TW202204946A - 具有氧化鎂直接置於絕緣層上之晶圓堆疊 - Google Patents

具有氧化鎂直接置於絕緣層上之晶圓堆疊 Download PDF

Info

Publication number
TW202204946A
TW202204946A TW110112132A TW110112132A TW202204946A TW 202204946 A TW202204946 A TW 202204946A TW 110112132 A TW110112132 A TW 110112132A TW 110112132 A TW110112132 A TW 110112132A TW 202204946 A TW202204946 A TW 202204946A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
electro
crystalline
waveguide
optic
Prior art date
Application number
TW110112132A
Other languages
English (en)
Inventor
馬克 湯普森
拉尼達 汪琵亞
嘉明 張
Original Assignee
美商沛思量子公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商沛思量子公司 filed Critical 美商沛思量子公司
Publication of TW202204946A publication Critical patent/TW202204946A/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/05—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect with ferro-electric properties
    • G02F1/0508—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect with ferro-electric properties specially adapted for gating or modulating in optical waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/081—Oxides of aluminium, magnesium or beryllium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/083—Oxides of refractory metals or yttrium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/221—Ion beam deposition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C23C14/30—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/212—Mach-Zehnder type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12142—Modulator
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12147—Coupler
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12159—Interferometer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12166—Manufacturing methods
    • G02B2006/12178—Epitaxial growth
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

一種方法包含藉由一物理氣相沈積(PVD)程序將一結晶氧化鎂(MgO)晶種層直接沈積於一非晶絕緣包覆層上，及將一結晶電光層直接沈積於該結晶MgO晶種層上。

Description

具有氧化鎂直接置於絕緣層上之晶圓堆疊
本文中之實施例大體上係關於諸如移相器及開關之電光裝置，且更明確言之係關於包含於電光裝置內之晶圓堆疊。
利用晶圓堆疊來構造各種各樣的高效能運算組件，諸如電光(EO)調變器及開關。有效晶圓堆疊構造一般要求極高精度及層均勻性，其中準確度高達單原子解析度。此外，在一所要保真度級別之晶圓堆疊構造可為一昂貴的多步驟程序。因此，期望此領域中之改良。
本文中所描述之一些實施例提供一種方法，該方法包含：藉由一物理氣相沈積(PVD)程序將一結晶氧化鎂(MgO)晶種層直接沈積於一非晶絕緣包覆層上；及將一結晶電光層直接沈積於該結晶MgO晶種層上。
本文中所描述之一些實施例提供一種裝置，該裝置包括：一結晶氧化鎂(MgO)晶種層，其直接定位於一非晶絕緣包覆層上；及一結晶電光層，其經由一第二PVD程序直接定位於該結晶MgO晶種層上。
此[發明內容]意欲提供對本文件中所描述之一些標的物之一簡要概述。因此，將瞭解，上述特徵僅為實例且不應被解釋為以任何方式縮小本文中所描述之標的物之範疇或精神。將從以下[實施方式]、圖及發明申請專利範圍明白本文中所描述之標的物之其他特徵、態樣及優點。
現將詳細參考實施例，在隨附圖式中繪示實施例之實例。在以下[實施方式]中，闡述許多具體細節以提供對各項所描述實施例之透徹理解。然而，一般技術者將明白，可在無此等具體細節之情況下實踐各項所描述實施例。在其他例項中，並未詳細描述眾所周知的方法、程序、組件、電路及網路以免不必要地使實施例之態樣不清楚。
亦將瞭解，儘管在一些例項中，本文中使用術語第一、第二等來描述各種元件，然此等元件不應受此等術語限制。此等術語僅用於區分一個元件與另一元件。例如，在不脫離各項所描述實施例之範疇之情況下，一第一電極層可被稱為一第二電極層，且同樣地，一第二電極層可被稱為一第一電極層。第一電極層及第二電極層兩者皆為電極層，但其等並非相同電極層。
出於說明之目的，已參考特定實施例描述前述描述。然而，上文闡釋性論述並不意欲為詳盡的或將發明申請專利範圍之範疇限於所揭示之精確形式。鑑於上文教示，許多修改及變動係可行的。選取實施例以最好地說明發明申請專利範圍及其等之實際應用背後之原理，以藉此使熟習此項技術者能夠最佳地使用具有如適合於所考慮之特定用途之各種修改的實施例。電光裝置
