JP6314354B2

JP6314354B2 - エッジ結合デバイス及びその製造方法

Info

Publication number: JP6314354B2
Application number: JP2016561653A
Authority: JP
Inventors: フアプ・パン; ゾンロン・リウ; ホンゼン・ウェイ; ホンミン・チェン
Original assignee: ホアウェイ・テクノロジーズ・カンパニー・リミテッド
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2035-04-07
Also published as: CN106164722A; US20170219777A1; US20150293303A1; EP3116825A1; EP3116825B1; JP2017514167A; CN106164722B; US9703039B2; WO2015157323A1; US10197733B2; KR20160139022A

Description

［関連出願の相互参照］
本特許出願は、２０１４年４月９日に出願されたＨｕａｐｕＰａｎらによる「ＥｄｇｅＣｏｕｐｌｉｎｇＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」と題する米国特許仮出願第６１／９７７，３６６号に基づく優先権を主張するものである。この仮出願の教示および開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

[連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載]
該当なし。

[マイクロフィッシュ付属書類の参照]
該当なし。

光トランシーバでは、１つのチップに可能な限り多数のフォトニック構成要素を集積することが望ましい。集積密度が上昇するにつれて、フォトニック構成要素のサイズは縮小するが、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の導波路のモードサイズがそれに対応して縮小するため、ファイバなどの他の光学構成要素にＰＩＣを組み込むことがますます困難になる。例えば、シリコンフォトニックベースＰＩＣにおける典型的な４５０ナノメートル（ｎｍ）×２２０ｎｍ導波路のモードサイズは、ほぼその導波路自体のサイズとなるが、標準的なシングルモードファイバのモードサイズ（例えばモードフィールド直径）は、９．２マイクロメートル（μｍ）の大きさである。したがって、ＰＩＣにおける導波路のモードサイズは、ファイバのモードサイズよりもはるかにより大きくなる。

レンズが、ＰＩＣの導波路のモードサイズに対応するようにファイバのモードサイズを縮小させるために使用され得る。しかし、レンズおよびファイバを用いたＰＩＣのパッケージングは、ＰＩＣのインタフェイスにおけるモードサイズが過度に小さい場合には、アラインメント許容範囲の限度により困難となる。

エッジ結合されたＰＩＣの場合には、モード変換器が、ＰＩＣの導波路のモードサイズを拡大するために使用され得る。しかし、モード変換器もまた、ＰＩＣ上の他の構成要素と一体化され得るものであるべきである。

一実施形態では、本開示は、エッジ結合デバイスを製造する方法を含む。この方法は、逆テーパ状シリコン導波路上にトレンチを形成するようにクラッド材料の一部分を除去するステップと、クラッド材料の残りの部分を覆っておよびトレンチ内に二酸化ケイ素よりも高い屈折率を有する材料を堆積するステップと、リッジ導波路を形成するようにトレンチ内の材料の一部分を除去するステップと、を含む。

一実施形態では、本開示は、エッジ結合デバイスを製造する方法を含む。この方法は、逆テーパ状シリコン導波路上に配設されたクラッド材料内にトレンチを形成するステップと、トレンチ内に屈折率材料を堆積するステップであって、屈折率材料が１．４４５〜３．５の間の屈折率を有する、ステップと、トレンチ内にリッジ導波路形成するように屈折率材料をパターニングするステップと、を含む。

別の実施形態では、本開示は、エッジ結合デバイスを含む。このエッジ結合デバイスは、基板と、基板を覆って配設された埋込み酸化物と、埋込み酸化物を覆って配設されたクラッド材料であって、トレンチを備えるクラッド材料と、トレンチの下にクラッド材料内に配設された逆テーパ状シリコン導波路と、トレンチ内に配設されたリッジ導波路であって、リッジ導波路および逆テーパ状シリコン導波路が相互に垂直方向に整列される、リッジ導波路と、を備える。

エッジ結合デバイスの概略図である。別のエッジ結合デバイスの概略図である。エッジ結合デバイスを製造する方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する別の方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する別の方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する別の方法の一実施形態を示す図である。エッジ結合デバイスを製造する別の方法の一実施形態を示す図である。本開示の一実施形態によるエッジ結合デバイスを製造する方法を示す流れ図である。本開示の一実施形態によるエッジ結合デバイスを製造する方法を示す流れ図である。

