TW202230468A - 包含矽波導跟氮化矽波導之混合層的製造方法、光子三五族半導體元件的製造方法及光子三五族半導體元件 - Google Patents

包含矽波導跟氮化矽波導之混合層的製造方法、光子三五族半導體元件的製造方法及光子三五族半導體元件 Download PDF

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斯蒂芬 馬爾胡埃特雷
大衛 比托爾德
卡里姆 哈桑
瓊 拉米雷斯
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法國原子能源和替代能源委員會
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Abstract

本製造方法包含：於封裝的矽層體中在需生成波導的氮化矽核心之處生成溝槽，接著；在封裝的矽層體上沉積氮化矽層，所沉積的氮化矽層之厚度足以完全填充溝槽，接著；移除位於溝槽外部的氮化矽以暴露齊平於填充有氮化矽的溝槽之頂面，接著；沉積遮蔽暴露的頂面之介電層，以完成氮化矽核心的封裝，並因此得到包含封裝在介電物中的矽及氮化矽核心的混合層。

Description

包含矽波導跟氮化矽波導之混合層的製造方法、光子三五族半導體元件的製造方法及光子三五族半導體元件
本發明關於包含第一波導及第二波導的混合層之製造方法，其中第一波導的核心(core)由矽製成，而第二波導的核心由氮化矽製成。本發明也關於：光子元件的製造方法以及所製造出的光子元件，其中光子元件使用此方法製造混合層。
如專利公告號為US10270222B1之專利申請以及專利公開號為WO2019002763A1之專利申請所述，以及如於半導體雷射源之特定內容中所述，使用三五族半導體增益材料(III-V gain material)製成的波導以及由矽及氮化矽製成的波導為有益的。具體來說，這能改善雷射源的效能及性質。更廣泛地來說，須注意的是，三五族半導體元件與矽及氮化矽製成的波導相關時可受益於經改善的效能。
以下，「矽波導」或「矽製成的波導」是指核心由矽製成的波導，而「氮化矽波導」或「氮化矽製成的波導」是指核心由氮化矽製成的波導。
在這種光子元件的習知製造方法中，會在彼此堆疊於頂側之各個層體上製造三個不同的波導。因此，為了製造這些光子元件，會需要製造至少三個不同層體的堆疊結構。
若能在相同的位準製造出含有矽波導及氮化矽波導的混合層，則會因此簡化這些光子元件的製造且這些光子元件的整合密度(integration density)也會提升。
然而，製造這樣的混合層之有效且簡單的方法並不存在。這是因為在以前並沒有在遮蔽基板大部分的外表面之厚氮化矽層上進行化學機械研磨的簡單方法，且此外下面的(subjacent)層體(如氧化矽)一旦暴露其就可被停止。
技術背景可從專利申請案CN110954998A、US9671557B1及US2016/197111A1得知。
本發明因此在於消除這種缺陷，因而其之一標的為根據請求項1之一種混合層的製造方法。
本發明另一個標的為實施上述混合層的製造方法之光子三五族半導體元件的製造方法。
最後，本發明另一個標的為使用上述方法製造的光子三五族半導體元件。
以下，部分I將呈現本專利申請中使用的特定用語及措辭之定義。接著，部分II中將參照圖式描述具體示例。在接下來的部分中，部分III中將呈現這些實施例的各種變化態樣。最後，部分IV將呈現各種實施例的優點。
部分I：用語及定義
在本揭露中，當描述波導由材料X製成時，係指此波導的核心由材料X製成。此波導的包覆層(cladding)則係由折射率較低的另一材料製成。
當描述某一元件「由材料X製成」時，係指材料X約佔此元件的重量或質量的90%、95%或98%以上。
有效傳播率(effective propagation index)n eff也稱為「模態(mode)的相位常數(phase constant)」。其是由以下關係式所界定： n g= n eff- λdn eff/dλ，其中n g為類指數(group index)，λ為光波導所導引的光訊號之波長。波導的有效傳播率取決於此波導的核心之尺寸以及形成此核心及此波導的包覆層的材料。此可藉由實驗或數值模擬來決定。
波導的包覆層大致上由介電體製成。在此情況中，介電體的折射率n md低於由矽製成的波導之核心的折射率n Si以及由氮化矽製成的核心之折射率n SiN，其中折射率n Si、n SiN分別為矽及氮化矽的折射率。通常，折射率n md小於或等於0.85倍的折射率n c或是小於或等於0.75倍的折射率n c，其中折射率n c為波導的核心之折射率。
「溶解(dissolve)」是指藉由濕蝕刻或乾蝕刻對某一材料進行蝕刻的動作。
部分II：實施例的示例
圖1示意性呈現於波長λ Li發光的單色半導體的雷射源10的概略架構。以下，僅詳細說明雷射源10中的特定部分。讀者可參照專利案件US10270222B1及WO2019002763A1以取得使用由矽、氮化矽及三五族半導體增益材料製成的波導之半導體雷射源的運作方式之通常資訊。在閱讀以下描述後將顯而易見的是，雷射源10與習知的雷射源之間不同之處主要在於雷射源10中由矽及氮化矽製成的波導之佈置方式。
雷射源10包含界定法布立-培若腔體(Fabry-Pérot cavity)的多個端之後反射器12及前反射器14，其中光訊號在法布立-培若腔體的內部共振。舉例來說，反射器12的反射係數(reflectance)遠高於反射器14的反射係數。反射器12、14例如為寬頻反射器(wideband reflector)。於此，反射器12、14例如為布拉格光柵(Bragg grating)。
