DE102021134536A1

DE102021134536A1 - Hybride Randkoppler mit mehreren Ebenen

Info

Publication number: DE102021134536A1
Application number: DE102021134536.7A
Authority: DE
Inventors: Kevin K. Dezfulian; Yusheng Bian; Kenneth J. Giewont; Karen Nummy
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-08-11
Also published as: CN114910998B; US20220252790A1; CN114910998A; US11531164B2

Abstract

Strukturen mit einem Randkoppler und Verfahren zum Bilden einer Struktur mit einem Randkoppler. Die Struktur umfasst eine dielektrische Schicht mit einem Rand, einen Wellenleiterkernbereich auf der dielektrischen Schicht und mehrere Segmente auf der dielektrischen Schicht. Der Wellenleiterkernbereich weist eine Endfläche auf und der Wellenleiterkernbereich ist in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet. Die Segmente sind zwischen dem Wellenleiterkernbereich und dem Rand der dielektrischen Schicht angeordnet. Ein Wellenleiterkern weist einen Abschnitt auf, der über dem Wellenleiterkernbereich in einer überlappenden Anordnung angeordnet ist. Der Wellenleiterkern weist eine Endfläche auf und der Abschnitt des Wellenleiterkerns ist in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft photonische Chips und insbesondere Strukturen mit einem Randkoppler und Verfahren zur Herstellung einer Struktur mit einem Randkoppler.
Photonische Chips werden in vielen Anwendungen und Systemen verwendet, einschließlich Datenkommunikationssystemen und Datenverarbeitungssystemen. Ein photonischer Chip integriert optische Komponenten, wie Wellenleiter, optische Schalter, Randkoppler und Polarisatoren, und elektronische Komponenten, wie Feldeffekttransistoren, in eine einheitliche Plattform. Durch die Integration beider Komponentenarten können unter anderem Layoutfläche, Kosten und Betriebsaufwand reduziert werden.
Üblicherweise wird ein Randkoppler, der auch als Spot-Size Coupler bezeichnet wird, zur Kopplung von Licht einer bestimmten Mode aus einer optischen Faser zu optischen Komponenten auf dem photonischen Chip verwendet. Der Randkoppler kann einen Abschnitt eines Wellenleiterkerns umfassen, der einen inversen Konus angrenzend an den Rand des photonischen Chips festlegt. Entsprechend der Ausbreitungsrichtung der Moden bezieht sich ein inverser Konus auf einen konusförmigen Abschnitt eines Wellenleiterkerns, der durch eine allmähliche Zunahme der Breite entlang der Ausbreitungsrichtung der Moden gekennzeichnet ist. In der Konstruktion des Randkopplers ist das schmale Ende am oberen Ende des inversen Konus in der Nähe der optischen Faser angeordnet und das breite Ende des inversen Konus ist mit einem anderen Abschnitt des Wellenleiterkerns verbunden, der das Licht vom Randkoppler weg und zu optischen Komponenten des photonischen Chips führt.
Die sich graduell verändernde Querschnittsfläche eines inversen Konus unterstützt die Modenumwandlung und die Variation der Modengröße, die mit der Modenumwandlung verbunden ist, wenn Licht von der optischen Faser zum photonischen Chip übertragen wird. Das schmale Ende an der Spitze des inversen Konus ist nicht in der Lage, die einfallende Mode, die von der optischen Faser empfangen wird, vollständig einzuschließen, da die Querschnittsfläche der Spitze an ihrem schmalen Ende kleiner ist als die Modegröße. Folglich wird ein erheblicher Prozentsatz des elektromagnetischen Feldes der einfallenden Mode um die Spitze des inversen Konus herum verteilt. Mit zunehmender Breite kann der inverse Konus die gesamte einfallende Mode tragen und das elektromagnetische Feld innerhalb des inversen Konus beschränken.
Bei Randkopplern auf Siliziumbasis kann es aufgrund von nichtlinearen Mechanismen, die auf das Material Silizium zurückzuführen sind, zu leistungsabhängigen Verlusten kommen.
Darüber hinaus können Randkoppler auf Siliziumbasis bei hohen optischen Eingangsleistungen aufgrund einer Kombination aus erhöhter optischer Energiedichte und einer Änderung der thermischen Übertragung weg vom Lichtpfad, wenn sich der inverse Konus verbreitert, anfällig für irreversible Schäden sein. Die inverse Verjüngung des Randkopplers kann der empfindlichste Teil des Randkopplers sein, der irreversibel beschädigt werden kann.
