JP2005535899A - 犠牲試験構造を含むフォトニックデバイスおよびpicならびにこれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
複数の第1のフォトニック構成部品を含み、第1のフォトニック構成部品の所与の相互接続性に対応する所与の機能を有するフォトニック集積回路上に形成された試験構造であって、少なくとも1つの第1のフォトニック構成部品を試験するのに適した少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品と、少なくとも1つの第1のフォトニック構成部品を少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品に光学的に結合する少なくとも1つのフォトニック経路とを備えた試験構造。少なくとも1つのフォトニック経路は所与の相互接続性から独立している。
Description
本発明は一般にフォトニックデバイス(photonic device)およびフォトニックデバイスのための方法に関する。
フォトニックデバイスおよびフォトニック集積回路(PIC)ではIII−V型半導体化合物フォトニック構成部品などのフォトニック構成部品を使用することが望ましい。このような回路は事実上モノリシック回路である。光ファイバ通信および他の応用において、フォトニック構成部品を単一のチップ上にモノリシック集積化することにはディスクリートデバイスにはない利点がある。
このような構成部品、デバイスおよびPICの製造には、従来から、例えばエピタキシャル成長、エッチング、フォトリソグラフィなど多くのプロセスが使用されている。よく知られているいくつかの因子のため、このようなプロセスは一般に、最適とは言えない生産歩留りを与える。すなわち、ある割合の構成部品が意図するとおりには動作しないことが予想される。デバイスおよびPICがより複雑となり、より多くのフォトニック構成部品を含むようになると、欠陥のあるデバイスおよびPICの割合も増大する。このことは、フォトニックデバイスおよびPICに関連したコストを押し上げる望ましくない効果を有すると考えられる。言い換えると、多数のフォトニック構成部品を集積化して単一のデバイスまたはPICにするとき、デバイスまたはPIC全体の合成歩留りは、デバイスまたはPICのために使用されるフォトニック構成部品の歩留りの積になる。個々の構成部品の歩留りが低下すると、デバイスまたはPIC全体の合成歩留りは、含まれる構成部品の総数の増加とともに急速に低下すると考えられる。
複数の第1のフォトニック構成部品を含み、第1のフォトニック構成部品の所与の相互接続性(innterconnectivity)に対応する所望の機能(functionality)を有するフォトニック集積回路上に形成された試験構造であって、少なくとも1つの第1のフォトニック構成部品を試験するのに適した少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品と、少なくとも1つの第1のフォトニック構成部品を少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品に光学的に結合する少なくとも1つのフォトニック経路とを備え、少なくとも1つのフォトニック経路が所与の相互接続性から独立している試験構造に関する。
本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を添付図面とともに検討することによって本発明の理解は容易になる。図中、同じ符号は同じ部分を指す。
本発明の明確な理解のために適当な部品を示し、同時に一般的なフォトニック構成部品、デバイス、フォトニック集積回路(PIC)、光導波路およびこれらに関係する製造方法に見られるその他の多くの部品を分かりやすくする目的で排除するため、本発明の図および記述は簡略化されていることを理解されたい。本発明を実施するためには他の部品の存在が望ましくかつ/または必要であることを当業者は理解するであろう。しかし、このような部品は当技術分野では周知であり、本発明のよりいっそうの理解を促進するものでもないので、これらについては本明細書では論じない。本明細書の開示は、当業者に周知のこのような構成部品、デバイス、PIC、導波路および方法に対するすべての変形および変更を対象とする。
本発明の一態様によれば、平面PIC内で、例えばレーザ、受信器、増幅器、光電子スイッチなどの能動構成部品を受動導波路を使用して相互接続することができる。この相互接続導波路を、PIC内で最終的にどのフォトニック構成部品または構成部品セットを使用するのかを明確する目的に使用することができる。
本発明の一態様によれば、完成したPICから見れば冗長な冗長フォトニック構成部品を、PICの一部として提供することができる。除去可能な導波路を製作し次いでこれを使用することによって、欠陥構成部品を識別すること、および識別された欠陥構成部品の使用が回避されるように相互接続回路を変更または設計することができる。
本発明の一態様によれば、このようなオンチップ試験は、フォトニック部品の性能を低下させることなしに構築し除去することができる犠牲試験光回路の形態の導波路を作ることによって実施することができる。
