CN116643336A - 用于温度控制的光学部件的热管理 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于温度控制的光学部件的热管理。本申请涉及包括光学部件的结构和制造包括光学部件的结构的方法。该结构包括：衬底；包括波导芯的光学部件；以及包括散热层的后段制程堆叠。光学部件在竖直方向上位于衬底和后段制程堆叠之间。波导芯包含具有第一导热率的第一材料，以及散热层包含具有大于第一材料的第一导热率的第二导热率的第二材料。

Description

用于温度控制的光学部件的热管理

技术领域

本公开涉及光子学芯片，更具体地涉及包括光学部件的结构和制造包括光学部件的结构的方法。

背景技术

光子学芯片用于许多应用和系统，包括但不限于数据通信系统和数据计算系统。光子学芯片将光学部件(例如波导、光电探测器、调制器和光功率分配器)和电子部件(例如场效应晶体管)集成到统一平台中。除了其他因素之外，布局面积、成本和操作开销可通过在同一芯片上集成两种类型的部件来减小。

边缘耦合器，也称为光斑尺寸转换器，其通常用于将来自光源(如激光器或光纤)的给定模式的光耦合到光子学芯片上的光学部件。边缘耦合器可以包括限定具有尖端的倒锥形(inverse taper)的波导芯的一部分。在边缘耦合器构造中，倒锥形的窄端部提供邻近光源定位在尖端处的刻面(facet)，而倒锥形的宽端部与将光路由到光子学芯片的光学部件的波导芯的另一部分连接。

当光从光源传输到边缘耦合器时，倒锥形的逐渐变化的横截面积支持与模式转换相关联的模式变换和模式尺寸变化。倒锥形的尖端不能完全限制(confine)从光源接收到的入射模式，因为尖端的横截面积明显小于模式尺寸。因此，入射模式的电磁场的相当大的比例围绕倒锥形的尖端分布。随着倒锥形的宽度增加，倒锥形能够支持整个入射模式并限制电磁场。

由于功率处理能力差，常规边缘耦合器容易受到不可逆的功率相关损伤，这会对可靠性产生不利影响。特别容易受到功率相关损伤的是包括硅波导芯的边缘耦合器。在高光学输入功率下，硅波导芯中的非线性吸收效应可能导致严重的加热(thermal heating)，甚至由于温度过高而导致波导芯的物理熔化。

需要包括光学部件的改善的结构和制造包括光学部件的结构的方法。

发明内容

在本发明的一个实施例中，一种结构包括：衬底；光学部件，其包括波导芯；以及后段制程堆叠，其包括第一散热层。所述光学部件在竖直方向上位于所述衬底和所述后段制程堆叠之间。所述波导芯包括具有第一导热率的第一材料，以及所述第一散热层包括具有大于所述第一材料的所述第一导热率的第二导热率的第二材料。

在本发明的一个实施例中，一种结构包括：光学部件，其包括具有多个外表面的波导芯；以及位于所述波导芯的所述多个外表面上的散热层。所述波导芯包括具有第一导热率的第一材料，以及所述散热层包括具有大于所述第一导热率的第二导热率的第二材料。

在本发明的一个实施例中，一种方法包括：形成散热层；以及形成在竖直方向上位于衬底和所述散热层之间的光学部件。所述光学部件包括波导芯，所述波导芯包括具有第一导热率的第一材料，以及所述散热层包括具有大于所述第一导热率的第二导热率的第二材料。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的各种实施例，并与上面给出的本发明的一般描述和下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的实施例。在附图中，相同的参考标号表示各种视图中的相同特征。

图1是根据本发明的实施例的处理方法的初始制造阶段的结构的俯视图。

图2是大体沿图1中的线2-2截取的结构的截面图。

图3是图2之后的处理方法的制造阶段的结构的截面图。

图4是根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。

图5是根据本发明的替代实施例的结构的截面图。

图6是根据本发明的替代实施例的结构的截面图。

图7是根据本发明的替代实施例的结构的截面图。

具体实施方式

参考图1、2，根据本发明的实施例，结构10包括波导芯12作为光学部件。在代表性实施例中，波导芯12可以是边缘耦合器，其中波导芯12包括倒锥形14并具有限定刻面(facet)16的端面。倒锥形14的宽度W1随着距刻面16的距离的增加而增加。倒锥形是指波导芯的锥形部分，其特征在于沿模式传播方向宽度逐渐增加。波导芯12可以沿纵轴15对准，并且波导芯12可以具有包括顶表面和在刻面16处会合的相对侧壁的外表面13。