初めに、１つまたは複数の実施形態の例示的な実装が以下に示されるが、開示されるシステムおよび／または方法は、現在既知であるかまたは既存であるかに関わらず任意の数の技術を使用して実装され得る点を理解されたい。本開示は、本明細書において図示または説明される例示の設計および実装形態を含む、以下に示す例示の実装形態、図面、および技術に決して限定されるべきではないが、それらのすべての均等物範囲と共に添付の特許請求の範囲内において修正され得る。

図１は、Ｃ．Ｋｏｐｐらの「ＳｉｌｉｃｏｎＰｈｏｔｏｎｉｃＣｉｒｃｕｉｔｓ：Ｏｎ−ＣＭＯＳＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃａｌＣｏｕｐｌｉｎｇ，ａｎｄＰａｃｋａｇｉｎｇ」，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＩＥＥＥ）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｅｌｅｃｔｅｄＴｏｐｉｃｓｉｎＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０（Ｋｏｐｐ）に記載されるものと同様のエッジ結合デバイス１００の概略図である。この文献は、参照により組み込まれる。エッジ結合デバイス１００は、シリコンリッチ酸化物（ＳｉＯｘ）でシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ１０４上の逆テーパ状シングルシリコン導波路１０２（例えばシリコンワイヤ）を覆うことにより製造される。次いで、ＳｉＯｘは、屈折率が約１．６であるリブ導波路１０６を形成するために部分的にエッチングされる。リブ導波路１０６のモードサイズは、高性能レンズドファイバ１０８との結合に適合性を有する。しかし、エッジ結合デバイス１００は、いかなる他のフォトニック構成要素とも一体化されず、ＳｉＯｘ導波路１０６以外の逆テーパ状シングルシリコンワイヤ１０２を覆うクラッド材料は存在しない。

図２は、ＳｏｌｏｍｏｎＡｓｓｅｆａらの「ＣＭＯＳＣｏｍｐａｔｉｂｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅｇｕｉｄｅＣｏｕｐｌｅｒａｎｄＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」と題する米国特許第７，７３８，７５３号に記載されるものと同様の別のエッジ結合デバイス２００の概略図である。この特許は、参照により組み込まれる。図示するように、エッジ結合デバイス２００は、電子回路および／または光電子回路が上に製造された半導体デバイス２０８の頂部に順に積層された、窒化ケイ素（ＳｉＮ）層２０２、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層２０４、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）層２０６を備える。酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）カプラ２１０が、二酸化ケイ素層２０４およびダイヤモンド状炭素層２０６を通って窒化ケイ素層２０２まで延在するトレンチ内に配設される。しかし、エッジ結合デバイス２００は、リッジ導波路を形成するために高屈折率材料に対するエッチングプロセスを実施することなく製造される。エッジ結合デバイス２００は、他のシリコンフォトニック構成要素と一体化されてもよいが、エッジ結合デバイス２００は、他のシリコンフォトニック構成要素の製造プロセスにおいて製造され、クラッド材料の一部である。

残念ながら、図１〜図２のエッジ結合デバイス１００、２００および他の先行アプローチは、逆テーパ状設計により、モードサイズに限度が生じ、他のフォトニック構成要素との逆テーパ状設計のモノリシックな一体化が困難となり得る点で、様々な欠点を有する。

本明細書では、上記の課題の一部に対応するための実施形態が開示される。以下でさらに十分に説明するように、これらの実施形態は、第１に製造されたシリコンフォトニックウェーハ上のクラッド材料を除去し、第２に高屈折率材料（例えば酸化物よりも高い屈折率を有する材料）で除去エリアを充填し、第３にリッジ導波路を形成するために高屈折率材料をエッチングすることによって、エッジ結合デバイスを製造することを可能にし得る。エッジ結合デバイスは、高屈折率材料により覆われた逆テーパ状シリコン導波路を備え得る。シリコン導波路の幅が逆テーパ状に狭くなるにつれて、光学モードが、シリコン導波路から高屈折率材料リッジ導波路まで徐々に伝達され得る。エッジ結合デバイスの最終モードサイズは、高屈折率材料リッジ導波路のサイズに主に依存し得る。エッジ結合デバイスの製造は、シリコンフォトニックウェーハ上に予め製造されている構成要素の性能にマイナスの影響を及ぼさない。開示される実施形態は、単純な逆テーパよりも大きなモードサイズ（例えば約３μｍ〜５μｍ）と、低い結合損失と、垂下構造体が存在しなくてもよいことによる垂下エッジカプラと比較した場合の信頼性の改善と、最小逆テーパ幅がより大きくなり得ることによる製造公差の改善と、他の受動ＳＯＩ構成要素および能動ＳＯＩ構成要素とのモノリシック一体化と、を可能にし得る。