在反射器12、14之間，從反射器12到反射器14，雷射源依序包含以下光子元件：
光波導15，由氮化矽(Si 3N 4)製成且反射器12於其中生成；
帶通濾波器(bandpass filter)22，能從法布立-培若腔體中可能的各種波長λ Rj中篩選出雷射源10的運作波長λ Li，此濾波器22於氮化矽波導15中生成；
反向漸縮耦合器(inversely tapered coupler)24，將波導15的第一區域光學地連接至矽波導25的第一區域；
矽波導25；
選用的調頻裝置16，於波導25中生成，此調頻裝置16能將波長λ Rj作為電性控制訊號的函數並利用波導25的矽之性質改變波長λ Rj；
絕熱(adiabatic)或漸消式(evanescent)耦合器26，將波導25的第二區域光學地連接至三五族半導體增益材料製成的波導28之對向(facing)第一區域；
半導體光放大器30(也簡稱為SOA)，於波導28中生成且能在各個波長λ Rj產生並放大於法布立-培若腔體內部的光訊號共振；
絕熱或漸消式耦合器32，將波導28的第二區域光學地連接至波導25之對向第三區域；
反向漸縮耦合器34，將波導25的第四區域光學地連接至由氮化矽(Si 3N 4)製成的波導36的第一區域；以及
反射器14，生成於波導36的一端。
為了取得絕熱耦合器的詳細描述，讀者可參照下列文章：“Amnon Yariv et al., ‘Supermode Si/III-V hybrid Lasers, optical amplifiers and modulators： proposal and analysis’, Optics Express 9147, vol. 14, No.15, 23/07/2007”。
具體地，絕熱耦合器能將存在於第一波導中幾乎所有的光訊號傳遞至位於上方或下方的第二波導且沒有發生反射。這種絕熱耦合器例如係藉由相對第二波導的寬度修改第一波導的寬度所得到。通常，為了以絕熱的方式將矽波導耦接至由三五族半導體材料製成的波導，矽波導的寬度是隨著由三五族半導體材料製成的波導之靠近而逐漸減小。在反向方向中，為了透過絕熱耦合器將光訊號從三五族半導體材料製成的波導傳遞到矽第一波導，矽波導的寬度例如為逐漸增加的。此外，由矽及三五族半導體材料製成的波導大致上具有特定的寬度而使得這些對向波導中有多個區域中各自的有效傳播率為相同的。
於本實施例中，濾波器22為一共振振鈴濾波器(resonant ring filter)，且其振鈴生成於Si 3N 4波導50中(圖2)。較佳地，供振鈴生成的波導50透過漸消式耦合器直接光學地連接於波導15的兩端。漸消式耦合器是藉由使兩個波導彼此靠近所得到。於此，濾波器22相同於專利案件US10270222B1及WO2019002763A1中描述的濾波器。
為了產生用於控制調頻裝置16的電性控制訊號，雷射源10也包含感測器40以及電子電路42，感測器40以及電子電路42能產生用於控制調頻裝置16的電性控制訊號以永久地將一個波長λ Rj保持在濾波器22的通帶(passband)之中心處。感測器40及電路42例如相同於專利案件US10270222B1及WO2019002763A1中描述的感測器及電路。
透過反射器12、14離開的光接著例如被導引至光二極體或光纖。為此，會使用額外的光學元件。假設這些額外的光學元件為習知的而不於此詳細描述，以簡化圖式且沒有於圖式中呈現這些額外的光學元件。
圖3呈現雷射源10的第一實施例。於此，雷射源10在例如由矽、結晶矽製成的基板60上製造，且主要位於對應於基板的平面之水平面中。
於圖3中，雷射源10包含從底部至頂部依序堆疊於基板60上的：
嵌入(buried)介電層64；
混合層66，包含氮化矽波導15、36及矽波導25；以及
層體68，在此示例性實施例中，層體68由包含波導28的封裝的三五族半導體材料製成，且層體68的內部生成有放大器30。
基板60具有較厚的厚度，即厚度大於100微米(μm)或300 μm。
介電層64通常(typically)為氧化物。於此，嵌入氧化物為氧化矽，氧化矽的厚度大於720奈米(nm)並較佳地大於1.5 μm。於此，介電層64的厚度等於2 μm。
絕熱耦合器26、32部分地於波導25中生成並部分地於波導28中生成。
放大器30例如相同於專利案件US10270222B1及WO2019002763A1中描述的放大器。在此情況中，波導28及放大器30是採取三元(ternary)及/或四元(quaternary)材料製成的井(well)及障壁(barrier)之交替子層體的堆疊結構之形式。舉例來說，在使用磷化銦(InP)基板上的磊晶(epitaxy)之情況中，可探究對井及障壁具有兩個不同的帶間隙(bandgap)之四元磷砷化鎵銦(InGaAsP)或銦砷化鋁鎵(AlGaInAs)之交替。在使用砷化鎵(GaAs)基板上的磊晶(epitaxy)之情況中，可探究對井及障壁具有兩個不同的帶間隙之砷氮化鎵銦(GaInNAs)材料之交替或是砷氮化鎵銦及砷氮化鎵(GaNAs)之交替。井及障壁的這些交替分別插設於由磷化銦或砷化鎵製成的p型摻雜頂子層以及底子層體70之間。子層體70由三五族半導體材料製成且子層體70的摻雜方式相對於頂子層的摻雜方式。舉例來說，於此，可分別探究由磷化銦或砷化鎵製成的n型摻雜子層。放大器30包含接觸件(contact)74，接觸件74與子層體70直接機械及電性接觸。p型摻雜(磷化銦或砷化鎵)子層與接觸件76機械及電性接觸。當高於雷射源的臨界電流之電流被施加於接觸件74、76之間時，放大器30會產生及放大在法布立-培若腔體內部共振的光訊號。
