CN1910487A - 用于由半导体光源产生的光的无缝整合光波导 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无缝整合混合光网络装置。该装置包括：安装于硅衬底(11)的空腔中的半导体光源(10)，其中半导体光源(10)由非硅材料制成；和与半导体光源(10)无缝整合以作为用于由半导体光源(10)发射的光子的光波导的光子带隙(PBG)结构(22)，其中PBG结构(22)被直接刻蚀在硅衬底中。

Description

用于由半导体光源产生的光的无缝整合光波导
技术领域
本发明主要涉及晶片级数据传送，并且更具体地涉及与不同技术的半导体光源的无缝整合光波导用于传导由半导体光源产生的光。
背景技术
由于计算机芯片技术持续发展，进一步提高晶片级数据的处理和传送性能的能力仍然是正在进行的挑战。传统的，信息通过小金属线被处理和电传送，金属线互联于例如晶体管和/或其他电子元件的硅基装置。然而，通过金属线的传送电流受到一定的限制，包括有限的传送速度，电磁干扰等等。
一种可能的克服电传送的一些限制的解决方式是利用脉冲光通过光网络传送信息。然而，为了实施这样一种光网络，需要系统：(1)用于产生晶片级的光，和(2)用于将来自一个装置的光传送至另一个。
在本技术领域中，众所周知的是当双极性晶体管被加偏压至雪崩时，光在反向偏置的集电极-基极二极管中产生。光量可通过集电极-基极电压以及通过该装置的电流(不同于通常使用的雪崩二极管)被调节。这使得在非常低的电流密度产生光。衬底电流可为产生光量的测量标准。所产生的光的典型的波长是λ＜1μm(例如，用于轻掺杂硅的近红外光)。图1中描述了一个从双极性晶体管中产生光的示例，其中E发射极，C是集电极，B是基极，并且SUB是衬底电流的计量。这一实施例细节在，例如，J.H.Klootwijk，J.W.Slotboom，M.S.Peter的Photo Carrier Generation in Bipolar Transistors，IEEE Trans.ElectronDevice，Vol.49(No.9)，pp.1628，2002，2002年9月，中被描述，其在此通过引用而结合。
此外，已知其他半导体光源。一个这样的例子包括激光二极管。
遗憾的是，不存在有效的解决方式用于将来自半导体光源的光传导至硅的其他位置。此外，对被发射光的波长的特定控制受限于用于形成半导体光源的材料。因此，所采用材料的种类和可被产生的波长受到限制。因此，需要一种系统和方法用于传导来自半导体光源的所选择波长的光至硅中的其他装置。
发明内容
本发明通过提供用于传导由半导体光源产生的光的整合光波导解决上述问题，以及其他问题。在第一方面，本发明提供一种无缝整合混合光网络装置，包括：安装在硅衬底的空腔中的半导体光源，其中半导体光源被偏置雪崩条件以发射光子，并且其中半导体光源由非硅材料制造；无缝整合于半导体光源的光子带隙(PBG)结构以作为用于由半导体光源发射的光子的光波导，其中在硅衬底中直接刻蚀PBG结构。
在第二方面，本发明提供一种制造无缝整合混合光网络装置的方法，包括：提供硅衬底；在硅衬底上刻蚀空腔；在硅衬底中紧邻于空腔刻蚀光子带隙(PBG)结构；放置非硅半导体光源于空腔中，其中半导体光源被偏置雪崩条件以发射光子。
在第三方面，本发明提供无缝整合光网络，包括：安装于硅衬底中的非硅半导体光源，其被偏置雪崩条件以发射光子脉冲；制造于硅衬底中并被无缝整合于硅衬底中的半导体光源的光子带隙(PBG)结构，其作为由半导体光源产生的光子脉冲的光波导；接收装置，其实施在邻接光波导的远端用于接收由半导体光源产生的光子脉冲。
附图说明
本发明的这些和其他特征将通过下面参考附图的本发明的不同方面的详细描述而更加易懂，其中：
图1描述根据本发明的反向偏置雪崩条件以产生光子的双极晶体管。
图2描述根据本发明的用于形成光网络装置的第一步。
图3描述根据本发明的光网络装置的侧视图。
图4描述根据本发明的硅基光网络。
图5描述采用掩模进行干法刻蚀后的在硅晶片中四个示例性的光子带隙(PBG)结构的横截面显微图。