図３Ａ〜図３Ｄは、エッジ結合デバイス３００を製造する方法の一実施形態を集合的に示し、その最終結果が、図３Ｄに示される。図３Ａに示すように、ダイまたは集積回路ウェーハ３０２の代表的な部分が用意される。集積回路ウェーハ３０２は、例えばＰＩＣまたは集積光学回路を備え得る。ＰＩＣは、複数の（少なくとも２つの）フォトニック機能を統合するデバイスであり、そのため電子集積回路と類似する。

一実施形態では、集積回路ウェーハ３０２の基板３０４は、図３Ａに示すようなＳＯＩ構造を有する。ＳＯＩ構造では、層状半導体−絶縁体−半導体基板が、デバイス寄生容量を低減させるために、半導体のみの基板の代わりに、特にマイクロエレクトロニクスの代わりに使用され、それにより性能を向上させる。図３Ａの基板３０４では、埋込み酸化物（ＢＯＸ）層３０６が、半導体材料３０８の部分同士または層同士の間に配設される。埋込み酸化物層３０６は、例えば二酸化ケイ素または他の適切な酸化物などを含み得る。一実施形態では、埋込み酸化物層３０６は、下層半導体材料３０８上に成長される。ＢＯＸ層３０６は、用途に応じて約４０ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲の厚さを有し得る。

一実施形態では、半導体材料３０８は、例えばシリコンまたはシリコン含有材料である。代替的にはまたは追加的には、半導体材料３０８は、ゲルマニウムおよび／またはダイヤモンドなどの別の元素半導体を備える。また、半導体材料３０８は、炭化ケイ素、ガリウムヒ素、ガリウムリン、インジウムリン、インジウムヒ素、および／またはインジウムアンチモンを含む化合物半導体であってもよい。半導体材料３０８は、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）、アルミニウムインジウムヒ素（ＡｌＩｎＡｓ）、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）、ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）、および／またはガリウムインジウムヒ素リン（ＧａＩｎＡｓＰ）、あるいはそれらの組合せを含む合金半導体であってもよい。一実施形態では、半導体材料３０８は、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、またはＩＩ−ＶＩ族半導体材料を含む。

半導体材料３０８は、ドープエピタキシャル層、勾配半導体層、および／またはシリコンゲルマニウム層上のシリコン層などの異なるタイプの別の半導体層に重畳した半導体層を備えてもよい。半導体材料３０８は、集積回路ウェーハ３０２の設計要件に応じてｐ型またはｎ型であり得る。

図３Ａに示すように、集積回路ウェーハ３０２内の半導体材料３０８の一部分が、逆テーパ状導波路３１０を形成する。逆テーパ状導波路３１０は、集積回路ウェーハ３０２を通して光信号を伝搬させるために利用される。逆テーパ状導波路３１０は、逆テーパ状導波路が集積回路ウェーハ３０２のエッジまたはカップリング接合点に近づくにつれて徐々に先細りとなる寸法（例えば幅）を有する。逆テーパ状導波路３１０は、例えば深紫外線（ＤＵＶ）リソグラフィ、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、または他の適切な技術を使用して形成され得る。逆テーパ状導波路３１０におけるテーパの長さは、用途および所望のモードサイズに応じて変更され得る。

逆テーパ状導波路３１０は、クラッド材料３１２で覆われ得る。一実施形態では、クラッド材料３１２は、二酸化ケイ素から形成される。一実施形態では、クラッド材料３１２の５０％超が、二酸化ケイ素である。クラッド材料の厚さは、例えば数マイクロメートル（μｍ）のオーダ（例えば約１μｍ〜約３μｍ厚の間）であってもよい。一実施形態では、クラッド材料３１２は、二酸化ケイ素層、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層、炭化ケイ素（ＳｉＣ）層、または別の適切な材料層を積層することによって形成され得る。一実施形態では、クラッド材料３１２は、酸化物（例えば埋込み酸化物３０６）よりも高い屈折率を有する。

