CN1778021A - 改进的发光器件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

改进的发光器件可以包括一个波导，所述波导是用掺杂有光学活性元素的Si纳米晶体制成。所述发光器件可以适合于在芯片对芯片和芯片上的互连中使用。

Description

改进的发光器件的系统和方法
技术领域
本发明的实施方案涉及发光器件和采用发光器件的光通讯系统。
背景技术
现代计算设备包括多种不同类型的集成电路(IC)芯片，所述芯片包括处理器，存储设备和控制器。在计算机中，芯片上(on-chip)和芯片对芯片(chip-to-chip)互连一般是用金属导线来制成的。随着IC芯片的集成化程度越来越高，所述导线变得更窄并且间隔更密。这导致在导线中更高的电阻和在导线之间更高的电容。电阻和电容的增加会使通过所述导线的电信号退化。这种信号的退化会降低IC芯片以及计算设备整体的性能。
为了解决这个问题，已经提出了使用光源和波导的芯片上和芯片对芯片光学互连。在一个光学互连系统中，来自IC芯片的电信号被转换为由光源发出的光信号。光在波导上传播到达探测器，探测器将收到的光信号转换回电信号。光在光学互连中的速度快于电子流在导线中的速度，并且相对光学互连的长度线性地成比例变化。另外，当所述互连变长时，光学互连可以比电气互连消耗更少的电源。
传统的光学互连系统一般要求这样的光源，即所述光源不是和IC芯片一起整体形成的。这是因为通常用来形成IC芯片的材料Si和SiGe没有被认为是适于形成整体光源的，因为它们具有一个间接带隙(band gap)。相反，在传统的光学互连系统中，通常使用由直接带隙半导体制成的外部光源。这些光源单独封装，并且和波导以及IC芯片上的其他器件对准。这造成了相对昂贵和复杂的芯片上和芯片对芯片光通讯系统。
进一步使芯片对芯片通讯复杂化的是在IC芯片上能够构建的接触垫的数量有限。随着IC芯片的复杂程度的增加，需要越来越多的输入/输出引线(lead)来容纳大量的位(bit)以及用于其他应用的输入/输出。
附图说明
本发明的实施方案是以实施例的方式来说明的，而不是以限制的方式来进行的，在附图中，同样的标号表示相似的元件。
图1A为表示使用Si纳米晶体可以间接激发光学活性元素(比如Er)的带隙图。
图1B为对应于Er原子130的带隙图。
图2图示根据本发明的某些方面实现的发光器件200。
图3为表示计算光学增益相对于Er浓度，或可替换地，计算光学增益相对于Er离子与Si纳米晶体之比的对数曲线。
图4图示根据本发明采用光泵浦(optical bumping)的实施方案来实现的发光器件400。
图5图示根据本发明采用电激发(electrical excitation)的实施方案来实现的发光器件500。
图6图示根据本发明的实施方案构成波导(包括光学活性层)。
图7为根据本发明的实施方案实现的芯片对芯片通讯系统700的设计图。
图8为根据本发明的实施方案实现的芯片上通讯系统800的框图。
具体实施方式
本发明的实施方案一般针对改进的发光器件的系统和方法以及使用这样的器件的光通讯系统。本发明的实施方案是由直接在Si衬底上制成的波导器件组成的，所述Si衬底通常用于互补金属氧化物半导体(CMOS)数字电路技术。这些实施方案可以是以Si纳米晶体制成的波导以及在SiO2膜中的其他光学活性元素(比如稀土元素)的组合。与直接在同一衬底上构成器件相关联的成本明显低于与购买和装配分立器件相关联的成本。这些元素被集成在同一单片衬底上，因此简化了在光源和光学波导之间的耦合。
整篇文件中提及多个元素和化合物。可以发现用来标识元素和化合物的符号和名称存在一些变化。表l提供一个清单，该清单包括元素、所列出元素相应的原子序数以及整篇文件中用于所标识元素的缩写。
                   表1
  元素名称   原子序数(Z)   缩写
  硅   14   Si
  锗   32   Ge
  铒   68   Er
  镨   59   Pr
  钬   67   Ho