具体实施方式
本发明提供包括光波导结构的无缝整合光网络装置，其被结合于半导体光源，从而产生具有无缝整合光波导的低电流密度光源。特别是，光网络包含在硅衬底中被刻蚀的光波导结构和由半导体材料形成的光发射装置，其置于紧邻于光波导结构被刻蚀的空腔中。因此，由半导体光源产生的光通过硅晶片被传送，并被用作光网络中的基本元件/结构。
本发明利用光子带隙(PBG)结构作为用于由半导体光源产生的光的光波导。该PBG结构包括波纹状通道罩(corrugated channel-cage)结构，其可例如被干法刻蚀在硅衬底中。在一实施例中，PBG结构被实施为包括平行柱体(或元件)的二维(2D)晶体，其可容易以亚微米长度实现。可替代的，由于技术发展，具有三维(3D)周期性的光子晶体也可被实现。一个更加完整的PBG结构的论述，可从例如美国专利5,987,208，“Optical Structure and Method for itsProduction”中找到，Gruning等人于1999年11月16日出版，其在此通过参考被结合。
图2和3描述用于实现光网络装置20的示例方法。在如图2所示的第一步中，组合的刻蚀被执行以在硅衬底11(例如，BICMOS或CMOS)中形成空腔41和PBG结构22。利用已知技术，波纹状通道罩元件，即光子带隙(PBG)结构可被容易地刻蚀在例如高欧姆硅晶片中。
如图3所示的第二步中，由不同(例如非硅基)技术形成的半导体光源10，在这种情况是双极装置，被放置在空腔41中。可以理解，任何种类的半导体光源，例如晶体管，激光二极管等，可被采用作为光源并被放置在空腔41中。优选的是，半导体光源不是由纯硅(Si)材料制造，而是被代替由“非硅”材料制造。用于“非硅”半导体光源的示例性材料包括例如SiGe，SiGeC，InP，GaAs等。(因此，此处所用的术语“非硅”应被解释为包括硅化合物。)
结果是一种混合光网络装置20，其中形成半导体光源10的化合物材料与硅基光波导22无缝整合。根据被选择用于双极半导体光源10的材料，可获得通过PBG结构22被传导的特定波长(或不同波长)。因此，设计者可通过采用具有获得所需光波长的属性的材料来选择需要的光波长。将半导体光源10加入硅衬底11中的空腔41之后，可以添加互连层46。
因此，例如具有波长λ＜1μm的红外光的光源被提供用于半导体光源和PBG结构的混合结合，其被无缝整合以在例如轻掺杂硅中形成光网络装置20。
参考图4，光网络13的俯视图被示出其包括在硅衬底11中光通信的多个装置10，27a-d。光通信通过上述图3中形成在硅衬底11中的光网络装置20被获得。装置20包括：(1)非硅半导体光源10，在这种情况是双极装置，其能够从基极-集电极结发射光束12，例如光子束，和(2)具有多个确定波导通道16的PBG元件14的PBG结构22。可见，光束12可以通过波导通道16被“弯曲”和分离，因此，允许光源被导向硅衬底11中的任意点。PBG元件14可以因此根据需要被设计性地放置于遍及整个硅衬底11以产生任何所需要的波导结构。可能的结构可包括具有分束器以获得多个分支的波导通道，用于获得偏振和/或滤波的结构，在硅衬底11中互连内部装置的通道，将装置与外部装置互连的通道等。
在图4所示的实施例中，波导连接于一组接收装置27a-d(例如，光电二极管)，其接收来自半导体光源10的脉冲光。可以通过控制系统29提供在网络13上的控制，其可包括例如微处理器或其他逻辑线路，其指示光应该何时从半导体光源发射。控制系统29可以位于硅衬底11之内和/或衬底的外部。
为了提高发射光的效率，半导体光源10可以被制造具有在一或多个表面上的反射材料25(例如，λ涂层)，该反射材料阻挡光子发射并因此引起光束12从仅仅单一表面导向外面。进一步，反射材料25可被选择性放置以确定光学窗口24，光源通过其被聚焦。
PBG结构