Es sind verbesserte Strukturen mit einem Randkoppler und Verfahren zur Herstellung einer Struktur mit einem Randkoppler erforderlich.
Zusammenfassung
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Struktur für einen Randkoppler bereitgestellt. Die Struktur umfasst eine dielektrische Schicht mit einem Rand, einen Wellenleiterkernbereich auf der dielektrischen Schicht und eine Mehrzahl von Segmenten auf der dielektrischen Schicht. Der Wellenleiterkernbereich weist eine Endfläche auf und der Wellenleiterkernbereich ist in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet. Die Mehrzahl von Segmenten ist zwischen dem Wellenleiterkernbereich und dem Rand der dielektrischen Schicht angeordnet. Die Struktur umfasst ferner einen Wellenleiterkern mit einem Abschnitt, der über dem Wellenleiterkernbereich in einer überlappenden Anordnung angeordnet ist. Der Wellenleiterkern weist eine Endfläche auf und der Abschnitt des Wellenleiterkerns ist in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Randkoppler bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bilden eines Wellenleiterkernbereichs auf einer dielektrischen Schicht, ein Bilden einer Mehrzahl von Segmenten auf der dielektrischen Schicht und ein Bilden eines Wellenleiterkerns mit einem Abschnitt, der über dem Wellenleiterkernbereich in einer überlappenden Anordnung angeordnet ist. Die Mehrzahl von Segmenten ist zwischen dem Wellenleiterkernbereich und einem Rand der dielektrischen Schicht angeordnet. Der Wellenleiterkernbereich weist eine Endfläche auf und der Wellenleiterkernbereich ist in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet. Der Wellenleiterkern weist eine Endfläche auf und der Abschnitt ist in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die Bestandteil dieser Beschreibung sind, stellen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen zusammen mit der allgemeinen Beschreibung der Erfindung oben und der detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen unten zur Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten.

1 ist eine Aufsicht auf eine Struktur in einer ersten Herstellungsphase eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemein entlang der Linie 2-2 in 1 verläuft.
2A ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemein entlang der Linie 2A-2A in 1 verläuft.
2B ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemein entlang der Linie 2B-2B in 1 verläuft.
3 ist eine Aufsicht auf die Struktur in einer Herstellungsphase des Verarbeitungsverfahrens nach 1.
4 ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemein entlang der Linie 4-4 in 5 verläuft.
4A ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemein entlang der Linie 4A-4A in 3 verläuft.
4B ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemein entlang der Linie 4B-4B in 3 verläuft.
5 ist eine Aufsicht auf die Struktur in einer Herstellungsphase des Verarbeitungsverfahrens nach 3.
6 ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemeinen entlang der Linie 6-6 in 5 verläuft.
6A ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemein entlang der Linie 6A-6A in 5 verläuft.
6B ist eine Querschnittsansicht der Struktur, die allgemein entlang der Linie 6B-6B in 5 verläuft.
7 ist eine Aufsicht auf eine Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
8 ist eine Aufsicht auf eine Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.

Beschreibung
Mit Bezug auf die 1, 2, 2A, 2B und gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Struktur 10 für einen Randkoppler mehrere Segmente 12, mehrere Segmente 14 und einen mit den Segmenten 14 überlagerten Wellenleiterkernbereich 16 sowie einen an die Segmente 14 und den Wellenleiterkernbereich 16 angrenzenden konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18. Die Segmente 12, die Segmente 14, der Wellenleiterkernbereich 16 und der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 können in Längsrichtung mit Ausrichtung entlang einer Längsachse 21 angeordnet sein. Die Segmente 14 und der Wellenleiterkernbereich 16 sind in Längsrichtung zwischen den Segmenten 12 und dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 angeordnet.
Laserlicht kann von einer optischen Faser (nicht dargestellt) auf die Struktur 10 gerichtet werden. Das Laserlicht kann eine bestimmte Wellenlänge, Intensität, Modenform und Modengröße aufweisen und die Struktur 10 sorgt für die Umwandlung der Spotgröße des Laserlichts. Der Spalt oder Raum zwischen der optischen Faser und der Struktur 10 kann mit Luft oder alternativ mit einem indexangepassten Material gefüllt sein oder eine Linse aufweisen. Das Licht breitet sich in der Struktur 10 von den Segmenten 12 in Richtung des konusförmigen Wellenleiterkerns 18 aus.