本發明之實施例係關於一種晶圓堆疊及用於構造晶圓堆疊以用於製造光學系統之組件之方法。僅藉由實例，在包含主動光學(例如，電光)裝置之整合式光學系統之內容背景中提供本發明之實施例，但本發明不限於此實例且可廣泛應用於多種光學及光電子系統。
根據一些實施例，本文中所描述之主動光子裝置利用電光效應(諸如半導體中之自由載子誘發之折射率變動、普克爾效應(Pockel’s effect)及/或DC克爾效應(DC Kerr effect))來實施光信號之調變及/或切換。因此，本發明之實施例適用於其中透射光經調變以接通或關斷或以透射百分比之部分變化調變光的調變器，以及其中在一第一輸出端(例如，波導)或一第二輸出端(例如，波導)上輸出透射光的光開關，或具有兩個以上輸出端以及一個以上輸入端的一光開關兩者。因此，本發明之實施例適用於包含利用本文中所論述之方法、裝置及技術之M(輸入) x N(輸出)系統的多種設計。一些實施例亦係關於可在開關或調變器內採用之電光移相器裝置，在本文中亦被稱為相位調整區段。
圖1係繪示根據本發明之一實施例之一光開關之一簡化示意圖。參考圖1，開關100包含兩個輸入端：輸入端1及輸入端2，以及兩個輸出端：輸出端1及輸出端2。作為一實例，開關100之輸入端及輸出端可實施為可操作以支援單模或多模光束之光波導。作為一實例，開關100可實施為分別與一組50/50光束分離器105及107整合之一馬赫-詹德(Mach-Zehnder)干涉儀。如圖1中所繪示，輸入端1及輸入端2光學耦合至一第一50/50光束分離器105 (亦被稱為一定向耦合器)，第一50/50光束分離器105接收來自輸入端1或輸入端2之光，且透過50/50光束分離器中之漸逝耦合，將來自輸入端1之輸入光之50%引導至波導110中且將來自輸入端1之輸入光之50%引導至波導112中。同時，第一50/50光束分離器105將來自輸入端2之輸入光之50%引導至波導110中且將來自輸入端2之輸入光之50%引導至波導112中。僅考量來自輸入端1之輸入光，輸入光在波導110與112之間均勻地分離。
馬赫-詹德干涉儀120包含相位調整區段122。可跨相位調整區段122中之波導施加電壓V0 ，使得其可在相位調整區段122中具有可控制地變化之一折射率。因為波導110及112中之光在傳播穿過第一50/50光束分離器105之後仍具有定義明確的相位關係(例如，其等可同相、180°異相等)，所以相位調整區段122中之相位調整可在於波導130及132中傳播之光之間引入一預定相位差。如對於熟習此項技術者而言將顯而易見，在波導130及132中傳播之光之間的相位關係可導致在輸出端1處(例如，光束同相)或輸出端2處(例如，光束異相)存在輸出光，藉此提供開關功能性，因為依據施加於相位調整區段122處之電壓V0 將光引導至輸出端1或輸出端2。儘管圖1中繪示一單一作用臂，然將瞭解，馬赫-詹德干涉儀之兩個臂皆可包含相位調整區段。
如圖1中所繪示，與全光開關技術相比，電光開關技術利用跨開關之作用區施加電偏壓(例如，圖1中之V0 )以產生光學變動。由於施加此電壓偏壓所致之電場及/或電流導致作用區之一或多個光學性質(諸如折射率或吸光率)之變化。
儘管圖1中繪示一馬赫-詹德干涉儀實施方案，然本發明之實施例不限於此特定開關架構，且其他相位調整裝置包含於本發明之範疇內，包含環形諧振器設計、馬赫-詹德調變器、廣義馬赫-詹德調變器及類似者。一般技術者將認識到許多變動、修改及替代物。晶圓堆疊設計
圖1中所繪示之光開關可包含已從一晶圓堆疊圖案化之一波導結構。圖2繪示可根據本文中所描述之實施例產生之一例示性晶圓堆疊，其可經蝕刻以產生波導結構。圖2繪示根據一些實施例之一晶圓堆疊之一橫截面。如所繪示，一第一絕緣基板層(202)可安置於一晶種層(204)下面，晶種層(204)安置於一電光層(206)下面。在一些實施例中，晶圓堆疊可進一步包含安置於電光層上方之一(選用)電極層(208)，及安置於電極層(208)上方之一(選用)第二絕緣基板層(209)。在一些實施例中，若不存在電極層，則第二絕緣基板層(209)可直接安置於電光層上方。換言之，在各項實施例中，雖然圖2繪示存在五個層202至209之各者，但可缺少此等層之任一或多者。晶圓堆疊可取決於待採用之特定製造方法而具有各種類型，且如所需，可視情況存在或不存在電極層及第二基板層。圖2中所繪示之層之一或多者可經化學蝕刻以產生一電光組件。
晶圓堆疊之層之各者可具有多種類型之材料之任何者。例如，電極層208可由諸如金屬之一導電材料組成，或替代地，其可由一半導體材料或一介電材料組成以形成下文將更詳細地描述之介電電極。在各項實施例中，電極層由以下之一者組成：砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)/GaAs異質結構、砷化銦鎵(InGaAs)/GaAs異質結構、氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、氧化銦(InO)、摻雜矽、鈦酸鍶(STO)、摻雜STO、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鋇鍶(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鈦酸鉛鋯(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鋁、其等之摻雜變體或固溶體，或二維電子氣層(例如，具有小於幾個單層厚度之一層，其提供二維電子氣)。對於其中電極層由摻雜STO組成之實施例，根據各項實施例，STO可經鈮摻雜或鑭摻雜，或可含有空位。
在各項實施例中，電光層206由以下之之一者組成：鈦酸鍶(STO)、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鋇鍶(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鈦酸鉛鋯(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鋁，或其等之摻雜變體或固溶體。在一些實施例中，電光層可由具有大於第一及第二絕緣基板層之一折射率之一折射率的一透明材料組成。電光層可由鐵電材料組成。
第一及/或第二絕緣基板層(202、209)可各自具有多種類型之絕緣材料之任何者。例如，絕緣基板層可由氧化矽、氮化矽、氧化鉭(諸如SiO2 、SiN (例如，Si3 N4 )或TaO2 或其等之非化學計量版本)或氮氧化矽以及其他可能性組成。第一及/或第二絕緣基板層可為包覆層。在例示性實施例中，晶種層204由氧化鎂(MgO)組成，諸如結晶MgO層。具有 MgO 直接置於非晶層上之晶圓堆疊
