CN1257586A - 高传导性埋层光波导 - Google Patents

Abstract

一个光学装置(300)包括由晶片粘合形成的多层结构,依次包括二氧化硅层(304),埋置硅化物层(306),接触层(308)和硅表面层(310)。表面层(310)被选择性蚀刻形成外露拱肋(312)。拱肋(312)的上表面被掺杂,沿该表面形成延长型电极(314)。表面层(310)在远离拱肋(312)的区域被选择性蚀刻到接触层(308),形成通路沟道(316a,316vb),用以与接触层(308)电连接。拱肋(312)构成辐射沿其传播的波导。当电极(314)相对于接触层(308)被偏置时,电荷载体被注入拱肋(312),并在辐射沿拱肋(312)主要传播的中心区域(324)引起折射率变化。硅化物层(306)提供一个有效的电流导电通路以注入载体,从而提供增强的装置工作频带宽度和减小的能量损耗。

Description

高传导性埋层光波导

本发明涉及一种光学装置，特别是但不仅限于用于调制在波导中导向的辐射的装置。

光学装置已被现有工艺所熟知。它们在H P Zappe(ISBNO-89006-789-9)“对半导体光学集成的介绍”的文献中有所描述。用于调制辐射的光学装置通过开发可受外部因素影响的调制介质的光学特性而工作。光学特性之一可包括折射率。折射率的感应变化可以是各向异性，这里的介质变成双折射，或各向同性。还有很多其它可行的技术调节折射率。这些技术也同时描述如下。

折射率在某些透射光的材料中，可通过施加一种外部机械力而引起变化。这被称做光致弹性效应。热诱导的折射率变化被称做热光效应。

磁诱导的双折射，被称做法拉第效应或磁光效应，在一些透射光材料遇到一个磁场时出现。诸如材料的磁通密度，材料的费尔德常数，材料的成分和材料的辐射传播的路径长度等这些因素决定可达到双折射的量级。

在一些材料中通过施加一个电场于其上，可以引起折射率变化。这种折射率变化的发生归因于克尔效应和普克尔斯效应两者。由克尔效应引起的折射率的变化与材料的克尔常数和施加的电场的平方成比例。至于普克尔斯效应，折射率的变化与施加的电场成比例。普克尔斯效应仅仅在缺乏对称中心的晶体组成的晶体中可被观察到。

折射率变化也可在给一些材料引入自由电荷载体时引起。这种变化被称做自由电荷调制或有时称做等离子分散效应。自由载体修改折射率的实数部分和虚数部分，因此对通过有载荷的材料区域传播的光学辐射造成光学移相和光学吸收。

硅具有中心对称的晶体结构，因此不表现普克尔斯效应，除非施加高温极性调整的情况下可获得微弱的效应。这个微弱的效应相应公式[1]的10^-12mν^-1系数r，公式[1]描述一个以硅折射率n₀和施加的电场E为自变量的折射率Δn函数的变化： $\mathrm{\Δn}=\frac{1}{2}{n}_0^3\mathrm{rE}---------\left[1\right]$

当施加高强度电场时，硅显示弱的克尔效应，例如，当施加电场强度为10⁶Vm^-1时，获得的折射率变化约为10^-4。为了根据硅波导提供一种用于调制辐射的使用的光学装置，就需使用热-光效应或等离子分散效应。依赖硅波导的热-光效应的装置，其运行频带宽度受相对慢的波导热力的限制；实际应用中，当输入功率等于几瓦特时，可获得数千周的频带宽度。相反，依赖硅波导的等离子效应的装置，其运行频带宽度受从光辐射传播区域移去和注入电荷载体的快速性所限制。在实际应用中，这种装置可提供数十兆周的运行频带宽度。在均匀介质中的光辐射传播具有电场向量量级E，其在介质中的空间变化，在时间依据公式[2]的情况下，：

E_∝e ^ikx                         [2]

这里，k是光辐射的波数；

x是在介质中的距离；及

i是-1的平方根。

公式[2]中的波数k可表达为光辐射的自由空间波数k₀和介质的折射率n的乘积，根据公式[3]： $E\∝e^{\mathrm{in}{k_0}^x---------\left[3\right]}$

在公式[3]中，折射率n可以依据实数部分n_r和虚数部分α表达，根据公式[4]：

n＝n_r+iα                         [4]

从中，电场强度的量级E可根据公式[5]表达如下： $E\∝e^{i{n}_r{k}_{0}x}{e}^{-\mathrm{\α}{k}_{0}x}---------\left[5\right]$

当介质是硅时，注入自由载流子于其中，修正折射率n的实数部分n_r和虚数部分α两者，根据Kramers-Kronig关系式，其相互关系可用公式[6]和公式[7]表达： ${\mathrm{\Δn}}_r=-\frac{q^3{\mathrm{\λ}}^2}{4{\mathrm{\π}}^2{c}^3{n}_r{\mathrm{\ϵ}}_0}(\frac{N_e}{m_{\mathrm{ce}}^2{\mathrm{\μ}}_e}+\frac{N_h}{m_{\mathrm{ch}}^2{\mathrm{\μ}}_h})------\left[6\right]$ $\mathrm{\Δ\α}=-\frac{q^2{\mathrm{\λ}}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{c}^2{n_r}^2{\mathrm{\ϵ}}_0}(\frac{N_e}{m_{\mathrm{ce}}}+\frac{N_h}{m_{\mathrm{ch}}})-----\left(7\right)$

其中

c是在真空中的光速；

μ_e是硅的电子迁移率；

μ_h是硅的空穴迁移率；

m_ce是硅的自由电子的有效质量；

m_ch是硅的自由空穴的有效质量；

q是一个电子的电荷；

λ是在介质中辐射传播的波长；

N_e是介质的自由电子浓度；

N_h是介质的自由空穴浓度；

Δn_r是实数部分n_r的变化；

Δα是虚数部分α的变化；和

ε₀是自由空间的电容率。

如果在硅介质中的光辐射的传播波长是1μm，电荷载体的注入引起的实数部分n_r的变化约为10^-4。伴随的虚数部分的变化比这个小约一个数量级。

现有的根据硅波长调制辐射的光学装置一般都用等离子分散效应。这样的装置使用标准硅微型制造技术制造的硅p-i-n型二极管结构，如外延技术在晶片衬底上增生一层。这个结构包括一个电子受主掺杂p区域，一个拱肋形式的本征i区域，和电子供体掺杂n区域。光辐射被限制在其功能是波导的本征i区域。当p区域在较n区域高的电位下偏移时，电荷载体被从p区域和n区域注入本征i区域。载体调节波长的反射率。

