TWI631783B - 用於可調式雷射的混合整合之方法與系統 - Google Patents

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Abstract

本案係一可調式雷射包含一基材，係包含一矽材料，及耦接至基材的一增益介質。增益介質包含一化合物半導體材料。可調式雷射亦包含設於基材內並光學耦接至增益介質的一波導，一第一波長選擇元件其特徵為一第一反射光譜且設於基材內，以及一第二波長選擇元件其特徵為一第二反射光譜且設於基材內。可調式雷射進一步包含設於基材內且結合第一波長選擇元件的一光耦合器、第二波長選擇元件、以及波導與一輸出反射鏡。

Description

用於可調式雷射的混合整合之方法與系統
本案有關於用於可調式雷射的混合整合之方法與系統。
先進的電子功能，如光子元件的偏置控制、調製、放大、資料序列化和反序列化、幀、路由等其他功能通常係佈設在矽積體電路上。一個關鍵原因就是，存在一個以矽積體電路的設計和製造的總體的基礎結構，使元件的生產在市場有利的成本下需要非常先進的功能和性能。矽尚未有益於光發射或光放大，因為它的直接能量帶間隙。這種缺陷阻止了在矽上製作單片集成的光電積體電路。
化合物半導體例如磷化銦(InP)、砷化鎵，及相關的三元及四元材料，因具有直接能量帶間隙，對於光通訊、尤其是發光元件與光電二極體係極為重要的。同時，整合在這些材料上的先進的電子功能已不限於利基，及由於在這些材料中製造元件和電路的更高成本的高性能應用。
矽積體電路（IC）主宰了電子的發展，而許多基於矽的加工技術已經發展了多年。他們繼續微小化到納米級的特徵尺寸，其對於用於製造互補金屬氧化物半導體CMOS電路為關鍵的。另一方面，矽不是一直接帶隙材料。雖然直接帶隙材料，包括III-V族化合物半導體材料如磷化銦（InP）已被開發出來，在習知技藝中仍需要改進有關於應用矽基材的光子IC的方法及系統。
因此，在習知技藝中仍需要改進有關於矽與化合物半導體元件的混成整合的方法及系統。
本專利申請案請求於2009年10月13日申請的美國臨時申請案號No. 61/251,132與No. 61/251,143的優先權，並以引用方式將其明確地併入本案。
本發明之實施例係關於混合集成矽光子學。尤其，本發明之實施例有關於具有在一矽基底及類似材料上的單石積體化調諧元件的化合物半導體晶片的一種混合集成的裝置及方法。
依據本發明之一實施例，係提供有關於光子積合的技術。僅以實例來描述，本發明之實施例係使用於製造並操作運用一混合設計的一可調式雷射的方法及系統。特別是，本發明之一實施例包含一混合系統，其包含製造於一第一材料系統中的一半導體雷射裝置，及製造於一第二材料系統中的一波長調整元件。在一些實施例中，可調式雷射係利用此處所述的黏接方法來製造。但本發明的範圍應更寬於本應用，並包含其他光子的系統。
依據本發明之一實施例，一可調式雷射包含一基材，係包含一矽材料，及耦接至基材的一增益介質。增益介質包含一化合物半導體材料。可調式雷射亦包含設於基材內並光學耦接至增益介質的一波導，一第一波長選擇元件其特徵為一第一反射光譜且設於基材內，以及一第二波長選擇元件其特徵為一第二反射光譜且設於基材內。可調式雷射進一步包含設於基材內且結合第一波長選擇元件的一光耦合器、第二波長選擇元件、以及波導與一輸出反射鏡。
依據本發明之另一實施例，係提供操作一可調式雷射之方法。該方法包含步驟：調整一第一調制光柵反射器及調整一第二調制光柵反射器。該第一調制光柵反射器特徵為一第一反射光譜包含一第一複數個反射率峰值，且該第二調制光柵反射器特徵為一第二反射光譜包含一第二複數個反射率峰值。該方法亦包含步驟：從包含一化合物半導體材料的一增益介質產生光輻射；以及對該光輻射進行波導以穿過一光耦合器。該方法進一步包含步驟：反射一部分的該光輻射，其具有以該第一複數個反射率峰值之一及該第二複數個反射率峰值之一的一交疊所定義的一光譜帶寬；放大該部分的該光輻射於該增益介質中；以及經由一輸出反射鏡傳送一部分的該放大的光輻射。
依據本發明之一實施例，係提供關於半導體製程的技術。僅以實例來描述，本發明之實施例係用於在光子積合應用中用於黏接非均質材料的方法及系統。特別地，本發明之一實施例運用一混合黏接結構包含一金屬/半導體鍵與一半導體/半導體黏接，以達到低光學損耗及高電傳導性。該半導體/半導體黏接可為一介面輔助黏接。但本發明的範圍應更寬於本應用，並包含其他基材黏接技術。
依據本發明之一實施例，係提供一混合積體光學元件。該混合積體光學元件包含了包含一矽晶層及黏接於該矽晶層上之一化合物半導體元件的一基板。該混合積體光學元件亦包含設於該矽晶層與該化合物半導體元件之間的一黏接區域。該黏接區域包含在該黏接區域的一第一部分的一金屬/半導體鍵。該金屬/半導體鍵包含一第一墊片黏接至該矽晶層、一鍵合金屬黏接至該第一墊片、及一第二墊片黏接至該鍵合金屬與該化合物半導體元件。該黏接區域亦包含在該黏接區域的一第二部分的一介面輔助黏接。該介面輔助黏接包含一介面層位於該矽晶層與該化合物半導體元件之間。該介面輔助黏接提供在該矽晶層與該化合物半導體元件之間的一歐姆接觸。
依據本發明之另一實施例，係提供製造一混合積體光學元的一方法。該方法包含步驟：提供包含一矽晶層的一基材，以及提供一化合物半導體元件。該方法亦包含步驟：形成一黏接區域，其設於該矽晶層與該化合物半導體元件之間。該黏接區域包含位於該黏接區域的一第一部分的一金屬-半導體鍵。該金屬-半導體鍵包含黏接至該矽晶層的一第一墊片，黏接至該第一墊片的一鍵合金屬，以及黏接至該鍵合金屬與該化合物半導體元件的一第二墊片。該黏接區域亦包含位於該黏接區域的一第二部分的一介面輔助黏接。該介面輔助黏接包含一介面層位於該矽晶層與該化合物半導體元件之間，其中該介面輔助黏接係提供在該矽晶層與該化合物半導體元件之間的一歐姆接觸。
藉由本發明的方法達成許多在傳統技術上的優點。例如，本發明之實施例提供適於光通訊系統的縮減尺寸及電力消耗的方法及系統，放寬嚴格的元件的溫度控制的要求，及藉由減低元件中的折射率變動來增加雷射線寬。例如，本發明之實施例適於提供具有良好力學性質、良好電傳導性、充分符合規範的一黏接的方法及系統，以允許具有不同熱膨脹係數半導體材料的複合或混合粘接具有良好的可靠度，且其亦具有良好的光學透通性。此一具有優點的組合允許沿著在二或多個不同類的半導體材料之間的黏接介面的電與光學的功能性。本發明的這些及其他實施例，單獨具有許多優點與特徵係詳如以下的文字與附圖的敘述。
