TW202338446A - 電光調製器及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及半導體技術領域，其提供一種電光調製器及其製造方法。在實施方式中，所述電光調製器包括混合波導和位於混合波導兩側的電極，所述製造方法包括：提供第一部件，所述第一部件中至少包含矽層和位於該矽層兩側的導電佈線結構；提供第二部件，所述第二部件中包含非線性光學材料層和位於該非線性光學材料層兩側的導電佈線結構；將所述第一部件與所述第二部件鍵合在一起，其中，所述矽層與所述非線性光學材料層層疊在一起形成所述混合波導，並且，所述位於該矽層兩側的導電佈線結構與位於該非線性光學材料層兩側的導電佈線結構電連接，以形成所述電極。採用本發明的實施方式，能夠將小尺寸、高效率、低功耗的電光調製器集成到矽光晶片中。
Description
本發明涉及半導體技術領域，更為具體而言，涉及一種電光調製器及其製造方法。
在光子計算領域，如何提高計算的能效比是個很重要的議題。而電光調製器是實現光計算的最核心的器件，也是光電晶片中高度複用的器件，通常會集成數千個甚至上萬個。如何降低它的功耗是提高光子計算能效比的核心問題之一。
目前，矽光晶片中常用的調製器通常是基於載流子色散效應的。調製方式包括載流子注入型（正向偏置）與耗盡型（反向偏置）。調製器的形式有微環調製器或馬赫曾德爾型干涉儀（Mach‑Zehnder Interferometer；MZI）。其中，微環由於對波長和溫度敏感，較難實現高精度的計算，且由於額外的加熱及反饋控制電路，整體的功耗居高不下。注入型的MZI調製效率很高，有利於高密度集成，但由於其自身在工作時會存在一個較大的直流電流（毫安級），靜態功耗很高。耗盡型的MZI的調製效率較低，尺寸較大，且由於終端負載的存在，功耗和集成度等方面不適用於光子計算。
本發明提供了一種電光調製器及其製造方法，能夠將小尺寸、高效率、低功耗的電光調製器集成到矽光晶片中。
本發明的實施方式提供了一種電光調製器，其包括：
混合波導，所述混合波導包含層疊的矽層和非線性光學材料層；和
電極，其包括設置在所述混合波導兩側的第一電極和第二電極；
其中，所述混合波導的兩端延伸出用於光耦合的耦合端，
所述混合波導兩端的耦合端中的至少一者包含漸變結構。
在一些實施方式中，所述非線性光學材料層包括下述至少一種：鈦酸鋇層、鈮酸鋰層、鉭酸鋰層、有機高分子聚合物層；和/或，所述矽層包括下述至少一種：單晶矽層、氮化矽層。
在一些實施方式中，所述混合波導中，所述矽層的垂直方向的投影位於所述非線性光學材料層的垂直投影範圍內。
在一些實施方式中，所述漸變結構包括：
基部，其與所述混合波導相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層，可選的，所述基部包含的矽層和非線性光學材料層在尺寸上與所述混合波導包含的矽層和非線性光學材料層一致；
變形部，其與所述基部相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層，其中，所述變形部包含的非線性光學材料層自所述基部包含的非線性光學材料層延伸並且朝遠離所述基部的方向尺寸逐漸變小，所述變形部包含的矽層自所述基部包含的矽層延伸並且尺寸不變。
在另一些實施方式中，所述漸變結構包括：
基部，其與所述混合波導相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層；
中間部，其與所述基部相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層；
變形部，其與所述中間部相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層；
其中，在所述中間部，其矽層包括從所述變形部延伸過來的矽層以及從所述基部延伸過來的矽層，從所述變形部延伸過來的矽層位於從所述基部延伸過來的矽層的上方；所述變形部包含的非線性光學材料層自所述中間部包含的非線性光學材料層延伸並且朝遠離所述中間部的方向尺寸逐漸變小。