在现有工艺的装置中，被注入的载体引起辐射传播有个小的相变。通过并入至少一个装置于马赫-曾德尔干涉仪中，这个相变可转变成一个振幅变化。

现有工艺的光学装置的第一个例子在专利说明US4787 691中被阐述过。这个装置被设计成用于在波导中调制和开关制导光线。它按顺序依次包括一个硅衬底基座，一个n+掺杂流注硅衬底，一个低折射率的电介质层，一个n型晶体硅层和一个p+掺杂硅层。低指数的电介质层在制造装置时被蚀刻，形成装置中的电介质带。N型层和p+掺杂层在制造装置时被蚀刻，形成具有p+电极在顶端的波导，所说的波导和电极沿带排列。带协助限制辐射于波导内。P+电极形成装置的第一电极，衬底基座形成第二电极。施加于第一和第二电极之间的电位差导致载体注入波导，这调节折射率，并因此使这里的辐射传播具有特征。

上面描述的专利申请US 4 787 691的装置，使用包括在衬底基座上蚀刻层的程序。它的结构因此受这个程序所强加限制的控制。这些限制之一即衬底基座被用做电极之一。这导致第一个问题，即当几个装置共同形成于衬底基座上时，基座将作为所有装置的共同的第二电极。这样设置了一个可用于控制装置的电路结构的限制。另外，基座和流注硅衬底提供的导电性比金属，如铝小好几个数量级。导致电极的串联电阻的第二个问题，即，由于能量在串联电阻自身内，而非在发生载体注入和获得有用的调制效应的区域内所散失，降低了装置的运行效率。另外，由于被安置在波导下面的电介质带，装置的电荷载体主要被注入到波导的边缘区域。然而，辐射传播主要在波导的中心区域，因此被注入到波导的边缘区域的电荷载体不能特别有效地调制在波导中的辐射。因此，一个不必要的过量的电荷载体被注入以达到所要求的波导内调制辐射的效果。这会引起第三个问题，即，这个不必要的过量的载体降低了装置的调制频带宽度，因为在波导内重组过量的载体需要时间。

现有工艺的光学装置的第二个例子在欧洲专利说明EP 0 121 401A2中被阐述。这个装置依次包括一个衬底，一个衬底层，一个光学波导层和由全n-型或全p-型半导体晶体成分形成的中间层。这些层全部都是由外延沉积形式形成于衬底的第一面。一个拱肋状波导从中间层通过选择性蚀刻它们而形成。中间层之一提供第一电极在拱肋状波导的顶端，一个金属合金层沉积在衬底的第二面提供第二电极。沿波导的辐射传播相应于施加于第一和第二电极上的电位差被修正。上述欧洲专利申请描述的装置，由于它的制造方法所限，要经受上面第一例子提到的第一和第二问题。

现有工艺的光学装置的第三例子在专利申请US 4 093 345中被阐述。装置包括一个支撑n-型铝砷化镓的第一外延层的n型砷化镓单晶衬底，具有比第一外延层的铝比镓比率低的n-型铝砷化镓的第二外延层，一个接触第二外延层的拱肋部分的电极镀层材料，一个金电极接触层欧姆接触电极镀层，及一个锡电极接触层欧姆接触衬底。装置的安置使得施加到金电极层和锡接触层之间的调节电位，改变拱肋部分的折射率，用以调节那里的辐射传播。使用外延程序制造的装置使装置的结构受到限制。这些限制的结果是，装置遭受上述第一和第二例子中提到的第一和第二个问题。

本发明的目标是提供一种替代的光学装置，其至少可以减小上述问题之一。

根据本发明，提供一种光学装置，其具有一个用以辐射传播的活性区域及一个注入电荷载体于活性区域的注入装置，其特征在于，注入装置在结合晶片偶联体的两个晶片元件之间有一个高导电性的埋层，该光学装置在埋层之间有一个集聚元件与活性区域相结合，用以在活性区域集聚电荷载体。

本发明提供一种优势，即，高导电性层提供一个给装置加偏压的电子通路，与现有工艺的光学装置相比，减少了损耗。另外，本发明还提供了一种优势，由于在辐射传播的活性区域有集聚元件集聚电荷载体，因此装置能够比现有工艺的装置更有效地调制辐射。

装置还可包含一个电介质绝缘层，用于在晶片偶联体内使它电隔离。这提供了一种优势，例如，当几个光学装置共同制造在偶联体上时，装置能与晶片元件隔离。

活性区域可包含浓度少于10¹⁶原子cm^-3的掺杂异物。这提供一种优势，即，活性区域能够提供一个用于辐射传播的通路，这里的辐射衰减小于1dB cm^-1。

活性区域可提供一种辐射波导元件，其折射率可由注入装置调制。这样提供了一种方便的装置结构，以在活性区域调制辐射传播，特别是当活性区域的组成材料具有中心对称晶体结构。

集聚元件可包含一个位于活性区域的一面的第一电极，光学装置包括位于另一面的第二电极。这为装置提供了结构简单实用的优势。

在第一实施例，集聚装置可以是一个埋层区域，其突出穿过伸至装置的部件之间的一个绝缘层。这样提供了一个能够特别有效地在活性区域集聚电荷载体的结构，因此增加了装置的效能。

埋层可以是一个多晶硅层。这提供了一种优势，即，多晶硅是一种方便用做该层的材料，因为它用传统的半导体制造设备就能很容易地沉积。

多晶硅层可包含浓度范围为10¹⁸到10¹⁹原子cm^-3的掺杂物。使用这个范围的掺杂物浓度的优势在于，用传统的半导体制造工艺可以达到。

在第二实施例中，集聚装置可以是一个化学成分不同于埋层的高掺杂区域。这提供的优势是：集聚装置可以更适于注入电荷载体于活性区域，而埋层能更适于为集聚装置提供一种电连接通路。