Die Segmente 12, die Segmente 14, der Wellenleiterkernbereich 16 und der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 können über einer dielektrischen Schicht 24 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 24 aus Siliziumdioxid gebildet sein. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 24 eine vergrabene Oxidschicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats sein und das Silizium-auf-Isolator-Substrat kann ferner ein Handle-Substrat 26 umfassen, das aus einem einkristallinen Halbleitermaterial (z. B. einkristallines Silizium) gebildet ist. Die Segmente 12, die Segmente 14, der Wellenleiterkernbereich 16 und der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 können aus einem einkristallinen Halbleitermaterial gebildet sein, z. B. aus einkristallinem Silizium. In einer Ausführungsform können die Segmente 12, die Segmente 14, der Wellenleiterkernbereich 16 und der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 durch Lithographie- und Ätzverfahren aus einer einkristallinen Silizium-Bauelementschicht eines Silizium-auf-Isolator-Wafers strukturiert werden.
Die Segmente 12 sind in einem Abschnitt der Struktur 10 angeordnet, der ursprünglich das Laserlicht aus der optischen Faser empfängt. Die Segmente 12 sind diskret und nicht miteinander verbunden. Die Segmente 12 sind durch Rillen 13 voneinander getrennt, so dass eine gitterartige Struktur festgelegt ist. Die Segmente 12 können eine Breitenabmessung in einer Richtung quer zur Längsachse 21 aufweisen, die mit der Position entlang der Längsachse 21 variiert.
Die Segmente 14 und der Wellenleiterkernbereich 16 sind in einem Abschnitt der Struktur 10 angeordnet, der das Laserlicht von den Segmenten 12 auf den konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 überträgt. Die Segmente 14, die durch den Wellenleiterkernbereich 16 verbunden sind, können in einer Richtung quer zur Längsachse 21 eine Breitenabmessung aufweisen, die mit der Position entlang der Längsachse 21 variiert. Abschnitte eines jeden Segments 14 ragen von den gegenüberliegenden Seitenrändern des Wellenleiterkernbereichs 16 nach außen hervor, um die Variation in der Breitenabmessung zu ermöglichen.
Die Segmente 12, 14 können unter einem so geringen Abstand angeordnet sein, dass sie bei der Betriebswellenlänge kein Licht abstrahlen oder reflektieren und als effektives optisches Material wirken und somit einen Metamaterial-Wellenleiter festlegen. In einer Ausführungsform können der Abstand und das Tastverhältnis der Segmente 12 gleichmäßig sein, um eine periodische Anordnung festzulegen. In alternativen Ausführungsformen können der Abstand und/oder das Tastverhältnis der Segmente 12 apodisiert (d. h. ungleichmäßig) sein, um eine nichtperiodische Anordnung festzulegen. In einer Ausführungsform können der Abstand und das Tastverhältnis der Segmente 14 einheitlich sein, um eine periodische Anordnung festzulegen. In alternativen Ausführungsformen kann der Abstand und/oder das Tastverhältnis der Segmente 14 apodisiert (d. h. ungleichmäßig) sein, um eine nichtperiodische Anordnung festzulegen.
Der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 weist eine Seitenwand 20 und eine Seitenwand 22 auf, die sich vom Schnittpunkt mit dem Wellenleiterkernbereich 16 zu einer Endfläche 28 erstrecken. Der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 kann direkt mit dem Wellenleiterkernbereich 16 verbunden sein. Der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 erstreckt sich vom Wellenleiterkernbereich 16 in Längsrichtung entlang der Längsachse 21 und endet an der Endfläche 28. Der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 weist eine Länge L1 auf, die von der Schnittstelle mit dem Wellenleiterkernbereich 16 bis zur Endfläche 28 abgemessen sein kann.
Der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 weist eine Breitenabmessung auf, die sich mit der Position entlang der Längsachse 21 in einer Lichtausbreitungsrichtung ändert (insbesondere in der Längsrichtung konusförmig ausgebildet ist). Die Breitenabmessung des konusförmigen Wellenleiterkernbereichs 18 nimmt mit zunehmendem Abstand von den Segmenten 14 und dem Wellenleiterkernbereich 16 zu und verringert sich mit abnehmendem Abstand von der Endfläche 28. Der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 weist eine Mindestbreite w1 auf, die an der Endfläche 28 auftritt. Beispielsweise kann sich der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 von einer Breite von 280 Nanometern am Schnittpunkt mit dem Wellenleiterkernbereich 16 auf eine Breite von 90 Nanometern an der Endfläche 28 verjüngen. In einer Ausführungsform kann die Breitenabmessung des konusförmigen Wellenleiterkernbereichs 18 an der Endfläche 28 am schmalsten sein und über seine Länge L1 auf der Grundlage einer linearen Funktion variieren, so dass sich eine Trapezform ergibt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Breitenabmessung des konusförmigen Wellenleiterkernbereichs 18 an der Endfläche 28 am schmalsten sein und über seine Länge L1 auf der Grundlage einer nichtlinearen Funktion, wie einer quadratischen, parabolischen oder exponentiellen Funktion, variieren.