參考圖3，本發明實施例提供一晶圓堆疊設計，其中一結晶氧化鎂(MgO)晶種層204直接生長於一非晶絕緣層210上，諸如氧化矽、氮化矽、氧化鉭(諸如SiO2 、SiN (例如，Si3 N4 )或TaO2 或其等之非化學計量版本)、或氮氧化矽、或另一類型之絕緣氧化物或氮化物層、或聚合物層以及其他可能性。在一項實施例中，非晶絕緣層210可包括上文關於圖2描述之第一絕緣基板層202。
如本文中所使用，術語「非晶」意欲指代廣泛種類之非晶或非結晶固體之任何固體，其中固體缺少作為一晶體之特性之長程序(long-range order)。非晶固體之類型可包含玻璃或聚合物，其等可呈薄膜形式或呈塊狀基板形式。
如圖3中所展示，非晶絕緣層210可為形成於諸如矽晶圓之一下層基板201上之一薄膜，或非晶絕緣層210可包括一獨立基板，諸如一玻璃基板。例如，非晶絕緣層210可具有1微米至10微米之一厚度。然而，亦可使用其他厚度。在一項實施例中，非晶絕緣層210可包括諸如一電光開關或調變器之一電光裝置之一包覆層。在此實施例中，可在形成晶圓堆疊之一或多個上覆層之後移除諸如矽晶圓之下層基板201。可藉由研磨、拋光、選擇性蝕刻或藉由選擇性地蝕除定位於基板201與非晶絕緣層210之間之一犧牲釋離層而移除基板201。替代地，基板201可保留在最終電光裝置中。
結晶MgO晶種層204可由單晶或多晶MgO組成。可藉由物理氣相沈積(PVD)直接在非晶絕緣層210上生長MgO晶種層204。例如，可藉由PVD方法(諸如離子束輔助沈積或電子束蒸鍍)直接在一非晶氮化矽或氧化矽層上生長一結晶MgO (參見例如R. Brewer等人之Applied Physics Letters，80 (18) 3388 (2002)；S. Wang等人之Applied Physics Letters 109，191603 (2016)；J.S. Lee等人之Thin Solid Films 354，(1-2)，(1999)，第82頁至第86頁，其等之全部內容全部以引用的方式併入)。亦可使用其他PVD方法，諸如濺鍍或分子束磊晶。MgO晶種層可具有1 nm至20 nm之一厚度。然而，亦可使用其他厚度。
接著，在結晶MgO晶種層204上生長一結晶(例如，單晶或多晶)電光層206。由於MgO晶種層204係結晶態，故可使用其作為生長一結晶電光層206之一模板。在一項實施例中，電光層206可包括鐵電電光層，諸如鈦酸鋇(BTO)層206。電光層206可具有50 nm至500 nm之一厚度。然而，亦可使用其他厚度。
本發明之實施例藉由直接在一非晶層上生長一薄結晶MgO晶種層且隨後在晶種層上生長一結晶電光層而提供一經改良晶圓堆疊製造方法。在一項實施例中，此導致非晶絕緣體材料堆疊上之一結晶鐵電體。有利地，實施例堆疊設計可避免需要執行晶圓接合及膜轉移以達成絕緣體上鐵電體(ferroelectric-on-insulator)結構，此簡化程序且降低其成本。
相比之下，在一些先前技術晶圓堆疊中，結晶晶種層直接生長於一結晶矽基板上。此要求隨後移除矽基板且將含有一絕緣包覆層之一單獨處置基板接合至晶種層或在晶種層亦與結晶矽基板一起被移除之情況下接合至電光層。接著，將處置基板與絕緣包覆層分離，而使絕緣包覆層直接或間接接合至電光層。此使製程複雜。
在一些實施例中，利用一完全基於物理氣相沈積(PVD)之程序來在一高品質結晶PVD MgO晶種層上生長一高品質結晶PVD電光層。有利地，薄MgO晶種層可對較厚電光(例如，BTO)層之光學效能具有最小影響。實施例晶圓堆疊結構可藉由利用標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)製造工具而促進在一單一程序流程內製造電光裝置，且可產生最終結構而不會在程序流程期間破壞真空環境(例如，可在一真空叢集工具中沈積及圖案化全部層而不會破壞真空)。在一項實施例中，可在未利用分子束磊晶(MBE)形成晶種層之情況下產生晶圓堆疊。
圖4展示包含嵌入於非晶絕緣層210 (諸如一包覆層)內之一波導250之一晶圓堆疊之一替代實施例。波導250可在進出圖4之圖式之平面之方向上延伸。波導250可包括任何適合波導材料，諸如氮化矽或矽。
在一項實施例中，可藉由一鑲嵌程序形成波導250，該鑲嵌程序包含：形成非晶絕緣層210之一下部；藉由光微影及蝕刻在非晶絕緣層210之下部中形成一溝槽；用波導250之材料填充溝槽；及使用化學機械拋光或回蝕將波導材料與非晶絕緣層210之下部之頂表面一起平坦化。接著，非晶絕緣層210之一上部形成於波導250及非晶絕緣材料210之下部上方。
在另一實施例中，可藉由一蝕刻程序形成波導250，該蝕刻程序包含：形成非晶絕緣層210之一下部；在非晶絕緣層210之下部上方形成一波導材料層；藉由光微影及蝕刻將波導材料層圖案化為波導250；及在波導250及非晶絕緣材料210之下部上方形成非晶絕緣層210之上部。非晶絕緣層210之上部可為5奈米至500奈米厚。
接著，結晶MgO晶種層204及電光層206形成於非晶絕緣層210之上部及波導250上方。因此，結晶MgO晶種層204可與波導250垂直分離達5 nm至500 nm之一距離(例如，達非晶絕緣層210之上部之厚度)。
圖5係繪示根據一實施例之一脊形波導結構之一橫截面之一簡化示意圖。在圖5之實施例中，在形成圖4之結構之後，藉由光微影在電光層206上方形成一圖案化遮罩，其後接著蝕刻或離子銑削電光層206之未遮蔽部分形成一脊部251。第二絕緣包覆層212 (諸如氧化矽、氮化矽等)形成於電光層206之脊部251上方。
圖6係繪示根據一些實施例之一電子光子移相器之一橫截面之一簡化示意圖。在圖6之實施例中，在形成圖5之結構之後，可將一選用第二波導252嵌入於電光層206之脊部251上方之第二包覆層212中。可使用上文針對形成第一波導250描述之鑲嵌程序或蝕刻程序在第二包覆層212中形成第二波導252。應注意，可省略第一波導250及/或第二波導252。接著，電接觸件(包含引線230及232)經形成穿過第二包覆層212。可藉由透過光微影及蝕刻在第二包覆層212中形成通孔開口(via opening)，其後接著將一導電材料(例如，一金屬(諸如Al、Cu、W、Ti或其等之合金)、一導電金屬氮化物(例如，TiN、WN等)、矽化物(例如，WSi、TiSi等)或重摻雜半導體材料(例如，多晶矽))沈積於通孔開口中，而形成引線230及232。接著，藉由化學機械拋光或回蝕將導電材料與第二包覆層212之頂表面一起平坦化。
在一選用實施例中，導電、半導體或介電電極可經形成而與引線230及/或電光層206接觸，如下文將描述。
圖7至圖13係繪示根據各項實施例之可使用上文所描述之晶圓堆疊製造之一光子移相器之各種替代架構之簡化橫截面圖。在一項實施例中，光子移相器可包括圖1中所繪示之馬赫-詹德干涉儀120之相位調整區段122。