調頻裝置16於此係為了改變波長λ Rj而能加熱波導25的加熱器。於本實施例中，調頻裝置16包含電阻器80，電阻器80電性連接於兩個電性接觸件82、84。通常，電阻器80以大於500 nm或600 nm之距離分離於波導25。這些接觸件82、84依據感測器40的量測電性連接於由電子電路42控制的電流或電壓源。
調頻裝置16、波導28及放大器30受保護套90遮蔽而機械地隔絕於外界。僅有接觸件74、76、82、84凸出而超過保護套90。舉例來說，保護套90由氮化矽、氧化矽或苯環丁烯(benzocyclobutene，BCB)製成。
透過雷射源10發出的共振光訊號之路徑於圖3中由粗黑雙箭頭線表示。
圖4至圖10呈現絕熱耦合器32及反向漸縮耦合器34。耦合器26、24例如分別與耦合器32、34以相同的方式達成。
圖4呈現波導28、25、36的部分之上視圖。於圖4中，僅呈現波導25、28、36之核心及供這些核心承靠的介電層64。波導25、28、36的包覆層並沒有呈現出來。波導25的核心之界線(limit)在被波導28或波導36遮擋時是以虛線表示。
在圖5至圖10中，沒有呈現波導28的包覆層及基板60。
在圖4中，鏈線A至F分別呈現剖面A至F的位置。剖面A至F分別呈現於圖5至圖10中。更精準地來說，從左至右來說：剖面A位於波導28之下並位於耦合器26、32之間，剖面B實質上位於耦合器32的中間部分中，剖面C位於耦合器32、34之間，剖面D位於耦合器34的起始處，剖面E位於耦合器34之一端，且剖面F位於耦合器34及反射器14之間。
於本實施例中，波導25的矽核心包含水平板體100及疊設於此板體100上的肋部102。波導25這樣的態樣稱為肋部波導態樣(rib-waveguide configuration)。肋部態樣呈現於圖5至圖8中。
板體100的剖面為長方形的。因此板體100包含相對的水平底面及水平頂面，板體100的水平底面直接地接觸於介電層64的頂面。板體100也包含側牆100g、100d(如圖5所示)。側牆100g、100d垂直地延伸。
肋部102的剖面也為長方形的。肋部102包含相對的水平底面以及水平頂面，肋部102的水平底面齊平於板體100的頂面。肋部102也具有垂直地延伸的側牆102g、102d(如圖5所示)。
於本實施例中，側牆100g、100d、102g、102d及肋部102的頂面被封裝於氮化矽塊體104中。塊體104在剖面A至剖面D的位置完全遮蔽側牆100g、100d、102g、102d及肋部102的頂面。因此，波導25的包覆層於此至少沿其側牆及其頂面由氮化矽製成。於圖5至圖8中，遮蔽波導25的頂面之氮化矽的小厚度為看不見的。塊體104透過薄介電層106(也可稱為子層體)分離於波導28。因此，波導28透過遮蔽波導25的頂面之氮化矽及介電層106分離於波導25。
在耦合器32(如圖6所示)中，肋部102的剖面從左至右逐漸擴大以在波導25、28中形成有效傳播率相同的多個對向區域。於本實施例中，在耦合器32中，板體100的剖面保持不變。
接著，在耦合器32、34之間，波導25的剖面保持不變(圖7：剖面C)。
於本實施例中，波導28的一端為吸收區域110。此區域110位於耦合器32之後並具有特定的外形而消除(evacuate)光訊號中沒有由耦合器32傳送到波導25的剩餘部分。
從左到右，在耦合器34的起始處，肋部102的剖面(圖8：剖面D)逐漸變窄成一個點。為此，側牆102g、102d在匯合於肋部102的一端之前逐漸彼此靠近，超過側牆102g、102d匯合的那端後肋部102便不再存在。肋部102的剖面之這種漸縮特徵形成第一漸縮終端。超過肋部102的那端之後，光訊號基本上會因此被限制在板體100的內部。於此，從耦合器34的起始處到肋部102的那端，板體100的剖面保持不變。
接著，超過肋部102的那端之後，板體100的剖面會從左到右逐漸變窄成一點(圖9：剖面E)。為此，至於肋部102，側牆100g、100d在匯合於板體100的一端之前逐漸彼此靠近，波導25在那端之後則不再存在，且波導36從那端起始。板體100的剖面的這種漸縮特徵形成第二漸縮終端。因此，波導36(圖10：剖面F)與波導25位於相同的混合層66中且波導36位於波導25的延伸部中。
波導36的剖面於此為長方形的。因此波導36具有相對的水平底面以及水平頂面，波導36的水平底面直接機械地承載介電層64的頂面。此波導36因此與波導25位於相同的位準。具體來說，波導25、36的水平底面位於相同的水平面中。
超過板體100的那端之後，大部分的光訊號已經從波導25被傳遞到波導36。
以下將參照圖11至圖26說明雷射源10的製造方法。在圖20至圖26中，沒有呈現基板60。
於圖12至圖19中，僅呈現雷射源在剖面E、F、A的製造狀態。在這些圖式中，這些剖面E、F、A的位置以分別標有文字E、F及A的垂直虛線呈現。在圖12至圖19中，舉例來說，這些剖面以彼此相鄰的方式呈現。然，事實上，這些剖面是在光訊號沿例如圖4中的波導25、26傳遞的方向中位於彼此之後。
方法開始於在介電層64上製造混合層66的階段118。此階段118開始於提供堆疊結構的步驟120，此堆疊結構包含緊疊於彼此之上的基板60、氧化物的嵌入的介電層64及單晶矽(single-crystal silicon)的層體122(如圖20所示)。這種堆疊結構也稱為矽覆絕緣體(silicon-on-insulator，SOI)堆疊結構。介電層64的厚度大致上大於1 μm。舉例來說，於此，介電層64的厚度等於2 μm或3 μm。層體122的厚度小於且大致上小於1 μm。舉例來說，於本實施例中，層體122的厚度等於500 nm。
於步驟124中，層體122具有特定的結構以生成波導25的矽核心。舉例來說，於此步驟中，會進行蝕刻及移除光阻遮罩(resist mask)的光刻作業。具體地，假定波導25的態樣，步驟被執行以透過部分蝕刻薄化矽層體122並僅留下厚度為300 nm或150 nm的單晶矽。接著，大致上來說，完成層體122的蝕刻之步驟使單晶矽製成的各種光子元件能分離於此層體122。