埋层可以是一个金属硅化物层。这提供的优势是：硅化物具有少于1.5μΩm的电阻系数，因此与现有工艺相比，为集聚装置提供一种低电阻的联结通路，从而降低了装置的运行损耗。

埋层可以是一个硅化钨层。这提供的优势是：钨化硅可以抵抗在制造光学装置的过程中后面的操作步骤所需的约1000℃的高温。

埋层可以是硅化钽，硅化钴和硅化钛层的任意一种。这里提供的一系列材料，能更好地用来制造埋层。

集聚装置和埋层可以共享一个相似的提供前述导电性的掺杂物。这提供的优势是：集聚装置可以选择型地掺杂，并可以作为制造装置时的掺杂物的来源。

本发明的另一个方面，制造装置的方法可包括下列步骤：

(a)提供第一和第二晶片元件；

(b)提供晶片元件，其具有一个层结构用于限定注入电荷载体于辐射传播的活性装置区域的注入装置；

(c)提供具有金属硅或多晶硅层的晶片元件之一，以提供注入装置；

(d)结合晶片元件以形成晶片偶联体，金属硅化物层或多晶硅层埋于其间。及

(e)处理偶联体以限定活性装置区域。

本发明的方法提供的优势是：提供一种用传统的现有工艺技术不能制造的制造装置的程序，例如，制造装置上目前使用外延技术不可行的在晶片上沉积连续的层。

本发明的另一个方面，根据本发明的装置可以用上述方法制造。

为了更彻底理解本发明，通过例子及伴随的草图，下面将对一个实施例进行描述。

图1.是现有工艺等离子分散光学调幅器装置的透视框图；

图2.是包含有一个导电埋层的光学调幅器装置的透视框图；

图3.是显示图2所示的本发明的包含有硅化钨埋层的光学装置的透视图；

图4.显示图3所示的包含有硅衬底的光学装置的透视图；

图5.是显示本发明的包含有多晶硅n+型掺杂导电层和相连的延长n+型掺杂电极区域的光学装置的透视图；

图6.显示图5所示的包含有二氧化硅埋层和硅衬底的光学装置的透视图；

图7.显示生产图2的光学装置的微制造程序的分步；

图8.显示生产图3和图4的光学装置的微制造程序的分步；

图9.显示生产图5的光学装置的微制造程序的分步；

图10.显示生产图6的光学装置的微制造程序的分步；

参考图1，这里显示现有工艺的等离子分散光学调幅器装置(一般用1表示)的框图。它依次包含硅衬底2，二氧化硅层(SiO₂)3和硅表面层4。硅衬底2，二氧化硅层(SiO₂)3和硅表面层4是相互平行的相互重叠而浑然一体。表面层4具有低掺杂硅层，杂质浓度小于10¹⁶原子cm^-3。

表面层4在制造装置1时在背面被蚀刻以形成一个外露拱肋6。参考轴x-x’被包括在图1，沿着拱肋6的方向被定向。拱肋6的上表面被掺杂以在其上形成延长的p+型电极8。表面层4的外露表面被掺杂以在表面层4上形成延长n+型电极10a，10b。延长n+型电极10a，10b分别相邻于拱肋6的两面但不侵入其上。P+型电极8，n+型电极10a，10b和拱肋6都彼此平行排列。界面12形成于二氧化硅层3和表面层4之间。

电极8，10a，10b用浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的杂质掺杂。n+型电极10a，10b用磷掺杂，p+型电极用硼掺杂。

电极8，10a，10b在平行于拱肋6的参考轴x-x’的方向为2.5mm长。拱肋6在垂直于轴x-x’，平行于表面层4的方向的宽度为4μm。在从界面12垂直向上方向的高度是6.5μm。表面层4在远离拱肋6的区域，从界面12垂直向上方向的高度3.3μm。电极10a，10b在垂直于轴x-x’，平行于表面层4的方向的宽度为5μm。它们与表面层4的外露表面垂直方向的深度是0.5μm。

现在将对现有工艺的调制装置1的运行伴随图1进行描述。拱肋6形成单模光波导，沿该波导波长在1.3μm到1.5μm范围的光辐射，特别是波长在1.3μm到1.5μm范围且常常用于光通信系统的辐射，以小于1dB cm^-1的低损失传播。辐射被限定在这个波导内是依靠拱肋6二氧化硅层3，和包罩住装置1的光学调幅器低介电常数介质如空气或镀膜(未显示)的折射率不同而实现的。

电极8，10a，10b和拱肋6形成p-i-n型二极管。当施加一个电位差，以偏置p+电极8较n+型电极10a，10b高的电位，p-i-n型二极管变成正向偏压，电荷载体被注入波导。电极8，10a，10b这样的结构，使电位差引起产生一个电场，其集中于相对于拱肋6的中心区域16的边缘区14a，14b。结果，从电极8，10a，10b注入的电荷载体主要被集聚在边缘区14a，14b。继而，由于在相对于中心区域16的边缘区14a，14b的等离子分散效应，折射率发生很大变化。波导内的光辐射传播主要被限定在中心区域16，因此仅仅受到边缘区14a，14b注入载体的轻微影响。

电荷载体注入拱肋6，导致折射率改变，由此对沿着它传播的光辐射调相。通过使调幅器装置1置于马赫-曾德尔干涉仪的一个臂(未显示)，这个光辐射的调相被转化成调幅。

在现有工艺中发现一个调幅器装置1的变体。在这个变体中，没有包括n+型电极10a，10b。取而代之的是，衬底2被掺杂上浓度范围在10¹⁸到10¹⁹原子cm^-3的磷施主杂质，并且远离拱肋6提供从衬底2穿过二氧化硅层3，到表面层4的一个电连接。在变体中，衬底2提供p-i-n型二极管的第一电极，p+型电极8提供二极管的第二电极。在这个变体中，对p+型电极8加以较衬底2高的电位偏压导致电荷载体被注入拱肋6，从而调制那里的辐射传播。