圖7至圖13中所展示之架構係示意性繪示，且不一定按比例繪製。上文所描述之薄MgO晶種層204可定位於圖7至圖13中之第一包覆層210、310、410、510、610、710及810與波導平板/脊層(例如，BTO層) 220、320、420、520及920之間。然而，歸因於MgO晶種層之低厚度，其未在圖7至圖13中展示。
雖然圖7至圖13中所展示之架構在數個重要設計特徵方面不同，但其等亦共用一些共同特徵。例如，如下文更詳細地描述，圖7至圖13之各者展現兩個電接觸件，且各電接觸件包含連接至一電極(240、340、440、540、640、740及840，以及242、342、442、542、642、742及842)的一引線(230、330、430、530、630、730及830，以及232、332、432、532、632、732及832)。應注意，如本文中所使用，術語「電極」指代直接耦合至波導結構(例如，以更改跨波導結構之電壓降且致動一光子開關)之一裝置組件。此外，術語「引線」指代將電極耦合至裝置之其他組件之一後端結構(例如，引線可將電極耦合至一可控電壓源)，但引線與波導結構隔離且未直接耦合至波導結構。在一些實施例中，引線可由一金屬(例如，銅、金等)或替代地一半導體材料組成。
電極經組態以緊密靠近波導中之光學模式之位置延伸，且光子移相器經組態使得可跨兩個電極(例如，在一些實施例中，介電電極)引入一可控電壓差，以更改透過波導行進之一光子模式之累積相位。例如，電極可經由引線耦合至施加可控電壓差之一電壓源。
在一些實施例中，電極可由具有一大介電常數之一高κ介電材料組成，使得電極具有比波導及/或平板層之材料大之一介電常數。如本文中所使用，使用κ來表示介電常數，其指代相對介電係數(relative permittivity)之實部，
Figure 02_image001
Figure 02_image002
，其中
Figure 02_image004
係複數值相對介電係數，
Figure 02_image005
係材料之絕對介電係數，且
Figure 02_image006
係介電係數自由空間。為清楚起見，應注意，
Figure 02_image007
之虛部與材料之電導率有關，而實部κ與材料之介電極化率有關。
與一(AC)電壓相比，一材料之介電常數在存在一直流(DC)電壓之情況下可具有一不同值，且在一AC電壓中材料之介電常數可為頻率之一函數κ(ω)。因此，在一些實施例中，在選擇電極、平板層及/或脊部之一材料時，可在光子移相器之工作頻率下考量材料之介電常數。
與平板層之第一材料相比，電極可由沿著分離第一及第二電極之方向(例如，圖7至圖10及圖12至圖13中之x方向，或圖11中之y方向)具有一較高介電常數之一材料組成。例如，在各向異性介質中，可藉由使電場E 與電位移D 有關之以下矩陣來表達介電係數張量
Figure 02_image008
。
Figure 02_image009
，                                     (1)
其中分量εxx 、εxy 等表示介電係數張量之個別分量。在一些實施例中，可選擇第一及第二電極之材料，使得沿著分離電極之方向之介電係數張量之對角線分量大於平板層及/或脊部之材料之介電係數張量之對應對角線分量。
材料 χ(3) (m2 /W) 折射率 ( 在 1.55 μm 下 ) 介電常數
Si 2.2 x 10-18 ~3.5 11.7
Si3 N4 2 x 10-19 2 7至8
1.6 x 10-18 2.5
2 x 10-18 2.7
Ta2 O5 1 x 10-18 至4 x 10-18 2.08 25至50
TiO2 5 x 10-18 至6 x 10-17 2.27至2.6 10至85
氧化石墨烯 4.5 x 10-14 2.2 (在1.2 µm下) 2至50
STO    ~2.3 10,000至24,000 (低於10K)
BTO r42 ＞150 pm/V    ~2.3 150至200 (低於10K) 1000至3000 (在300K)
表 1 - 各種材料之 χ(3) ，折射率及介電常數值
表1繪示多種材料之克爾係數(Kerr coefficient) χ(3) 、折射率及介電常數值。如表1中所展示，在一些實施例中，STO針對低於10K之溫度具有一極高介電常數，使得STO可為用於電極之一所要材料，而BTO可用於波導之平板層及/或脊部。
如所繪示，圖7至圖13之各者中所展示之架構展現包括第一及第二包覆層之一光子裝置。例如，標記為210、310、410、510、610、710及810之區表示在波導之一個側上之第一包覆層，而標記為212、312、412、512、612、712及812之區表示在波導之另一側上之第二包覆層。在一些實施例中，第一及/或第二包覆層係一晶圓堆疊之一非晶絕緣層，諸如圖2中所繪示之層202及/或209或圖3中所繪示之非晶絕緣層。應注意，術語「第一」及「第二」僅欲區分兩個包覆層，且例如，術語「第一包覆層」可指代在波導之任一側上之包覆層。在一些實施例中，第一及第二包覆層之折射率可低於波導結構之折射率。
圖7至圖13進一步展現一第一電接觸件，包含耦合至一第一電極(240、340、440、540、640、740及840)之一第一引線(230、330、430、530、630、730及830)，及一第二電接觸件，包含耦合至一第二電極(242、342、442、542、642、742及842)之一第二引線(232、332、432、532、632、732及832)。第一及第二引線可由諸如一金屬之一導電材料組成，或替代地，其等可由一半導體材料組成。在各項實施例中，第一電極及第二電極由以下之一或多者組成：砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)/GaAs異質結構、砷化銦鎵(InGaAs)/GaAs異質結構、氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、氧化銦(InO)、摻雜矽、鈦酸鍶(STO)、摻雜STO、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鋇鍶(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鈦酸鉛鋯(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鋁、其等之摻雜變體或固溶體，或二維電子氣層。對於其中第一及第二電極由摻雜STO組成之實施例，根據各項實施例，STO可經鈮摻雜或鑭摻雜，或含有空位。