更精確地來說，如圖21至圖24中所詳細繪示，通常，於步驟124中，氧化矽的子層體126(如圖21所示)沉積於波導25的頂部上。於圖21至圖26中，僅呈現波導25中寬度等於500 nm的部分。於此，子層體126的厚度例如等於20 nm。接著，例如由硬氮化矽或光阻物(resist)製成的遮罩128(如圖22及圖23所示)沉積於層體122中無須被蝕刻的區域中。最後，在蝕刻步驟之後，遮罩128被移除(如圖24所示)。接著變成圖12中所呈現的狀態。
於步驟130中，薄蝕刻停止襯墊132(如圖13及圖25所示)沉積於所有的頂面。於此，襯墊132由氮化矽製成。襯墊132的厚度一般來說介於20 nm及100 nm之間或介於20 nm及50 nm之間。此襯墊132具體來說遮蔽由步驟124中完成進行的蝕刻而暴露的介電層64之頂面。襯墊132也遮蔽波導25的核心之頂面。在沉積襯墊132之後得到的狀態呈現於圖13及圖25中。為了簡化圖13至圖19，位於襯墊132之下的氧化物子層體126的剩餘部分沒有呈現於這些圖式中。
舉例來說，襯墊132係藉由電漿輔助化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapour deposition，PECVD)被沉積。
接著，進行封裝並接著平面化矽核心的步驟136。於步驟136中，介電物138(如圖14所示)被沉積以封裝矽核心。於此，此介電物為氧化矽。舉例來說，係探究高密度電漿(high-density plasma，HDP)氧化矽或確實為基於四乙氧基矽烷(tetraethylorthosilicate，TEOS)的氧化矽。此介電物的沉積厚度大於在前面進行的步驟中構成的矽核心之最大厚度。一般來說，此厚度大於矽核心的最大厚度之1.5倍。此外，此厚度可依據被期望於矽核心之上獲得的介電物之厚度來增加。
接著，頂面藉由執行化學機械研磨(chemical-mechanical polishing，CMP)而被平面化。當位於厚度等於500 nm之波導25的多個部分之上的襯墊132暴露時，此平面化步驟會停止。為此，一般來說，使用於此化學機械研磨步驟中的蝕刻劑為相較氮化矽來說以至少二或四倍的更快速度溶解介電物138之選擇性蝕刻劑。
在這個化學機械研磨步驟之後，頂面為平坦的。於此，在這個階段，氧化矽的新子層體140(如圖14及圖26所示)被沉積以得到整個由氧化矽製成的頂面。子層體140的厚度是以調整波導36的氮化矽核心的厚度以及塊體104的厚度為原則進行選擇。舉例來說，於此，子層體140的厚度被選擇為等於40 nm。在步驟136結束時，會得到圖14中的封裝矽層。
接著，於步驟144中，溝槽146(如圖15所示)生成在需供波導36的氮化矽核心生成的位置。此外，於本實施例中，此溝槽沿波導25的核心在需供氮化矽塊體104形成的位置包含延伸部148(如圖15所示)。為此，此延伸部148暴露波導25的核心之側牆。
舉例來說，溝槽146及其延伸部148係藉由透過遮罩對子層體140(下層體)及介電物138(材料)進行乾蝕刻所生成。當位於溝槽146的位置中的襯墊132暴露時，乾蝕刻會停止。為此，一般來說，所使用的蝕刻劑為相較氮化矽以二或四倍的更快速度溶解氧化矽的選擇性蝕刻劑。
於步驟150中，氮化矽的層體152(如圖16所示)沉積於所有的外表面。層體152的厚度足以完全填滿溝槽146及其延伸部148。舉例來說，於此，層體152的厚度大於600 nm。舉例來說，層體152係藉由電漿輔助化學氣相沉積被沉積。
於步驟160中，層體152中沉積於溝槽146及其延伸部148外側的部分會被移除。為此，於本實施例中，在步驟162中，氧化矽的層體164(如圖17所示)沉積於層體152的整個頂面。層體164的厚度足以完全填滿在鉛直方向對齊於(plumb with)溝槽146及其延伸部148的形成在層體152中的凹槽。舉例來說，層體164的厚度大於100 nm或150 nm。
接著，在步驟166中，層體164藉由化學機械研磨平面化。於此，當到達層體152的頂面時，研磨會停止。舉例來說，步驟166與以上描述步驟136時提到的平面化步驟以相似的方式進行。在此步驟結束時，會得到基本上由氮化矽及少許氧化矽組成並於鉛直方向對齊於溝槽146及其延伸部148的外表面。接著便會達成圖18中呈現的狀態。於圖18中，於鉛直方向對齊於溝槽146及其延伸部148的黑點代表於鉛直方向對齊於這些元件的氧化矽之殘留物。
接著，會執行非選擇性蝕刻的步驟168。於步驟168中，所使用的蝕刻劑溶解氧化矽的速度跟溶解氮化矽的速度一樣快。在本文中，「溶解元件A跟溶解元件B的速度一樣快」之敘述是表示元件B的蝕刻率介於0.8 vA及1.2 vA之間且較佳地介於0.9 vA及1.1 vA之間，其中vA為元件A的蝕刻率。當到達位於層體152之下的氧化矽時，步驟168會停止。為此，此非選擇性蝕刻的結束是藉由發射光譜(optical emission spectroscopy)來偵測。此方法使蝕刻過程中位於外表面上的材料能被辨認。只要辨認出的材料為位於層體152之下的介電物，非選擇性蝕刻便會停止。然而，實際上，位於層體152之下的介電物仍會被消耗約20 nm的一小段厚度。施加在層體164的平面化表面的非選擇性蝕刻使原始平坦度(initial planarity)能被保留。因此，在步驟168結束時，會得到齊平於塊體104的頂面及波導36的核心之頂面的平坦外表面。接著便完成移除氮化矽層體152的步驟160。