在一些實施方式中，所述變形部包含的非線性光學材料層的端面包括傾斜面。
在一些實施方式中，俯視觀察時，所述變形部包含的非線性光學材料層的傾斜面與其包含的矽層具有夾角。可選的，所述夾角的角度小於45°。
在一些實施方式中，在所述中間部，從所述變形部延伸過來的矽層的厚度大於從所述基部延伸過來的矽層的厚度。
在一些實施方式中，在所述中間部，從所述變形部延伸過來的矽層的寬度小於從所述基部延伸過來的矽層的寬度。
在一些實施方式中，俯視觀察時，在所述中間部，從所述基部延伸過來的矽層的寬度沿著延伸方向先逐漸變大後逐漸變小。
在一些實施方式中，俯視觀察時，在所述中間部，從所述變形部延伸過來的矽層的尾部的寬度沿著延伸方向逐漸變小。
在一些實施方式中，所述電光調製器包括：至少兩個所述混合波導、至少一個分束器和至少一個合束器。所述分束器的輸出端經由第一連接波導與相應的混合波導的輸入側的耦合端連接，所述合束器的輸入端經由第二連接波導與相應的混合波導的輸出側的耦合端連接。
此外，本發明的實施方式提供了一種電光調製器的製造方法，其中所述製造方法適於製造上述任一實施方式所述的電光調製器，所述電光調製器包括混合波導和位於混合波導兩側的電極，並且所述製造方法包括：
提供第一部件，所述第一部件中至少包含矽層和位於該矽層兩側的導電佈線結構；
提供第二部件，所述第二部件中包含非線性光學材料層和位於該非線性光學材料層兩側的導電佈線結構；
將所述第一部件與所述第二部件鍵合在一起，形成所述電光調製器，其中，所述矽層與所述非線性光學材料層層疊在一起形成所述混合波導，並且，所述位於該矽層兩側的導電佈線結構與位於該非線性光學材料層兩側的導電佈線結構電連接，以形成所述電極。
在一些實施方式中，所述非線性光學材料層包括下述至少一種：鈦酸鋇層、鈮酸鋰層、鉭酸鋰層、有機高分子聚合物。所述矽層包括下述至少一種：單晶矽層、氮化矽層。
在一些實施方式中，所述混合波導包括通過在鈦酸鋇層上方層疊單晶矽層形成的第一混合波導。可選的，所述混合波導包括通過在鈮酸鋰層上方層疊氮化矽層形成的第二混合波導。
在一些實施方式中，所述提供第一部件包括：
採用前端製程形成第一製品，所述第一製品中包含所述矽層；
對所述第一製品靠近矽層的一側進行減薄處理；
對於經所述減薄處理的第一製品，至少在對應於所述矽層的區域的兩側形成導電佈線結構，得到所述第一部件。
在一些實施方式中，所述提供第二部件包括：
在晶圓上形成非線性光學材料層，
去除預定區域之外的非線性光學材料而保留所述預定區域的非線性光學材料層，得到第二製品，其中所述預定區域為將與所述矽層重疊的區域；
在所述第二製品的上方進一步沉積氧化矽層，以得到第三製品；
對於所述第三製品，在對應於保留的非線性光學材料層的區域的兩側形成導電佈線結構，得到所述第二部件。
在一些實施方中，所述導電佈線結構包括孔中導電結構。
在一些實施方式中，所述製造方法還包括：
對於所述第一部件與所述第二部件鍵合在一起得到的所述電光調製器，在所述電光調製器的至少一個表面形成用於與另外的部件鍵合的鍵合結構。
根據上述實施方式，本發明採用前端製程製得第一部件，其可以是光子集成晶片，將諸如鈦酸鋇、鈮酸鋰、鉭酸鋰、有機高分子聚合物之類的非線性光學材料製得第二部件，例如鈦酸鋇薄膜、鈮酸鋰薄膜等，然後結合後端製程（例如晶圓鍵合、過孔佈線等）將鈦酸鋇薄膜或鈮酸鋰薄膜與所述光子集成晶片結合。這樣構成的調製器是電容型的，且電容極小，極容易驅動，無靜態功耗，動態功耗極低。從而，本發明能夠將小尺寸、高效率、低功耗但與傳統CMOS（互補金屬氧化物半導體）不兼容的一些其他類型的電光調製器技術集成至經典的矽基光電子工藝中。
本發明實施方式的各個方面、特徵、優點等將在下文結合附圖進行具體描述。根據以下結合附圖的具體描述，本發明的上述方面、特徵、優點等將會變得更加清楚。
為了便於理解本發明技術方案的各個方面、特徵以及優點，下面結合附圖對本發明進行具體描述。應當理解，下述的各種實施方式只用於舉例說明，而非用於限制本發明的保護範圍。