图1所示的调幅器装置1和上述的变体中遇到一个问题是那里形成的p-i-n型二极管具有相对较高的串联电阻，例如，当拱肋6和它的p+型电极8大约1mm长时，二极管具有1kΩ的串联电阻。在结合串联电阻时，衬底2或电极10a，10b和p+型电极8之间的电容是电位调制频带宽度的限制因素。

调幅器装置1和上述的变体中遇到另一个问题是能量在串联电阻中的损耗。这个问题的一个例子是，当它或它的p+型电极8是1mm长，并且在p+型电极8和n+型电极10a，10b之间流动的电流是10mA时，调幅器装置1提供一个可用的调制效应于沿拱肋6的辐射传播上；这就导致当串联电阻是1kΩ时，有114mW的能量损耗，需要11.4伏的电压施加于p+型电极8和n+型电极10a，10b或衬底2之间，即使当大约1.4伏的电压被施加正向偏压于p-i-n型二极管上，p-i-n型二极管将会导通。因此，在这个例子中，14mW的能量损耗发生在波导6以达到调制效应，有100mW的能量损耗发生在串联电阻内。

调幅器装置1和此变体使用外延层沉积在硅衬底上而制造。目前还不能沉积对适于制造装置1和这个变体的层厚度(即大约为0.3μm)而言薄片电阻率在小于每平方10Ω数量级的掺杂半导体。因此，目前还不可能大幅度地降低串联电阻，也就不能降低在装置1和它的变体中的能量损耗。

现在来参考图2，一个一般用100表示的光学装置，其组成依次包括：二氧化硅层102，一个n+型掺杂硅埋置接触层104和一个硅表面层106。层102，104和106是平行，层叠和形成整体的。

表面层106被蚀刻形成外露拱肋108。图2包括一个参考轴k-k’，沿拱肋108的方向定向。拱肋108的上表面被掺杂形成延长型p+电极110。电极110和拱肋108互相平行排列。表面层106在远离拱肋108的区域被选择性蚀刻，形成两条沟道112a，112b，用以与埋置接触层104形成电连接。电连接通过沉积掺杂多晶硅或金属轨道(未显示)于沟道112a，112b内形成。

p+型电极110用浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的杂质硼掺杂。拱肋108在垂直于轴k-k’，平行于表面层106的方向的宽度为4μm。它在从埋置接触层104垂直向上方向的高度是6.5μm。表面层106在远离拱肋108的区域，在埋置接触层104法线方向的高度3.3μm。接触层104是0.1μm厚，被用浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的电子施主杂质掺杂。二氧化硅层102至少1μm厚，用以减少沿拱肋108的光辐射的漏失。

现在将对装置100的运行进行描述。拱肋108形成波导，沿该波导波长在1.3μm到1.5μm范围的光辐射传播，特别是常常用于光通信系统的波长在1.3μm到1.5μm范围的辐射。辐射被限定在这个波导内是因为拱肋108，埋置接触层104，二氧化硅层102，和包罩住装置100的低介电常数介质的折射率不同。

当施加一个电位差，以偏置p+电极110于较埋置接触层104高的电位，电荷载体支配性地被注入拱肋108的中心区域114。一个电荷分布产生，即，大部分电荷集聚在中心区域，与拱肋108的边缘区域106相比，主要的光辐射都被限定在这个中心区域。从而，与图1所示的现有工艺的调幅器装置1比较，注入波导的载体能有效地调制辐射。在装置100，注入的载体在波导内提供了辐射调相。以与现有工艺的装置1相似的方式，通过使装置100成为马赫-曾德尔干涉仪的一个臂(未显示)，这个光辐射的调相被转化成调幅。

参考图3，另一个本发明的光学装置用200代表。除了在二氧化硅层102和埋置接触层104之间包含一个硅化钨埋层(WSi₂)202，及层104在临近沟道112a，112b和拱肋108的区域204被选择性掺杂以外，此光学装置与图2的装置100等同。硅化物层202是100nm厚。

硅化钨层202比埋置接触层104有更大的导电性。它有效地反射光辐射，因此提供改良的限制辐射于拱肋108内。另外，硅化物层202也提供一个与整个接触层104区域的低电阻连接，从而增加装置100的高频调制性能。在埋层104中的区域204通过选择性地植入一个掺杂物于硅化物层202，继而在下面将要描述的晶片结合后，使掺杂物弥散入接触层104而形成。

现在来看图4，一个本发明的光学装置用300代表。它依次包括硅化物衬底302，二氧化硅层304和硅化钨埋层(WSi₂)306，一个n+型硅埋置接触层308和硅表面层310。层302到310是平行，层叠和一体的。

表面层310被蚀刻形成外露拱肋312。图4包括一个参考轴m-m’，沿拱肋312的方向定向。拱肋312的上表面被掺杂形成延长型p+电极314。电极314和拱肋312互相平行排列。表面层310在远离拱肋312的区域被选择性蚀刻，形成两条沟道316a，316b，用以与埋置接触层308形成电连接。电连接通过沉积掺杂多晶硅或金属轨道(未显示)于沟道316a，316b内形成。层308在临近沟道316a，316b的区域320a，320c和临近拱肋312的区域320b被选择性掺杂，导致在区域320a，320b，320c之间的区域322掺杂较少。硅化物层306为100nm至250nm厚。

p+型电极314用浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的杂质硼掺杂。拱肋312在垂直于轴m-m’，平行于表面层310的方向的宽度为4μm。在埋置接触层308的法线方向上距该层的高度是6.5μm。表面层310在远离拱肋312的区域在埋置接触层308的法线方向的厚度3.3μm。接触层308是0.1μm厚，被用浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的电子施主杂质掺杂。二氧化硅层304至少1μm厚，用以减少沿拱肋312的光辐射的漏失。

现在将对装置300的运行进行描述。拱肋312形成波导，沿其传播波长在1.3μm到1.5μm范围的光辐射，特别是波长在1.3μm到1.5μm范围的常常用于光通信系统的辐射。辐射被限定在这个波导内是因为拱肋312，埋置接触层308，二氧化硅层304，和包罩住装置300的低介电常数介质(未显示)的折射率不同。

