于光学信号处理的系统，还包括：
电性管芯，配置成处理一个或多个电性信号，其中所述光子管芯与所述电性管芯集成，并配置成将所述一个或多个光学信号转换为所述一个或多个电性信号。
7.根据权利要求5所述的用于光学信号处理的系统，其中所述光子管芯还包括：
第二光纤，配置成传输所述一个或多个光学信号；
第二透镜，形成于所述第一层内且相邻于所述第一层的顶面，所述第二透镜与所述第二光纤相关联；以及
第二光栅耦合器，与所述第二透镜相关联且形成在所述波导层之上。
8.一种用于制造半导体器件的方法，包括：
提供衬底层；
在所述衬底层之上形成第一氧化层；
在所述第一氧化层之上形成用于波导光束的波导层；
在所述波导层之上形成对具有目标波长的所述光束透明的第二氧化层；
在所述第二氧化层之上形成对所述光束透明的半导体层；以及
形成设置在所述半导体层内且相邻于所述半导体层的表面的透镜。
9.根据权利要求8所述的用于制造半导体器件的方法，其中形成所述波导层包括：
形成设置在所述波导层之上的光栅耦合器，所述透镜的曲率半径小于所述透镜到所述光栅耦合器的距离。
10.根据权利要求8所述的用于制造半导体器件的方法，其中形成所述透镜包括：
形成硅芯；以及
形成沉积在所述硅芯上的多个层，所述多个层包括具有折射率低于硅的折射率的第三层和具有折射率低于所述硅的折射率但高于所述第三层的所述折射率的第四层。
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