在本文中提及的“包括”為一開放式用語，故應解釋成“包括但不限定於”。“大致”是指在可接收的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。
此外，“連接”一詞在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述一第一裝置連接於一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接連接於所述第二裝置，或通過其它裝置間接地連接至所述第二裝置。
本文中的“第一”、“第二”等描述，是用於區分不同的設備、模塊、結構等，不代表先後順序，也不限定“第一”和“第二”是不同的類型。此外，在本申請的說明書、權利要求書及上述附圖中描述的一些流程中，包含了按照特定順序出現的多個操作、步驟或工序，這些操作、步驟或工序可以不按照其在本文中出現的順序來執行或並行執行。操作的序號如S1、S2等，僅僅是用於區分各個不同的操作，序號本身不代表任何的執行順序。另外，這些流程可以包括更多或更少的操作，並且這些操作可以按順序執行或並行執行。
在本發明的實施方式中，所述電光調製器包括混合波導和設置在所述混合波導兩側的第一電極和第二電極，其中，所述混合波導包含層疊的矽層和非線性光學材料層；並且所述混合波導的兩端延伸出用於光耦合的耦合端，其中，所述混合波導兩端的耦合端中的至少一者為漸變結構。所述耦合端中的一者用於向所述混合波導引入光信號（光波），另一者用於從所述混合波導引出光信號（光波）。在可選的實施方式中，所述混合波導兩端的耦合端均為所述漸變結構。在一些實施方式中，所述非線性光學材料層包括下述至少一種：鈦酸鋇層（BTO）、鈮酸鋰層、鉭酸鋰層、有機高分子聚合物層；和/或，所述矽層包括下述至少一種：單晶矽層（C-Si）、氮化矽層。
在一些實施方式中，所述電光調製器包括至少兩個所述混合波導、至少一個分束器和至少一個合束器；所述分束器的輸出端經由第一連接波導與相應的混合波導的輸入側的耦合端連接，所述合束器的輸入端經由第二連接波導與相應的混合波導的輸出側的耦合端連接。
圖1示出了電光調製器的一種實施方式。如圖1所示，所述電光調製器包括兩個混合波導和三個電極（電極1、電極2和電極3），並且所述分束器採用50/50分束器，所述分束器的兩個輸出端分別經由第一連接波導（例如矽波導）與所述兩個混合波導連接，該兩個混合波導的輸出端經由第二連接波導（例如矽波導）與合束器的輸入端連接。所述合束器採用1×2合束器，其輸出端經由一個連接波導（例如矽波導）可連接另一分束器或另一電光調製器，以構成調製器網路。所述調製器網路可以組成光子神經網路，用於進行機器學習等大數據運算。
圖2示出了電光調製器的另一種實施方式。如圖2所示，該實施方式的電光調製器的結構與圖1所示的實施方式中的電光調製器基本相同，不同的是所述合束器採用2×2合束器，所述合束器的兩個輸出端可以分別連接另一分束器或另一電光調製器，以構成調製器網路，用於光子運算處理。
在圖1和圖2所示的實施方式中，兩個混合波導共用一個電極2。本發明不限於此，在可選的實施方式中，每個混合波導可以單獨具有兩個電極，也就是說，兩個相鄰混合波導之間具有兩個單獨的電極，所述兩個單獨的電極分別用於這兩個混合波導。
在圖1和圖2所示的實施方式中，混合波導兩端的通過耦合端與連接波導耦合，所述耦合端包含漸變結構。由於混合波導（例如，BTO-Si混合波導）與矽波導之間的模場差異較大，無漸變結構設計而直接相連會導致較大的插損。在示例性實施方式中，考慮到混合波導中矽層的不同厚度，提出了兩個漸變結構的示例。以下對兩個漸變結構示例進行說明。
［漸變結構示例1］
如圖3a-3c所示，所述漸變結構包括基部901和變形部902。基部901包含非線性光學材料層（例如BTO）和層疊在該非線性光學材料層上方的矽層（例如C-Si）。變形部902與所述基部901相連，亦包含層疊的非線性光學材料層（例如BTO）和矽層（例如C-Si），其中，所述變形部902包含的非線性光學材料層自所述基部901包含的非線性光學材料層延伸並且尺寸朝遠離基部901的方向逐漸變小，所述變形部902包含的矽層自所述基部901包含的矽層延伸並且尺寸不變。在一些實施方式中，非線性光學材料層的厚度一般在數百納米左右，例如，大約200-800nm。