圖7至圖13繪示包含包括一第一材料之一平板層(220、320、420及520、651、754以及851)的一波導結構，其中平板層耦合至第一電接觸件之第一電極及第二電接觸件之第二電極。在一些實施例中，波導結構進一步包含由第一材料(或一不同材料)組成且耦合至平板層的一脊部(251、351、451及551)，其中脊部安置於第一電接觸件與第二電接觸件之間。在各項實施例中，第一材料係以下之一者鈦酸鍶(STO)、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鋇鍶(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鈦酸鉛鋯(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鋁，或其等之摻雜變體或固溶體。在一些實施例中，第一材料可為具有大於第一及第二包覆層之一折射率之一折射率的一透明材料。
在一些實施例中，可基於組成平板層及/或波導結構之第一材料來選擇組成第一及第二電極之一第二材料。例如，可選擇第二材料使得第二材料具有比第一材料之介電常數大之一介電常數。作為一個實例，若第一材料係BTO，則第二材料可選擇為STO，其在光子裝置意欲操作之製冷溫度(例如，4K)下具有比BTO大之一介電常數。有利地，針對自波導至電極中之一給定可接受損耗位準，與金屬電極相比，電極之大介電常數可使能夠將電極放置成更靠近波導。例如，與一電極在與波導相同之間隔處之吸收相比，一金屬電極之高電導率將導致來自波導之較大程度之光子吸收(即，損耗)。因此，對於一給定損耗容限，與金屬電極相比，可將電極放置成更靠近波導。電極之高介電常數對應於介電材料之一高極化率，此繼而導致一節能控制機制以調整波導結構內之電場。
在一些實施例中，用於電極及波導結構之材料可基於其等有效介電常數進行選擇。例如，雖然一材料之介電常數(或各向異性材料之介電張量)係一本質材料性質，但一結構之有效介電常數與其介電常數成比例而且取決於結構之形狀及尺寸。在此等實施例中，可選擇用於第一及第二電極之材料使得第一及第二電極之有效介電常數大於波導結構之一有效介電常數。
在一些實施例中，第一電接觸件及第二電接觸件經組態以沿著一或多個方向(例如，沿著波導結構中之x方向)產生一電場，且波導結構之特徵可為具有沿著電場之方向對準之一非零值之一電光係數(例如，χ(2) 普克爾係數(Pockel’s coefficient)或χ(3) 克爾係數)。例如，引線可耦合至施加一可控(例如，可程式化)電壓差之一電壓源，藉此在波導結構中產生一電場。額外地或替代地，由波導結構支援之一導引模式可具有與x方向對準之一極化方向。
在一些實施例中，第一電極及第二電極組態為與平板層共面且安置成鄰近於平板層之一第一側的一第二層。例如，第一及第二電極可生長(例如，使用磊晶或諸如金屬有機化學氣相沈積、分子束磊晶、物理氣相沈積、溶膠-凝膠等之另一方法)至平板層之第一側上，使得第一及第二介電層直接耦合至平板層。替代地，在一些實施例中，一中介層可經安置於平板層與第一及第二介電層之間，使得平板層及第一及第二介電層間接地耦合。在一些實施例中，中介層可由氧化物材料組成。
可藉由一間隙區(例如，間隙區243或343)分離第一電極及第二電極。在一些實施例中，間隙區可已被蝕刻掉，且可用一包覆材料填充。在一些實施例中，第一及第二電極兩者可生長為平板層上方之一單一第二層，且隨後可蝕刻掉一區以分離第一及第二電極。隨後可用一包覆材料填充此蝕刻區。替代地，蝕刻區可留空(即，可用空氣或真空填充)。
在一些實施例中，第一電極及第二電極在分離第一及第二電極之方向上具有大於第一材料之一介電常數的一介電常數。第一電極及第二電極之介電常數在大於1mK及/或小於77K之一第一溫度下可大於波導結構之介電常數。在一些實施例中，第一材料係具有大於第一及第二包覆層之一折射率之一折射率的一透明材料。在一些實施例中，第一及第二電極之介電常數與第一材料之介電常數之間之一比率係2或更大。透明電極
一材料之電導率與其載子遷移率(例如，電子遷移率或電洞遷移率)及載子濃度(例如，其自由電子密度或電洞密度)兩者成比例。可期望一光子移相器裝置之電極之增加的電導率，此係因為其可在較高頻率下及/或以電極之減少的加熱實現對裝置之增加的控制。然而，可不期望電極之大的自由電子密度，此係因為具有大的自由電子密度之一電極可提供大的吸收貯集器以使波導結構內之光子被電極之自由電子吸收(例如，藉此逸出波導結構且進入電極)。換言之，可不期望藉由增加針對電極選擇之材料之自由電子密度而增加電極之電導率，此係因為此可增加裝置之光子損耗率。
為解決此等及其他問題，在一些實施例中，電極可由一第二材料組成，該第二材料選擇為憑藉其高載子遷移率而非歸因於其高載子濃度而具有一高電導率。有利地，高載子遷移率材料可在未引入高光子吸收之情況下產生一成比例高電導率。一高載子遷移率材料可憑藉其相對較低載子濃度(例如，相對於具有一類似電導率及一低載子遷移率之一材料較低)而展現所要電導率性質同時維持對波導內之光學模式之透明度。經典德魯德(Drude)理論預測自由載子吸收與摻雜位準成比例且與光學遷移率成反比。因此，具有高遷移率之材料可展現降低電阻及自由載子吸收兩者。
例如，在一些實施例中，第一電極及第二電極由一第二材料組成，其中第二材料具有一高載子遷移率(例如，一高電子遷移率或一高電洞遷移率)。作為一個實例，可選擇第二材料使得其電子遷移率高於矽。在一些實施例中，可選擇第二材料使得其具有大於裝置之一工作頻率之一帶隙。
在一些實施例中，第二材料包括以下之一者：砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)/GaAs異質結構、砷化銦鎵(InGaAs)/GaAs異質結構、氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、氧化銦(InO)、摻雜矽、二維電子氣，或摻雜氧化鍶(STO)。對於其中第二材料包括摻雜STO之實施例，摻雜STO可經鈮摻雜或鑭摻雜，或含有空位，以及其他可能性。例如，塊狀GaAs具有8500 cm2 /Vs之一電子遷移率，此比矽之電子遷移率高6倍。InGaAs/GaAs之異質結構可在4克耳文(Kelvin)下達到41000 cm2 /Vs之遷移率，且AlGaAs/GaAs異質結構可達到高達180,000 cm2 /Vs之遷移率。相比之下，Si具有1500 cm2 /Vs之一遷移率。摻雜STO亦可展現從10,000 cm2 /Vs至53,000 cm2 /Vs之高電子遷移率，此取決於載子濃度。
對於其中第二材料係摻雜材料之實施例，可基於所得摻雜材料之吸收性質來選擇摻雜濃度。例如，可針對複數個摻雜濃度之各者在電子光子裝置之一或多個工作頻率下分析摻雜材料之吸收，且可選擇在該一或多個工作頻率下展現低吸收之一摻雜濃度。