波导芯12可以位于电介质层18和衬底20上方。在一个实施例中，电介质层18可以由诸如二氧化硅之类的电介质材料构成，衬底20可以由诸如单晶硅之类的半导体材料构成。在一个实施例中，电介质层18可以是绝缘体上硅衬底中的掩埋氧化物层，并且电介质层18可以将波导芯12与衬底20分开。波导芯12可以由诸如单晶硅之类的半导体材料构成。在一个实施例中，波导芯12可以通过用光刻和蚀刻工艺图案化绝缘体上硅衬底中的单晶硅器件层来形成，并且当图案化波导芯12时，电介质层18可以用作蚀刻停止。

在代表性实施例中，波导芯12被体现为脊状波导芯。在替代实施例中，波导芯12可以被体现为肋状波导芯。在替代实施例中，波导芯12可以被体现为狭缝状波导芯。在代表性实施例中，波导芯12是线性的或直的。在替代实施例中，波导芯12可以是弯曲的。在替代实施例中，波导芯12可以是非锥形的。在实施例中，波导芯12可以是诸如偏振模式转换器、光学耦合器、多模干涉区等之类的光学部件的一部分。

参考图3，其中相同的参考标号指示图1、2中的相同特征，并且在随后的制造阶段，电介质层22、24、26形成在波导芯12和电介质层18上方的层堆叠中。电介质层22和电介质层26可以由诸如二氧化硅之类的电介质材料构成，而电介质层24可以由诸如氮化硅之类的电介质材料构成。在替代实施例中，电介质层24可以从层堆叠中省略。

后段制程堆叠32包括形成在包括电介质层22、24、26的层堆叠上的散热层28。散热层28被定位成与波导芯12重叠。在一个实施例中，散热层28可以与波导芯12完全重叠。在一个实施例中，散热层28可以与波导芯12部分重叠。

与波导芯12和电介质层22、24、26相比，散热层28可以由导热率相对较高的材料构成。在一个实施例中，散热层28的材料可以是无机材料，例如金刚石。在一个实施例中，散热层28的材料的特征在于接近室温下的导热率显著大于构成波导芯12的材料的接近室温下的导热率。在一个实施例中，散热层28的材料的特征在于接近室温下的导热率显著大于构成电介质层22、24、26中任一者的材料的接近室温下的导热率。在一个实施例中，散热层28的材料的特征在于接近室温下的导热率显著大于二氧化硅的接近室温下的导热率(即，约1.3W/m-K)。在一个实施例中，散热层28的材料的特征在于接近室温下的导热率显著大于铜的接近室温下的导热率(即，约400W/m-K)。在一个实施例中，散热层28的材料的特征在于接近室温下的导热率显著大于硅的接近室温下的导热率(即，约150W/m-K)。在一个实施例中，散热层28的材料的特征在于接近室温下的导热率大于1000W/m-K。例如，作为散热层28的候选材料的金刚石的特征在于接近室温下的导热率为约2000W/m-K至约2400W/m-K。散热层28的材料的高导热率促进了热量从波导芯12流出，使得在操作期间，波导芯12可以表现出降低的操作温度。

在一个实施例中，可以通过化学气相沉积来沉积散热层28。在一个实施例中，散热层28可以具有提供足够的热质量以支持热从波导芯12扩散的厚度。在一个实施例中，散热层28可以是平面层，其在平面顶表面和底表面之间具有均匀的厚度。在一个实施例中，散热层28可以具有从约10纳米至约200纳米的厚度。

后段制程堆叠32还可以包括形成在散热层28上的电介质层30。电介质层30可以由诸如二氧化硅之类的电介质材料构成。散热层28在竖直方向上位于电介质层26和电介质层30之间。因此，散热层28在竖直方向上被布置在具有较低导热率的邻近电介质层26、30之间。

后段制程堆叠32还可以包括位于电介质层30上方的附加的电介质层34、35，其各自由诸如二氧化硅或氮化硅之类的电介质材料构成。在一个实施例中，可以认为散热层28被形成在后段制程堆叠32中最靠近波导芯12的金属化层级中。

光(例如激光)可被从光源50(图1)朝向波导芯12的刻面16引导。光可以具有给定的波长、强度、模式形状和模式尺寸，并且提供代表性光学部件的边缘耦合器可以提供用于光的光斑尺寸转换。在一个实施例中，光源50可以是半导体激光器，并且半导体激光器可以位于形成在衬底20中的空腔内部并附接到衬底20。