図３Ｂに示すように、逆テーパ状導波路３１０を覆うクラッド材料３１２の一部分が、トレンチ３１４を形成するように除去され得る。図示するように、トレンチ３１４は、逆テーパ状導波路３１０を覆って配設され、それに垂直方向に整列される。一実施形態では、トレンチ３１４は、時限エッチングプロセスを使用して形成される。バッファードフッ酸（ＢＨＦ）または他の適切なエッチング液が使用され得る。時限エッチングプロセスを使用することにより、逆テーパ状導波路３１０の頂部表面上のクラッド材料３１２が除去される。不正確なタイミングによるクラッド材料３１２の若干のオーバーエッチングまたはアンダーエッチングは、許容可能となり得る。

トレンチ３１４が、クラッド材料３１２に形成された後に、高屈折率材料３１６が、図３Ｃに示すように配設される。換言すれば、高屈折率材料３１６は、クラッド材料３１２が以前に除去された位置に堆積される。一実施形態では、高屈折率材料３１６は、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）、常圧化学気相堆積（ＡＰＣＶＤ）、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、スパッタリング、および将来的に開発される堆積方法を含む様々な堆積技術の任意のものによって形成される。

一実施形態では、高屈折率材料３１６は、トレンチ３１４が少なくとも部分的に充填されるまで堆積される。高屈折率材料３１６は、約１．４４５である二酸化ケイ素の屈折率よりも高いが、約３．５であるケイ素の屈折率よりも低い屈折率を有する。一実施形態では、高屈折率材料は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または別の適切な材料を含む。高屈折率材料３１６の厚さは、２μｍ〜２０μｍの範囲内であってもよい。トレンチ３１４（例えばクラッド除去エリア）の幅は、トレンチ３１４の床の上方における高屈折率材料の平坦性および均一性を確保するために５０μｍ超であってもよい。

図３Ｄに示すように、高屈折率材料３１６の一部分は、エッジ結合デバイス３００のリッジ導波路３１８を生成するために除去される。一実施形態では、フォトリソグラフィプロセスが、高屈折率材料３１６を除去するために利用される。換言すれば、高屈折率材料３１６は、リッジ導波路３１８を形成するようにパターニングされる。図示するように、リッジ導波路３１８は、逆テーパ状シリコン導波路３１０を覆って配設され、これと垂直方向に整列される。一実施形態では、リッジ導波路３１８は、完全にトレンチ３１４内に配設される。別の実施形態では、リッジ導波路３１８の一部分が、トレンチ３１４から少なくとも部分的に突出する。

リッジ導波路３１８は、エッジ結合デバイス３００を通して光信号を伝搬させるために逆テーパ状シリコン導波路３１０と協働して作動するように構成される。例えば、逆テーパ状シリコン導波路３１０の幅が狭くなるにつれて、逆テーパ状シリコン導波路３１０からの光学モードは、リッジ導波路３１８へと徐々に伝達される。エッジ結合デバイス３００のモードサイズは、リッジ導波路３１８のモードサイズに主に依存する。一実施形態では、リッジ導波路３１８および／またはエッジ結合デバイス３００のモードサイズは、約３μｍ〜約１０μｍの間であり、これは低い結合損失をもたらす。一実施形態では、リッジ導波路３１８を形成するエッチング深さは、リッジ導波路３１８のシングルモード条件を依然として確保しつつ、可能な限り深い。エッジ結合デバイス３００のリッジ導波路３１８は、基板３０４とモノリシックに一体化される。