  镱   70   Yb
  铈   58   Ce
  铥   69   Tm
图1A是表示使用Si纳米晶体可以间接激发光学活性元素(比如Er)的带隙图。Si纳米晶体110可以被光激发或电激发以生成电子-空穴对120。电子-空穴对(例如电子-空穴对120)可以复合并且将能量转移给Er3+离子(例如，通过俄歇过程)。例如，当Si纳米晶体110吸收光子时被光激发。被吸收的光子导致在Si纳米晶体110中生成激子。所述激子可以通过激发Er原子130而以非发射的方式复合。不像块硅(bulk Si)，俄歇过程对于Si纳米晶体110是不可逆的，因为带隙140比带隙150大。
图1B为对应于Er原子130的带隙图。当Er原子130从Si纳米晶体110吸收俄歇电子时，Er原子130的内壳层电子可以暂时地从能级160移到能级170。然后所述电子可以移到能级180，并在称作“驰豫”(relaxation)的过程中热散逸能量而不发出光子。最后，所述电子可以返回到较低的能级160，并且Er原子130可以发出光子190以补偿在电子能级方面的变化。在图示的实施方案中，光子190具有约1.5μm的波长。
图1所示的激发过程并不限于Er原子，相反，对于各种光学活性元素都是可能发生的。尤其，可以使用稀土元素的原子与Si纳米晶体结合来提供发光源。从镧(Z＝57)到镥(Z＝71)的元素公知为稀土元素。稀土元素表现出相似的属性，因为这些元素在电子排布之间的差异主要发生在外壳层中。稀土元素还公知为镧系或镧系元素(lanthanides or thelanthanoids)。
图2图示根据本发明的某些方面实现的发光器件200。发光器件200包括衬底210、电介质层220、光学活性层230以及光学腔(optical cavity)240。在本发明的一些实施方案中，衬底210由悬浮区(float-zone)半导体材料制成。术语“悬浮区”是指晶体生长的一种类型，其中，生长的晶体没有触及它在其中生长的坩锅的壁。悬浮区半导体材料的例子包括Si、Ge以及SiGe。在本发明的图示实施方案中，电介质层220由SiO2构成。在本发明可替换实施方案，电介质层220可以由不同的材料构成。
光学活性层230包括与光学活性元素的原子(例如，稀土元素的原子)很接近的Si纳米晶体。如上所述，Si纳米晶体以及光学活性元素原子可以被用来作为光源。在本发明实施方案中，光学活性层230是Si纳米晶体和稀土元素原子的薄层，所述Si纳米晶体和稀土元素原子一起形成光源和波导。在本发明可替换实施方案中，所述电介质可以为氟化物或者氟掺杂的二氧化硅。光学活性层(例如，光学活性层230)因而可以为稀土掺杂的氟化物(例如，铒掺杂的氟化物)或者稀土掺杂的含氟二氧化硅。
在本发明的其他可替换实施方案中，使用多于一种的掺杂物来提供光学活性原子。例如，在本发明实施方案中，光学活性层230包括与铒(Z＝68)和铥(Z＝69)二者的原子都很接近的Si纳米晶体。在本发明另外的其他实施方案中，光学活性层230包括与铒(Z＝68)和镱(Z＝70)二者的原子都很接近的Si纳米晶体。在本发明实施方案中，光学活性层230是用铥(Z＝69)和钬(Z＝67)共同掺杂的。在本发明另外的又一个可替换实施方案中，光学活性层230是用Tm-(Z＝69)、Ho-(Z＝67)和Eu-(Z＝63)共同掺杂的。术语“共同掺杂的”是指用超过一种掺杂物掺杂的层或区域。
可以使用标准CMOS技术(例如，富硅的二氧化硅的化学气相沉积(CVD)和/或硅掺杂的SiO2的离子注入和/或溅射沉积)来形成光学活性层230。使用高温(例如1100℃)退火(例如，5到30分钟的时间)，可以将SiOx薄层转换成Si纳米晶体。高温退火已经显示出可以生成具有在2至5纳米范围内的密集尺寸分布的Si纳米晶体。
在本发明的一些实施方案中，光学活性层230可以沉积在两层SiO2之间(例如电介质层220和250)。SiO2层具有较低的折射率，从而将光限制在具有硅纳米晶体的区域中。在本发明实施方案中，可以使用标准CMOS技术(例如CVD和/或热氧化(thermaloxidation))来形成电介质层220和250。