矽的混成整合較佳用於光電積體電路的商用配置。矽是電子整合的較佳材料。矽的科技具有可以廉價地實現十分複雜的電子功能。矽亦為建構低損耗光學波導的一良好材料。然而，矽有礙於光產生與偵測功能的單晶整合，因為它是一間接帶隙材料。相反地，化合物半導體材料，包括III-V族材料，例如磷化銦(InP)係非常適於光產生與偵測，源因於它的物理性質如作為直接的帶隙材料。這些材料是具有小基材的與(相較於矽)對低的產率的複合材料系統。因此，建構具有高功能性水平的裝置的成本不至過高。
本發明之實施例係關於用以具有在一矽基底或類似材料之上單晶整合的調整元件的化合物半導體元件的混成整合之一裝置及方法。較佳地，混成整合是克服矽與化合物半導體特定缺陷的一種方法，當利用其各別的優勢。本發明之實施例，較佳係利用使用矽元件來降低成本而可得到的複合的電功能性，以及使用III-V族材料來形成混合集成系統而可得到的光學機能(如光產生與偵測)。本發明之一些實施例係從III-V族材料系統移除功能性並將此功能性移轉至矽系統以增進系統效能。
本發明之實施例利用安裝於矽積體電路平台及類似元件上的化合物半導體材料系統組裝而成的光激裝置。本發明之實施例可藉由利用複數個歷程上非依賴於一直接能量帶間隙的技術與裝置，包含但非限於可使用矽及相似材料製造而成的波導、光學多工器、光學解多工器、光學調變器、及同類元件，而達到光子積合。本發明之實施例可選擇性地包含但非限於，藉由電流注入或局部加熱來改變矽的折射率的方法。
本發明之實施例包含，但非限於，選擇性地利用作為初始的光學能量來源的雷射裝置。在現今的高密度分波多工("DWDM")系統中，雷射來源係一般固定波長的分散式回饋雷射或可調式雷射。可調式雷射較佳地可提供額外的彈性給光通訊網路操作員。一些DWDM系統可使用具有高達80個不同波長的雷射。一單一可調式雷射能調節至任何那些波長。一可調式雷射可被編製並用來取代任何80個固定波長雷射，從而減少所需的存貨等級及有關的成本。
在本案中所稱的「矽」，包含但非限於四價的非金屬元素及同類。本說明書中所稱的「雷射」，包含但非限於受激輻射光放大(light amplification by stimulated emission of radiation，Laser)的首字母縮略詞；及/或一光學元件，其產生同調光的一密集單色光束。用語「SOI」及/或「絕緣層上矽晶(Silicon on Insulator)」代表著，本說明書中前後所使用的一類型的基板材料，包含但非限於光柵與調諧測試。本說明書中前後所使用的用語「DWDM」及/或「高密度分波多工」，包含但非限於光通訊業所運用的一技術以極大化系統頻寬，而減少主要的耗費與操作的耗費。這些成本可藉由使用DWDM技術而降低，因為系統操作者可簡易地透過增加另一光波長以增加其系統頻寬，而不是需要部署更多的光學纖維，其係通常需要相當大的費用。本說明書中前後所使用的用語「能帶間隙」，包含但非限於一固體的一能量範圍其中不存在電子狀態；及/或在價帶的頂端與導電帶的底端之間的能量差；及/或從繞其原子核的軌道釋放一個外層電子至一自由狀態的所需能量；及/或其任意組合。本說明書中前後所使用的用語「光子積合」，包含但非限於使其成為一個整體或者使其成為多種功能的部分，以及以一數量級減小封裝的尺寸的含義，例如，當符合以分散元件建立的一子系統的性能。本案前後所使用的用語「增益媒介」與可代稱的「增益晶片」，包含但非限於一雷射中的光學增益來源。此增益一般係導因於從一高能態至一低能態的電子激發或分子轉移。本案前後所使用的用語「InP」或「磷化銦(InP)」可用來作為「III-V族化合物半導體」的代稱。
圖1A係依據本發明之一實施例的一混合集成可調式雷射的一簡化平面圖。如圖1A所示，雷射10係為包含設置於一矽基板22上或組裝於其內的主動及被動元件的一混合集成結構。雖然已顯示矽基板22，此意謂包含以矽材料系統製作的不同的半導體元件。這些元件包括CMOS電路、電源、雷射驅動器、熱系統控制器、被動光學元件、主動光學元件、及類似元件。
參照圖1A，一第一調制光柵反射器12與一第二調制光柵反射器14係組裝於矽基板22上。調制光柵反射器12與14較佳係可調的以調整折射率。該第一調制光柵反射器12與該第二調制光柵反射器14係利用依據本發明之實施例的波長選擇元件的例子。於圖1A中所示的調制光柵反射器的使用，非用來限定本發明的範圍，而僅提供波長選擇元件的例子。其他的波長選擇元件可用於本發明之實施例中。更詳細的說明如下，波長選擇元件可為抽樣的布雷格光柵或抽樣的回饋反射鏡，其係提供一梳型的反射率峰值，其具有在一可調整波長範圍的一可變的梳空間。本發明之實施例非限定於這些應用方式與光子晶體、標準結構(etalon structure)、MEMS元件、環狀共振器、陣列-波導光柵元件、馬氏(Mach-Zehnder)晶格過濾器及類似元件可用來作為波長選擇元件。此處所述的藉由波長選擇元件而提供的一優點係一反射光譜，其包括透過一可控制參數如電流，電壓，溫度，機械力，或同類的使用而可調整的一單一或多個峰值。
如一例，整合至矽基板內的加熱器可被用來局部地改變圍繞調制光柵反射器的區域的溫度，從而改變折射率。如下所詳述，控制局部折射率的能力提供了改變調制光柵反射器的反射率及混合集成元件的輸出波長的功能。
雷射10進一步包含，但非限於，多模干擾耦合器16與一或多個相位調整區18。相位調整區18亦可指一相位控制區域，其提供耦合器部分的輸出之間的相位對位不準的校正，耦合器部分的輸出可藉由波長選擇元件(如，光柵區)與增益媒介20來實施。在所示的實施例中，相位調整區18係位於多模干擾耦合器16與增益媒介20之間，然而其他實施例則將此元件設於不同位置而提供相同或相似的性能特性。