在一些實施方式中，如圖3a所示，所述變形部的非線性光學材料層的端面包括斜面（俯視時呈現為傾斜邊），所述斜面與矽層具有一定夾角α。在一些實施方式中，所述夾角α小於45°，夾角α越小，調製器的損耗越低。在一些實施方式中，在變形部901中，對應於傾斜面的漸變結構的長度L大約為3至10μm，若長度L過小，則會導致較大的夾角α，導致調製器的高損耗；若長度L過大，則耦合端的尺寸變大，不利於調製器的小型化。
圖3b是圖3a所示結構的A-A剖視圖。在變形部902遠離基部901的一端，矽層與非線性光學材料層具有較遠的距離，沒有重疊的區域。圖3c是圖3a所示結構的B-B剖視圖。在基部中，矽層與非線性光學材料層上下設置，非線性光學材料層的寬度大於矽層的寬度，矽層在垂直方向的投影與非線性光學材料層重疊。
［漸變結構示例2］
如圖4a-4d所示，所述漸變結構包括基部1001、變形部1002、以及位於基部1001和變形部1002之間的中間部1003。所述基部1001、變形部1002和中間部1003相連。基部1001包含非線性光學材料層（例如BTO）和層疊在非線性光學材料層上方的第一矽層（例如C-Si）。變形部1002包含層疊的第二矽層（例如C-Si）和非線性光學材料層（例如BTO）。中間部1003包含非線性光學材料層（BTO）、從所述基部1001延伸過來的第一矽層（C-Si）、以及從所述變形部1002延伸過來的第二矽層（C-Si）。
在一些實施方式中，第二矽層的厚度大於第一矽層的厚度，並且在中間部1003中，第二矽層位於第一矽層的上方。可選的，所述第一矽層的厚度通常大約為70至150nm。在另外的實施方式中，所述第二矽層的厚度可以與所述第一矽層的厚度相同或更小。在一些實施方式中，俯視觀察時，在所述中間部1003，從所述基部1001延伸過來的第一矽層的寬度沿著延伸方向先逐漸變大後逐漸變小，從所述變形部1002延伸過來的第二矽層的尾部的寬度沿著延伸方向逐漸變小。在可選的實施方式中，所述從所述基部1001延伸過來的第一矽層的寬度沿著延伸方向可以不變。在可選的實施方式中，從所述變形部1002延伸過來的第二矽層的寬度不變。在其他實施方式中，在所述中間部1003，從所述基部1001延伸過來的第一矽層的寬度大於從所述變形部1002延伸過來的第二矽層的寬度。
所述變形部1002包含的非線性光學材料層自所述中間部1001包含的非線性光學材料層延伸並且尺寸朝遠離中間部的方向逐漸變小。在一些實施方式中，如圖4a所示，所述變形部的非線性光學材料層的端面包括斜面（俯視時呈現為傾斜邊），所述斜面與第二矽層（C-Si）具有一定夾角β。在一些實施方式中，所述夾角β小於45°，所述夾角β越小，調製器的損耗越低。在一些實施方式中，在圖4a所示的示例中，部分1的長度（對應於傾斜面的漸變結構的長度）大約為3至10μm，部分2和部分3的長度分別在20至30μm，若部分1、部分2和部分3的長度過小，則非線性光學材料層、第一矽層、第二矽層變化過於陡峭，導致調製器的高損耗；若部分1、部分2和部分3的長度過大，則耦合端的尺寸變大，不利於調製器的小型化。
根據上述實施方式，漸變結構示例1可適用於混合波導中的矽層的厚度與連接波導中的矽波導的厚度一致的情形，漸變結構示例2可適用於混合波導中的矽層厚度被進一步減薄的情况。