光学腔240对光活性层230发出的光提供增强的手段。术语“光学腔”是指产生一个将光限制并放大的腔。这能够通过例如用反射表面封住光学活性区域以(至少部分地)包含振荡电磁场来完成。在图2所示的实施方案中，通过在电介质层250和/或光学活性层230中产生脊状波导结构来形成光学腔240，其中所述波导结构在其每一端具有分布式布拉格光栅(distributed Bragg grating)。使用光刻和干法蚀刻技术可以将分布式布拉格反射器结构蚀刻到电介质层250和/或光学活性层230中。
在本发明实施方案中，光学活性层230发出具有波长λ的光。在本发明实施方案中，光栅齿(grating tooth)256和258可以通过以λ/2的周期间隔来形成布拉格反射器。分布式布拉格反射器是指提供辐射的相长干涉(constructive interference)的波导部分，所述辐射是从反射表面反向散射的。布拉格反射器对于本领域熟练技术人员是熟知的，除了关于它们如何与本发明实施方案相关之外，将不对它们作进一步描述。
图3为表示计算光学增益相对于Er浓度，或可替换地，计算光学增益相对于Er离子与Si纳米晶体之比的对数曲线。短划线310示出在光学活性层(例如，图2所示的层230)中的铒离子对光增益的贡献。例如，如标号320所示，在0.1原子百分比的浓度下，平均每个1000个原子的纳米晶体可以有接近1个铒离子。参照标号330，当浓度接近每个Si纳米晶体1个铒离子时，对于一些Si纳米晶体可以超过该最大可激发铒浓度。
点线340示出没有与Er耦合的Si纳米晶体中的激子对吸收的光学增益的贡献。当Er的浓度增加时，Si纳米晶体会与Er离子耦合的可能性同样增加。实线350示出两种增益贡献的总和。如标号360所示出的那样，净光学增益能够在1原子百分比或者每个Si纳米晶体1个离子的Er浓度范围中获得。尽管光学增益曲线300是基于使用Er作为光学活性元素而计算出的，本领域中的普通技术人员会意识到也可以计算出基于可替换的光学活性元素(例如，其他稀土元素)的相似增益曲线。
图4图示根据本发明采用光泵浦(optical bumping)的实施方案来实现的发光器件400。在本发明的实施方案中，光源(例如，低成本LED)引导光子到波导410的顶部表面上。光学活性层420包含与光学活性元素(例如，Er、Pr、Ho、Yb、Ce、Tm等)的原子很接近的Si纳米晶体。光学腔(未示出)反射从光学活性层420发出的光。被反射的光通过波导410，如标号430所示。
图5图示根据本发明采用电激发(electrical excitation)的实施方案来实现的发光器件500。在本发明的实施方案中，发光器件500包括衬底510、电介质层520和530，以及光学活性层540。另外，发光器件500还包括电接触体550和560。在本发明的实施方案中，使用电接触体550和560来电激发光学活性层540。例如，使用电接触体550和560可以将电信号耦合到发光器件500。电信号可以激发光学活性层540，导致它发光。在本发明的实施方案中，所述光被光学腔(未示出)反射。被反射的光以垂直于图5中所示的发光器件500的投影的方向通过光学活性层540。
图6图示根据本发明的实施方案构成波导(包括光学活性层)。在标号610处所提供的是由半导体材料制成的衬底610。在本发明的实施方案中，电介质层620形成在衬底610的上表面上。在本发明的实施方案中，电介质层620可以通过标准的CMOS技术(例如CVD和/或热氧化)来形成。
在本发明的实施方案中，光学活性层630可以通过在电介质层620的上表面上沉积富硅的SiOX薄层来形成。光学活性层630可以通过标准的CMOS技术(例如CVD、离子注入和/或溅射沉积)来沉积。在本发明的实施方案中，使用高温(例如，1100℃)退火将SiOX薄层转换成Si纳米晶体。