当施加一个电位差，以偏置p+电极314位于较埋置接触层308高的电位。电荷载体被支配性地注入拱肋312的中心区域324。一个电荷分布产生，即，大部分电荷集聚在中心区域，与拱肋312的边缘区域326相比，主要的光辐射都被限定在这个中心区域。从而，与图1所示的现有工艺的调幅器装置1比较，注入波导的载体能有效地调制辐射。在装置300，注入的载体在波导内提供了辐射调相。以与现有工艺的装置1相似的方式，通过使装置300成为马赫-曾德尔干涉仪的一个臂(未显示)，这个光辐射的调相被转化成调幅。

硅化钨层306比埋置接触层308有更大的导电性。它有效地反射光辐射，因此提供改良的限制辐射于拱肋312内。另外，硅化物层306也提供一个与整个接触层308区域的低电阻连接，从而增加装置300的高频调制性能，并且降低那里的能量损耗。与同等大小的现有工艺的装置比较，装置300的串联电阻在数量上降低一个数量级。

在埋置接触层308中的区域320a，320b，320c通过选择性的植入一个掺杂物于硅化物层306，继而在下面将要描述的晶片结合后，使掺杂物弥散入接触层308而形成。

选择性地掺杂区域320a，320b，320c提供一个优势，即，通过沟道316a，316b的电流主要都转向硅化物层306，从区域320b注入的载体发生大部分进入拱肋312的中心区域324的情况，因此改善了装置300的调制效能。层306具有的电阻率系数少于1.5μΩm，即当层306的厚度是200nm时，薄片电阻率小于7.5Ω每平方。一个具有W Si_2.7成分的富含硅的硅化钨膜具有特性，并发现具有约为0.4μΩm的电阻率系数，它对应于200nm膜厚度的大约2Ω每平方的薄片电阻率。

在装置300的简化变型中，选择性掺杂不被用于区域320a，320b，320c。取而代之的是，接触层308被完全一致地掺杂。用硅化钛，硅化钽和硅化钴中至少一种取代在制造层306时使用的硅化钨。

二氧化硅层304使硅衬底302和硅化物层306电隔离。这样的优势是，从衬底302隔离拱肋312，从而使施加于注入电荷载体到拱肋312的电位，不会象前述的现有工艺的光学装置一样被衬底302的电位所限制。

在图5中显示的本发明的另一个光学装置用400代表。它依次包括多晶硅n+型掺磷导电层402，二氧化硅绝缘埋层404和硅表面层406。表面层406掺杂量低，其杂质浓度小于10¹⁶原子cm^-3。它被深蚀刻，形成外露拱肋408。图5包括一个参考轴n-n’，沿拱肋408的方向定向。拱肋408的上表面被掺杂硼杂质形成延长型p+电极410。拱肋408和电极410互相平行排列。拱肋408的中心区域411被置于p+电极410下方。沟道412a，412b远离拱肋408，它的形成通过蚀刻穿通表面层406和埋层404到达导电层402以使它能够电连接。与导电层402的电连接通过沉积掺杂多晶硅或金属轨道(未显示)于沟道412a，412b内形成。一个延长n+型电极区域414通过选择性蚀刻穿通绝缘埋层404和0.5μm的短距离进入表面层406，形成一个沟道，掺杂多晶硅的层402沉积其上。电极区域414沿轴n-n’排列，被置于相对p+型电极410的中心区域411的对面。拱肋408是单模光波导，用以限定波长在1.3μm到1.5μm范围的光辐射，特别是波长在1.3μm到1.5μm范围、常常用于光通信系统的辐射。

导电层402和p+型电极410用浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的杂质原子掺杂。拱肋408与图3所示的拱肋108大小相等。表面层406在远离拱肋408的区域的厚度是3.3μm。

当施加一个电位差，以偏置p+电极410于较电极区域414高的电位。电荷载体被注入中心区域411。电极区域414被横向地平切以保证注入的电荷载体大部分被限定于区域411，从而有效地调制它的折射率。由于这个制约，与装置1的调幅器的极间电容相比，装置400的p+型电极410和电极区域414之间的极间电容较小，以达到拱肋6的同等折射率变化。这个相对较小的极间电容为图5的装置400提供了增强工作频带宽度的优势。

在图6中显示的本发明的另一个光学装置用500代表。它依次包括硅衬底502，第一二氧化硅绝缘埋层504，一个多晶硅n+型掺磷导电层506，一个第二二氧化硅绝缘埋层508和硅表面层510。表面层510掺杂量低，其杂质浓度小于10¹⁶原子cm^-3。它被在深蚀刻形成外露拱肋512。图6包括一个参考轴p-p’，沿拱肋512的方向定向。拱肋512的上表面被掺杂硼杂质形成延长型p+电极514沿其上。拱肋512和电极514互相平行排列。拱肋512的中心区域516被置于p+电极514下方。沟道518a，518b远离拱肋512，它的形成通过蚀刻穿通表面层510和第二埋层508到达导电层506以使它能够电连接。与导电层506电连接通过沉积掺杂多晶硅或金属轨道(未显示)于沟道518a，518b内形成。一个延长n+型电极区域520通过选择性蚀刻穿通第二绝缘埋层508形成一个沟道，掺杂多晶硅的层506沉积其上。电极区域520沿轴p-p’排列，被置于相对p+型电极514的中心区域516的对面。拱肋512是单模光波导，用以限定波长在1.3μm到1.5μm范围的光辐射，特别是波长在1.3μm到1.5μm范围、常常用于光通信系统的辐射。

导电层506和p+型电极514用浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的杂质原子掺杂。拱肋512与图2所示的拱肋108大小相等。表面层510在远离拱肋512的区域的厚度是3.3μm。

当施加一个电位差，以偏置p+电极514于较电极区域520高的电位。电荷载体被注入中心区域516。电极区域520被横向地平切以保证注入的电荷载体大部分被限定于区域516，从而有效地调制它的折射率。由于这个制约，与装置1的调幅器的极间电容相比，装置500的p+型电极514和电极区域520之间的极间电容较小，以达到拱肋6的同等折射率变化。这个相对较小的极间电容为图5的装置500提供了增强工作频带宽度的优势。