藉由一多模干擾耦合器、y-分支、或其他方法的使用來實施的耦合器區，從兩個或多個調整區將光線分離並再組合。基於從一波導(輸入波導)發射進入一傳遞區的同調光會在週期間隔自行成像的原則的多模干擾耦合器，可用來有效地達到n x m的分裂比。此例中，其設計係最佳為一1 x 2分裂，但於具有多個增益晶片抑或多於2個調整臂的案例中可使用其他分裂比。例示的元件所提供的一優點為，從光的相位關係係固定的調整臂返回的同調光能以最小的過度損耗而耦合回該發射波導。為了確保返回光線的干擾圖有與輸入波導的最大交疊，可在一個或更多的分支臂實施一相位調整區。除了在分支臂的相位調整外，在從耦合器16至增益晶片20的該波導區運用一相位調整區18。可藉由一元件如一加熱器或者能改變在該元件下的該波導層的折射率的電流注入電極來實施的這個相位調整區，係用來提供在該元件的腔模態與透過調整區所選擇的光柵模態之間的一交疊。
如圖1A所示，使用一化合物半導體材料系統製造的增益媒介20(亦稱為一增益晶片)係以混合配置方式與矽基板22整合。為直接能帶間隙的化合物半導體材料，會對雷射裝置提供光學增益。增益媒介(及/或其他化合物半導體元件)對矽基板的混成整合或附加可以一或數個方式來提供。在一個別實施例中，混成整合係使用參照第[0002]段所述的相關應用的方法及系統來進行。除了增益媒介外，用化合物半導體材料製造的吸收介質可與該矽基材整合。本發明之實施例將以增益及/或吸收區域作用的III-V族元件與結構與提供光學及/或電的功能性的矽光子學元件整合。矽光子學元件可包含CMOS電路及類似物。習知技藝者可理解多個變化、修飾及替代方式。
如有關圖4-4D中所詳述，調制光柵反射器12與14在雷射10的一端提供反饋。具有一前刻面反射器的形式的反饋係由塗佈至增益媒介於表面21上的一低反射率塗層(例如，具有一些百分比之反射率的一電介質塗層，例如，~ 1-10%)來提供。可替代地，一個分配反饋(如，一光柵)結構可整合於矽基板內以對雷射空腔提供反饋。在另一實施例中，於矽基材的一表面上塗上一低反射係數塗層。習知技藝者可得知多個變化、修飾及替代方案。如圖1A所示，光學功能性而非光學增益，係從其所在的III-V族材料中被移轉並整合進矽材料，從而提高元件良率，相較於完全地整合至III-V族材料的設計。在例示的實施例中，可調整反射區(亦稱為波長選擇元件)及其他光學功能係在矽材料中執行。
圖1A亦繪示有關於第一調制光柵反射器12的加熱器元件26與溫度感應器28，及有關於該第二調制光柵反射器的加熱器元件27與溫度感應器29。在一實施例中，加熱器元件可為透過真空噴塗法形成一材料，諸如W、NiCr、TaN、WSi、RuO2 、PbO、Bi2 Ru2 O7 、Bi2 Ir2 O7 或類似物於其上的一薄膜電阻器。
在一實施例中，溫度感應器可為一電組熱元件(RTD)、一熱電偶、一p-n接面或類似物。藉由流通一電流經過加熱器，可調整圍繞調製的光柵反射器的區域的溫度，以調整折射率和反射率曲線的結果。亦可提供一加熱器及一溫度感應器給亦可使用隨溫度變化的折射率來控制有效光程，從而控制光相位的相位調整區18，以提供類似的功能和波長可調性。
一些本發明之實施例係利用熱調整以在矽基的調制光柵反射器內達到折射率變化。利用熱調整可得到的其中一個優點是，使用熱調整所產生的折射率的短時間內的變化，相較於利用InP材料系統內的電流調整而達到的這些變化，係顯著減少。這種折射率穩定度的改善，會比使用其他方法使雷射光譜線寬明顯變窄。對習知技藝人士將是顯而易見的，本發明之實施例提供的穩定的調整，能夠使用DWDM應用中所述的雷射和其他應用中使用精確調整的雷射。作為一個例子，先進的調製技術，如DQPSK，可以受益於使用此處所述的雷射。
相位調整區係藉由此處包含的該波導區的折射率的調整來運作。藉由折射率的調整，有關於輸入相位角的從相位調節裝置射出的光的相位角可精確地控制。這允許了雷射腔模態與光柵模態直線排列。在所示實施例中，相位調整元件18包含一加熱器19與一溫度感應器17(如，一RTD)。
圖1B係依據本發明之一個別實施例的一混合集成可調式雷射的一簡化截面圖。如圖1B所示，係利用在增益媒介中之波導與矽晶層中之波導之間的直接耦合。加熱器元件與溫度感應器(如，一RTD)係繪示相位調整區與調制光柵反射器區。一封裝材料係繪示於調制光柵反射器區上方。封裝材料係提供電氣隔離等功能。
圖1C係依據本發明之一特定實施例的一混合集成可調式雷射的一簡化截面圖。圖lC中所示的結構係相似於圖lB中的結構，除了在該增益媒介中之該波導與矽晶層中之該波導之間的消失性耦合(evanescent coupling)被利用。
參照圖lB，一控制的折射率層係繪示不需與圖2B中所示的折射率匹配層相同。控制的折射率層可用來供在矽波導中的模態定形，例如，透過使用空氣、SiO2或類似物。依據本發明之一些實施例，一較高折射率材料是用來擴大矽波導中的模態，使能改善光耦合至增益媒介。如果控制的折射率層不是一個絕緣體，一個封裝材料層也可用於加熱器金屬與控制的折射率層之間。如圖1B與1C所示，亦可使用無論是直接耦合（也稱為對接耦合(butt coupling)）或是對矽波導增益媒介的消失性耦合。
參照圖1C，繪示了光耦合器，其可為如一MMI(多模干擾耦合器)的一元件。在一些實施例中，一MMI可使用一非導的(unguided)傳遞區域來形成。此外，除了在調整區的輸出之處所示的相位調整區之外，雖然未繪示於圖lA－lC中，可在Y-分支結構的其中一支設有一第二相位調整區域。
圖2A係為如圖lA中所示的A-A'截面的一截面圖，係繪示矽基板22及一絕緣層上矽晶(SOI)氧化層23與一SOI矽晶層24。在此實施例中所示，利用一蝕刻或其他製程來移除一部分的SOI矽晶層，以提供一凹陷區域來安裝增益晶片20。此蝕刻不會在運用從增益晶片20至矽波導內的光的消失性耦合的實例中進行。增益晶片20係利用一金屬/金屬結構黏接而黏接至在圖2A所示的實施例中的矽基板於位置220與222，其係在混合元件之間提供一電子鍵。此外，繪示了一金屬/半導體或一半導體/半導體鍵210。亦可應用這些黏接技術的組合。習知技藝者可理解多個變化、修飾及替代方式。