在本发明的实施方案中，波导640是使用光刻和干法蚀刻法来蚀刻的。光学腔(未示出)可以通过在波导结构的每一端蚀刻分布式布拉格反射器来形成，所述波导结构在波导640的上表面上。在本发明的实施方案中，电介质层650形成在波导640的顶部上。电介质层650，在本发明的实施方案中，可以降低从光学活性层630的光的散射损失。
图7为根据本发明的实施方案实现的芯片对芯片通讯系统700的设计图。芯片对芯片通讯系统700包括IC芯片710和720、光纤730和740、发光器件750和760，以及光探测器770和780。光探测器770和780代表宽范围的器件，所述器件探测进入的光，并且在一些情形中将探测到的光转换成电信号。为了构成单片解决方案，希望光探测器使用Si、Ge或SiGe。锗在对短于约1.55μm波长的灵敏度方面受到限制，而这正是由铒发出的波长。因为这个原因，优选其他的稀土元素(或者包含稀土元素的化合物)。光纤和光探测器对于那些本领域中的普通技术人员是熟知的，除了关于它们如何与本发明实施方案相关之外，将不对它们作进一步描述。尽管所图示的实施方案示出了连接IC芯片710和IC芯片720的光纤，本领域中的普通技术人员会意识到可以使用宽范围的光学通道来在芯片之间耦合光。另外，除了光探测器，在子系统中还可以使用其他光学元件。在本发明的实施方案中，发光器件750和760可以具有基本上与图2中所示的发光器件200相似的结构。
IC芯片710可以使用光源(例如LED)或电源(electrical source)(例如电气引线)来激发发光器件750。可以将发出的光进行调制，使得已调制的光传达来自IC芯片710的数字或模拟信息。可以将已调制的光耦合到光纤740。光纤740将已调制的光传输到光探测器780。在本发明的实施方案中，光探测器780将已调制的光转换成电信号，以便IC芯片720使用。
图8为根据本发明的实施方案实现的芯片上通讯系统800的框图。芯片上通讯系统800包括具有发光器件820和830的IC芯片810，其中发光器件820和830与IC芯片810的其他元件构成在同一个衬底上。在本发明的实施方案中，每个发光器件820和830可以包括光学活性层(例如，图2中所示的层230)和光学腔(例如图2中所示的光学腔240)，所述的光学活性层由掺杂有稀土元素的Si纳米晶体构成。
发光器件820和830分别通过光学通道860和870与光探测器850和840处于光连通状态。在本发明的实施方案中，光学通道860和870为光纤。在本发明可替换的实施方案中，光学通道860和870为与IC芯片810构成在同一个衬底上的光学波导。
IC芯片810通过通讯系统800来传输数字和/或模拟的编码信息。在本发明的实施方案中，通过导致器件820发光的源(例如，低成本LED)来光泵浦发光器件820。在本发明可替换的实施方案中，可以电激发发光器件。可以调制发出的光，使它携带信息。然后将已调制的光通过光学通道860传输到光探测器850。在本发明的实施方案中，光探测器850将已调制的光转换成电信号，以便IC芯片810进一步处理。
应该可以意识到整篇本说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”意味着结合该实施方案所描述的特定的特征、结构或特点包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，应该强调并且应该意识到，在本说明书各个部分中两次或更多次提及“实施方案”或“一个实施方案”或“可替换实施方案”并不一定全部是指同一个实施方案。此外，可以将特定的特征、结构或特点适当组合在本发明的一个或多个实施方案中。
同样，应该意识到，在以上对本发明示例性实施方案的描述中，有时将本发明的各种特征一起组合在单个的实施方案、图形或对其的描述中，以简化本公开，这样的公开有助于理解本发明各个发明方面的一个或多个。但是，不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的发明需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，发明方面处于比以上所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，具体实施方式所附的权利要求书特此清楚地被并入该具体实施方式中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的实施方案。