以下段落描述在圖7至圖13中展示之架構之間不同之各種設計特徵。
圖7繪示其中波導結構(251)之脊部經安置於平板層之底部上且延伸至第一包覆層(210)中的一架構。如圖7中所繪示，脊部及平板層之組合具有大於僅平板層(220)之一第二厚度(260)之一第一厚度(262)，且第一厚度相對於第二厚度之過量部分(excess)延伸至平板層之底側上之包覆層(210)中。如圖7中所繪示，第一電極(240)及第二電極(242)在平板層之與底側相對之頂側上耦合至平板層(220)。此外，第一電接觸件(230)及第二電接觸件(232)安置於平板層(220)之頂側上。應注意，為清楚起見，術語「頂部」及「底部」參考圖中所繪示之視角使用，且不一定指代相對於整體裝置之任何特定定向。
圖8繪示一架構，其中波導結構(351)之脊部安置於平板層之頂側上且延伸至一第二包覆層(312)中，第一電極及第二電極在平板層之與頂側相對之底側上耦合至平板層。如所繪示，脊部及平板層之組合具有大於僅平板層(320)之一第二厚度(360)之一第一厚度(362)，且第一厚度相對於第二厚度之過量部分延伸至平板層(320)之頂側上之第二包覆層(312)中。如圖8中所繪示，第一電極(340)及第二電極(342)在平板層之與頂側相對之底側上耦合至平板層(320)。此外，第一電接觸件(330)藉由從平板層之頂側穿透平板層(320)而至平板層之底側而耦合至第一電極(340)，且第二電接觸件(332)藉由從平板層之頂側穿透平板層(320)而至平板層之底側而耦合至第二電極(342)。
圖9繪示一架構，其中波導結構(451)之平板層及脊部之組合具有大於平板層(420)之一第二厚度(460)之一第一厚度(462)，且第一厚度相對於第二厚度之過量部分延伸至平板層之頂側上之第二包覆層(412)中。如圖9中所繪示，第一電極(440)及第二電極(442)在平板層之頂側上耦合至第一材料(420)。此外，第一電極(440)及第二電極(442)毗連波導結構(451)之脊部。
圖10繪示其中波導結構包含一第一條狀波導部分(554)及一第二條狀波導部分(556)的一架構，其中第一及第二波導部分由一第二材料組成，且其中平板層(520)安置於第一波導部分(554)與第二波導部分(556)之間。一第一電極(540)及一第二電極(542)安置於電光層(520)上，一第一引線(530)耦合至第一電極，且一第二引線(532)耦合至第二電極。
在一些實施例中，第二材料係氮化矽(SiN)且第三材料係矽。在其他實施例中，第二及第三材料兩者皆為氮化矽(SiN)。
如圖10中所繪示，第一電極及第二電極毗連第一條狀波導，且第一電極及第二電極具有一第一厚度(562)。在一些實施例中，第一電極及第二電極包括與電光層共面且安置成鄰近於電光層之一第一側的一第二層。
在一些實施例中，與僅具有一條狀波導之一架構相比，第一及第二條狀波導經組態以將電光層內之一光學模式之最大強度部分集中在中心。換言之，在平板層(520)之一個側上僅具有一第一條狀波導部分(554)且在另一側上具有一包覆層，或在平板層(520)之一個側上僅具有一第二條狀波導部分(556)且在另一側上具有一包覆層，可導致一垂直偏移及/或不太集中的光學模式。在一些實施例中，第一條狀波導毗連第一包覆層且第二條狀波導毗連第二包覆層。
圖11繪示一垂直波導架構，其中第二電極(642)在平板層之頂側上耦合至平板層(651)且第一電極(640)在平板層之與頂側相對之底側上耦合至平板層(651)。換言之，第一及第二電極耦合至波導結構之頂部及底側，使得波導結構內之感應電場沿著y方向定向。
圖12繪示其中第一(740)及第二(742)電極之各者經安置而與與波導結構(754)成一直線的一波導架構。換言之，第一及第二電極之各者及波導結構安置於具有一單一寬度之一單一層內。
圖13繪示其中第一(840)及第二(842)電極與波導結構(851)共用一脊狀輪廓之一波導架構，其中脊狀輪廓延伸至第二包覆層(812)中。例如，第一電極(840)可包含具有大於第一電極之其餘部分之一厚度(860)之一厚度(862)的一脊部(844)，且第二電極(842)可包含具有大於第二電極之其餘部分之厚度(860)之一厚度(862)的一脊部(846)。此外，第一及第二電極之脊部可展現與波導結構(851)相同之厚度。
圖14係根據一些實施例之一光子移相器架構之一俯視圖。如所繪示，移相器可包含波導結構(951)之第一(930)及第二(932)引線、第一(940)及第二(942)電極、一平板(例如，波導)層(920)及一脊部。
本文中之各項所描述實施例之描述中所使用之術語僅出於描述特定實施例之目的且不意欲為限制性的。如在各項所描述實施例及隨附發明申請專利範圍之描述中使用，單數形式「一(a)」、「一個(an)」及「該」亦意欲包含複數形式，除非上下文另有明確指示。亦將瞭解，如本文中所使用之術語「及/或」指代且涵蓋相關聯所列品項之一或多者之任何及全部可能組合。進一步將瞭解，術語「包含(includes)」、「包含(including)」、「包括(comprises)」及/或「包括(comprising)」在用於本說明書中時指定存在所陳述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件，但不排除存在或添加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其等之群組。
如本文中所使用，取決於上下文，術語「若」視情況解釋為意謂「當…時」或「在…時」或「回應於判定」或「回應於偵測」或「根據判定」。
出於說明之目的，已參考特定實施例描述前述描述。然而，上文闡釋性論述不意欲為詳盡的或將發明申請專利範圍之範疇限於所揭示之精確形式。鑑於上文教示，許多修改及變動係可行的。選取實施例以最佳地說明作為發明申請專利範圍及其等之實際應用之基礎之原理，以藉此使熟習此項技術者能夠最佳地使用具有如適合所考慮之特定用途之各種修改的實施例。
亦應瞭解，本文中所描述之實例及實施例僅出於闡釋性目的，且將向熟習此項技術者建議鑑於其之各種修改或改變，且該等修改或改變將包含於本申請案之精神及範圍以及隨附發明申請專利範圍之範疇內。