圖2B係圖1A中所示於B-B'剖面的一截面圖。對習知技藝人士將是顯而易見的，增益晶片20內的光學波導將會被耦接至SOI矽晶層內的一光學波導。一折射率匹配區域225係提供於增益晶片20與SOI矽晶層之間的介面，以促進混合元件之間的一高程度的光耦合並減少或盡量減少寄生反射(parasitic reflection)。折射率匹配區域225可填充一適合的折射率匹配材料、保持空的、具有塗佈於混合元件的表面如在圖示的刻面230及/或240上的光學塗層、及其組合或類似物。
再參照回圖1，一第一調制光柵反射器12提供建立一梳型的反射光波長的光學反饋。第二調制光柵反射器14提供光學反饋，特徵為一不同的光學週期，從而導致一可變的反射的波長群組。該二個梳型的波長係組合於光耦合器16內。梳型的交疊與雷射作用較佳係因建設性干涉。選擇性地，在梳型未交疊之處，雷射作用的防止較佳係因破壞性干涉。第一調制光柵反射器12及/或第二調制光柵反射器14的特定光譜可透過改變折射率來調整。較佳係利用一加熱元件透過改變調制光柵反射器12、14的溫度來改變折射率。藉由一RTD元件的使用而選擇性地監視加熱的總量。
利用相位調整區域18以補償從第一調制光柵反射器12與第二調制光柵反射器14的反射光譜之間的小相位偏移來提供相位調整。本發明之實施例包含可在一化合物半導體如磷化銦(InP)及/或矽及/或相似材料中實現的功能性區塊。本發明之實施例包含藉由改變矽及類似物的折射率來調整，較佳係使用一熱技術。
在本發明之實施例中，較佳使用一直接-帶隙材料的增益媒介可實現於一化合物半導體材料中。其他本發明之實施例包含可實現於矽材料系統中的功能性區塊。本發明之實施例使用較佳係以各種原因的一混合方式，其包含但非限於：使用以低成本產生高產率的方法製造元件；相較於矽材料系統及類似物，因III-V族材料系統的複雜性，可達成額外整合的幾乎無限的水平。因此，本發明之實施例包括所有必要的電路，以控制可調式雷射的運作，也可以與矽基元件整體地整合。
應當指出，雖然本發明之實施例已在有關半導體產業所生產的產品上實施，本發明之實施例亦在電信產業、企業通訊產業、高性能計算互連、背板光學互連、晶片與晶片的光學互連、內部晶片的光學互連，及類似物的光通信網路係為有益的。除了這些通訊上的應用，本發明之實施例也有應用在醫療器械產業。
以下圖式繪示了使用具有一二氧化矽蓋罩層的一SOI基材在矽中產生的波導的一分析與應用。此材料系統僅以實例來描述，而本發明之實施例可以實現在其他材料系統中。
圖3A係依據本發明之一實施例的一波導的一簡化透視圖。如圖3A所示，一波導結構係以具有厚度的週期變化的一或多層組成的波導而形成。在所示實施例中，SOI矽晶層的厚度不同，其具有厚度H的一高部分與具有厚度H-h的一低部分。該波導的寬度是W，為簡便說明，於圖3A-3C中僅繪示上兩層SOI層(即，SOI氧化層與SOI矽晶層)。圖3B係圖3A中所示依據本發明之一實施例的在一高折射率部分的波導的一簡化截面圖。圖3C係圖3A中所示依據本發明之一實施例的在一低折射率部分的波導的一簡化截面圖。應指出，這些圖中所示的上SiO2 層可被另一控制折射率的層取代，如空氣、TiO2 、SiC、ZnS、Nb2 O5 、HfO2 、ZrO2 。對習知技藝人士將是顯而易見的，不同材料的折射率會影響光模態的形狀。
該波導結構經分析以決定該波導的不同區的一有效折射率。使用一向量EM模態求解器，並應用至具有兩個不同的脊形高度的兩個不同的單一模態脊形波導。有效折射率nH 與nL 及模態輪廓可被取出，然後該全三維的問題變成了具有一維轉置矩陣的方法而能有效地模擬該多層結構的一度的問題。折射率差會產生在長度上連貫累積的反射，會造成不同的反射率與波長。
圖3D係繪示圖3B中所示的波導的高折射率部分的一TE模態的一輪廓圖。圖3E係繪示圖3B中所示的波導的高折射率部分的一TM模態的一輪廓圖。圖3F係繪示圖3C中所示的波導的低折射率部分的一TE模態的一輪廓圖。圖3G係繪示圖3C中所示的波導的低折射率部分的一TM模態的一輪廓圖。
圖4A係繪示依據本發明之一實施例的一第一調制光柵反射器的一反射光譜，圖4B係繪示依據本發明之一實施例的一第二調制光柵反射器的一反射光譜。如圖4A中所示，光柵結構包含一超結構型光柵(SSG)，在其中週期地調製的光柵係提供一似梳型的反射光譜。在這些光柵中，提供了具週期性的多個元件，從而關聯於光柵的模態間隔係覆蓋有一包絡線(envelope)。在梳型之間的間隔將會是高度及該波導中形成的光柵特徵的其他特徵的一函數。
如一SSG的一例，圖4A中所示的反射光譜係利用以下三步驟調製的超結構型光柵參數來獲得： 工作循環 = [0.5 0.5 0.5] 週期 = [227.7 230 232.3] nm Nsub = [110 109 108] Λs = (25.047+25.07+25.088) = 75.205μm nH = 3.3757； nL = 3.3709； Δn = nH - nL = 0.0048 Np =11 週期的總數= 3597混合的週期 對於這些光柵參數，能獲得Δλ2 = 4.7 nm的一模態間隔。
如一SSG的另一例，圖4B中所示的反射光譜係利用以下三步驟調製的超結構型光柵參數來獲得： 工作循環 = [0.5 0.5 0.5] 週期 = [228.2 230 231.8] nm Nsub = [131 130 129] Λs = (29.894+29.9+29.902) = 89.696μm nH = 3.3757； nL = 3.3709； Δn = nH - nL = 0.0048 Np =11 週期的總數= 4290混合的週期 對於這些光柵參數，能獲得Δλ2 = 4.0 nm的一模態間隔。
圖4C係繪示圖4A與圖4B中所示的反射光譜的一交疊。圖4D係繪示圖4A與圖4B中所示的反射光譜之間的建設性干涉。該第一與第二調制光柵反射器係設計以提供不同峰值間隔，使得僅一單一峰值連成一直線。因此，僅選擇一腔模態供發出雷射。如下所述，基於熱效應、自由載子射入、或類似物，單一峰值在波長間隔可作大符調整。雖然本發明之實施例係以有關於在1550 nm左右的操作及可維持性，使用合適的半導體雷射材料亦可得到其他波長。