Claims (45)

1.一种发光器件，包括：
衬底，所述衬底由半导体材料形成；
电介质层，所述电介质层形成在所述衬底的上表面上；
包括Si纳米晶体的光学活性层，所述光学活性层掺杂有稀土元素，并且形成在所述电介层中；以及
光学腔，所述光学腔与所述光学活性层处于光连通状态。
2.如权利要求1的发光器件，其中所述光学腔包括沉积在所述光学活性层的上表面上的另一个电介质层，所述另一个电介质层具有间隔设置的光栅齿来反射从所述光学活性层发出的光。
3.如权利要求2的发光器件，其中所述的具有间隔设置的光栅齿的另一个电介质层包括电介质材料，所述电介质材料的折射率与所述光学活性层的折射率不同。
4.如权利要求2的发光器件，其中所述光学活性层能够发出某一波长的光；并且
其中所述的具有间隔设置的光栅齿来反射从所述光学活性层发出的光的另一个电介质层包括第一光栅齿，所述第一光栅齿以所述波长一半的周期与第二光栅齿相分隔。
5.如权利要求4的发光器件，其中所述具有间隔设置的光栅齿来反射光的另一个电介质层包括第三光栅齿，所述第三光栅齿以所述波长一个波长的周期与所述第一光栅齿相分隔，并且所述第三光栅齿位于所述第一光栅齿和所述第二光栅齿之间的区域以外。
6.如权利要求1的发光器件，其中所述由半导体材料形成的衬底包括由硅形成的衬底。
7.如权利要求1的发光器件，其中所述由半导体材料形成的衬底包括由SiGe形成的衬底。
8.如权利要求1的发光器件，其中所述形成在所述衬底的上表面上的电介质层包括氟化物层。
9.如权利要求1的发光器件，其中所述形成在所述衬底的上表面上的电介质层包括掺杂有氟的SiO2层。
10.如权利要求1的发光器件，其中所述包括Si纳米晶体的光学活性层用镨来掺杂。
11.如权利要求10的发光器件，其中所述光学活性层能够发出具有1.3μm波长的光。
12.如权利要求1的发光器件，其中所述包括Si纳米晶体的光学活性层用钬来掺杂。
13.如权利要求12的发光器件，其中所述光学活性层能够发出具有1.2μm波长的光。
14.如权利要求1的发光器件，其中所述包括Si纳米晶体的光学活性层用镱来掺杂。
15.如权利要求14的发光器件，其中所述光学活性层能够发出具有980nm波长的光。
16.如权利要求1的发光器件，其中所述包括Si纳米晶体的光学活性层用铈来掺杂。
17.如权利要求16的发光器件，其中所述光学活性层能够发出具有620nm波长的光。
18.如权利要求1的发光器件，其中所述包括Si纳米晶体的光学活性层用铥来掺杂。
19.如权利要求18的发光器件，其中所述光学活性层能够发出具有1.4μm波长的光。
20.如权利要求1的发光器件，其中所述掺杂有稀土元素的光学活性层包括共同掺杂有两种或更多种掺杂物的光学活性层，其中所述两种或更多种掺杂物之中的一种为稀土元素。
21.如权利要求1的发光器件，其中所述光学腔包括被蚀刻到所述光学活性层中的间隔设置的光栅齿。
22.如权利要求1的发光器件，还包括：
第一导电接触体，所述第一导电接触体与所述光学活性层的一侧处于电气连通状态；以及
第二导电接触体，所述第二导电接触体与所述光学活性层的另一侧处于电气连通状态，其中所述第一导电接触体和第二导电接触体能够电激发所述光学活性层。
23.如权利要求1的发光器件，还包括：
调制器，所述调制器与所述光学腔处于光连通状态以便光学地调制从所述光学活性层发出的光。
24.如权利要求1的发光器件，其中所述掺杂有稀土元素的光学活性层包括掺杂有含稀土元素的化合物的光学活性层。
25.一种形成发光器件的方法，包括：
提供由半导体材料制成的衬底；
在所述衬底的上表面上形成电介质层；