選用地，在步驟160之後且在步驟169中，進行局部蝕刻波導36的頂面之步驟。這些步驟例如被執行以構成波導36中的反射器14。
為了補償在步驟168中消耗的介電物之厚度並為了遮蔽塊體104的頂部及氮化矽核心的頂部，在步驟170中，介電層106沉積於外表面上。於此，在步驟170中沉積的介電物為氧化矽。接著會達成圖19中呈現的狀態。
可選用地，在步驟170之後為平面化介電層106的步驟172。
舉例來說，在步驟170結束時，介電層106的厚度等於20 nm。
接著會完成製造混合層66的階段118。
接著，於步驟176中，由三五族半導體增益材料製成的標籤(sticker)或基板直接被接合至混合層66。此標籤或此基板例如包含：底子層體70、由三元及/或四元材料製成的井及障壁之交替子層體的堆疊結構，以及摻雜頂子層體。
於步驟178中，標籤或基板是藉由蝕刻以形成波導28的核心所構成。一般來說，於第一次蝕刻中，標籤的頂子層體被蝕刻以構成放大器30。接著，在第二次蝕刻中，子層體70被蝕刻以完成放大器30的構成。於步驟178中，也會製造出電阻器80。
最後，於步驟180中，會生成保護套90及接觸件74、76、82、84。接著會得到由封裝三五族半導體材料製成的層體68並完成雷射源10的製造。
圖27呈現製造能不以階段118實施的混合層66的第二方法。除了以下列出的部分之外，此第二方法的其他部分相同於圖11中的階段118：步驟124由步驟200取代，以及步驟160、169、170、172分別由步驟202、215、216、218取代。
除了子層體126的厚度大於20 nm以在移除襯墊132的過程中得到較大的安全邊界(margin)之外，步驟200的其他部分相同於步驟124。舉例來說，於步驟200中，子層體126的厚度大於30 nm或40 nm。於此，子層體126的厚度等於40 nm。
步驟202開始於形成於鉛直方向上對齊於溝槽146及其延伸部148的保護遮罩206(如圖28所示)的步驟204。此遮罩206用於防止位在此遮罩之下的氮化矽被蝕刻。舉例來說，遮罩206由光阻物製成。接著會達到圖28中呈現的狀態。
接著，執行非選擇性地蝕刻氮化矽的步驟208。當位於層體152之下的氧化矽暴露時，此步驟208會停止。舉例來說，此步驟的進行方式如同以上所描述的步驟168之進行方式。
接著，於步驟210中，遮罩206被移除。接著達成圖29中呈現的狀態。在此階段，溝槽146及其延伸部148之上有氮化矽凸角(protuberance)212。此凸角212凸出超過氧化矽外表面。然而，外表面基本上由氧化矽製成，即凸角212遮蔽少於75%且一般來說少於50%或少於25%的外表面。外表面其餘的部分由氧化矽製成。
於步驟214中，藉由進行化學機械研磨來平面化外表面以移除凸角212。舉例來說，於本實施例中，當到達子層體126時，步驟214會停止。步驟214仍會使子層體126的厚度減少20 nm。接著會完成移除層體152的步驟202。
可選用地，在步驟214之後，執行相同於步驟169的步驟215。
接著，於步驟216中，介電層106被沉積。此步驟例如相同於步驟170。
最後，進行選用的平面化介電層106之步驟218。步驟218相同於步驟172。
於此，在步驟218結束時，所沉積的介電層106之厚度大於50 nm或80 nm。舉例來說，所沉積的介電層106之厚度等於80 nm。
接著完成生成混合層66之方法。
圖30呈現製造能不以圖11中的方法之階段118實施的混合層66的第三方法。除了在步驟130、136之間包含生成位於波導36之下的腔室之額外步驟230之外，此第三方法的其他部分相同於階段118。
更精準地來說，於步驟232中，襯墊132被蝕刻以在襯墊132中形成多個開孔234(如圖31所示)。這些開孔234沿需要供波導36生成的位置延伸。於此，這些開孔234也沿需要供塊體104生成的位置延伸。
接著，於步驟236中，正好通過介電層64的厚度之溝槽238是使用襯墊132作為蝕刻遮罩所生成的。這些溝槽238各自顯露於基板60上。接著達成圖31中呈現的狀態。
於步驟240中，基板60被蝕刻以形成位於基板60內部的腔室242。為此，選擇性蝕刻劑被引入到溝槽238中。此蝕刻劑溶解矽的速度為溶解氧化矽的速度之二或四倍快。此外，係探究均質(isotropic)蝕刻劑，即於垂直方向及水平方向以相同速率溶解矽的蝕刻劑。因此，在步驟240結束時，腔室242延伸於須供波導36及塊體104生成的位置之下。於此，腔室242也延伸於須供耦合器34生成的位置之下。
接著，溝槽238被填充。舉例來說，於此，這是在步驟136中進行。具體來說，於步驟136中沉積介電物138填充了溝槽238。接著在步驟136結束時達到圖33中呈現的狀態。
從步驟136起，製造混合層66的方法例如相同於以上參照圖11或圖27說明之製造混合層66的方法。圖30中的黑點表示沒有呈現步驟136之後的步驟。
腔室242使波導36能與基板60間隔一段距離並使此波導36以較佳的方式隔離於基板60。透過改善波導36及基板60之間的隔離，光損失(optical losses)會減少，這現象尤其在波導36的橫向尺寸較小時更明顯。
圖34及圖35呈現能被使用且非為耦合器34之反向漸縮耦合器250。圖34中的虛線G呈現耦合器250的剖面G之位置。圖35呈現剖面G。除了波導25的板體100之漸縮終端由包含子波長特徵的漸縮終端取代之外，耦合器250的其他部分相同於耦合器34。於本實施例中，超過板體100的漸縮終端之後，耦合器250包含多個特徵252，這些特徵252在波長λ Li的光訊號之傳播的方向260中依序對齊。各個特徵252由矽製成且整個地被封裝於氮化矽塊體104中。這些特徵的水平尺寸小於波長λ Li。此外，特徵252在方向260中的長度隨著與漸縮終端的距離增加而減小。各個特徵252之剖面例如為長方形的。於本實施例中，耦合器250包含三個特徵252。