100:開關 105:第一50/50光束分離器 107:50/50光束分離器 110:波導 112:波導 120:馬赫-詹德干涉儀 122:相位調整區段 130:波導 132:波導 201:下層基板 202:第一絕緣基板層 204:結晶氧化鎂(MgO)晶種層 206:電光層/鈦酸鋇(BTO)層 208:電極層 209:第二絕緣基板層 210:非晶絕緣層/非晶絕緣材料/第一包覆層 212:第二絕緣包覆層/第二包覆層 220:波導平板層/脊層 230:第一引線/第一電接觸件 232:第二引線/第二電接觸件 240:第一電極 242:第二電極 243:間隙區 250:第一波導 251:脊部/波導結構 252:第二波導 260:第二厚度 262:第一厚度 310:第一包覆層 312:第二包覆層 320:波導平板層/脊層 330:第一引線/第一電接觸件 332:第二引線/第二電接觸件 340:第一電極 342:第二電極 343:間隙區 351:脊部/波導結構 360:第二厚度 362:第一厚度 410:第一包覆層 412:第二包覆層 420:波導平板層/脊層/第一材料 430:第一引線 432:第二引線 440:第一電極 442:第二電極 451:脊部/波導結構 460:第二厚度 462:第一厚度 510:第一包覆層 512:第二包覆層 520:波導平板層/脊層/電光層 530:第一引線 532:第二引線 540:第一電極 542:第二電極 551:脊部 554:第一條狀波導部分/第一波導部分 556:第二條狀波導部分/第二波導部分 562:第一厚度 610:第一包覆層 612:第二包覆層 630:第一引線 632:第二引線 640:第一電極 642:第二電極 651:平板層 710:第一包覆層 712:第二包覆層 730:第一引線 732:第二引線 740:第一電極 742:第二電極 754:平板層/波導結構 810:第一包覆層 812:第二包覆層 830:第一引線 832:引線 840:第一電極 842:第二電極 844:脊部 846:脊部 851:平板層/波導結構 860:厚度 862:厚度 920:波導平板層/脊層 930:第一引線 932:第二引線 940:第一電極 942:第二電極 951:波導結構 V0 :電壓
為了更好地理解各項所描述實施例，應結合以下圖式參考下文[實施方式]，其中在圖各處，相同元件符號指代對應部分。
圖1係繪示根據一些實施例之一光開關之一簡化示意圖。
圖2係根據一些實施例之包括堆疊層之一晶圓堆疊之一示意圖。
圖3係繪示根據一些實施例之一晶圓堆疊之一橫截面之一簡化示意圖；
圖4係繪示根據一些實施例之包含嵌入於SiO2 層內之一波導的一晶圓堆疊之一橫截面之一簡化示意圖；
圖5係繪示根據一些實施例之一脊形波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；
圖6係繪示根據一些實施例之一電子光子(electro-photonic)移相器之一橫截面之一簡化示意圖。
圖7係繪示根據一些實施例之併有與波導脊相對放置之高κ電極的一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；
圖8係繪示根據一些實施例之併有與具有穿透引線之波導脊相對放置之高κ電極的一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；
圖9係繪示根據一些實施例之併有放置於與波導脊相同之側上之高κ電極的一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；
圖10係繪示根據一些實施例之併有高κ電極且展現一夾層結構之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；
圖11係繪示根據一些實施例之併有高κ材料之一垂直波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；
圖12係繪示根據一些實施例之具有與波導結構成一直線之電極之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；
圖13係繪示根據一些實施例之具有展現脊狀輪廓之電極之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；及
圖14係展示根據一些實施例之一波導結構之一俯視圖之一簡化示意圖。
雖然本文中所描述之特徵可容易有各種修改及替代形式，但其之特定實施例在圖式中藉由實例展示且在本文中詳細描述。然而，應瞭解，圖式及其詳細描述不意欲限於所揭示之特定形式，恰相反，意欲涵蓋落於如由隨附發明申請專利範圍定義之標的物之精神及範疇內之全部修改、等效物及替代物。
201:下層基板
204:結晶氧化鎂(MgO)晶種層
206:電光層/鈦酸鋇(BTO)層
210:非晶絕緣層/非晶絕緣材料/第一包覆層

Claims (20)

  1. 一種方法，其包括： 藉由一物理氣相沈積(PVD)程序將一結晶氧化鎂(MgO)晶種層直接沈積於一非晶絕緣包覆層上；及 將一結晶電光層直接沈積於該結晶MgO晶種層上。
  2. 如請求項1之方法，其中該結晶電光層之厚度介於50奈米(nm)與500 nm之間，該結晶MgO晶種層之厚度介於1 nm與20 nm之間，且該非晶絕緣包覆層之厚度介於1微米(μm)與10 μm之間。
  3. 如請求項1之方法，其中該非晶絕緣包覆層包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或氧化鉭。
  4. 如請求項1之方法，其中該結晶電光層包括鐵電波導層。
  5. 如請求項4之方法，其中該結晶電光層包括鈦酸鋇(BTO)，且藉由電子束蒸鍍或離子束輔助沈積來形成結晶MgO晶種層。
  6. 如請求項1之方法，其中該結晶電光層包括以下之一者： 鈦酸鍶(STO)； 鈦酸鋇鍶(BST)； 氧化鉿； 鈮酸鋰； 氧化鋯； 氧化鈦； 氧化石墨烯； 氧化鉭； 鈦酸鉛鋯(PZT)； 鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)； 鈮酸鍶鋇(SBN)；或 氧化鋁。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包括形成嵌入於該非晶絕緣包覆層內之一第一波導。
  8. 如請求項1之方法，其進一步包括： 蝕刻該電光層以產生一脊形結構；及 將一額外絕緣包覆層沈積於該經蝕刻電光層上。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包括形成嵌入於該額外絕緣包覆層內之一第二波導。
  10. 如請求項8之方法，其進一步包括形成與該電光層接觸之經摻雜或含空位之鈦酸鍶(STO)電極，及形成與該等STO電極接觸之導電引線。
  11. 一種裝置，其包括 一結晶氧化鎂(MgO)晶種層，其直接定位於一非晶絕緣包覆層上；及 一結晶電光層，其經由一第二PVD程序直接定位於該結晶MgO晶種層上。