本発明の一態様によれば、例えばa−Si:Hおよびa−Si:Fベースのアロイ(alloy)を含む、a−SiCx(ただし0<x<1)、a−SiNy(ただし0<y<1.33)、a−SiOz(ただし0<z<2)、a−SiGew(ただし0<w<1)などのアモルファスシリコン(a−Si)材料を利用して、犠牲試験構造を能動フォトニック構成部品に統合するための導波路を形成することができる。本発明の一態様によれば、ポリマーベースの導波構造を類似の方法で利用することができる。
本発明の一態様によれば、a−Si:H、a−Si:Fベースのアロイ導波路などのa−Siベースのアロイ材料をプラズマ化学蒸着(PECVD)を使用して製造することができ、その結果、低損失導波構造の開発を可能にする低い固有光吸収係数(約1.55μmで約0.1cm−1)が得られる。
次に図1を参照すると、本発明の一態様に基づく第1の処理ステージのPIC100の概略図が示されている。PIC100は、集積レーザアレイデバイス用の犠牲試験構造を含む。ただしこれは非限定的な説明にすぎない。冗長性を持たせて形成したこの意図されたレーザアレイ110の他に、この同じチップには受信器120のアレイも製作されている。これらの検出器120は、意図された最終的なデバイス設計、およびPIC100の意図された機能の一部であってもよいし、またはそうでなくてもよい。
III−V型半導体化合物ベースのレーザ構成部品110のアレイは、PIC100の意図された動作可能性(operability)のために必要な数よりも多くの個々のデバイス110を含んでいる。すなわち、PIC100の所望の機能を達成するためにX個の構成部品が必要である場合、PIC100上に、X<YであるY個の構成部品を製造することができる。XとYの差は、例えば構成部品110および/または120のそれぞれに対する予想される生産歩留り、PIC100の所望の生産歩留りを含むいくつかの因子に基づいて決めることができる。さらに、Z<YであるZ個の構成部品110を必要とする別の所望の機能を有するPIC 場合、例えば構成部品110、120の予想される生産歩留りに基づいてこのようなPICの所望の生産も考えることができる。
PIC100は、デバイス110を試験するのに適したいくつかの試験構成部品を含み、PIC100の場合には受信器またはフォトニック検出器120のアレイを含んでいる。構成部品120は、PIC100の意図された動作に役立つものであっても、または役立たないものであってもよく、あるいは任意選択で、構成部品120を使用して、例えばそれに対する強化された機能を提供することができる。
構成部品110、120は、導波路130のアレイを使用して通信可能に結合されている。例えば、対応するフォトニック導波路130を使用して、構成部品110をそれぞれ対応する構成部品120に光学的に結合することができる。あるいは、例えばそれぞれの構成部品110を選択的に動作させることができる場合には、2つ以上の構成部品110を単一の構成部品120に結合することもできる。同様に、いくつかの構成部品120を単一の構成部品110に結合して、例えば試験に冗長性を持たせることもできる。
従来から理解されているように、構成部品110を例えば順番にまたは並列に活動化させ、それらの動作を構成部品120を使用してチェックすることによって、PIC100を試験することができる。例えば特定の受信器120で出力が受信されない場合には、1)構成部品120になんらかの欠陥があり、かつ/または2)対応する構成部品110になんらかの欠陥があり、かつ/または3)対応する導波路130になんらかの欠陥があると考えることができる。ともかく、PIC100の続きの処理において特定の構成部品110および/または120の使用を回避することができる。しかし重要には、このようなオンチップ試験によってその動作可能性が確認された構成部品をPIC100の以降の処理で使用することができる。
次に図2を参照すると、本発明の一態様に基づく第2の処理ステージのPIC100の概略図が示されている。犠牲導波路130が除去され、構成部品110、120のアレイが残されている。
次に図3を参照すると、本発明の一態様に基づく第3の処理ステージのPIC100の概略図が示されている。構成部品120および導波路130を使用した試験によってその動作可能性が確認された構成部品110を使用してPIC100の所望の機能が提供されるように、導波路140が製作されている。
次に図4を参照する。先に述べたとおり、構成部品120を使用して強化された機能をPIC100に提供することができる。構成部品120との通信可能性およびそれに関連した強化された機能が提供されるにように導波路150を製作することができる。
次に図5を参照する。オンチップ試験によってより多くの構成部品が動作不能と確認された場合には、導波路140を使用して、PIC100の別の機能を達成することができる。図5の非限定的かつ例示的なケースでは、例えば構成部品120を使用して。もちろん、試験によってその動作可能性が確認された構成部品110および/または120の任意の組合せを使用して、この代替機能を提供することができる。
次に図6を参照する。例えばPIC100は、その動作可能性が確認されたデバイス110および/または120を、このような場合に強化された代替機能を達成する目的で使用することができる。