因此，本發明的矽混合可調式雷射的應用，能有利地在大致上整個波長範圍上調整。如下詳述的利用包括熱調整的數個技術可達成調整。再參照回圖4A與4B，例示的實施例在包含40℃的一溫度的範圍內係可操作的。雷射波長的調整可考量以下：圖4A所示的波長梳型係由圖1A所示的第一調制光柵反射器12建立。圖4B所示的波長梳型係由圖4B所示的該第二調制光柵反射器14建立。該第一梳型與該第二梳型的覆蓋係繪示於圖4C中，並顯示出從該第一調制光柵反射器12與該第二調制光柵反射器14得到的波長的組合。在兩個波長梳型之間的建設性干涉係繪示於圖4D中，其在反射率輪廓中具有大致上一單一峰值。該一強反射波峰因而產生該單一雷射模態，其係受組合的反射率維持的唯一模態。在一實施例中，圖4D中所示的光譜會以提供至相位調整區18的光耦合器16的輸出來表示。
圖5A係為依據本發明之一實施例的操作波長的一溫度變化函數圖形。如圖5A中所示，操作波長以一溫度的函數以大致上線性方式而改變。對習知技藝人士將是顯而易見的，反射波峰的波長以一溫度(及折射率)的函數的改變，導致操作波長的改變。
圖5B係繪示依據本發明之一實施例的一反射光譜的波長變化的一折射率函數。對於一名義上的折射率(Δn = 0)，梳型的峰值係位於一第一群組的波長。當折射率改變時，例如，透過熱調整，該梳型改變成一新的群組的波長，如以關於Δn =0.003及Δn =0.006的梳型所示。因此，本發明之實施例提供矽光子學的可調性，在其中係利用矽的光熱(TO)效應來完成調整。矽的TO係數約為 CTO = 2.4 x 104 K-1 在溫度範圍到達650℃。在此處所述的實施例中，一傳統的矽脊形波導係用來提供波導，以使TO於視為是在以上給定的值的相同範圍內。在TO效應下的折射率可表示為： ∆n =CTO ∆T
因此，對於在40℃左右的一溫度改變，可提供矽材料的反射率變成約0.0096的一改變。如圖5B中所示，這解釋了雷射波長的約4 nm的改變。應該指出的是，對每一模態的動態的調整範圍可藉由增加超期限的數量(Np)來調整。
除了熱調整之外，本發明之實施例可利用目前的調整，依據Kramer-Kronig關係式。
圖6係為依據本發明之一實施例的操作一混合集成雷射之方法的一簡化流程圖。可利用操作一可調式雷射的方法600，包含調整一第一波長選擇元件(如，設於一矽晶絕緣體晶片的一矽晶層內的一第一調制光柵反射器)的步驟(610)，以及調整一第二波長選擇元件(如，設於該矽晶絕緣體晶片的該矽晶層內的一第二調制光柵反射器)的步驟(612)。該第一波長選擇元件係特徵為一第一反射光譜包含一第一複數個反射率峰值。該第二波長選擇元件係特徵為一第二反射光譜包含一第二複數個反射率峰值。在一個別實施例中，一第一調制光柵反射器包含一超結構型光柵，特徵為具有在模態之間的一第一波長間隔，且一第二調制光柵反射器包含一超結構型光柵，特徵為在模態之間的一第二波長間隔係不同於在模態之間的該第一波長間隔。波長選擇元件可包括折射率調整元件，例如能具有提供的調整功能性的熱元件。在具有熱元件的應用中，諸如RTD等之溫度感應器可用來監視並控制熱輸入。習知技藝者可理解多個變化、修飾及替代方式。
該方法亦包含，從包含一化合物半導體材料的一增益介質產生光輻射(步驟614)，以及對該光輻射進行波導以穿過一光耦合器(步驟616)。光輻射會通過一相位調整區域。該方法進一步包含，反射一部分的該光輻射，其具有以該第一複數個反射率峰值之一及該第二複數個反射率峰值之一的一交疊所定義的一光譜帶寬(步驟618)，放大該部分的該光輻射於該增益介質中(步驟620)，以及經由一輸出反射鏡傳送一部分的該放大的光輻射(步驟622)。
應理解的是，圖6所示的特定步驟，提供依據本發明之一實施例的操作一混合集成雷射的一特別方法。依據替代的實施例，亦可進行其他的步驟順序。例如，本發明之替代的實施例，可以一不同順序進行上列步驟。再者，圖6所示的個別步驟，可包含多個能以不同順序進行的子步驟以適於該個別步驟。進一步，基於特定應用而可新增或移除額外的步驟。習知技藝者可理解多個變化、修飾及替代方式。
本發明之實施例關於一種裝置與方法，其較佳使用一黏接應力於晶圓的黏接，並使用一中介層以利於從矽及相似材料到其他材料的供光耦合及電子傳遞的傳輸。本發明之實施例較佳併入低的應力，此領域習知的低溫晶圓黏接，且較佳包含供光耦合及電子傳遞的一薄膜中介層。
圖7係繪示在一IIIV族基材與一矽基材之間具有一低應力黏接的一光電二極體之一實施例。圖8係繪示依據本發明之一實施例的一黏接結構。圖8所示係提供兩個介面712與714。第一介面712係位於一矽基板720與一中介層718之間。第二介面714係位於中介層718與一第二半導體層716之間。本發明之實施例較佳係使用於黏接製程中，以利於整合非均質材料。利於整合的實施例較佳地分散因矽晶體與該第二半導體之間的晶格不匹配所產生的應力，其會形成於此二介面上並可大符減低，係因中介層中的晶體的需求的減低。該中介層可為一合金，其組成可以分級跨層的粘接，以利於在兩個介面712與714上的黏接。
中介層718較佳為薄的，範圍從約4–5個單分子層至大於約60–70單分子層，其在當電子傳遞能較佳地透過穿過層的實際載子傳輸而實現時，大致地允許光學和熱傳導性能幾乎不受影響。在一些本發明之實施例中，中介層718在該第一介面與第二介面上形成熱及電接觸。本發明之實施例可用於複數個高性能光電元件的製程，包含但非限於調制器、雷射、偵測器、放大器、耦合器、波長可調光學元件及/或電路、及其組合或類似物。此處所述的實施例，係可應用於各種材料系統，其係包含矽如所例示的矽基板720及/或類似物，與可為一化合物半導體材料的第二半導體材料716。運用本發明之實施例，可將非均質材料(如，化合物半導體及矽基材)整合於一普通基材之上。
在本案前後文所用的「能帶間隙」一詞，包含但並非限於在價帶的頂端與導電帶的底端之間的能量差。在本案前後文所用的「光耦合」一詞，包含但並非限於，放置二或多個電磁元件包含相互接近的光學波導，使得在其接觸另一元件之前，由一元件所產生的漸逝場(evanescent field)不會衰減。在本案前後文所用的「電子傳遞」一詞，包含但並非限於，一電子傳遞鏈耦合在一電子供體與一電子受體之間的一化學反應，以傳送H+離子穿越一薄膜，藉由一組中間化學或生化反應。在本案前後所稱的「互補金氧半導體」一詞，包含但並非限於，製造積體電路、微處理器、微控制器、靜態隨機存取記憶體、數位邏輯電路、類比電路、及高整合性收發機的技術。