Mit Bezug auf die 3, 4, 4A, 4B, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den 1, 2 beziehen, wird in einer nachfolgenden Herstellungsphase eine dielektrische Schicht 30 über den Segmenten 12, den Segmenten 14, dem Wellenleiterkernbereich 16, dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 und der dielektrischen Schicht 24 gebildet. Die dielektrische Schicht 30 kann aus Siliziumdioxid gebildet sein, das mittels chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden und durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert werden kann.
Auf der dielektrischen Schicht 30 ist ein Wellenleiterkern 32 angeordnet. Der Wellenleiterkern 32 umfasst einen konusförmigen Abschnitt 34 über dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 und einen nicht konusförmigen Abschnitt 33, der mit dem konusförmigen Abschnitt 34 verbunden ist. Der Wellenleiterkern 32 erstreckt sich in Längsrichtung entlang einer Längsachse 35 und endet an einer Endfläche 38. Der konusförmige Abschnitt 34 kann sich vollständig mit dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 überlappen. Der konusförmige Abschnitt 34 kann so angeordnet sein, dass er sich teilweise mit dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 überlappt und teilweise mit den Segmenten 14 und dem Wellenleiterkernbereich 16 neben der Endfläche 38 des Wellenleiterkerns 32 überlappt. In einer Ausführungsform kann der konusförmige Abschnitt 34 des Wellenleiterkerns 32 über dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 zentriert sein. Der konusförmige Abschnitt 34 weist eine Seitenwand 36 und eine Seitenwand 37 auf, die sich von der Endfläche 38 des Wellenleiterkerns 32 bis zum Schnittpunkt mit dem nicht konusförmigen Abschnitt 33 erstrecken. Der konusförmige Abschnitt 34 weist eine Länge L2 auf, die von der Endfläche 38 bis zur Schnittstelle mit dem nicht konusförmigen Abschnitt 33 gemessen werden kann. Die Länge L2 des konusförmigen Abschnitts 34 kann größer sein als die Länge L1 (1).
Die Breite des konusförmigen Abschnitts 34 kann mit zunehmendem Abstand von der Endfläche 38 zunehmen. Der konusförmige Abschnitt 34 weist eine Breitenabmessung auf, die mit der Position entlang der Längsachse 35 variiert. Der konusförmige Abschnitt 34 wird mit zunehmendem Abstand von der Endfläche 38 in einer Richtung entlang der Längsachse 35 allmählich breiter und weist an der Endfläche 38 eine Mindestbreite w2 auf. Beispielsweise kann sich der konusförmige Abschnitt 34 von einer Breite von 120 Nanometern an der Endfläche 38 auf eine Breite von 800 Nanometern am Ende der konusförmigen Gestalt verbreitern. In einer Ausführungsform legt der konusförmige Abschnitt 34 eine inverse Konusform fest, die sich in Bezug auf die konusförmige Gestalt des konusförmigen Wellenleiterkernbereichs 18 in die entgegengesetzte Richtung verjüngt. Ein inverser Konus ist gemäß der Verwendung hierin ein konusförmiger Abschnitt eines Wellenleiterkerns mit einer allmählichen Zunahme der Breite entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts. In einer Ausführungsform kann die Breitenabmessung des konusförmigen Abschnitts 34 an der Endfläche 38 am schmalsten sein und über seine Länge L2 auf der Grundlage einer linearen Funktion variieren, so dass sich eine trapezförmige Form ergibt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Breitenabmessung des konusförmigen Abschnitts 34 an der Endfläche 38 am schmalsten sein und über seine Länge L2 auf der Grundlage einer nichtlinearen Funktion, wie einer quadratischen, parabolischen oder exponentiellen Funktion, variieren. In einer Ausführungsform kann die Breitenabmessung des konusförmigen Abschnitts 34 größer sein als die Breitenabmessung des konusförmigen Wellenleiterkernbereichs 18 an jeder Längsposition, an der eine Überlappung vorhanden ist.