图5描述采用掩模进行干法刻蚀后的在硅晶片中四个示例性的光子带隙(PBG)结构的横截面显微图。每一柱状元件实质上包含通过硅的“小孔”。在这四个实施例中，掩模孔直径和间距是(a)2μm和10μm，(b)1.5μm和3.5μm，(c)和(d)3μm和5μm。明显的，PBG结构22的特定直径和间距可以根据特定应用而改变。此外，应当理解PBG结构22可以由湿法化学刻蚀工艺制造。
典型的，PBG结构22中的小孔具有圆形横截面并且排列成正方形或六角形阵列以使得结构分别适于传导偏振光和非偏振光。示例的孔径为1μm量级，并且小孔之间的间距仅仅稍大。波长λ可以通过设置间距α设定，关系式为：α/λ＝0.2-0.5。这意味着整个波长范围可覆盖从近红外至远红外，例如，0.8μm(GaAs带隙)和11(Si带隙)到～100μm。例如对于λ＝5-6μm，间距α＝1.5-2.5μm。用于PBG结构的典型特征的孔径和间距值依赖于被传导的光的波长，可为300nm(用于可见光传导)至几μm(用于红外光传导)量级。
一些方法可被使用以实现PBG结构22。一种制造PBG结构的方式是通过电化学刻蚀，例如光-电化学刻蚀n-轻掺杂的硅，并且该硅晶片连接作为阳极。通过改变晶片背部的光照射强度，例如电流密度，在电化学刻蚀期间，孔径可被周期性改变。
组成PBG结构22的孔阵列同样可以通过采用干法刻蚀，例如反应离子刻蚀(RIE)来实现。此外，可以在保留波纹状柱的情况下实现PBG结构22，因此产生代替孔的柱阵列的相反结构。
用于形成必要的波纹状孔阵列结构的干法刻蚀技术包括所谓的“博希工艺”(Bosch process)。该工艺是一种可实现高纵横比沟槽和孔的干法刻蚀工艺。刻蚀以SF6化学剂实施而钝化以C4F8化学剂实施。通过改变工艺参数使得交替进入和离开处理窗口从各向异性至各向同性刻蚀，这些波纹状结构可被制得。硅刻蚀工艺是基于等离子体刻蚀，其快速切换刻蚀和钝化化学剂以使得形成孔，沟槽，等。
一示例性工艺可包括下述步骤：
(1)如在博希工艺中刻蚀和钝化，直到第一波纹所需要的深度。
(2)以刻蚀循环结束步骤1。这是被需要的，因为孔底部上的钝化聚合物必须被移除以实现下一各向同性刻蚀步骤，
(3)通过采用SF6/O2化学剂进行各向同性刻蚀。在各向同性刻蚀步骤中板功率(支持晶片的吸盘上的偏压)被切断以便通过辐射和中和来减少离子辅助刻蚀和最大化化学辅助刻蚀，并因此改善硅的各向同性刻蚀。
(4)各向同性刻蚀步骤之后，工艺被切换至下一步，这时开始钝化循环；至此用钝化层覆盖和保护被刻蚀的整个结构。之后，工艺再次重回步骤1而且可被重复几次。
通常来说，光波导可包括具有较低折射率包层的高折射率芯。可使用的典型组合包括：TiO2芯和SiO2包层；Si3N4芯和SiO2包层；SiON芯和SiO2包层；PMMA芯和Cr包层；聚合Si芯和SiO2包层；InGaAsP芯和InP包层。
半导体光源
如所述的，半导体光源10可由任意适于提供所需波长的非硅材料制造。例如包括SiGe，SiGeC，InP，和GaAs。
应当注意该非晶硅材料可被安装于任意适合种类的硅衬底，包括有源衬底例如CMOS，高速SiGe，SiGeC，BiCMOS等。任何技术可被采用以获得该混合整合。一示例方法以具有例如1μm的热氧化层的高电阻率晶片开始。厚的抗蚀剂掩模(例如10μm)被应用，其确定“空腔”。当氧化物被刻蚀后，硅被刻蚀至光发射装置可被放置在空腔中的深度。具有几乎完美侧壁斜度的空腔的干法刻蚀可以在商业可获得的刻蚀机中采用BoschTM工艺。下一步是在空腔中放置和胶合双极装置，采用例如有机聚合物胶，如苯并环丁烷(BCB)。之后，抗蚀剂掩模被涂覆并且刻蚀触点通过BCB层至凹陷的光发射装置的结合垫。之后金属层被沉积和构造以将光发射装置和不同IC装置互连。
前述本发明的优选实施例被提供用于说明和描述。其不是意于穷举或限制本发明于所公开的精确形形，并且明显的可以在上述教导下进行一些修正和改变。这种对于本领域技术人员来说是明显的修正和改变被意图包含在由所附权利要求限定的本发明的范围中。

Claims (23)

1、一种无缝整合混合光网络装置(20)，包括：安装于硅衬底(11)的空腔中的半导体光源(10)，其中半导体光源(10)被由非硅材料制成；和与半导体光源(10)无缝整合以作为用于由半导体光源(10)发射的光子的光波导的光子带隙(PBG)结构(22)，其中PBG结构(22)被直接刻蚀在硅衬底(11)中。