本發明之實施例選擇性地運用圖8中所示的中介層718的多數特徵。依據一實施例，中介層718的厚度係非常薄，範圍從幾個單分子層(即，厚度約10Å)至幾十個單分子層。在一實施例中，在中介層係使用一沉積技術來沉積，其係提供了在小厚度均勻覆蓋。例示的沉積技術包含PVD、ALD、濺鍍、電子束(e-beam)沉積，或類似技術。中介層718較佳係在從低於200℃的相對低溫下沉積。在此低溫下，在第一介面712與第二介面714之間會存在熱膨脹較小的差異(亦即，熱膨脹係數(CTE)的差異)。中介層718較佳於介面上形成熱接觸，且較佳為熱傳導性的。中介層718較佳形成良好電接觸於兩介面，且較佳為電傳導性的。這是沒有必要為結晶性，使在兩個介面的晶格匹配不會是一個問題。在一些實施例中，中介層718係一合金材料，其組成可以依各層而相異。
本發明之實施例係適於一裝置，其包含在一矽基板層上的一中介層上的一半導體層。該中介層具有比該半導體層低的一熱導率。該裝置還包括複數個介面，其係提供於半導體層與底層之間，從而防止晶格不匹配。
本發明之實施例亦包含一黏接方法，包含分別形成第一及第二接合表面於第一及第二材料上的步驟，接合表面的至少一者包含一中介層。該方法亦包含增加所述第一與第二接合表面至少一者活化的步驟，終止具有不同類別的所述第一與第二接合表面至少一者而允許化學與電子鍵的形式的步驟，以及在一溫度下對所述第一與第二材料進行回火。
圖9係繪示依據本發明之一實施例的合金穩定性的一相位圖。如圖9所示，該合金的穩定性使此一合金適用於一中介層，如中介層718。在一些實施例中，該一合金(例如，Inx Pdy )具有一小厚度以於半導體-半導體介面適於應力。
此處所述的本發明之實施例係針對半導體產業所使用的晶圓，本發明亦適用於熱電(TE)冷卻技術，及實際上包括光耦合與電子傳遞的任何應用。
僅舉例說明，依據本發明之實施例適合使用的一中介層係Inx Pdy ，如In0.7 Pd0.3 ，其係在非常高溫下為穩定的一合金，如圖9所示。此合金形成一歐姆接觸於具有矽及/或III-V族材料的介面上，其任一面的摻雜型態可為p-型或n-型其中之一。因此，本發明之實施例提供一中介層，其係提供了在中介層的兩側的材料之間的歐姆接觸、附著性、包含透明度(亦即，低光學損耗)的光學品質、應力適應性、及其他優點。其他合適的合金包含鍺鈀、金/鍺、Au/Sn、Al/Mg、Au/Si、鈀、銦/錫/銀合金、包含Bi、Sn、Zn、Pb或In的金屬合金，及其組合或類似物。最佳合金一般具有共晶(eutectic)點或包晶(peritectic)點，且有能在350℃到500℃的範圍的黏接製程溫度。
圖10係為依據本發明之一實施例的黏接至一矽基板的一化合物半導體結構的一簡化示意圖。參照圖10，一混合的金屬/半導體鍵係繪示有關於一化合物半導體元件810對一矽基的基材805的黏接。在圖10所示的實施例中，矽基的基材805係一絕緣層上矽晶(SOI)基材，雖此非本發明之實施例所必須。該SOI基材包含一矽基板層806、一矽氧化層807、及一矽晶層808，其可為單晶矽。平面化材料係用於圖10中所示之實施例，並且互連金屬其提供了SOI基材的化合物半導體元件810與矽晶層808之間的部分的導電性。在圖10所示之實施例中，化合物半導體元件810延伸至一高度至矽晶層808的上表面之上。
如圖10中所示，數個鍵係形成於矽晶層808與化合物半導體元件810之間。接合1係一金屬/金屬黏接。有關於接合1，墊片(圖10中未顯示，但繪示於之後的圖式)係定義於SOI基材(如，矽晶層808)與化合物半導體元件810兩者之上。這些墊片可包含一附著金屬如Ti或Cr，及一障壁金屬如Pt或Ni。用於黏接製程的金屬一般係具有範圍在350℃ – 500℃的一共晶點的一共晶焊料。此一共晶焊料的一例為AuGe。
如圖10所示的接合2可為一直接半導體/半導體黏接或一金屬輔助半導體/半導體黏接之一者。對該金屬輔助半導體/半導體黏接而言，係沉積一薄金屬層(例如，從一至數個單分子層到幾十個單分子層)以增進介面的強度，並更好地適應矽和化合物半導體元件之間的熱膨脹係數(CTE)差異。在一實施例中，該薄金屬層的厚度係小於50 Å。該極薄介面的金屬將仍允許光線通過而無明顯衰減。該直接半導體/半導體黏接係可利用包含表面的化學活化或電漿活化的技術而形成，並在壓力和低溫下加入材料，以將該二介面接合在一起。直接半導體黏接係有益於在利用消失性耦合於一波導結構的元件中，因其具有較金屬輔助半導體黏接低的光學衰減。
圖11A-11C係為依據本發明之一實施例的鍵合介面的簡化示意圖。如圖11A所示，該化合物半導體元件820係經薄化以使該化合物半導體元件820的上表面係與矽晶層808的上表面共平面。一平坦化材料層係用來提供延伸於矽晶層808的上表面的一平坦的表面。部分的平坦化材料已被移除(例如，使用一個遮罩及蝕刻製程)，且互連金屬被用來提供在部分矽晶層808與部分化合物半導體元件820之間的電氣連接。
圖l1B繪示有關於接合1的額外的細節，接合1包含墊片830與832，其提供附著力於矽晶層808、該鍵合金屬834及該化合物半導體元件820之間。如關於圖10所述，墊片830與832可一附著金屬如Ti或Cr及一障壁金屬如Pt。該鍵合金屬834可為一共晶焊料如AuGe。其他墊片材料包括Ni、W、用作矽基元件或類似物中之隔離層的耐火金屬，及其他鍵合金屬包含AuSn、InPd、InSn、InSnAg合金、及其組合或類似物。這些材料僅以舉例來說明，而提供在表面之間的附著力及/或熱膨脹係數(barrier functionality)的其他材料亦包含在本發明的範圍內。