在本發明各實施方式中，所述混合波導是實現電光調製的主要區域。在傳統的矽光調製器中，通過加載電壓或電流信號來調節載流子的分布來調節材料的折射率，進而調節模場的有效折射率。而所述混合波導的工作機制是基於非線性光學材料的非線性光學效應，通過調節外加電場的强度來調節該材料的折射率（矽層的折射率不變）。例如，對於BTO-Si混合波導，基於BTO材料的非線性光學效應，通過調節外加電場的强度來調節BTO材料的折射率，因此，光學模式與BTO層的重疊（overlap）會影響調製效率。重疊越高，BTO材料對有效折射率的影響越大，對應的調製效率就越高。為了調節所述重疊，可調整矽層的厚度，而矽層的寬度可按照波長需求進行選擇。通常而言，矽層越薄的混合波導，模場分布在BTO材料中的越多，對應的效率越高。圖5a和圖5b示出了混合波導的示例1，圖6a和圖6b示出了混合波導的示例2，這兩個示例的主要差異在於矽層（C-Si）的厚度。
在一些實施方式中，混合波導的示例1的耦合端適於採用上述的漸變結構示例1，混合波導的示例2的耦合端適於採用上述的漸變結構示例2。在可選的實施方式中，上述漸變結構示例1也可用於混合波導的示例2，或者上述漸變結構示例2也可用於混合波導的示例1。
下面對製造電光調製器的方法進行說明。所述方法適於製造上述任一實施方式或實施例的電光調製器，為了便於說明，實施例中僅示意了一個混合波導。
在本發明的一種實施方式中，用於製造至少包括混合波導和位於混合波導兩側的電極的電光調製器的方法包括：
S1. 提供第一部件，所述第一部件中至少包含矽層和位於該矽層兩側的導電佈線結構。在一些實施方式中，所述導電佈線結構位於所述矽層兩側的外側。在一些實施方式中，所述導電佈線結構鄰接所述矽層或位於所述矽層的兩側的內側。
S2. 提供第二部件，所述第二部件中包含非線性光學材料層和位於該非線性光學材料層兩側的導電佈線結構。在一些實施方式中，所述導電佈線結構鄰接所述非線性光學材料層或位於所述非線性光學材料層的兩側的內側。在一些實施方式中，所述導電佈線結構位於所述非線性光學材料層兩側的外側。
S3. 將所述第一部件與所述第二部件鍵合在一起，形成所述電光調製器，其中，所述矽層與所述非線性光學材料層層疊在一起形成所述混合波導，並且，所述位於該矽層兩側的導電佈線結構與位於該非線性光學材料層兩側的導電佈線結構電連接，以形成所述電極。
在一些實施方式中，所述第一部件包括光子集成晶片（PIC）和介電層（interlayer dielectric，ILD）。在步驟S1，可以通過PIC的前端製程（front-end of line，FEOL）在商業化晶圓廠（fab）完成，得到所述第一部件。在該第一部件中形成有矽層和導電佈線結構，所述矽層包括單晶矽層（C-Si）、氮化矽層中的至少一者。在一些實施方式中，所述第一部件除了包含所述矽層和導電佈線結構外，還包含一個或多個其他光學器件。
在一些實施方式中，獨立於步驟S1，在步驟S2，在一SOI（絕緣體上矽）晶圓上沉積一定厚度的非線性光學材料層和導電佈線結構，得到第二部件，其中所述非線性光學材料層包括下述至少一種：鈦酸鋇層（BTO）、鈮酸鋰層、鉭酸鋰層、有機高分子聚合物層。應當理解，步驟S2獨立於步驟S1，二者沒有依賴關係，可以先執行步驟S1，再執行步驟S2，也可以先執行步驟S2，再執行步驟S1。在可選的實施方式中，步驟S1和步驟S2可以並行執行，以提高生産效率。
在一些實施方式中，在步驟S3，在PIC的後端製程（back-end of line，BEOL），通過晶圓鍵合工藝（wafer bonding）將所述第一部件與所述第二部件直接結合在一起，得到所述電光調製器。並且，所述矽層與所述非線性光學材料層層疊在一起形成所述混合波導。在一些實施方式中，在鈦酸鋇層（BTO）上方層疊單晶矽層（C-Si）形成所述混合波導。可選地，可以在鈮酸鋰層上方層疊氮化矽層形成所述混合波導。
通過上述工藝製得的電光調製器是電容型的，且電容極小，極容易驅動，無靜態功耗，動態功耗極低。相比於現有的調製器，所述電光調製器的能耗低、尺寸小。
在示例性實施方式中，在步驟S1，所述提供第一部件包括下述工序：
1：採用前端製程形成第一製品，如圖7所示，第一製品可以是層疊的晶片的成品或半成品，其包含單晶矽層101。可選的，所述前端製程可以在商業化的晶圓廠完成，得到所述層疊的晶片。在一些實施方式，所述第一製品中還可以包含鍺矽光電探測器（Ge-Si PD）102、基於載流子色散效應的調製器或者光衰減器（VOA）103、以及其他無源器件等等。所述第一製品採用SOI襯底製備，所述單晶矽層101設置在SOI的頂層矽中，與底層矽隔著埋置氧化矽層，上側覆蓋介電層，介電層可以由氧化矽製成。