Mit Bezug auf die 5, 6, 6A, 6B, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den 3, 4 beziehen, wird in einer nachfolgenden Herstellungsphase eine dielektrische Schicht 40 über der dielektrischen Schicht 30 und dem Wellenleiterkern 32 gebildet. Die dielektrische Schicht 40 kann aus Siliziumdioxid gebildet sein, das mittels chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden und durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert wurde. Über der dielektrischen Schicht 40 wird ein Back-End-of-Line-Stapel 42 mit einem Stapel dielektrischer Zwischenschichten gebildet und ein Abschnitt des Back-End-of-Line-Stapels 42 in der Nähe der Struktur 10 wird entfernt und durch eine dielektrische Schicht 44 ersetzt. Die dielektrische Schicht 44 kann aus Siliziumdioxid gebildet werden, das mittels chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden und durch chemisch-mechanisches Polieren planiert wurde. Der Back-End-of-Line-Stapel 42 und die dielektrische Schicht 44 konvergieren entlang einer Grenzfläche 43, an der ein Übergang von den dielektrischen Zwischenschichten des Back-End-of-Line-Stapels 42 zur dielektrischen Schicht 44 stattfindet. Die Endfläche 38 des Wellenleiterkerns 32 kann sich mit der Grenzfläche 43 decken (insbesondere eine gemeinsame Grenze aufweisen).
Im Handle-Substrat 26 ist eine Rille 46 ausgebildet, die sich von einem Rand 27 des Handle-Substrats 26 zu einem Rand 25 der dielektrischen Schicht 24 und dann weiter unter die dielektrische Schicht 24 und einen Abschnitt der Struktur 10 als Hinterschneidung erstreckt.
Der Rand 25 stellt eine Seitenfläche an einer Begrenzung der dielektrischen Schicht 24 dar. Der Rand 27 stellt eine Fläche an einer Grenze des Handle-Substrats 26 dar, die horizontal um einen Abstand d von dem Rand 25 der dielektrischen Schicht 24 beabstandet ist. Der Rand 27 ist ebenfalls horizontal um einen Abstand d2 von der Grenzfläche 43 beabstandet.
Die Rille 46 kann in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt werden. Lithografie- und Ätzverfahren können verwendet werden, um eine rechteckige Öffnung zu bilden, die sich durch die dielektrischen Schichten 24, 30, 40 und in das Handle-Substrat 26 zwischen den Rändern 25, 27 erstreckt, und um auch Löcher (nicht dargestellt) zu bilden, die sich durch die dielektrischen Schichten 24, 30, 40 und in das Handle-Substrat 26 neben der Struktur 10 erstrecken. Die Bildung der rechteckigen Öffnung legt der Rand 25 der dielektrischen Schicht 24 fest. Die rechteckige Öffnung im Handle-Substrat 26 kann dann mit einem Lack maskiert werden und das Handle-Substrat 26 unter dem Abschnitt der Struktur 10 kann durch die Löcher mit einem Ätzverfahren geätzt werden, bei dem z. B. ein Schwefelhexafluoridplasma verwendet wird, um einen anfänglichen Hinterschnitt zu erzeugen. Nach dem Entfernen des Lacks kann ein nasschemisches Ätzmittel verwendet werden, um den Abschnitt der Rille 46 zwischen den Rändern 25, 27 und den Abschnitt der Rille 46, der die Hinterschneidung bildet, V- oder U-förmig zu gestalten. Das nasschemische Ätzmittel kann eine Selektivität in Bezug auf die Kristallorientierung des Halbleitermaterials des Handle-Substrats 26 aufweisen und kann durch unterschiedliche Ätzraten entlang verschiedener Kristallrichtungen gekennzeichnet sein, was die V- oder U-Form erzeugt. Das nasschemische Ätzmittel kann zum Beispiel eine Lösung sein, die Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) umfasst.
Ein Abschnitt der Rille 46 im Handle-Substrat 26 ist in der Nähe des Rands 25 der dielektrischen Schicht 24 und damit in der Nähe der Struktur 10 angeordnet. Eine Spitze einer optischen Faser kann eingeführt und zumindest teilweise von den Seitenwänden des an die Struktur 10 angrenzenden Abschnitts der Rille 46 gestützt werden. Für die Montage der Spitze der optischen Faser kann ein Kleber mit niedrigem Index verwendet werden, der die Rille 46 ganz oder teilweise füllen kann. Ein Abschnitt der Rille 46 befindet sich unterhalb eines Abschnitts der Struktur 10 und ein Abschnitt der dielektrischen Schicht 24 befindet sich zwischen der Rille 46 und der Struktur 10. Der Abschnitt der dielektrischen Schicht 24, der sich über der Rille 46 befindet, legt eine Membran fest, die von der Rille 46 hinterschnitten wird.