圖11C繪示在化合物半導體元件820與矽晶層808之間的一介面層840的使用。如前所述，圖11C中所示的金屬輔助半導體/半導體黏接，包含一薄金屬層其係提供有益的功能包含增加介面的強度，及適應接合至此介面層的每一面的材料之間的熱膨脹係數(CTE)差異。介面層可包括合適的材料，其包含提供包晶(peritectic)性質的材料，其包含金屬如InPd、其他金屬合金、及其組合或類似物。集氣劑材料如Ti或Cr亦可與該介面層整合，以吸收表面氧化物並增進黏接性質。對於介面的金屬的薄層而言，光線可通過而無明顯衰減。本發明之實施例所提供的低光學損耗，包含吸收係數，其係可利用波導模型與測出的該介面層的吸收性質來計算。一介面層840的使用亦將提供在矽晶層808與化合物半導體元件820之間的一歐姆接觸。因此，本發明之實施例提供一介面，其係電傳導性而不會有明顯的光學吸收。
雖然圖11A-11C繪示對一SOI基材的一化合物半導體元件的接合，本發明之實施例非用以限制對一基材的一元件接合。本發明之其他實施例係適用於基材與基材的接合，亦稱為晶圓接合。因此，圖中所示的化合物半導體元件，可以在此處所述的製程與結構中的一化合物半導體基材取代。習知技藝者可理解多個變化、修飾及替代方式。
如圖11C所示，一介面層840如Inx Pdy 的一金屬合金的一薄層(例如，少於100 Å)可用來適應兩個半導體材料之間的一些熱膨脹係數(CTE)的差異。在其他實施例中，未顯示該介面層，而一直接半導體/半導體黏接係供形成接合2。本發明之實施例使用接合1所示的一金屬/金屬接合與一直接半導體/半導體黏接，或接合所示的一介面輔助半導體/半導體黏接。此一混合黏接方法運用兩類型的黏接所提供的優點以減低或克服低溫的半導體/半導體黏接的缺點，包含弱介面以及金屬/金屬黏接包含在金屬/金屬黏接周圍的高光學損耗的缺陷。因此，本發明之實施例提供高強度黏合及電傳導性(接合1)，當使其能在適合光傳遞(接合2)的結構的區域有低光學損耗與電傳導性。
圖12A-12B係為依據本發明之另一實施例的鍵合介面的簡化示意圖。在光以平行於形成於接合2的介面傳遞，且在矽晶層808與化合物半導體元件820之間使用消失性耦合的例子中，可利用直接半導體-半導體黏接與金屬輔助半導體-半導體黏接的一組合以形成接合2。其可藉由選擇性的薄介面的金屬的圖案化而達成。參照圖12A，係繪示矽晶層808與化合物半導體元件810之間的接合2'。接合2'不僅包含似圖11C中的層840的一介面層840'，還包含一直接半導體-半導體黏接842。在圖12B所示的實施例中，介面層840'係經圖案化以提供不具有介面層(如一金屬層)的區域。如一例，在一發光元件中，該直接半導體-半導體黏接可設於鄰近發光區域以避免被介面層吸收光。一介面層與一直接半導體-半導體黏接的組合，因而提供了關於以一混合方式的每個黏接技術的優點。
此處所述的黏接製程，可在從約350℃至約500℃的溫度範圍中進行。在一個別實施例中，有關於黏接製程的溫度，係在400℃–450℃的溫度範圍。這些溫度係低於CMOS電路的溫度，可以是先前製造於SOI基材上的CMOS電路將受到損害。這使得達成複雜的電氣功能的整合，同時還提供了於此所述的異種材料之間的一強健的接合。
圖13係為依據本發明之一實施例的製造一混合半導體結構之方法的一簡化流程圖。方法900包含以下步驟：提供包含一矽晶層的一基材(步驟910)，提供一化合物半導體元件(如，一InP半導體雷射)(步驟912)，以及形成一黏接區域，其設於該矽晶層與該化合物半導體元件之間。形成該黏接區域的步驟，包含形成一金屬-半導體鍵於該黏接區域的第一部分(步驟914)。該金屬-半導體鍵包含一第一墊片黏接至該矽晶層，一鍵合金屬黏接至該第一墊片，以及一第二墊片黏接至該鍵合金屬與該化合物半導體元件。形成該黏接區域的步驟，亦包含形成一介面輔助黏接於該黏接區域的第二部分(步驟916)。該介面輔助黏接包含一介面層(例如，Inx Pdy )，係位於該矽晶層與該化合物半導體元件之間。該介面輔助黏接提供一歐姆接觸於該矽晶層與該化合物半導體元件之間。在一實施例中，該介面層具有少於50 Å的一厚度。
依據一實施例，該基材包含一SOI晶圓，其包含一矽基材，設於該矽基材上的一氧化層，及設於該氧化層上的該矽晶層。在運用一雷射或其他光產生器的實施例中，該黏接區域的該第二部分可在鄰接雷射或光產生器的一主動區域的一位置處大致不接觸該介面層，以減少光學損耗。該黏接製程可利用低溫黏接製程來進行黏接製程，例如，在範圍從約350℃至約500℃的一溫度，尤其是從約400℃至約450℃。
應理解的是，圖13中所示的特定步驟，提供依據本發明之一實施例的製造一混合半導體結構的一特別方法。依據替代的實施例，亦可進行其他順序的步驟。例如，本發明之替代實施例可進行不同順序的上列步驟。再者，圖13中所示的個別步驟可包括多個子步驟，其可以各種順序進行以適於該個別步驟。此外，取決於特定的應用，可新增或刪除額外的步驟。習知技藝者可理解多個變化、修飾及替代方式。
圖14係為依據本發明之另一實施例的製造一混合半導體結構之方法的一簡化流程圖。該方法950包含提供一基材(步驟960)，及提供一化合物半導體元件(步驟962)，其亦稱為一化合物半導體晶粒。在本發明之一實施例中，SOI基材包含一或多個光學元件，如波導、光隔離器、反射結構或類似物，而化合物半導體元件係為一InP增益介質。
該方法亦包括圖案化一第一黏接區域內的金屬(步驟964)。該些金屬可以各種方法沉積或形成。該第一黏接區域可用於一或兩種材料上的金屬-金屬黏接及/或金屬輔助半導體-半導體黏接。在圖案化該些金屬之後，進行一表面處理(步驟966)，例如，表面的一化學處理、無金屬輔助或類似物的一半導體/半導體黏接的一電漿活化。可在可控大氣的環境，如一惰性環境、一低大氣壓力如真空下或類似進行情況下進行表面處理。該方法進一步包含將化合物半導體元件定位在該SOI基材上，如一受體位置(步驟968)，以及施加熱與壓力以結合該化合物半導體元件至SOI基材(步驟970)。在一實施例中，該結合步驟同時影響金屬型的與半導體型的黏接。
應理解的是，圖14中所示的特定步驟提供依據本發明之另一實施例的一混合半導體結構的一製造方法。依據替代實施例，亦可進行步驟的其他順序。例如，本發明之替代實施例，可進行以上所列的步驟的一不同順序。此外，圖14中所示的個別步驟可包括多個子步驟，其可以適於個別步驟的不同順序來進行。此外，取決於特定的應用例，可增加或刪除額外的步驟。一個習知技藝者可理解各種的變化，修改和替代方案。
同時亦理解，此處所述的例子和實施例僅作說明之用，而參照以上的各種修改或改變，可對習知技藝者給予建議而將包含在本案的精神和範疇，及所附的權利要求範圍之內。