再び図1および図3〜6を参照する。本発明の一態様によれば、アモルファスシリコン(a−Si)材料を使用して、モノリシックに集積化されたPIC100などの光電子製品の能動および受動デバイス構成部品に対する屈折率整合した柔軟な低損失導波路結合を提供することができる。本発明の一態様によれば、a−Si:Hおよびa−Si:Fベースのアロイを含む、a−SiCx(ただし0<x<1)、a−SiNy(ただし0<y<1.33)、a−SiOz(ただし0<z<2)、a−SiGew(ただし0<w<1)などのアモルファスシリコン(a−Si)材料を利用して、PIC100などの光電子製品の能動および受動構成部品を統合するための導波路を形成することができる。
さらに、このようなa−Si材料とIII−V型半導体材料との間のエッチング選択性は良好であり、このことは、このようなa−Si材料が犠牲オンチップ試験技術としての使用に特に適したものになる一助となっている。例えば、a−Siベースのアロイ材料の導波路は約250℃で製作することができ、試験後に容易に除去することができる。そのアモルファスとしての性質のため、a−Siベースのアロイ材料は、結晶性材料の格子整合要件を持たない。さらに、屈折率を例えば1.5から4までほぼ連続的に調整することができることは、従来の技法に比べて改善された屈折率整合および能動構成部品に対する低損失導波路結合を提供する。
このようなa−Siベースのアロイ材料の場合、望ましいことに動作波長1.55μmでの光吸収は低く、当業者には理解されるように、これによって低損失特性および良好な光伝送特性が得られる。例えばa−Si:Hに対応する吸収係数は約0.1cm−1であり、例えば1.55μmで約0.5dB/cm程度の導波路損失を有利に提供する。
さらに、a−Siベースのアロイ材料のPECVDプロセスにおいてプラズマ分解を受けるSiH4などの主ガスを、CH4、CO2、N2、NH3、N2Oなどの他の化学物質と混合することによって、より小さい屈折率でより幅の広いエネルギーギャップを達成することができる。
次に図7を参照すると、PIC100(図1)などのPICを形成するための本発明の一態様に基づく方法1000の流れ図が示されている。方法1000は一般に、フォトニック構成部品を形成し1010、犠牲導波路を含む試験相互接続構造を形成し1020、フォトニック構成部品を試験し1030、試験相互接続構造を除去し1040、導波路を形成する1050ことを含む。
構成部品110、120(図1)などのフォトニック構成部品は、適当な任意の方法および材料を使用して形成することができる1010。このような方法および材料は当業者にはよく知られている。少数の例を挙げれば、このような方法には例えば、エピタキシャル成長、エッチング、フォトリソグラフィなどのIII−V型半導体化合物フォトニックデバイスの従来の製造方法が含まれる。利用される材料には例えば、当業者にはすぐに理解されるIII−V型半導体化合物材料が含まれる。少数の例を挙げれば、意図されたデバイス110、120の性質に応じて使用するのに適した材料には例えば、GaAs、AlGaAs、InGaAs、GaAsSb、InGaAsP、GaNが含まれる。フォトニック構成部品は、例えばシリコン(c−Si)、InP、GaAsなどの適当な基板上に形成することができる1010。
本発明の一態様によれば冗長構成部品を形成することができる。すなわち、最終的なPICの所望の機能を達成するためにX個の構成部品が必要な場合に、X<YであるY個の構成部品を形成することができる1010。
本発明の一態様によれば、試験構造は、a−Si:H、a−Si:Fベースのアロイなどのa−Siベースのアロイ材料のプラズマ化学蒸着(PECVD)を使用して形成することができる1020。その結果得られる導波路は、低い固有光吸収係数(1.55μmで約0.1cm−1)および低損失特性を示す。a−Siベースのアロイ材料の電子的特性および光学的特性は、スパッタリング、PECVDなどの導波路形成方法に応じて変化する。例えば、スパッタリングしたa−Siは一般に、禁制帯にある状態の密度が高く、1.55μmで10cm−1を超える光吸収係数を有することが特徴である。しかし、PECVD a−Siベースのアロイ材料は、1.3μm、1.55μmなどの赤外波長でより低い吸収係数を示す。
導波路130は、c−Siウェーハ上に付着させた屈折率約3.2のa−Siアロイ材料のアンダークラッド層上に付着させた屈折率約3.4のa−Siアロイ材料層の形態をとることができる。a−Siアロイ材料アンダークラッド層の厚さは約1μm、a−Si:Hアロイコアの厚さは約0.5μmとすることができる。屈折率約3.2のa−Siアロイ材料層をオーバークラッド層として提供することができ、その厚さは例えば約1μmとすることができる。a−Siアロイアンダーグラッドおよびオーバークラッドは、例えばSiH4またはN2のRFまたはDCプラズマ分解(図4参照)を使用して形成することができる。N2の場合には、N2対SiH4流量比約0.9を使用することができ、基板温度は約250℃に維持する。a−Siアロイのコア層を形成するためには、N2対SiH4流量比を約0.45にし、基板温度を約250℃に維持する。処理圧は約1.5トルとすることができ、13.56MHz RFパワーは例えば約50Wに維持する。