2：對所述第一製品進行減薄處理。在一些實施方式中，如圖8所示，在第一製品的上表面鍵合新襯底106，然後移除原來的襯底105，並去除第一製品下方的部分氧化矽104，以將單晶矽層101下方的氧化矽減薄至0~50nm的厚度，若單晶矽層101下方的氧化矽層大於50nm，單晶矽層101與後續形成的非線性材料層距離太遠，兩者構成的混合波導距離太遠，調製效果不佳。
3：對於經所述減薄處理的第一製品，至少在對應於所述單晶矽層101的區域的兩側形成用作電極的導電佈線結構，所述導電佈線結構包括第一導電佈線結構107和第二導電佈線結構108，得到第一部件100，如圖9所示。具體而言，如圖9所示，將經過工序2處理後的第一製品翻轉180°，使新襯底106朝下，然後在需要的位置開窗，例如，在單晶矽層101的兩側，對應於待鍵合的非線性光學材料層的區域的兩側開窗並沉積金屬，形成第一導電佈線結構107和第二導電佈線結構108，然後對表面進行化學機械拋光。在本實施方式中，所述第一導電佈線結構107和第二導電佈線結構108為貫穿襯底通孔（TSV）的導電結構。在可選的實施方式中，所述第一導電佈線結構107和第二導電佈線結構108可以採用本領域合適的其他結構，例如，金屬導電迹線或埋線等。
經過上述三道工序得到所述第一部件100。在本實施方式中，所述第一部件100可以為光子集成晶片，其包含單晶矽層101以及其他光學器件。例如，所述其他光學器件包括鍺矽光電探測器（Ge-Si PD）102、基於載流子色散效應的調製器或者光衰減器（VOA）103、連接波導（例如，矽波導）等。
在示例性實施方式中，在步驟S2，所述提供第二部件包括下述工序：
（一）：在晶圓上形成非線性光學材料層，例如鈦酸鋇層（BTO）。在一些實施方式中，在一SOI晶圓上，通過外延生長或者化學溶液沉積等技術獲得一定厚度的非線性光學材料層。
（二）：去除預定區域之外的非線性光學材料層而保留所述預定區域的非線性光學材料層，得到第二製品，其中所述預定區域為待與所述單晶矽層101重疊的區域。具體地，可以通過乾法刻蝕將不需要保留的非線性光學材料層去除
（三）：在所述第二製品的上方進一步沉積氧化矽層，以使非線性光學材料層上表面平整化，以得到第三製品；
（四）：對於所述第三製品，在對應於保留的非線性光學材料層的區域的兩側形成導電佈線結構，得到所述第二部件。具體地，在需要的位置開孔並沉積金屬或者進行TSV後端工藝形成所述導電佈線結構，所述導電佈線結構可以是貫穿襯底通孔的導電結構。可選的，將所述第二部件的上表面拋光並盡可能減薄，具體地，將非線性光學材料層之上的氧化矽盡可能減薄，以減小非線性光學材料層與單晶矽層之間的間隙。可選的，非線性光學材料層的厚度一般在數百納米左右。
如圖10所示，經過上述四道工序得到的第二部件200包括非線性光學材料層201、第三導電佈線結構207和第四導電佈線結構208。在本實施方式中，所述第三導電佈線結構207和第四導電佈線結構208分別為貫穿襯底通孔的導電結構。本發明不限於此，在可選的實施方式中，所述第三導電佈線結構207和第四導電佈線結構208可以採用本領域合適的其他結構，例如，金屬導電迹線或埋線等。
在示例性實施方式中，在步驟S3，在PIC的後端製程，通過晶圓鍵合工藝將所述第一部件100與所述第二部件200直接結合在一起，得到電光調製器。在一些實施方式中，如圖11所示，在第一部件100的上表面鍵合第二部件200，並移除新襯底106，其中，非線性光學材料層201位於單晶矽層101的上方以形成混合波導，並且第一導電佈線結構107與第三導電佈線結構207電連接以形成第一電極，第二導電佈線結構108與第四導電佈線結構208電連接以形成第二電極，從而得到所述電光調製器。在所述電光調製器中，所述第一電極、第二電極用於向所述混合波導施加電場，所述電場會改變混合波導的折射率，從而對經過所述混合波導的光信號進行調製。在一些實施方式中，當所述第一電極、第二電極施加的電信號承載數據或信息時，通過所述調製將所述數據或信息承載到所述光信號中。在一些實施方式中，使用所述電光調製器構造光子神經網路，由此，通過所述調製能夠使用所述電信號承載的權重信息對所述光信號承載的信息進行運算處理，例如，卷積運算。