図４Ａ〜図４Ｄは、エッジ結合デバイス４００を製造する方法の一実施形態を集合的に示し、その最終結果が、図４Ｄに示される。図４Ａ〜図４Ｄに示す方法および対応する要素４００〜４１８は、図３Ａ〜図３Ｄに示す方法および要素３００〜３１８と同様である。しかし、図４Ａ〜図４Ｄに示す方法では、エッチング停止層４２０がウェーハ４０２内に含まれている。エッチング停止層４２０は、逆テーパ状シリコン導波路４１０および埋込み酸化物層４０６の一部分を覆って配設され、それにより図４Ｂに示すトレンチ４１４を形成するために使用されるエッチング液からそれらの構造を保護する。一実施形態では、エッチング停止層４２０は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、ポリシリコン、またはそれらの組合せを含む。エッチング停止層４２０の存在により、エッチングは、上述のような時限エッチングを使用する代わりにエッチング停止層４２０に到達するまで実施され得る。換言すれば、エッチング停止層４２０は、エッチングプロセスの最中に終点を制御するために使用される。一実施形態では、エッチング停止層４２０は、低圧化学気相堆積、常圧化学気相堆積、プラズマ化学気相堆積、物理気相堆積、スパッタリング、および将来的に開発される堆積方法を含む様々な堆積技術の任意のものによって形成される。エッチング後に、高屈折率材料４１６が、トレンチ４１４内に配設され、次いで上述のようにリッジ導波路４１８を形成するようにパターニングされる。

図５Ａ〜図５Ｄは、エッジ結合デバイス５００を製造する方法の一実施形態を集合的に示し、その最終結果が、図５Ｄに示される。図５Ａ〜図５Ｄに示す方法および要素５００〜５２０は、図４Ａ〜図４Ｄに示す方法および要素４００〜４２０と同様である。しかし、図５Ｄのエッジ結合デバイス５００は、初めは非垂下構造である。

図５Ａに示すように、ＢＯＸ層５０６が、基板５０４の少なくとも一部分を形成するようにシリコン半導体材料５０８を覆って形成されている。ＢＯＸ層５０６は、窒化ケイ素エッチング停止層５２０により覆われた逆テーパ状シリコン導波路５１０を支持する。一実施形態では、窒化ケイ素エッチング停止層５２０は、ウェーハ５０２全体に初めに重畳する。しかし、図５Ａに示す意図されるエリア外に配設された窒化ケイ素は、例えばリン酸を沸騰させることにより、または別の適切な除去プロセスにより除去される。その後、二酸化ケイ素クラッド材料５１２層が、窒化ケイ素エッチング停止層５２０を覆って配設される。

図５Ｂを参照すると、約４００μｍの幅を有するトレンチ５１４が、ウェットエッチングプロセスを使用してエッチング停止層５２０まで二酸化ケイ素クラッド材料５１２中に形成される。その後、約３μｍ〜約５μｍの間の厚さを有する酸窒化ケイ素層または酸化ケイ素ポリマー層５１６が、図５Ｃに示すように配設される。次いで、酸窒化ケイ素層または酸化ケイ素ポリマー層５１６は、図５Ｄに示すようにリッジ導波路５１８を形成するようにパターニングされる。一実施形態では、リッジ導波路５１８の中央部分５２２が、約３μｍ〜約５μｍの幅を有する一方で、中央部分５２２に隣接するリッジ導波路５１８の外側部分５２４は、約２００μｍの幅をそれぞれが有する。

図６は、本開示の一実施形態によるエッジ結合デバイスを製造する方法６００を示す流れ図である。方法６００は、例えば少なくとも１つの逆テーパ部（例えば逆テーパ状導波路３１０、４１０、５１０）がクラッド材料（例えばクラッド材料３１２、４１２、５１２）により覆われたＰＩＣデバイスが、さらなる処理または製造のために受け入れられた後に、開始し得る。ブロック６０２で、クラッド材料の一部分が、逆テーパ状シリコン導波路上にトレンチ（例えばトレンチ３１４、４１４、５１４）を形成するように除去される。エッチング停止層（例えばエッチング停止層４２０、５２０）が、ＰＩＣデバイス内に含まれる場合には、エッチング停止層に到達するまでエッチングが継続される。エッチング停止層が存在しない場合には、時限エッチングが実施され得る。

ブロック６０４で、二酸化ケイ素よりも高い屈折率を有する材料（例えば高屈折率材料３１６、４１６、５１６）が、クラッド材料の残りの部分を覆っておよびトレンチ内に配設される。ブロック６０６で、トレンチ内の材料の一部分が、リッジ導波路（例えばリッジ導波路３１８、４１８、５１８）を形成するように除去される。本明細書では図示または開示されないが、さらなる処理が所望に応じて後に実施され得る点を理解されたい。