在所述电介质层的上表面上形成光学活性层，所述光学活性层包括掺杂有稀土元素的Si纳米晶体；以及
在所述光学活性层的上表面上形成光学腔来拦住来自所述光学活性层的光。
26.如权利要求25的方法，其中在所述光学活性层的上表面上形成所述光学腔来反射从所述光学活性层发出的光包括：
在所述光学活性层的上表面上沉积另一个电介质层；以及
将第一组光栅齿和第二组光栅齿蚀刻到所述另一个电介质层中，以便提供第一反射表面和第二反射表面来反射从所述光学活性层发出的光。
27.如权利要求25的方法，其中在所述电介质层的上表面上形成光学活性层包括：
在所述电介质层的上表面上沉积一层SiO2；
将所述沉积的层退火来形成Si纳米晶体；以及
用离子注入在所述Si纳米晶体层中注入稀土元素的原子。
28.如权利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si纳米晶体层中注入镨原子。
29.如权利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si纳米晶体层中注入钬原子。
30.如权利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si纳米晶体层中注入镱原子。
31.如权利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si纳米晶体层中注入铈原子。
32.如权利要求27的方法，其中注入稀土元素的原子包括在所述Si纳米晶体层中注入铥原子。
33.一种系统，包括：
由半导体衬底形成的第一集成电路(IC)芯片，所述第一IC芯片包括发光器件，所述发光器件具有掺杂有稀土元素的Si纳米晶体的光学活性层和反射所述光学活性层发出的光的光学腔；
光学通道，所述光学通道在第一光学通道端被光耦合到所述发光器件；以及
具有光探测器的第二IC芯片，所述光探测器被光耦合到第二光学通道端。
34.如权利要求33的系统，其中所述发光器件具有掺杂有稀土元素的Si纳米晶体的光学活性层和限制所述光学活性层发出的光的光学腔，所述发光器件包括：
掺杂有稀土元素的Si纳米晶体的光学活性层，所述光学活性层位于下电介质层和上电介质层之间，其中所述光学腔通过将间隔设置的光栅蚀刻到所述上电介质层中来形成，以反射从所述光学活性层发出的光。
35.如权利要求34的系统，其中所述具有掺杂有稀土元素的Si纳米晶体的光学活性层包括掺杂有镨的Si纳米晶体的光学活性层。
36.如权利要求34的系统，其中所述具有掺杂有稀土元素的Si纳米晶体的光学活性层包括掺杂有钬的Si纳米晶体的光学活性层。
37.如权利要求34的系统，其中所述具有掺杂有稀土元素的Si纳米晶体的光学活性层包括掺杂有镱的Si纳米晶体的光学活性层。
38.如权利要求34的系统，其中所述具有掺杂有稀土元素的Si纳米晶体的光学活性层包括掺杂有铈的Si纳米晶体的光学活性层。
39.如权利要求34的系统，其中所述具有掺杂有稀土元素的Si纳米晶体的光学活性层包括掺杂有铥的Si纳米晶体的光学活性层。
40.如权利要求33的系统，还包括发光二极管，所述发光二极管与所述发光器件处于光连通状态，以光泵浦所述发光器件。
41.如权利要求33的系统，还包括被电气连接到所述发光器件的驱动器。
42.一种系统，包括：
具有Si纳米晶体的光学活性层和光学腔的发光器件，所述Si纳米晶体的光学活性层掺杂有稀土元素，所述光学腔限制构成在半导体衬底上的光学活性层发出的光；以及
具有第一端的光纤，所述第一端与所述发光器件处于光连通状态。
43.如权利要求42的系统，还包括构成在所述半导体衬底上的激发源，所述激发源导致所述发光器件发光。
44.如权利要求43的系统，还包括光探测器，所述光探测器与所述光纤的第二端处于光连通状态，以接收从所述发光器件发出的光。
45.如权利要求44的系统，还包括构成在所述半导体衬底上的调制器，以对所述发光器件发出的光进行调制。
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