在一些實施方式中，如圖12所示，對於所述第一部件與所述第二部件鍵合在一起得到的産品（即電光調製器），在該産品的至少一個表面形成用於與另外的部件鍵合的鍵合結構300。所述鍵合結構300可以是焊料球、微凸起（μBump）等。在一些實施方式中，所述電光調製器的上表面的微凸起主要用於與電晶片（EIC）互連，下表面的微凸起用於與封裝的基板相連。
本領技術人員應當理解，雖然上述實施方式主要以非線性光學材料為BTO為例對本發明進行了說明，但本發明不限於此，非線性光學材料還可以是鈮酸鋰、鉭酸鋰、有機高分子聚合物等。
本領技術人員應當理解，以上所公開的僅為本發明的實施方式而已，當然不能以此來限定本申請請求專利保護的權利範圍，依本發明實施方式所作的等同變化，仍屬本申請之權利要求所涵蓋的範圍。
901:基部
902:變形部
1001:基部
1002:變形部
1003:中間部
100:第一部件
101:單晶矽層
102:鍺矽光電探測器
103:基於載流子色散效應的調製器或者光衰減器
104:氧化矽
105:襯底
106:新襯底
107:第一導電佈線結構
108:第二導電佈線結構
200:第二部件
201:非線性光學材料層
207:第三導電佈線結構
208:第四導電佈線結構
300:鍵合結構
圖1是根據本發明一種實施方式的電光調製器的結構示意圖。
圖2是根據本發明另一種實施方式的電光調製器的結構示意圖。
圖3a是示出本發明實施方式的電光調製器的耦合端的漸變結構的一例的俯視圖。
圖3b是圖3a所示結構的A-A剖視圖。
圖3c是圖3a所示結構的B-B剖視圖。
圖4a是示出本發明實施方式的電光調製器的耦合端的漸變結構的另一例的俯視圖。
圖4b是圖4a所示結構的a-a剖視圖。
圖4c是圖4a所示結構的b-b剖視圖。
圖4d是圖4a所示結構的c-c剖視圖。
圖5a是示出本發明實施方式的電光調製器的混合波導的一例的俯視圖。
圖5b是圖5a所示的混合波導的縱剖面圖。
圖6a是示出本發明實施方式的電光調製器的混合波導的又一例的俯視圖。
圖6b是圖6a所示的混合波導的縱剖面圖。
圖7是根據本發明示例性實施方式的電光調製器的製造方法中的一階段的製品的剖視圖。
圖8是在圖7所示的階段之後的一階段的製品的剖視圖。
圖9是在圖8所示的階段之後的一階段的製品的剖視圖。
圖10是根據本發明示例性實施方式的電光調製器的製造方法中的另一階段的製品的剖視圖。
圖11是根據本發明示例性實施方式的電光調製器的製造方法中的又一階段的製品的剖視圖。
圖12是在圖11所示的階段之後的一階段的製品的剖視圖。
Claims (19)
- 一種電光調製器，包括： 混合波導，所述混合波導包含層疊的矽層和非線性光學材料層；和 電極，其包括設置在所述混合波導兩側的第一電極和第二電極； 其中，所述混合波導的兩端延伸出用於光耦合的耦合端， 所述混合波導兩端的耦合端中的至少一者包含漸變結構。
- 如請求項1所述的電光調製器，所述非線性光學材料層包括下述至少一種：鈦酸鋇層、鈮酸鋰層、鉭酸鋰層、有機高分子聚合物層； 和/或，所述矽層包括下述至少一種：單晶矽層、氮化矽層。
- 如請求項1所述的電光調製器，所述混合波導中，所述矽層的垂直方向的投影位於所述非線性光學材料層的垂直投影範圍內。
- 如請求項1所述的電光調製器，所述漸變結構包括： 基部，其與所述混合波導相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層； 變形部，其與所述基部相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層，其中，所述變形部包含的非線性光學材料層自所述基部包含的非線性光學材料層延伸並且朝遠離所述基部的方向尺寸逐漸變小，所述變形部包含的矽層自所述基部包含的矽層延伸並且尺寸不變。