図７は、本開示の一実施形態によるエッジ結合デバイスを製造する方法７００を示す流れ図である。方法７００は、例えば少なくとも１つの逆テーパ部（例えば逆テーパ状導波路３１０、４１０、５１０）がクラッド材料（例えばクラッド材料３１２、４１２、５１２）により覆われたＰＩＣデバイスが、さらなる処理または製造のために受け入れられた後に、開始し得る。ブロック７０２で、トレンチ（例えばトレンチ３１４、４１４、５１４）が、逆テーパ状シリコン導波路を覆って配設されたクラッド材料内に形成される。エッチング停止層（例えばエッチング停止層４２０、５２０）が、ＰＩＣデバイス内に含まれる場合には、エッチング停止層までエッチングすることによってトレンチが形成され得る。エッチング停止層が存在しない場合には、トレンチは時限エッチングにより形成され得る。

ブロック７０４で、屈折率材料（例えば高屈折率材料３１６、４１６、５１５）が、トレンチ内に配設される。一実施形態では、屈折率材料は、約１．４４５〜約３．５の間の屈折率を有する。ブロック７０６で、屈折率材料は、トレンチ内にリッジ導波路（例えばリッジ導波路３１８、４１８、５１８）を形成するようにパターニングされる。本明細書では図示または開示されないが、さらなる処理が所望に応じて後に実施され得る点を理解されたい。

本明細書に開示される実施形態に基づき、シリコン導波路の幅が逆テーパ状に狭くなるにつれて、光学モードがシリコン導波路から高屈折率材料リッジ導波路まで徐々に伝達され得る点が、当業者には理解されよう。エッジ結合デバイスの最終モードサイズは、高屈折率材料リッジ導波路のサイズに主に依存し得る。エッジ結合デバイスの製造は、シリコンフォトニックウェーハ上に予め製造されている構成要素の性能にマイナスの影響を及ぼさない。開示される実施形態は、単純な逆テーパよりも大きなモードサイズ（例えば約３μｍ〜５μｍ）と、低い結合損失と、垂下構造体が存在しなくてもよいことによる垂下エッジカプラと比較した場合の信頼性の改善と、最小逆テーパ幅がより大きくなり得ることによる製造公差の改善と、他の受動ＳＯＩ構成要素および能動ＳＯＩ構成要素とのモノリシック一体化とを可能にし得る。

複数の実施形態が、本開示で提示されたが、開示されるシステムおよび方法は、本開示の主旨または範囲から逸脱することなく多数の他の具体的形態で実施され得る点を理解されたい。本例は、例示としておよび非限定的なものとして見なされるべきであり、その意図は、本明細書に示された詳細に限定されるべきではない。例えば、様々な要素もしくは構成要素が、別のシステムと組み合わされてももしくは一体化されてもよく、またはいくつかの特徴が、省かれてももしくは実装されなくてもよい。

さらに、様々な実施形態において別個のものとして説明および図示される技術、システム、サブシステム、および方法は、本開示の範囲から逸脱することなく他のシステム、モジュール、技術、または方法と組み合わされ得るかまたは一体化され得る。相互に結合もしくは直接結合されるまたは通信するものとして図示されるまたは論じられる他のアイテムは、電気的、機械的、または他の方法のいずれによるかに関わらず一部のインタフェイス、デバイス、または中間構成要素により間接的に結合され得るかまたは通信し得る。変形、代替、および変更の他の例が、当業者には把握可能であり、本明細書に開示される主旨および範囲から逸脱することなく実施可能である。

１００エッジ結合デバイス
１０２逆テーパ状シングルシリコン導波路
１０４シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ
１０６リブ導波路
１０８高性能レンズドファイバ
２００エッジ結合デバイス
２０２窒化ケイ素（ＳｉＮ）層
２０４二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層
２０６ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）層
２０８半導体デバイス
２１０酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）カプラ
３００エッジ結合デバイス
３０２集積回路ウェーハ
３０４基板
３０６埋込み酸化物（ＢＯＸ）層
３０８半導体材料
３１０逆テーパ状導波路
３１２クラッド材料
３１４トレンチ
３１６高屈折率材料
３１８リッジ導波路
４００エッジ結合デバイス
４０２ウェーハ
４０６埋込み酸化物層
４１０逆テーパ状シリコン導波路
４１２クラッド材料
４１４トレンチ
４１６高屈折率材料
４１８リッジ導波路
４２０エッチング停止層
５００エッジ結合デバイス
５０２ウェーハ
５０４基板
５０６ＢＯＸ層
５０８シリコン半導体材料
５１０逆テーパ状シリコン導波路
５１２二酸化ケイ素クラッド材料
５１４トレンチ
５１６酸窒化ケイ素層または酸化ケイ素ポリマー層
５１８リッジ導波路
５２０窒化ケイ素エッチング停止層
５２２中央部分
５２４外側部分