现在来看图7，这里显示用以产生装置100的微制造程序的分步框图。一个抛光的掺杂杂质浓度小于10¹⁶原子cm^-3低掺杂硅晶片600受到离子注入以在它的一侧形成n+型重掺杂层602。层602包含浓度范围在10¹⁸到10¹⁹原子cm^-3的掺杂杂质。第二抛光低掺杂硅晶片604被热氧化以在它的一面形成厚二氧化硅表面层606。层608，610分别对应于晶片600，604的低掺杂硅区域。之后层602，606在1100℃的高温，湿氧和氮大气环境下被热粘合，如此它们被熔合在一起形成晶片偶联体，用612代表。大气环境是通过混合氧，氢和氮气，它们在高温条件下自发反应，形成蒸汽、氧和氮混合气体而形成的。偶联体612然后被抛光形成薄的偶联体，用614表示，在其上，层608被抛光以除去如短画线所指的616物质，形成薄层615。下一步，偶联体614受到离子注入以形成重掺杂p+型表面层620，其杂质浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3。由此产生618所指的晶片偶联体。然后使用标准微制造光刻和干蚀刻程序，以蚀刻层615，620，在622所指的晶片偶联体上形成拱肋624。短画线625代表在拱肋624形成时除去的物质的量。下一步，通过使用标准光刻和蚀刻程序形成通路沟道628a，628b，由此产生626所指的晶片偶联体。还有的偶联体626的分步程序(未显示)包括金属轨道沉积，以电连接n+型掺杂层602和p+型表面层620，提供一个完成的光学装置。

图3所示的装置200类似于图2所示的装置100，除了硅化钨层202的沉积发生在晶片结合形成偶联体之前。

显示在图7的框图的程序被称做“在绝缘体上粘合和深蚀刻硅(BESOI)”。它还没有被用于现有工艺制造光学装置以调制辐射。

现在来看图8，这里显示用以产生装置200，300的微制造程序的分步框图。

在生产装置200，300时需要两个抛光的低掺杂硅晶片，即第一晶片700和第二晶片702，其掺杂杂质浓度小于10¹⁶原子cm^-3。第二晶片702受到离子注入以形成n+型重掺杂层706在它的一面。层706包含浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的掺杂杂质。由此，晶片702变成层706，与低掺杂层704相接。然后，一个硅化钨层708被用化学蒸汽沉积方法沉积在n+型掺杂层706。下一步，一个二氧化硅表面层710用用化学蒸汽沉积方法沉积在硅化钨层708上。

之后，第一晶片700和第二晶片710在1100℃的高温，湿氧和氮大气环境下保持接触60分钟，如此被热熔合在一起形成晶片偶联体，用712代表。大气环境是通过混合氧、氢和氮气，它们在高温条件下自发反应，形成蒸汽、氧和氮混合气体而形成的。偶联体712然后被抛光形成薄的偶联体，用714表示，在其上，第一晶片700被抛光以除去如短画线所指的717物质，形成薄层715。下一步，偶联体714受到离子注入以形成重掺杂p+型表面层720，其杂质浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3。由此产生718所指的晶片偶联体。然后使用标准微制造光刻和干蚀刻程序，以蚀刻层715，720，在722所指的晶片偶联体上形成拱肋724。短画线725代表在拱肋724形成时除去的物质量。下一步，通过使用标准光刻和蚀刻程序形成通路沟道728a，728b，由此产生726所指的晶片偶联体。针对偶联体726的进一步程序(未显示)包括金属轨道沉积，以电连接n+型掺杂层702和p+型表面层720，提供一个完成的光学装置。

在通路沟道728a，728b上以及拱肋724下面的区域730采用了高浓度的掺杂，以增加它们的导电性，与装置200的区域204和装置300的区域320a，320b，320c相对应。它们至少由下列之一形成：

(i)选择性对形成于第二晶片702上时的n+型掺杂层706掺杂；及

(ii)用掺杂物选择性掺杂硅化钨层708，然后安排掺杂物弥散进入n+型掺杂层706以选择性掺杂它。

示意显示在图8的程序被称做“在绝缘体上粘合和深蚀刻硅(BESOI)”。从现有工艺可知道，在硅化物层和硅层之间粘合需要高强力，因此，不要期望使用埋置硅化物层的光学装置功能会可靠，或者甚至被制造。粘合的硅化物层因应力所致的层离是由AcademicPress 1983 ISBN 0-12-511220-3的S.P Murarka著述的“超大规模集成电路中应用的硅化物”一书中第50到59页描述。因此埋置硅化物层目前还没有被用在现有工艺光学装置的制造中。在制造图3和图4所示的装置200，300时，发现粘合硅化钨层708到n+型掺杂层706和二氧化硅层710是可通过调整硅化钨层708的stochiometric成分使其富含硅而得到增强。另外，已经发现通过选择性蚀刻硅化物层708区域，即在将二氧化硅层710生长于其上前先使它定型，在硅化钨层708到n+型掺杂层706和二氧化硅层710的粘合应力可被减小。这种定型可包括周期性隔离沟道和孔，即空隙，在这些地方硅化物层708已经被例如用离子铣削方法选择性地蚀刻或腐蚀。另外，硅化物层708可定型使其结合成为隔离的硅化物岛。