部分III：變化實施例：
雷射源的變化實施例：
波導15可由矽製成。
波導25的其他實施例為可行的。舉例來說，於一變化實施例中，肋部102被省略。在此情況中，波導25為板狀波導(slab waveguide)。於此情況中，耦合器34包含單個漸縮終端，即藉由使板體100的剖面變窄生成的漸縮終端。
於另一變化實施例中，肋部102的頂面齊平於塊體104的頂面。
波導25的包覆層無須由氮化矽製成。波導25的包覆層也可例如由氧化矽製成。在此情況中，氮化矽塊體104從位於耦合器34之前的波導25之部分被省略。位於波導28、25之間的介電物接著沒有包含任何厚度的氮化矽。
雷射源的許多變化實施例為可行的。舉例來說，耦合器26、32可用不同的方式生成。因此，舉例來說，漸縮終端可生成於波導25及/或波導28中。
耦合器24、34的其他實施例為可行的。具體地，這些耦合器無需使用反向漸縮轉變(inversely tapered transition)來生成。舉例來說，於一變化實施例中，若波導25的剖面面積為小的(即一般來說小於100 nm乘100 nm)，則可使用對接耦合(butt coupling)。於此情況中，波導25的包覆層大致上整個由相異於氮化矽的介電物製成，如氧化矽。
專利案件US10270222B1及WO20190027631中描述的半導體雷射源之各種變化實施例可應用於本專利申請中描述的包含混合層之雷射源。具體地，有許多濾波器22及反射器12、14的其他可行的實施例。
於一變化實施例中，濾波器22生成於矽波導25中。
目前為止，是以探究分布式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，DBR)雷射源之具體情況描述雷射源。然而，如混合層66之混合層也可用於生成分布式反饋(distributed feedback，DFB)雷射源。在後者的情況中，氮化矽波導也位於生成於由三五族半導體材料製成的波導之下的矽波導之延伸部中。相對來說，布拉格光柵生成於插設於矽波導及三五族半導體材料製成的波導之間的氮化矽子層體中或矽波導中。
混合層的製造方法之變化實施例：
於步驟120中，層體122也可由非晶矽(amorphous silicon)製成。
構成矽核心的步驟124的其他實施例為可行的。舉例來說，可省略氧化矽子層體126。
於步驟124中，矽核心的構成也可包含局部厚度增加步驟(單晶矽的增長或是非晶矽的沉積，或是藉由熱處理進行的再結晶之後的非晶矽之沉積)以局部地增加矽核心的厚度。於此情況中，單晶矽層體122的初始厚度可為小的。舉例來說，層體122的初始厚度接著為300 nm。
於步驟130中，蝕刻停止的襯墊132可由氮化矽以外的材料製成。舉例來說，襯墊132可由氧化鋁(Al 2O 3)或二氧化鉿(HfO 2)製成。於此情況中，波導36的底面所位在的位準會些微高於波導25的底面之位準。一般來說，這兩個底面之間的高度差保持為小於100 nm(一般來說小於50 nm)。
於步驟162中，可使用氧化矽以外的材料，只要此材料可如步驟166、168中所述被平面化接著被蝕刻即可。
於步驟166中，在到達氮化矽層體152之前，矽氧化物層的化學機械研磨也可被停止。在此情況中，在研磨步驟結束時會有完全遮蔽氮化矽層體152的殘留氧化矽層。接著，此殘留層在非選擇性蝕刻的步驟168中被完全移除。
在另一變化實施例中，非選擇性蝕刻的步驟168持續進行直到達到襯墊132或是子層體126。於此情況中，至少部分或所有的氮化矽襯墊132也會被移除。
在步驟170中，除了氧化矽以外的介電物可被沉積以形成介電層106。一般來說，此另一種介電物接著被選來使由三五族半導體材料製成的基板或標籤能達成良好的直接接合。
於步驟176中，可將此材料沉積在混合層66上而不接合由三五族半導體增益材料製成的基板或標籤。
於一變化實施例中，非選擇性蝕刻氮化矽的步驟208在到達子層體126之前會停止。舉例來說，步驟208在到達子層體140時會停止。
混合層的製造階段可實施於雷射源的製造方法以外的其他方法中。具體地，所描述的方法也適用於製造混合層，且包含在此混合層中由矽或氮化矽製成的波導沒有藉由光耦合器(如耦合器24、34)彼此光學地耦接。舉例來說，這兩個波導之間的光耦合可使用至少部分生成於位在混合層之上或之下的層體中之光耦合器來達成。於此描述的方法也能生成由矽及氮化矽製成的波導不彼此光學地耦接之混合層。於此情況中，如耦合器24、34之光耦合器的生成會被省略。
舉例來說，於此描述的混合層之製造方法可用於製造除了雷射源之外的光子元件之混合層。舉例來說，此方法可用於製造包含光調變器的電極之混合層。此方法也可用於製造任何包含堆疊於混合層上且由三五族半導體材料製成的層體之光子元件的混合層。舉例來說，於此描述的方法可在下列光子元件的製造過程中實施：半導體光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)、電吸收調變器(electro-absorption modulator，EAM)及光二極體。舉例來說，可藉由省略反射器12、14及濾波器22從圖1中的光子元件得到半導體光放大器。可藉由省略反射器12、14及濾波器22並縮短放大器30之長度而從圖1中的元件得到電吸收調變器。於此描述的混合層之製造方法也可被實施以製造下列光子元件：
發射器，包含發出各種波長的光訊號之多個雷射源以及稱為陣列波導光柵(arrayed waveguide grating，AWG)的多工器，其中雷射源生成於氮化矽波導中；
接收器，包含多個光偵測器及陣列波導光柵解多工器，其中光偵測器生成於氮化矽波導中；