Claims

エッジ結合デバイスを製造する方法であって、
逆テーパ状シリコン導波路上にトレンチを形成するようにクラッド材料の一部分を除去するステップと、
前記クラッド材料の残りの部分を覆っておよび前記トレンチ内に二酸化ケイ素よりも高い屈折率を有する材料を堆積するステップと、
リッジ導波路を形成するように前記トレンチ内の材料の一部分を除去するステップと、
を備える、方法。
前記クラッド材料の一部分を除去するステップの前に、前記逆テーパ状シリコン導波路上にエッチング停止層を形成するステップをさらに含み、前記クラッド材料の一部分は、前記エッチング停止層までエッチングすることにより除去される、請求項１に記載の方法。
前記クラッド材料の一部分を除去するステップは、時限エッチングプロセスを使用して行われる、請求項１に記載の方法。
フォトリソグラフィ・プロセスを使用して前記トレンチ内の材料の一部分を除去するステップをさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
前記クラッド材料は、二酸化ケイ素層を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
前記クラッド材料は、二酸化ケイ素層と、窒化ケイ素層および炭化ケイ素層のうちの少なくとも一方と、を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
前記材料の前記屈折率は、ケイ素の屈折率未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
前記材料は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のうちの１つである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
前記材料の厚さは、２マイクロメートル（μｍ）〜２０μｍの間である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
前記トレンチの幅が、逆テーパ状シリコン導波路の幅よりも大きく、前記トレンチの幅は、５μｍ超である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
前記リッジ導波路は、シングルモード条件を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記リッジ導波路は、リッジ導波路幅がリッジ導波路高さと均等となるように形成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
エッジ結合デバイスを製造する方法であって、
逆テーパ状シリコン導波路上に配設されたクラッド材料内にトレンチを形成するステップと、
前記トレンチ内に屈折率材料を堆積するステップであって、前記屈折率材料は１．４４５〜３．５の間の屈折率を有する、ステップと、
前記トレンチ内にリッジ導波路を形成するように前記屈折率材料をパターニングするステップと、
を備える、方法。
前記トレンチを形成するステップの前に、前記逆テーパ状シリコン導波路上にエッチング停止層を形成するステップをさらに備える、請求項１３に記載の方法。
前記逆テーパ状シリコン導波路の幅が狭くなるにつれて、ＰＩＣデバイスの前記逆テーパ状シリコン導波路から前記リッジ導波路まで光学モードを徐々に伝達するステップをさらに備える、請求項１３または１４に記載の方法。
前記エッジ結合デバイスのモードサイズが、前記リッジ導波路のサイズと一致し、前記リッジ導波路は、シングルモード条件を有し、前記モードサイズは、３マイクロメートル（μｍ）〜１０μｍの間である、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）デバイスに前記エッジ結合デバイスをモノリシックに一体化するステップをさらに備える、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の方法。
基板と、
前記基板を覆って配設された埋込み酸化物と、
前記埋込み酸化物を覆って配設されたクラッド材料であって、トレンチを備えるクラッド材料と、
前記トレンチの下に前記クラッド材料内に配設された逆テーパ状シリコン導波路と、
前記トレンチ内に配設されたリッジ導波路であって、前記リッジ導波路および前記逆テーパ状シリコン導波路は相互に垂直方向に整列される、リッジ導波路と、
を備える、エッジ結合デバイス。
前記クラッド材料の５０％超が、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）であり、前記クラッド材料は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの少なくとも一方を含む複数のスタックを備え、前記クラッド材料は、１マイクロメートル（μｍ）〜３μｍの間の厚さを有する、請求項１８に記載のエッジ結合デバイス。
前記クラッド材料の屈折率が、二酸化ケイ素の屈折率よりも高く、かつケイ素の屈折率未満であり、前記リッジ導波路は、シングルモード条件を有する、請求項１８または１９に記載のエッジ結合デバイス。