现在来看图9，它显示用以产生图5的装置400微制造程序的分步框图。一个包含掺杂杂质浓度小于10¹⁶原子cm^-3的低掺杂硅晶片850受到磷掺杂植入以形成852所指的晶片，包含一个植入的n+型表面层854于其上。层854包含杂质浓度范围在10¹⁸到10¹⁹原子cm^-3的杂质。一个低掺杂硅晶片850被氧化形成一个1μm厚的二氧化硅表面层858于其上。一个沟道860使用标准微制造光刻和干蚀刻技术被蚀刻到二氧化硅层858里。一个掺杂的多晶硅n+型层862被沉积到二氧化硅层858，然后进入沟道860。一个外露的外表面层862被抛光成平面以形成864所指的晶片。晶片852，864通过表面层854接触多晶硅n+型层862而紧靠。然后在1100℃的高温，湿氧和氮大气环境下被热熔合在一起形成晶片偶联体，用866表示。大气环境是通过混合氧、氢和氮气，它们在高温条件下自发反应，形成蒸汽、氧和氮混合气体而形成的。偶联体866然后被抛光，使包含其中的晶片856变薄，形成层868，其中的短画线870代表抛光所除去的物质的量，形成872所指的偶联体。偶联体872的层868受到硼掺杂植入形成掺杂的p+型表面层874，以提供876所指的晶片偶联体。层868以杂质浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的硼杂质掺杂。通过使用标准微制造光刻和干蚀刻技术，表面层874和层868除了形成拱肋880的区域以外的位置被深蚀刻(如878短画线所指)，由此提供882所指的晶片偶联体。两个连接通路沟道884a，884b被勾划外形，并被蚀刻穿通层858，868，提供886所指的晶片偶联体。针对偶联体886的进一步程序(未显示)包括金属轨道沉积，以电连接n+型掺杂层862和p+型表面层874，提供一个完成的光学装置。

现在来看图10，它显示用以产生图5的装置500的微制造程序的分步框图。两个掺杂杂质浓度小于10¹⁶原子cm^-3的低掺杂硅即第一晶片950和第二晶片952，被氧化形成1μm厚的二氧化硅表面层954，956于它们的上面，分别形成958，959所指的晶片。然后，一个沟道960使用标准微制造光刻和干蚀刻技术被蚀刻到二氧化硅层956里。一个掺杂的多晶硅n+型层962被沉积到二氧化硅层956，然后进入沟道960。一个外露的外表面层962被抛光成平面形成964所指的晶片。晶片958，964通过表面层954接触多晶硅n+型层962而紧靠。然后在1100℃的高温，湿氧和氮大气环境下保持接触60分钟，被热熔合在一起形成晶片偶联体，用966表示。大气环境是通过混合氧、氢和氮气，它们在高温条件下自发反应，形成蒸汽、氧和氮混合气体而形成的。偶联体966然后被抛光变薄，晶片952包含其中，形成层968，其中的短画线970代表抛光所除去的物质的量，形成972所指的偶联体。偶联体972的层968受到硼掺杂植入形成掺杂的p+型表面层974，以提供976所指的晶片偶联体。层968以杂质浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3的硼杂质掺杂。通过使用标准微制造光刻和干蚀刻技术，表面层974和层968除了形成拱肋980的区域以外的位置被深蚀刻到978短画线所指，由此提供982所指的晶片偶联体。两个连接的沟道956a，984b被勾划外形，并被蚀刻穿通层956，968，提供986所指的晶片偶联体。偶联体986的进一步程序(未显示)包括金属轨道沉积，以电连接n+型掺杂层962和p+型表面层974，提供一个完成的光学装置。

在图10中，一个熔合面被提供在掺杂多晶硅n+型层962和二氧化硅表面层954之间。在另一种制造装置500的微制造程序中，表面层954可以被沉积到n+型层962上，而不是沉积到第一晶片950上，由此，熔合面被提供在表面层954和第一晶片950之间。

用外延技术制造图3到6所示的装置200，300，400，500是不可行的。硅化钨层202，306，多晶硅层402，506和二氧化硅层304，504不是单晶体。结果，在所说的层202，304，306，402，504，506上的任何外延生长层也都不是单晶体。因此，以现有的层，外延生长单晶体层在其上用于制造拱肋108，314，408，512是不可行的。所以，显示在图7到10的程序是制造装置200，300，400，500所必需的。

现在来看图2到6，拱肋108，312，408，512可以被掺金以通过保证用复合快速除去电荷载体而增加装置的运行频带宽度。作为掺金的替代措施，通过在那里形成作为复合位点的晶格缺陷，可以增加在拱肋108，312，408，512的电荷载体复合这样的缺陷可以通过暴露拱肋108，312，408，512于高能激光、电子或氢离子束下引入。另外，拱肋108，312，408，512可以被暴露于中子束下引入此缺陷。

在图2到6，掺杂型可以被调换，即，n+型掺杂和p+型掺杂区域分别变成p+型区域和n+型区域，提供本发明的另一种光学装置。这样做除了在注入电荷载体于拱肋108，312，408，512时需要的施加电位的电极相反以外，不影响它们的运行模式。尽管上面描述了在1100℃下晶片的热粘合，在800℃到1200℃范围的温度下都可达到满意的粘合。尽管上面描述了在暂定的湿氧和氮的大气环境下，可以改善粘合强度，但对于在晶片之间达到热粘合不是必须的。这个粘合足够承受更高的高温处理步骤，例如，在电子电路集成于晶片上所必须的步骤。其它粘合方法，例如熔化粘合也可替代热粘合，被用在制造装置中。

电子电路可与装置100，200，300，400，500单块集成。这些电路可包括，例如，缓冲放大器和逻辑门。电路可以在拱肋108，312，408，512，624，724，880，980成型后制造。或者，电路也可以在拱肋108，312，408，512，624，724，880，980成型前制造，并且可以以蚀刻时保护拱肋一样的方式加以保护，以避免被蚀刻，例如，采用可以使用溅镀、等离子体蚀刻或湿化学蚀刻等这类后面的处理过程除去的抗蚀膜层或金属罩层。

尽管拱肋108，312，408，512，624，724，880，980包含的掺杂杂质浓度小于10¹⁶原子cm^-3，杂质浓度可以增加到10¹⁶原子cm^-3以上，结果，装置100，200，300，400，500内的辐射吸收也相应地增加。

尽管图2到6的光学装置100，200，300，400，500是基于硅半导体技术，它们也可以用III-V半导体材料的晶片粘合技术制造。

尽管图7到10显示了单光学装置的制造，也可以在晶片600，604，700，702，850，856，950，952上同时制造许多装置。这样制造的装置可以用切割或锯开偶联体626，726，886，986而彼此分开，如此，所说的装置包含被粘合在一起的晶片600，604，700，702，850，856，950，952。另外，装置100，200，300，400，500的阵列可以在晶片偶联体上被制造，用以提供一个相控阵列装置。