- 如請求項1所述的電光調製器，所述漸變結構包括： 基部，其與所述混合波導相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層； 中間部，其與所述基部相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層； 變形部，其與所述中間部相連並且包含層疊的矽層和非線性光學材料層； 其中，在所述中間部，其矽層包括從所述變形部延伸過來的矽層以及從所述基部延伸過來的矽層，從所述變形部延伸過來的矽層位於從所述基部延伸過來的矽層的上方， 所述變形部包含的非線性光學材料層自所述中間部包含的非線性光學材料層延伸並且朝遠離所述中間部的方向尺寸逐漸變小。
- 如請求項4或5所述的電光調製器，所述變形部包含的所述非線性光學材料層的端面包括傾斜面。
- 如請求項6所述的電光調製器，俯視觀察時，所述變形部包含的所述非線性光學材料層的所述傾斜面與其包含的所述矽層具有夾角。
- 如請求項7所述的電光調製器，所述夾角的角度小於45°。
- 如請求項5所述的電光調製器，在所述中間部，從所述變形部延伸過來的矽層的厚度大於從所述基部延伸過來的矽層的厚度。
- 如請求項5所述的電光調製器，俯視觀察時，在所述中間部，從所述基部延伸過來的矽層的寬度沿著延伸方向先逐漸變大後逐漸變小。
- 如請求項5所述的電光調製器，俯視觀察時，在所述中間部，從所述變形部延伸過來的矽層的尾部的寬度沿著延伸方向逐漸變小。
- 如請求項1所述的電光調製器，還包括：至少兩個所述混合波導、至少一個分束器和至少一個合束器； 所述分束器的輸出端經由第一連接波導與相應的混合波導的輸入側的耦合端連接，以及 所述合束器的輸入端經由第二連接波導與相應的混合波導的輸出側的耦合端連接。
- 一種電光調製器的製造方法，所述製造方法適於製造如請求項1至12中任意一項所述的電光調製器，所述電光調製器的製造方法包括： 提供第一部件，所述第一部件中至少包含矽層和位於該矽層兩側的導電佈線結構； 提供第二部件，所述第二部件中包含非線性光學材料層和位於該非線性光學材料層兩側的導電佈線結構； 將所述第一部件與所述第二部件鍵合在一起，形成所述電光調製器，其中，所述矽層與所述非線性光學材料層層疊在一起形成混合波導，並且，所述位於該矽層兩側的導電佈線結構與位於該非線性光學材料層兩側的導電佈線結構電連接，以形成位於所述混合波導兩側的電極。
- 如請求項13所述的電光調製器的製造方法，所述混合波導包括通過在鈦酸鋇層上方層疊單晶矽層形成的第一混合波導。
- 如請求項13所述的電光調製器的製造方法，所述混合波導包括通過在鈮酸鋰層上方層疊氮化矽層形成的第二混合波導。
- 如請求項13所述的電光調製器的製造方法，所述提供第一部件包括： 採用前端製程形成第一製品，所述第一製品中包含所述矽層； 對所述第一製品靠近矽層的一側進行減薄處理； 對於經所述減薄處理的第一製品，至少在對應於所述矽層的區域的兩側形成導電佈線結構，得到所述第一部件。
- 如請求項13所述的電光調製器的製造方法，所述提供第二部件包括： 在晶圓上形成非線性光學材料層， 去除預定區域之外的非線性光學材料而保留所述預定區域的非線性光學材料層，得到第二製品，其中所述預定區域為將與所述矽層重疊的區域； 在所述第二製品的上方進一步沉積氧化矽層，以得到第三製品； 對於所述第三製品，在對應於保留的非線性光學材料層的區域的兩側形成導電佈線結構，得到所述第二部件。
- 如請求項13所述的電光調製器的製造方法，所述導電佈線結構包括貫穿襯底過孔的導電結構。
- 如請求項13所述的電光調製器的製造方法，還包括： 對於所述第一部件與所述第二部件鍵合在一起得到的所述電光調製器，在所述電光調製器的至少一個表面形成用於與另外的部件鍵合的鍵合結構。
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