Die Struktur 10 kann in jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen in einen photonischen Chip integriert werden, der elektronische Komponenten und zusätzliche optische Komponenten umfasst. Die elektronischen Komponenten können beispielsweise Feldeffekttransistoren umfassen, die im CMOS-Verfahren hergestellt werden.
Die Struktur 10 für den Randkoppler umfasst einen intrinsischen Übergang zwischen dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 und dem konusförmigen Abschnitt 34, die sich auf verschiedenen Höhenebenen über der dielektrischen Schicht 24 befinden. Die Struktur 10 für den Randkoppler weist einen hybriden Aufbau mit Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung auf, die sich in den verschiedenen Ebenen befinden. Der Einbau des Übergangs mit mehreren Ebenen zwischen dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 und dem konusförmigen Abschnitt 34 innerhalb der Struktur 10 kann für eine schnelle Modenumwandlung sorgen und eine verbesserte Leistungsaufnahme ermöglichen, so dass der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 weniger anfällig für Schäden ist. Die Einführung eines anderen Materials als Silizium in die Struktur 10 kann leistungsabhängige Verluste bei der Übertragung der optischen Leistung von der optischen Faser durch die Struktur zu den optischen Komponenten auf dem photonischer Chip reduzieren.
Mit Bezug auf 7, in der sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 1 beziehen, und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der konusförmige Wellenleiterkernbereich 18 so modifiziert werden, dass er sich in der Länge entlang der Längsachse 21 über den konusförmigen Abschnitt 34 des Wellenleiterkerns 32 hinaus erstreckt, so dass ein Abschnitt des konusförmigen Wellenleiterkernbereichs 18 von dem konusförmigen Abschnitt 34 des Wellenleiterkerns 32 überlappt wird und ein anderer Abschnitt des konusförmigen Wellenleiterkernbereichs 18 von dem nicht konusförmigen Abschnitt 33 des Wellenleiterkerns 32 überlappt wird. Die Endfläche 28 des verlängerten konusförmigen Wellenleiterkernbereichs 18 ist unterhalb des nicht konusförmigen Abschnitts 33 des Wellenleiterkerns 32 angeordnet, anstatt unterhalb des konusförmigen Abschnitts 34 des Wellenleiterkerns 32 angeordnet zu sein.
Mit Bezug auf 8, in der sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 3 beziehen, und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der konusförmige Abschnitt 34 des Wellenleiterkerns 32 so modifiziert werden, dass die Endfläche 38 über dem konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 statt über den Segmenten 14 und dem Wellenleiterkernabschnitt 16 angeordnet ist. In einer Ausführungsform kann die Endfläche 38 direkt über dem Übergang von den Segmenten 14 und dem Wellenleiterkernbereich 16 zum konusförmigen Wellenleiterkernbereich 18 angeordnet sein. Die Endfläche 38 ist zu den Segmenten 14 und dem Wellenleiterkernbereich 16 in Längsrichtung versetzt, ohne dass eine Überlappung vorliegt.
Die oben beschriebenen Verfahren werden bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet. Die daraus resultierenden integrierten Schaltungschips können vom Hersteller in Form von rohen Wafern (z. B. als einzelner Wafer mit mehreren unverpackten Chips), als nackter Chip oder in verpackter Form vertrieben werden. Der Chip kann mit anderen Chips, diskreten Schaltungselementen und/oder anderen Signalverarbeitungsgeräten als Teil eines Zwischenprodukts oder eines Endprodukts integriert werden. Bei dem Endprodukt kann es sich um ein beliebiges Produkt handeln, das integrierte Schaltkreis-Chips enthält, wie z. B. Computerprodukte mit einem Zentralprozessor oder Smartphones.
Verweise in diesem Dokument auf Begriffe, die durch ungenaue Angaben wie „ungefähr“, „etwa“ und „im Wesentlichen“ modifiziert sind, sind nicht auf den genauen Wert zu beschränken. Die ungenaue Angabe kann der Genauigkeit eines zur Messung des Wertes verwendeten Instruments entsprechen und, sofern nicht anders von der Genauigkeit des Instruments abhängig, +/- 10 % des angegebenen Wertes/der angegebenen Werte angeben.