一組多個寬頻半導體光放大器，連接於將各種波長的經放大的光訊號分開的陣列波導光柵解多工器/多工器的入口及/或出口，陣列波導光柵解多工器/多工器生成於氮化矽波導中；
多個波長計，使用不同的氮化矽之熱光係數(thermo-optic coefficient)；
光梳(optical combs)，由雷射二極體泵浦固態體(solid bodies pumped by laser diode)所產生。
於此描述的混合層的製造方法也可於沒有包含由封裝的三五族半導體材料製成的層體之光子元件的製造方法中實施。
其他變化實施例：
混合層可包含由矽或氮化矽製成的多個額外波導。舉例來說，這些額外波導的其中一者光學地連接於反射器12或反射器14的出口。
或者，藉由反轉放大器30的接觸件74、76之間的供應訊號之極性(polarity)，輸入光訊號會被吸收而不是被放大。放大器30接著被用於進行光偵測(photo-detection)或訊號調變。
於一變化實施例中，包含堆疊於混合層上且由三五族半導體材料製成的層體之這些光子元件(尤其是如雷射源10之光子元件)可使用於此揭露的混合層66以外的其他混合層66之製造方法來製造。因此，於此描述的雷射源之實施例可用獨立於在這裡描述的此混合層之製造方法的方式實施。
部分IV：所述實施例的優點：
於此描述的混合層之製造方法為簡單的。具體來說，於此描述的混合層之製造方法無須將基板翻轉。因此，所以需要用於生成混合層的蝕刻、平面化及沉積步驟皆是在此基板60的同一側進行。
於此描述的混合層之製造方法因此能相較習知的方法得到更高的整合密度(integration density)。具體來說，習知的方法將氮化矽標籤及/或單晶矽標籤傳遞至介電層64。在前者的情況中，這些矽及氮化矽標籤之間必須存在數百微米的空間。因此，藉由構造這些標籤生成且由矽及氮化矽製成之核心需要以數百微米的距離彼此間隔。
停止襯墊的使用令溝槽146的底部能精準地位在離介電層64的頂面小於100 nm之處。因此，這最終能使得氮化矽核心的底面及矽核心的底面之間以小於100 nm之距離彼此間隔並皆位於離介電層64小於100 nm之處。
當襯墊132由氮化矽製成時，由矽及氮化矽製成的核心之底面位於相同的水平面中。
位於矽核心的一或多個漸縮終端之上的溝槽146之延伸部的生成能得到由矽及氮化矽製成的多個波導之間的光耦合，其整個地發生於混合層中。因此無須為了達成此耦合而使用位於此混合層上方或下方的額外層體。
用氮化矽形成波導25的包覆層使矽波導的光學性質能有所改善。
使用混合層製造光子元件使得此光子元件的整合密度能增加。具體來說，不需要再使矽波導位於第一層體中並使氮化矽波導位於在此第一層體上方或下方的第二層體中。
10:雷射源 12、14:反射器 15、25、28、36、50:波導 16:調頻裝置 22:濾波器 24、26、32、34:耦合器 30:放大器 40:感測器 42:電路 60:基板 64:介電層 66:混合層 68:層體 70:子層體 74、76、82、84:接觸件 80:電阻器 90:保護套 100:板體 102:肋部 100g、100d、102g、102d:側牆 104:塊體 106:介電層 110:吸收區域 118:階段 120、124、130、136、144、150、160、162、166、168、169、170、172、176、178、180、200、202、204、208、210、214、215、216、218、230、232、236、240:步驟 122:層體 126:子層體 128:遮罩 132:襯墊 138:介電物 140:子層體 146:溝槽 148:延伸部 152:層體 164:層體 206:遮罩 212:凸角 234:開孔 238:溝槽 242:腔室 250:耦合器 252:特徵 260:方向
本發明將在參閱以下敘述後以更佳的方式被理解，以下敘述獨自由非限制性示例以及圖式來呈現，在圖式中： 圖1為半導體雷射源的架構之示意圖。 圖2為能在圖1中的雷射源中實施的濾波器之示例的上視示意圖。 圖3為圖1中的雷射源之一個可能實施例之垂直剖面示意圖。 圖4為呈現圖3中的雷射源之各種波導之間的光耦合器之上視示意圖。 圖5至圖10為呈現圖4中的光耦合器沿各種剖面繪示之示意圖。 圖11為圖3中的雷射源之一種製造方法的流程圖。 圖12至圖26為在實施圖11中的方法時得到的各種製造狀態沿垂直剖面繪示之示意圖。 圖27為能被用來製造圖3中的雷射源之混合層的一種製造方法的流程圖。 圖28及圖29為實施圖27中的方法時得到的兩個製造狀態的垂直剖面示意圖。 圖30為能用來製造圖3中的雷射源之另一方法的流程圖。 圖31至圖33為實施圖30中的方法時得到的各種製造狀態的剖面示意圖。 圖34為矽波導及氮化矽波導之間的光耦合器的另一實施例之上視示意圖。 圖35為圖34中的光耦合器的垂直剖面示意圖。 在這些圖式中，相同的標號用來指相同的元件。在本揭露的剩餘部分中，並不會詳細描述本領域具通常知識者熟知的特徵及功能。
118:階段
120、124、130、136、144、150、160、162、166、168、169、170、172、176、178、180:步驟

Claims (11)