2、如权利要求1所述的无缝整合混合光网络装置(20)，其中半导体光源(10)包括被覆盖反射材料(25)的表面，该反射材料阻挡光子发射通过该表面。
3、如权利要求2所述的无缝整合混合光网络装置(20)，其中该表面包括光学窗口(24)，该窗口允许光子从半导体光源(10)通过至周围硅衬底。
4、如权利要求3所述的无缝整合混合光网络装置(20)，其中PBG结构(22)包括多个孔柱体，其被实现在邻近于被限定在半导体光源(10)的表面上的光学窗口的硅衬底中。
5、如权利要求4所述的无缝整合混合光网络装置(20)，其中多个孔柱体被排列成限定对通过光学窗口发射的光子提供波导的通道。
6、如权利要求1所述的无缝整合混合光网络装置(20)，其中从半导体光源的光发射被控制系统调整。
7、如权利要求1所述的无缝整合混合光网络装置(20)，其中半导体光源(10)由选自包括SiGe，SiGeC，InP，和GaAs的组中的材料制成。
8、如权利要求1所述的无缝整合混合光网络装置(20)，其中硅衬底由选自包括CMOS，高速SiGe，SiGeC，和BiCMOS的组中的材料制成。
9、如权利要求1所述的无缝整合混合光网络装置(20)，其中半导体光源(10)包括双极晶体管，该双极晶体管被偏置雪崩条件以产生光子。
10、一种制造无缝整合混合光网络装置(20)的方法，包括：提供硅衬底(11)；在硅衬底中刻蚀空腔(41)；在硅衬底(11)中紧邻于空腔(41)刻蚀光子带隙(PBG)结构(22)；以及将非硅半导体光源(10)放置于空腔(41)中。
11、如权利要求10所述的方法，其中硅衬底由选自包括CMOS，高速SiGe，SiGeC，和BiCMOS的组中的材料制成。
12、如权利要求10所述的方法，其中半导体光源(10)由选自包括SiGe，SiGeC，InP，和GaAs的组中的材料制成。
13、如权利要求10所述的方法，其中光子带隙(PBG)结构(22)包括多个孔柱体，该多孔柱体被排列成限定对从半导体光源发射的光子提供波导的通道。
14、如权利要求10所述的方法，其中半导体光源(10)包括双极晶体管，该双极晶体管被偏置雪崩条件以产生光子。
15、一种无缝整合光网络(13)，包括：安装于硅衬底(11)中的非硅半导体光源(10)；被制造于硅衬底(11)中的光子带隙(PBG)结构(22)，该光子带隙结构与在硅衬底(11)中的半导体光源(10)无缝整合以作为用于由半导体光源(10)产生的光子脉冲的光波导；和接收装置(27a-d)，其被实现在紧邻于光波导的远端用于接收由半导体光源(10)产生的光子脉冲。
16、如权利要求15所述的无缝整合光网络，进一步包括控制系统(29)，其用于调整来自半导体光源(10)的光子脉冲的发射。
17、如权利要求15所述的无缝整合光网络，其中接收装置包括光电二极管。
18、如权利要求15所述的无缝整合光网络，其中半导体光源(10)包括被覆盖反射材料(25)的表面，该反射材料阻挡光子脉冲发射通过该表面。
19、如权利要求18所述的无缝整合光网络，其中该表面包括光学窗口(24)，该光学窗口允许光子脉冲从半导体光源(10)通过至周围硅衬底(11)。
20、如权利要求19所述的无缝整合光网络，其中PBG结构(22)包括多个多柱体，其被实现在邻近于被限定在半导体光源(10)的表面上的光学窗口的硅衬底中。
21、如权利要求15所述的无缝整合光网络，其中半导体光源(10)由选自包括SiGe，SiGeC，InP，和GaAs的组中的材料制成。
22、如权利要求15所述的无缝整合光网络，其中硅衬底由选自包括CMOS，高速SiGe，SiGeC和BiCMOS的组中的材料制成。
23、如权利要求15所述的无缝整合光网络，其中半导体光源(10)包括双极晶体管，该双极晶体管被偏置雪崩条件以产生光子。
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