Verweise auf Begriffe wie „vertikal“, „horizontal“ usw. werden hier nur beispielhaft und nicht als Einschränkung verwendet, um einen Bezugsrahmen zu schaffen. Der hier verwendete Begriff „horizontal“ ist als eine Ebene parallel zu einer herkömmlichen Ebene eines Halbleitersubstrats definiert, unabhängig von seiner tatsächlichen dreidimensionalen räumlichen Ausrichtung. Die Begriffe „vertikal“ und „normal“ beziehen sich auf eine Richtung senkrecht zur eben definierten horizontalen Richtung. Der Begriff „lateral“ bezieht sich auf eine Richtung innerhalb der horizontalen Ebene.
Ein Merkmal, das mit einem anderen Merkmal „verbunden“ oder „gekoppelt“ ist, kann mit dem anderen Merkmal direkt verbunden oder gekoppelt sein, oder es können stattdessen ein oder mehrere dazwischenliegende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann mit einem anderen Merkmal „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ sein, wenn keine dazwischenliegenden Merkmale vorhanden sind. Ein Merkmal kann mit einem anderen Merkmal „indirekt verbunden“ oder „indirekt gekoppelt“ sein, wenn mindestens ein dazwischenliegendes Merkmal vorhanden ist. Ein Merkmal, das sich „auf“ einem anderen Merkmal befindet oder damit „in Kontakt“ ist, kann sich direkt auf dem anderen Merkmal befinden oder damit direkt in Kontakt sein oder es können stattdessen ein oder mehrere dazwischenliegende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann sich „direkt auf“ einem anderen Merkmal oder damit in „direktem Kontakt“ befinden, wenn keine dazwischenliegenden Merkmale vorhanden sind. Ein Merkmal kann sich „indirekt auf“ einem anderen Merkmal oder damit in „indirektem Kontakt“ befinden, wenn mindestens ein dazwischenliegendes Merkmal vorhanden ist. Verschiedene Merkmale können sich überlappen, wenn sich ein Merkmal über ein anderes Merkmal erstreckt und einen Abschnitt davon entweder direkt oder indirekt berührt.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen der Veranschaulichung, sollen jedoch nicht vollständig sein oder die Erfindung auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränken. Es sind dem Fachmann viele Modifikationen und Variationen ersichtlich, ohne vom Umfang und Wesen der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie ist ausgewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber den auf dem Markt befindlichen Technologien bestmöglich zu erläutern oder um es anderen als dem Fachmann zu ermöglichen, die hierin beschriebenen Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Struktur für einen Randkoppler, wobei die Struktur umfasst: eine erste dielektrische Schicht mit einem Rand; einen ersten Wellenleiterkernbereich auf der ersten dielektrischen Schicht, wobei der erste Wellenleiterkernbereich eine Endfläche aufweist und der erste Wellenleiterkernbereich in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet ist; eine Mehrzahl von Segmenten auf der ersten dielektrischen Schicht, wobei die Mehrzahl von Segmenten zwischen dem ersten Wellenleiterkernbereich und dem Rand der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist; und einen Wellenleiterkern mit einem ersten Abschnitt, der über dem ersten Wellenleiterkernbereich in einer überlappenden Anordnung angeordnet ist, wobei der Wellenleiterkern eine Endfläche aufweist und der erste Abschnitt in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt des Wellenleiterkerns über dem ersten Wellenleiterkernbereich zentriert ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiterkern aus Siliziumnitrid gebildet ist und der erste Wellenleiterkernbereich und die Mehrzahl von Segmenten aus einkristallinem Silizium gebildet ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die Endfläche des ersten Wellenleiterkernbereichs unterhalb des ersten Abschnitts des Wellenleiterkerns angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 4, ferner umfassend: einen zweiten Wellenleiterkernbereich, der mit der Mehrzahl von Segmenten überlagert ist, wobei der zweite Wellenleiterkernbereich mit dem ersten Wellenleiterkernbereich verbunden ist, wobei die Endfläche des Wellenleiterkerns über dem zweiten Wellenleiterkernbereich und der Mehrzahl von Segmenten angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 4, ferner umfassend: einen zweiten Wellenleiterkernbereich, der mit der Mehrzahl von Segmenten überlagert ist, wobei der zweite Wellenleiterkernbereich mit dem ersten Wellenleiterkernbereich verbunden ist wobei die Endfläche des Wellenleiterkerns über dem ersten Wellenleiterkernbereich angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten Wellenleiterkernbereich, der mit der Mehrzahl von Segmenten überlagert ist, wobei der zweite Wellenleiterkernbereich mit dem ersten Wellenleiterkernbereich verbunden ist, wobei die Endfläche des Wellenleiterkerns über dem zweiten Wellenleiterkernbereich und der Mehrzahl von Segmenten angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten Wellenleiterkernbereich, der mit der Mehrzahl von Segmenten überlagert ist, wobei der zweite Wellenleiterkernbereich mit dem ersten Wellenleiterkernbereich verbunden ist, wobei die Endfläche des Wellenleiterkerns über dem ersten Wellenleiterkernbereich angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenleiterkernbereich und die Mehrzahl von Segmente aus Silizium gebildet sind, der Wellenleiterkern aus Siliziumnitrid gebildet ist, und ferner umfassend: eine zweite dielektrische Schicht, die zwischen dem ersten Wellenleiterkernbereich und dem ersten Abschnitt des Wellenleiterkerns angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die erste dielektrische Schicht auf einem Substrat angeordnet ist und das Substrat eine Rille aufweist, die sich unter dem Rand der ersten dielektrischen Schicht und unter der Mehrzahl von Segmenten erstreckt.