  1. 一種混合層的製造方法，該混合層包含一第一波導以及一第二波導，該第一波導的一核心由矽製成，該第二波導的一核心由氮化矽製成，該製造方法包含：步驟1：提供依序堆疊有一嵌入介電層以及一矽層體的一基板，該基板基本上位於該基板的一平面中，且該嵌入介電層以及該矽層體平行於該基板的該平面；接著步驟2：構造該矽層體以形成該第一波導的該核心；接著步驟3：於一介電物中封裝所形成的該第一波導的該核心並接著平面化該介電物，在此封裝步驟之後進行形成包含該第一波導的該核心之一封裝矽層的此平面化步驟；該混合層的製造方法接著包含下列步驟：步驟4：在該封裝矽層中於須供該第二波導的該核心生成之處生成一溝槽；接著步驟5：於該封裝矽層上沉積一氮化矽層，該氮化矽層完全遮蔽該封裝矽層且所沉積的該氮化矽層的厚度足以完全填充該溝槽；接著步驟6：移除該氮化矽層中位於該溝槽外側的部分，以暴露該封裝矽層的一頂面，且填充有該氮化矽層之該溝槽齊平於該封裝矽層的該頂面，而得到該第二波導的該核心；接著步驟7：將遮蔽暴露的該頂面的一介電層沉積以完成該第二波導的該核心之封裝，並得到包含封裝於該介電物中的該第一波導的該核心及該第二波導的該核心之該混合層。
  2. 如請求項1所述之製造方法，其中移除該氮化矽層中位於該溝槽外側的部分的步驟包含：將一氧化矽層沉積在所有沉積的該氮化矽層上；接著在該氧化矽層上進行化學機械研磨，以得到相較沉積的該氧化矽層的外表面更為平坦的一外表面；接著非選擇性地蝕刻更為平坦的該外表面直到該介電物中位於該氮化矽層之下的部分暴露，而得到齊平於填充有該氮化矽層的該溝槽之一平坦頂面，此非選擇性地蝕刻的步驟的進行是藉由將更為平坦的該外表面暴露於溶解氧化矽與溶解氮化矽一樣快的蝕刻劑。
  3. 如請求項1所述之製造方法，其中移除該氮化矽層中位於該溝槽外側的部分的步驟包含：形成一保護遮罩，該保護遮罩遮蔽於鉛直方向上對齊於該溝槽的該氮化矽層之區域，並使該氮化矽層的外表面之大部分直接暴露於外；接著蝕刻該氮化矽層的外表面直到該介電物中位於該氮化矽層之下的部分暴露，在此蝕刻步驟中使用的蝕刻劑溶解氮化矽的速度十倍於溶解該保護遮罩的速度；接著移除該保護遮罩以得到由暴露的該介電物及位於被移除的該保護遮罩所在之處的多個氮化矽凸角所形成的一外表面；接著在包含該些氮化矽凸角的該外表面上進行化學機械研磨以得到與填充有該氮化矽層的該溝槽齊平的該封裝矽層的該頂面。
  4. 如請求項1所述之製造方法，在步驟2之後以及步驟3之前更包含：將一蝕刻停止襯墊沉積於該嵌入介電層上須供該溝槽生成之處，該蝕刻停止襯墊的厚度小於100奈米；接著於步驟3中，用於封裝該第一波導的該核心之該介電物相異於用來形成該蝕刻止擋襯墊的材料；以及步驟4包含：透過一遮罩進行蝕刻以生成該溝槽，該遮罩使該封裝矽層的該頂面僅在需供該溝槽生成之處暴露，所使用的蝕刻劑溶解用於封裝該第一波導的該核心之該介電物的速度為溶解用於生成該蝕刻停止襯墊的材料之速度的至少兩倍以上；接著在到達該蝕刻停止襯墊時停止此蝕刻。
  5. 如請求項4所述之製造方法，其中該蝕刻停止襯墊由氮化矽製成。
  6. 如請求項1所述之製造方法，其中：步驟2包含：構造作為單晶矽核心之該第一波導的該核心而使得該第一波導的該核心的多個側牆在該第一波導的該核心的一端彼此靠近以形成一漸縮終端，超過該漸縮終端之後光訊號便不再於該矽波導內部傳播；步驟4包含：生成該溝槽的一延伸部，該延伸部使該第一波導的該核心之該些側牆至少在該漸縮終端暴露；以及在步驟5中，沉積該氮化矽層也形成一氮化矽塊體，該氮化矽塊體遮蔽該第一波導的該核心之暴露的該些側牆。
  7. 如請求項6所述之製造方法，其中：於步驟4中，生成該溝槽的該延伸部在該第一波導的該核心之整個長度上暴露了該第一波導的該核心之該些側牆；以及在步驟5中，沉積該氮化矽層形成整個地遮蔽該第一波導的該核心之該些側牆之整體的該氮化矽塊體，該氮化矽塊體因此形成該矽波導的一包覆層之一部分。
  8. 一種光子三五族半導體元件的製造方法，包含：製造一混合層，該混合層包含一第一波導以及一第二波導，該第一波導的一核心由矽製成，該第二波導的一核心由氮化矽製成；接著直接在製造出的該混合層上生成具有一厚度的一三五族半導體材料；接著構成該厚度的該三五族半導體材料，以形成由三五族半導體材料製成的一第三波導的一核心；接著在一介電物中封裝該第三波導的該核心以形成該第三波導的一包覆層；以及在該第三波導及該第一波導之間實現絕熱耦合；其中該混合層由請求項1至7中任一項所述之製造方法所製造。
  9. 一種使用請求項8所述之光子三五族半導體元件的製造方法製造的光子三五族半導體元件，包含：一基板，該基板上依序堆疊有：該混合層，包含該第一波導及該第二波導，該第一波導的該核心由矽製成，該第二波導的該核心由氮化矽製成；以及一層體，由封裝的三五族半導體材料製成並包含由三五族半導體材料製成的該第三波導的該核心；該基板基本上位於該板體的一平面中，並且該混合層及該層體平行於該板體的該平面；以及絕熱耦合器，介於該第三跛導及該第一波導之間。
  10. 如請求項9所述之光子三五族半導體元件，其中：該第一波導的該核心包含多個側牆，該些側牆各自沿正交於該基板的該平面之方向延伸，且該些側牆在該第一波導的一端彼此靠近以形成一漸縮終端，光訊號在該漸縮終端之後不再於該第一波導內部傳播而是在該第二波導內部傳播；該第一波導的一包覆層中在該漸縮終端的整個長度上遮蔽該第一波導的該核心的該些側牆的部分由氮化矽所製成；該第二波導的該核心在該第一波導的該核心之該漸縮終端之一延伸部中位於該混合層內部；以及該第二波導的該核心與該第一波導的該包覆層中遮蔽該第一波導的該核心之該漸縮終端的該些側牆之部分形成材料的單一塊體，以將該第二波導光耦接至該第一波導。
  11. 如請求項10所述之光子三五族半導體元件，其中該光子三五族半導體元件為能發出至少一波長的光訊號之雷射源，該雷射源包含能使光訊號在該至少一波長共振的一光腔體，該光腔體包含：該第三波導，該第三波導的該核心由三五族半導體增益材料製成，以放大沿該第三波導的該核心傳播之該至少一波長的光訊號，該第三波導位於封裝的三五族半導體的該層體內部，該第一波導的該核心由矽製成，該第二波導的該核心由氮化矽製成。
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