犠牲導波路およびそのコアは、例えば平面アモルファススタックの標準フォトリソグラフィパターニングおよびプラズマエッチングを使用して画定することができる。犠牲導波路は例えば、形成されるデバイスとモノリシックに形成することができる。
その後、従来の技法を使用してこの複合構造を試験することができる1030。例えば、図1のレーザアレイ110を活動化させ、これを、図1の検出器アレイ120および従来の方法を使用して試験することができる。この試験では、形成されたデバイス対のうちどのデバイス対が適正に動作しているのかを識別する。例えば、レーザ110を活動化させた後、動作しているレーザ110を検出したことを指示する信号を出力した検出器120を、動作可能なレーザ110−検出器120対として識別することができる。
その後、試験構造を除去することができる1040。犠牲導波路は、例えばエッチングなどの適当な技法を使用して除去することができる。導波路1030を除去するプロセスは、例えばほぼ室温などの比較的に低い温度で実施することができる。利用することができるエッチング剤にはCF4、SF6およびSiC4が含まれる。ただしこれらは非限定的な例にすぎない。
その後、形成された構成部品のうち試験によってその動作可能性が確認された構成部品への適当な導波路接続を実施して1040、最終的なPICの所望の機能を達成する。これらの導波路接続は例えば、試験相互接続構造の形態をとることができ、試験相互接続構造の形成1020と一貫して形成することができる。
本発明の一態様によれば、PICの所望の機能をこの試験に基づいて決定することができる。例えば、第1の所望の機能が動作可能なX個の構成部品を必要とし、第2の所望の機能が動作可能なY個の構成部品を必要とし、動作可能なZ個の構成部品が形成されており、それらが動作可能と確認されている場合、以下の事象が起こり得る。X<Zの場合には、動作可能な構成部品の適当な相互接続を使用して第1の機能を達成することができる。Y<Zの場合には、動作可能な構成部品の適当な相互接続を使用して第2の機能を達成することができる。X<Z<Yの場合には、たとえ元々は第2の機能を達成したかったとしても、動作可能な構成部品の適当な相互接続を使用して第1の機能を達成することができる。Y<Z<Xの場合には、たとえ元々は第1の機能を達成したかったとしても、動作可能な構成部品の適当な相互接続を使用して第2の機能を達成することができる。
もちろん、X<ZかつY<Zである場合など複数の機能を達成できる場合には、需要と供給との原理などの従来の方法を使用して、最終的にどの機能を達成するのかを決定することができる。
本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく本発明の装置および方法にさまざまな変更および変形を加えることができることは当業者には明白である。したがって本発明は、添付の請求項およびその等価物の範囲に含まれるもので限り、これらの変更および変形をカバーする。
Claims (25)
- 複数の第1のフォトニック構成部品を含み、前記第1のフォトニック構成部品の所与の相互接続性に対応する所与の機能を有するフォトニック集積回路上に形成された試験構造であって、
少なくとも1つの前記第1のフォトニック構成部品を試験するのに適した少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品と、
前記少なくとも1つの第1のフォトニック構成部品を前記少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品に光学的に結合する少なくとも1つのフォトニック経路と
を備え、
前記少なくとも1つのフォトニック経路が前記所与の相互接続性から独立している、試験構造。 - 前記フォトニック経路が集積化された導波路を含む、請求項1に記載の試験構造。
- 前記導波路が少なくとも1種のアモルファスシリコンベースのアロイ材料を含む、請求項2に記載の試験構造。
- 前記アモルファスシリコンベースのアロイ材料がプラズマ化学蒸着によって付着されたものである、請求項3に記載の試験構造。
- 前記アモルファスシリコンベースのアロイ材料が、実質上a−Si:Hおよびa−Si:Fベースのアロイからなるグループから選択された少なくとも1種の材料を含む、請求項4に記載の試験構造。
- 前記アモルファスシリコンベースのアロイ材料が、実質上、水素化またはフッ素化されたa−SiCx(ただし0<x<1)、a−SiNy(ただし0<y<1.33)、a−SiOz(ただし0<z<2)、a−SiGew(ただし0<w<1)からなるグループから選択された少なくとも1種の材料を含む、請求項4に記載の試験構造。
- 前記少なくとも1つのフォトニック経路が、前記第1のフォトニック構成部品に不利な影響を与えることなく除去できるように適合されている、請求項1に記載の試験構造。
- 前記第1のフォトニック構成部品が、少なくとも1つのIII−V型半導体化合物フォトニック構成部品を含む、請求項1に記載の試験構造。
- 前記少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品が、少なくとも1つのIII−V型半導体化合物フォトニック構成部品を含む、請求項8に記載の試験構造。