Struktur nach Anspruch 1, wobei sich der erste Wellenleiterkernbereich und der erste Abschnitt des Wellenleiterkerns in entgegengesetzten Richtungen verjüngen.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Segmenten und der erste Wellenleiterkernbereich entlang einer Längsachse ausgerichtet sind und die Mehrzahl von Segmenten entlang der Längsachse voneinander beabstandet sind.
Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Back-End-of-Line-Stapel über dem Wellenleiterkern; und eine zweite dielektrische Schicht, die eine Grenzfläche mit dem Back-End-of-Line-Stapel aufweist, wobei sich die zweite dielektrische Schicht von der Grenzfläche bis zum Rand der ersten dielektrischen Schicht erstreckt, wobei sich die Endfläche des Wellenleiterkerns über die gleiche Strecke wie die Grenzfläche erstreckt.
Struktur nach Anspruch 13, wobei die Grenzfläche und die Endfläche des Wellenleiterkerns über der Mehrzahl von Segmenten angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiterkern einen zweiten Abschnitt aufweist, der an den ersten Abschnitt angrenzt, der erste Abschnitt zwischen dem zweiten Abschnitt und der Endfläche angeordnet ist und die Endfläche des ersten Wellenleiterkernbereichs unter dem zweiten Abschnitt des Wellenleiterkerns angeordnet ist.
Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Randkoppler, wobei das Verfahren umfasst: ein Bilden eines ersten Wellenleiterkernbereichs auf einer ersten dielektrischen Schicht, wobei der erste Wellenleiterkernbereich eine Endfläche aufweist und der erste Wellenleiterkernbereich in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet ist; ein Bilden einer Mehrzahl von Segmenten auf der ersten dielektrischen Schicht, wobei die Mehrzahl von Segmenten zwischen dem ersten Wellenleiterkernbereich und einem Rand der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist; und ein Bilden eines Wellenleiterkerns mit einem Abschnitt, der über dem ersten Wellenleiterkernbereich in einer überlappenden Anordnung angeordnet ist, wobei der Wellenleiterkern eine Endfläche aufweist und der Abschnitt in Längsrichtung zur Endfläche hin konusförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Endfläche des ersten Wellenleiterkernbereichs unterhalb des Abschnitts des Wellenleiterkerns angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: ein Bilden eines zweiten Wellenleiterkernbereichs, der mit der Mehrzahl von Segmenten überlagert ist, wobei der zweite Wellenleiterkernbereich mit dem ersten Wellenleiterkernbereich verbunden ist, wobei die Endfläche des Wellenleiterkerns über dem zweiten Wellenleiterkernbereich und der Mehrzahl von Segmenten angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: ein Bilden eines zweiten Wellenleiterkernbereichs, der mit der Mehrzahl von Segmenten überlagert ist, wobei der zweite Wellenleiterkernbereich mit dem ersten Wellenleiterkernbereich verbunden ist wobei die Endfläche des Wellenleiterkerns über dem ersten Wellenleiterkernbereich angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: ein Bilden eines Back-End-of-Line-Stapels über dem Wellenleiterkern; ein Entfernen eines ersten Abschnitts des Back-End-of-Line-Stapels; und ein Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht mit einer Grenzfläche zu einem zweiten Abschnitt des Back-End-of-Line-Stapels, wobei sich die zweite dielektrische Schicht von der Grenzfläche zum Rand der ersten dielektrischen Schicht erstreckt und die Endfläche des Wellenleiterkerns die gleiche Ausdehnung wie die Grenzfläche aufweist.