散热层28可充当散热器，用于在操作期间消散在波导芯12内生成的热，同时对由波导芯12引导的激光的光学模式和波导芯12的光导特性产生最小扰动。散热层28可以有效地防止由高功率激光(例如，具有在100毫瓦至200毫瓦范围内的功率的激光)所引起的对波导芯12的永久损伤。例如，散热层28可以有效地减轻由高功率激光引起的在波导芯12中的热光斑，使得波导芯12可以在低于可接受的温度极限的温度下工作。对于因为高功率下的非线性光吸收而经历升高的加热的硅波导芯12，散热层28可以特别有效地为该硅波导芯12提供冷却。散热层28可以放松对激光功率水平的限制，并且导致对系统级性能的较少限制。

在本文描述的任何实施例中，结构10可以被集成到包括电子部件和附加光学部件的光子学芯片中。例如，电子部件可以包括通过CMOS工艺制造的场效应晶体管。

参考图4，根据本发明的替代实施例，可以通过光刻和蚀刻工艺对散热层28进行图案化，以包括边缘38并限定沿边缘38定位在波导芯12的一部分上的形状，例如锥形36。散热层28可以被定位成与波导芯12的一部分重叠，但不与波导芯部12的另一邻近部分重叠。因此，与图3中存在的完全重叠相比，散热层28仅与波导芯12部分重叠。锥形36可促进从波导芯12的未与散热层28重叠的部分到波导芯12的与散热层28重叠的部分的绝热过渡。

参考图5，根据本发明的替代实施例，后段制程堆叠32可以包括在波导芯12上方形成的附加的散热层42、44，每个散热层都与散热层28类似。在这方面，散热层42、44可以由与散热层28相同的材料构成并具有相同的特性。例如，在一个实施例中，散热层42、44也可以由金刚石构成。在一个实施例中，散热层42、44可以各自具有从约10纳米至约200纳米的厚度。在一个实施例中，散热层42、44可以是在相应的平面顶表面和底表面之间的具有均匀厚度的平面层。

电介质层46可以形成在散热层28的顶表面和散热层42的底表面之间，电介质层48可以形成在散热层42的顶表面和散热层44的底表面之间。电介质层46、48可由诸如二氧化硅之类的电介质材料构成。包括散热层28、42、44和电介质层46、48的层堆叠被定位成与波导芯12重叠。散热层28、42、44在竖直方向上与电介质层46、48交替，使得组成在相对高导热率的材料和相对低导热率的材料之间交替。在一个实施例中，电介质层46、48可以将散热层28、42、44彼此完全分开。散热层28、42、44和电介质层46、48可以构成超材料(metamaterial)，该超材料用作以不同材料的复合折射率为特征的均质材料。

在一个实施例中，散热层28、42、44可以具有相同的厚度。在一个实施例中，散热层28、42、44的节距和占空比可以是均匀的，以限定周期性布置。在替代实施例中，散热层28、42、44的节距和占空比中的节距和/或占空比可以是变迹的(即，非均匀的)以限定非周期性布置。

具有高导热率的附加的散热层42、44可以允许散热层28在竖直方向上更靠近波导芯12放置，这可以实现更有效的冷却。异质材料的多层堆叠(例如，金刚石层与二氧化硅层交替)可以允许通过增强限制和其他模式特性来减少被设计为处理横向磁模式光的光学部件(例如，波导芯12)的占据面积。例如，如果波导芯12是弯曲的，则散热层28、42、44可以减少具有横向磁模式的光的弯曲损失。

参考图6，根据本发明的替代实施例，可以将散热层28施加为与波导芯12的外表面13和电介质层18接触的共形涂层。在一个实施例中，散热层28可以被定位成与波导芯12的外表面13直接接触。散热层28与波导芯12的轮廓共形，其厚度在每个外表面13上相同或大致相同。电介质层22、24、26和后段制程堆叠32可以在形成散热层28之后形成。

参考图7，根据本发明的替代实施例，在将散热层28施加为共形层之前，可以将电介质层40施加为与波导芯12的外表面13以及电介质层18接触的共形层。在一个实施例中，电介质层40可以由诸如二氧化硅之类的电介质材料构成，并且其导热率低于构成散热层28的材料的导热率。电介质层40被设置在散热层28和波导芯12的外表面13之间。散热层28和电介质层40均与波导芯12的轮廓共形，它们的厚度在每个外表面13上相同或大致相同。电介质层22、24、26和后段制程堆叠32可在形成散热层28和电介质层40之后形成。

上述方法用于集成电路芯片的制造。所得集成电路芯片可由制造商以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸芯片或以封装的形式进行分发。该芯片可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理设备集成，作为中间产品或最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，例如具有中央处理器或智能手机的计算机产品。

本文对通过诸如“大约”、“大致”和“基本上”之类的近似语言修饰的术语的引用不限于指定的精确值。近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，并且除非依赖于仪器的精度，否则可以指示所述值的+/-10％的范围。