- 前記少なくとも1つの第2のフォトニックデバイスが、それぞれが前記第1のフォトニックデバイスの1つに対応する複数の第2のフォトニックデバイスを含み、前記少なくとも1つのフォトニック経路が、対応する複数のフォトニック経路を含む、請求項1に記載の試験構造。
- フォトニック集積回路を作るための方法であって、
自体の所与の相互接続性に対応する所与の機能を有する複数の第1のフォトニック構成部品を形成すること、
少なくとも1つの前記第1のフォトニック構成部品に光学的に結合され、少なくとも1つの前記第1のフォトニック構成部品を試験するのに適した少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品を形成すること、
前記第2のフォトニック構成部品を使用して前記少なくとも1つの第1のフォトニック構成部品を試験すること、
前記少なくとも1つの第1および第2のフォトニック構成部品を光学的に切り離すこと、ならびに
前記所与の相互接続性を提供する少なくとも1つの第2のフォトニック経路を形成して、前記第1のフォトニックデバイスのうちのデバイスを前記試験に依存して選択すること
を含む方法。 - 前記第1および第2のフォトニックデバイスならびに第1および第2のフォトニック経路を単一の基板上に集積化する、請求項11に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの第2のフォトニックデバイスに相互接続性を与える少なくとも1つの第3のフォトニック経路を形成することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記第1および第2のフォトニック経路が導波路を含む、請求項11に記載の方法。
- 前記導波路が少なくとも1種のアモルファスシリコンベースのアロイ材料を含む、請求項14に記載の方法。
- 前記アモルファスシリコンベースのアロイ材料が、実質上a−Si:Hおよびa−Si:Fベースのアロイからなるグループから選択された少なくとも1種の材料を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記アモルファスシリコンベースのアロイ材料が、実質上、水素化またはフッ素化されたa−SiCx(ただし0<x<1)、a−SiNy(ただし0<y<1.33)、a−SiOz(ただし0<z<2)、a−SiGew(ただし0<w<1)からなるグループから選択された少なくとも1種の材料を含む、請求項16に記載の方法。
- フォトニックデバイスを作るための方法であって、
自体の所与の相互接続性に対応する所与の機能を有する第1の複数の第1のフォトニック構成部品を形成すること、
前記第1のフォトニック構成部品の第2の複数を形成すること、
少なくとも1つの前記第1のフォトニック構成部品を試験するのに適した少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品を形成すること、
少なくとも1つの第1のフォトニック構成部品を前記少なくとも1つの第2のフォトニック構成部品に光学的に結合する少なくとも1つの第1のフォトニック経路を形成すること、
前記少なくとも1つの第1のフォトニック経路および第2のフォトニック構成部品を使用して前記少なくとも1つの第1のフォトニック構成部品を試験すること、
前記少なくとも1つの第1のフォトニック経路を除去すること、ならびに
前記所与の相互接続性を提供する少なくとも1つの第2のフォトニック経路を形成して、前記第1のフォトニックデバイスのうちのデバイスを前記試験に依存して選択すること
を含む方法。 - 前記第1および第2のフォトニックデバイスならびに第1および第2のフォトニック経路を単一の基板上に集積化する、請求項18に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの第2のフォトニックデバイスに相互接続性を与える少なくとも1つの第3のフォトニック経路を形成することをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 前記第1および第2のフォトニック経路が少なくとも1種のアモルファスシリコンベースのアロイ材料を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記アモルファスシリコンベースのアロイ材料が、実質上a−Si:Hおよびa−Si:Fベースのアロイからなるグループから選択された少なくとも1種の材料を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記アモルファスシリコンベースのアロイ材料が、実質上、水素化またはフッ素化されたa−SiCx(ただし0<x<1)、a−SiNy(ただし0<y<1.33)、a−SiOz(ただし0<z<2)、a−SiGew(ただし0<w<1)からなるグループから選択された少なくとも1種の材料を含む、請求項22に記載の方法。
- 前記切離しが前記第1のフォトニック構成部品と両立する、請求項18に記載の方法。
- 少なくとも1つの前記第1および第2のフォトニック経路が少なくとも1種のポリマーベースの材料を含む、請求項18に記載の方法。
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