尽管装置100，200，300，400，500用以调制辐射，在另一些类型的半导体光学装置(例如，高能固态激光)中使用高导电性埋层(例如金属硅化物埋层)可供提供一个电通路，以减少施加偏电压于所说的装置时的串联电阻。

Claims (34)

1.一个光学装置，具有一个活性区域(108；312；408；512)用以辐射传播，及一个注入装置(110；202；204；410；514；520)用以注入电荷载体于活性区域，其特征在于：注入装置在连接的晶片偶联体的两个晶片元件之间包含有高导电性埋层(104；202；306；308；402；506)，并且，光学装置还包括集聚元件(204；414)，安置于埋层和活性区域之间，用以在活性区域集聚电荷载体。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于：集聚元件(414)是埋层(402)的一个突出穿过绝缘层(404)的区域，伸展于装置的部件之间。

3.根据权利要求2的装置，其特征在于：埋层是一个多晶硅层(402)。

4.根据权利要求3的装置，其特征在于：多晶硅层(402)包含杂质浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3。

5.根据权利要求1的装置，其特征在于：集聚元件是一个化学成分不同于埋层(202)的高掺杂区域(204)。

6.根据权利要求1或5的装置，其特征在于：埋层是一个金属硅化物层(202)。

7.根据权利要求6的装置，其特征在于：埋层(202)是一个硅化钨层。

8.根据权利要求6的装置，其特征在于：埋层(202)是硅化钽层，硅化钴层和硅化钛层的任意一种。

9.根据权利要求5的装置，其特征在于：高掺杂区域(204)和埋层(202)共享一个相似的掺杂杂质，提供前者导电性。

10.根据权利要求9的装置，其特征在于：掺杂杂质可以从埋层(202)热弥散到高掺杂区域(204)。

11.根据权利要求9或10的装置，其特征在于：高掺杂区域的掺杂杂质浓度范围在10¹⁸到10¹⁹的原子cm^-3。

12.根据权利要求1的装置，其特征在于：埋层(708)包含晶片偶联体(714)材料的化学元素。

13.根据权利要求12的装置，其特征在于：埋层(202；708)是金属硅化物，晶片偶联体材料是硅。

14.根据权利要求1的装置，其特征在于：它包含一个电介质绝缘层(304；504)，用于使活性区域，埋层，注入元件和集聚元件与装置的其它元件电隔离。

15.根据权利要求1的装置，其特征在于：活性区域包含的掺杂杂质浓度小于10¹⁶的原子cm^-3。

16.根据权利要求1的光学装置，其特征在于：活性区域(108；312；407；512)提供辐射波导元件，其折射率可被注入元件调节。

17.根据权利要求1的光学装置，其特征在于：晶片偶联体中之一的晶片元件提供活性区域。

18.根据权利要求1的光学装置，其特征在于：集聚元件包括第一电极(110)，安置于活性区域的一面，和第二电极(204)安置于另一面。

19.根据权利要求18的光学装置，其特征在于：第一电极位于活性区域(108)和绝缘层(102)之间。

20.根据权利要求1的光学装置，其特征在于：活性区域提供辐射波导元件，及注入元件被安排通过注入电荷载体大部分进入辐射主要传播的区域，来调制波导元件的折射率。

21.根据权利要求1的光学装置，其特征在于：埋层(202)具有一个小于1.5μΩm的电阻系数。

22.根据权利要求1的光学装置，其特征在于：埋层(202)具有一个小于7.5Ω每平方的电阻系数。

23.根据权利要求1，21，或22的光学装置，其特征在于：埋层至少包括孔穴，岛和沟道之一，用以释放在埋层和粘合于埋层上的层之间的压力。

24.根据权利要求1的光学装置，其特征在于：活性区域至少包括下列之一：

(i)掺金；及

(ii)人工晶格缺陷，

用于缩短载体寿命及增加那里的复合位点密度。

25.一个制造光学装置的方法包括下列步骤：

(a)提供第一和第二晶片元件(700，702，850，856)；

(b)提供具有层结构(706，708，710，854，862，858)的晶片元件，以限定注入电荷载体进入辐射传播的活性区域的注入元件；

(c)使晶片元件之一具有金属硅化物层(708)或多晶硅层(862)，以提供注入元件；

(d)粘合晶片元件形成晶片偶联体(714；866)，金属硅化物层或多晶硅层埋于其中；及

(e)处理偶联体(714；866)以限定活性装置区域。

26.根据权利要求25的方法，其特征在于：在步骤(b)，结构层是一个具有气孔(860)的绝缘层(858)，及在步骤(c)，注入元件伸展穿过气孔(860)。

27.根据权利要求25的方法，其特征在于：硅化物层的成分是硅化钨层。

28.根据权利要求25的方法，其特征在于：在步骤(d)，晶片元件通过使它们互相接触一定时间，并在此时期内加热到800℃到1200℃温度范围，使它们热粘合。

29.根据权利要求25的方法，其特征在于：硅化物层(708)被从此层弥散到临近层(706)的掺杂杂质选择性掺杂，由此限定一个导电区域(320b；703)，以集聚电荷载体注入到装置的活性区域(324；724)。

30.根据权利要求25的方法，其特征在于：装置的活性区域至少是掺金或受辐照之一，以增加那里的电荷载体复合位点密度。

31.根据权利要求25的方法，其特征在于：至少孔穴，岛和沟道之一被形成于金属硅化物层，用以释放此层和粘合于此层上的层之间的压力。

32.一个装置，其特征在于：它是根据权利要求25的方法制造的。

33.一个光学装置，其特征在于：它包括一个埋层，用于提供施加电偏压于装置的导电通路，所说的埋层具有一个小于1.5μΩm的电阻系数。

34.一个光学装置，其特征在于：它包括一个埋层，用于提供施加电偏压于装置的导电通路，所说的埋层具有一个小于7.5Ω每平方的表面电阻率。

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