本文对诸如“垂直”、“水平”等术语的引用是作为示例而不是作为限制来做出的，以建立参考系。如本文所用，术语“水平”定义为与半导体衬底的常规平面平行的平面，而不管其实际的三维空间取向如何。如刚刚定义的，术语“垂直”和“法向”是指垂直于水平的方向。术语“横向”是指水平面内的方向。

“连接”或“耦合”到另一特征或与另一特征“耦合”的一个特征可以直接连接或耦合到另一特征或与另一特征连接或耦合，相反，可以存在一个或多个中间特征。如果中间特征不存在，则一个特征可以“间接连接”或“间接耦合”到另一特征或与另一特征“间接连接”或“间接耦合”。如果至少一个中间特征存在，则一个特征可以“间接连接”或“间接耦合”到另一特征或与另一特征“间接连接”或“间接耦合”。“位于另一特征上”或“接触另一特征”的一个特征可以直接位于另一特征上或与另一特征直接接触，或者相反，可以存在一个或多个中间特征。如果中间特征不存在，则一个特征可以“直接位于另一特征上”或“直接接触另一特征”。如果存在至少一个中间特征，则一个特征可以“间接位于另一特征上”或“间接接触另一特征”。如果一个特征在另一特征上方延伸并覆盖另一特征的一部分，则不同的特征可能会“重叠”。

本发明的各种实施例的描述是为了说明的目的而呈现的，但并不旨在是穷举的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述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的普通技术人员将是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、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：

衬底；

光学部件，其包括波导芯，所述波导芯包括具有第一导热率的第一材料；以及

后段制程堆叠，其包括第一散热层，所述第一散热层包括具有大于所述第一材料的所述第一导热率的第二导热率的第二材料，

其中，所述光学部件在竖直方向上位于所述衬底和所述后段制程堆叠之间。

2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述光学部件是边缘耦合器。

3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一材料是硅，以及所述第二材料是金刚石。

4.根据权利要求1所述的结构，还包括：

第一电介质层，其在所述竖直方向上位于所述第一散热层和所述光学部件之间。

5.根据权利要求4所述的结构，其中，所述后段制程堆叠包括第二散热层，所述第二散热层包括所述第二材料，以及所述光学部件在所述竖直方向上位于所述衬底和所述第二散热层之间。

6.根据权利要求5所述的结构，还包括：

第二电介质层，其在所述竖直方向上位于所述第一散热层和所述第二散热层之间。

7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述第一电介质层和所述第二电介质层包括二氧化硅，所述第一材料是硅，以及所述第二材料是金刚石。

8.根据权利要求4所述的结构，其中，所述第一电介质层包括具有小于所述第二导热率的第三导热率的第三材料。

9.根据权利要求1所述的结构，其中，所述波导芯包括第一部分和第二部分，以及所述第一散热层仅与所述波导芯的所述第一部分重叠。

10.根据权利要求9所述的结构，其中，所述第一散热层包括与所述波导芯的所述第一部分重叠的锥形。

11.一种结构，包括：

光学部件，其包括具有多个外表面的波导芯，所述波导芯包括具有第一导热率的第一材料；以及

位于所述波导芯的所述多个外表面上的散热层，所述散热层包括具有大于所述第一导热率的第二导热率的第二材料。

12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述散热层是直接接触所述波导芯的所述多个外表面的共形涂层。

13.根据权利要求11所述的结构，还包括：

位于所述波导芯的所述多个外表面上的电介质层，

其中，所述散热层是直接接触所述波导芯的所述多个外表面上的所述电介质层的共形涂层。

14.根据权利要求11所述的结构，其中，所述第一材料是硅，以及所述第二材料是金刚石。

15.一种方法，包括：

形成第一散热层；以及

形成在竖直方向上位于衬底和所述第一散热层之间的光学部件，

其中，所述光学部件包括波导芯，所述波导芯包括具有第一导热率的第一材料，以及所述第一散热层包括具有大于所述第一导热率的第二导热率的第二材料。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

形成在所述竖直方向上位于所述第一散热层和所述光学部件之间的第一电介质层。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一散热层位于后段制程堆叠中，所述后段制程堆叠包括与所述光学部件的所述波导芯邻近的第二散热层，所述第二散热层包括所述第二材料，以及所述第一散热层在所述竖直方向上位于所述第一电介质层和所述第二散热层之间。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

形成在所述竖直方向上位于所述第一散热层和所述第二散热层之间的第二电介质层。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一材料是硅，以及所述第二材料是金刚石。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述波导芯具有多个外表面，以及所述第一散热层是位于所述多个外表面上的共形涂层。