  12. 如請求項11之裝置，其中該結晶電光層之厚度介於50奈米(nm)與500 nm之間，該結晶MgO晶種層之厚度介於1 nm與20 nm之間，且該非晶絕緣包覆層之厚度介於1微米(μm)與10 μm之間。
  13. 如請求項11之裝置，其中該非晶絕緣包覆層包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或氧化鉭。
  14. 如請求項11之裝置，其中該結晶電光層包括鐵電波導層。
  15. 如請求項14之裝置，其中該結晶電光層包括鈦酸鋇(BTO)。
  16. 如請求項11之裝置，其中該結晶電光層包括以下之一者： 鈦酸鍶(STO)； 鈦酸鋇鍶(BST)； 氧化鉿； 鈮酸鋰； 氧化鋯； 氧化鈦； 氧化石墨烯； 氧化鉭； 鈦酸鉛鋯(PZT)； 鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)； 鈮酸鍶鋇(SBN)；或 氧化鋁。
  17. 如請求項11之裝置，其進一步包括嵌入於該非晶絕緣包覆層內之一第一波導。
  18. 如請求項11之裝置，其進一步包括： 一脊形結構，其定位於該電光層中；及 一額外絕緣包覆層，其定位於該電光層上。
  19. 如請求項18之裝置，其進一步包括嵌入於該額外絕緣包覆層內之一第二波導。
  20. 如請求項18之裝置，其進一步包括形成與該電光層接觸之經摻雜或含空位之氧化鍶鈦(STO)電極，且形成與該等STO電極接觸之導電引線，其中該裝置包括一電光開關或調變器。
TW110112132A 2020-04-01 2021-04-01 具有氧化鎂直接置於絕緣層上之晶圓堆疊 TW202204946A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063003800P 2020-04-01 2020-04-01
US63/003,800 2020-04-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202204946A true TW202204946A (zh) 2022-02-01

Family

ID=77929243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110112132A TW202204946A (zh) 2020-04-01 2021-04-01 具有氧化鎂直接置於絕緣層上之晶圓堆疊

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230152611A1 (zh)
TW (1) TW202204946A (zh)
WO (1) WO2021202853A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117872544B (zh) * 2024-03-12 2024-05-14 中国科学院半导体研究所 硅-锆钛酸铅异质光电融合单片集成系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004097508A1 (en) * 2003-04-30 2004-11-11 Pirelli & C.S.P.A Coupled-waveguide electro-optic switch based on polarisation conversion
WO2006028477A1 (en) * 2004-09-07 2006-03-16 Massachusetts Institute For Technology Fabrication of electro-optical structures
JP2007258494A (ja) * 2006-03-23 2007-10-04 Nozomi Photonics Co Ltd 光増幅器及びその製造方法。
WO2016154764A2 (en) * 2015-04-01 2016-10-06 ETH Zürich Electrooptic modulator
US10665609B2 (en) * 2017-02-22 2020-05-26 International Business Machines Corporation Electro-optical and optoelectronic devices

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021202853A1 (en) 2021-10-07
US20230152611A1 (en) 2023-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI779506B (zh) 光子裝置之製造方法
JP5321598B2 (ja) 光変調器とその製造方法
US6593212B1 (en) Method for making electro-optical devices using a hydrogenion splitting technique
TWI792206B (zh) 使用光電材料夾層之相移器
US10718904B2 (en) Thin-film integration compatible with silicon photonics foundry production
US11226507B2 (en) Method and system for formation of stabilized tetragonal barium titanate
WO2016157687A1 (ja) 電気光学装置
TWI782404B (zh) 低損耗高效光子相移器
TWI823061B (zh) 使用透明電極之相移器
TW202204946A (zh) 具有氧化鎂直接置於絕緣層上之晶圓堆疊
Abel Electro-optic photonic devices based on epitaxial barium titanate thin films on silicon
WO2014156480A1 (ja) 光変調器
TW202401102A (zh) 包含用於改善光電效能之中間層的移相器及其製造方法
TW202401056A (zh) 鈦酸鋇移相器及其製造方法
GB2607281A (en) A photodetector and method of forming the same
CN117203781A (zh) 光电探测器和形成光电探测器的方法
WO2022229283A1 (en) A photodetector and method of forming the same