10‧‧‧雷射
12‧‧‧第一調制光柵反射器
14‧‧‧第二調制光柵反射器
16‧‧‧多模干擾耦合器
17‧‧‧溫度感應器
18‧‧‧相位調整元件
19‧‧‧加熱器
20‧‧‧增益媒介
21‧‧‧表面
22‧‧‧矽基板
25‧‧‧位置
26‧‧‧加熱器元件
27‧‧‧加熱器元件
28‧‧‧溫度感應器
29‧‧‧溫度感應器
600‧‧‧方法
610~622‧‧‧步驟
710‧‧‧光電二極體
712‧‧‧第一介面
714‧‧‧第二介面
716‧‧‧第二半導體層
718‧‧‧中介層
720‧‧‧矽基板
805‧‧‧矽基的基材
806‧‧‧矽基板層
807‧‧‧矽氧化層
808‧‧‧矽晶層
810‧‧‧半導體元件
820‧‧‧化合物半導體元件
830、832‧‧‧墊片
834‧‧‧鍵合金屬
840、840'‧‧‧介面層
842‧‧‧直接半導體-半導體黏接
900‧‧‧方法
910~916‧‧‧步驟
950‧‧‧方法
960~970‧‧‧步驟
圖1A係依據本發明之一實施例的一混合集成可調式雷射的一簡化平面圖；
圖1B係依據本發明之一個別實施例的一混合集成可調式雷射的一簡化截面圖；
圖1C係依據本發明之一特定實施例的一混合集成可調式雷射的一簡化截面圖；
圖2A係圖1A中所示於A-A'剖面的一截面圖；
圖2B係圖1A中所示於B-B'剖面的一截面圖；
圖3A係依據本發明之一實施例的一波導的一簡化透視圖；
圖3B係圖3A中所示依據本發明之一實施例的在一高折射率部分的波導的一簡化截面圖；
圖3C係圖3A中所示依據本發明之一實施例的在一低折射率部分的波導的一簡化截面圖；
圖3D係繪示圖3B中所示的波導的高折射率部分的一TE模態的一輪廓圖；
圖3E係繪示圖3B中所示的波導的高折射率部分的一TM模態的一輪廓圖；
圖3F係繪示圖3C中所示的波導的低折射率部分的一TE模態的一輪廓圖；
圖3G係繪示圖3C中所示的波導的低折射率部分的一TM模態的一輪廓圖；
圖4A係繪示依據本發明之一實施例的一第一調制光柵反射器的一反射光譜；
圖4B係繪示依據本發明之一實施例的一第二調制光柵反射器的一反射光譜；
圖4C係繪示圖4A與圖4B中所示的反射光譜的一交疊；
圖4D係繪示圖4A與圖4B中所示的反射光譜之間的建設性干涉；
圖5A係為依據本發明之一實施例的操作波長的一溫度變化函數圖形；
圖5B係繪示依據本發明之一實施例的一反射光譜的波長變化的一折射率函數；
圖6係為依據本發明之一實施例的操作一混合集成雷射之方法的一簡化流程圖；
圖7係繪示在一IIIV族基材與一矽基材之間具有一低應力黏接的一光電二極體之一實施例；
圖8係繪示依據本發明之一實施例的一黏接結構；
圖9係繪示依據本發明之一實施例的合金穩定性的一相位圖；
圖10係為依據本發明之一實施例的黏接至一矽基板的一化合物半導體結構的一簡化示意圖；
圖11A-11C係為依據本發明之一實施例的鍵合介面的簡化示意圖；
圖12A-12B係為依據本發明之另一實施例的鍵合介面的簡化示意圖；
圖13係為依據本發明之一實施例的製造一混合半導體結構之方法的一簡化流程圖；以及
圖14係為依據本發明之另一實施例的製造一混合半導體結構之方法的一簡化流程圖。
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Claims (20)

  1. 一混合積體光學元件，包含： 一基材包含一矽晶層； 一化合物半導體元件黏接至該矽晶層；以及 一黏接區域，設於該矽晶層與該化合物半導體元件之間，其中該黏接區域包含： 一金屬-半導體鍵，位於該黏接區域的一第一部分，其中該金屬-半導體鍵包含黏接至該矽晶層的一第一墊片，黏接至該第一墊片的一鍵合金屬，以及黏接至該鍵合金屬與該化合物半導體元件的一第二墊片；以及 一介面輔助黏接，位於該黏接區域的一第二部分，其中該介面輔助黏接包含一介面層位於該矽晶層與該化合物半導體元件之間，其中該介面輔助黏接係提供在該矽晶層與該化合物半導體元件之間的一歐姆接觸。
  2. 如請求項1之混合積體光學元件，其中該基材包含包含一矽基材的一絕緣層上矽晶，設於該矽基材上的一氧化層，以及設於該氧化層上的該矽晶層。
  3. 如請求項1之混合積體光學元件，其中該化合物半導體元件包含一III-V族光學元件。
  4. 如請求項3之混合積體光學元件，其中該III-V族光學元件包含一磷化銦(InP)半導體雷射。
  5. 如請求項1之混合積體光學元件，其中該第一墊片及該第二墊片包含Ti或Au的至少一者。
  6. 如請求項1之混合積體光學元件，其中該介面層包含InxPdy。
  7. 如請求項6之混合積體光學元件，其中x=0.7且y=0.3。
  8. 如請求項1之混合積體光學元件，其中該介面層的一厚度係小於100Å。
  9. 如請求項8之混合積體光學元件，其中該厚度係小於50 Å。
  10. 如請求項1之混合積體光學元件，其中該黏接區域的該第二部分係大致不接觸該介面層。
  11. 一種製造一混合積體光學元件的方法，該方法包含下列步驟： 提供包含一矽晶層的一基材； 提供一化合物半導體元件； 形成一黏接區域，其設於該矽晶層與該化合物半導體元件之間，其中該黏接區域包含： 一金屬-半導體鍵，位於該黏接區域的一第一部分，其中該金屬-半導體鍵包含黏接至該矽晶層的一第一墊片，黏接至該第一墊片的一鍵合金屬，以及黏接至該鍵合金屬與該化合物半導體元件的一第二墊片；以及 一介面輔助黏接，位於該黏接區域的一第二部分，其中該介面輔助黏接包含一介面層位於該矽晶層與該化合物半導體元件之間，其中該介面輔助黏接係提供在該矽晶層與該化合物半導體元件之間的一歐姆接觸。
  12. 如請求項11之方法，其中該基材包含包含一矽基材的一絕緣層上矽晶，設於該矽基材上的一氧化層，以及設於該氧化層上的該矽晶層。
  13. 如請求項11之方法，其中該化合物半導體元件包含一磷化銦(InP)半導體雷射。
  14. 如請求項13之方法，其中該黏接區域的該第二部分係在鄰接該磷化銦(InP)半導體雷射的一主動區的一位置處大致不接觸該介面層。
  15. 如請求項11之方法，其中該第一墊片及該第二墊片包含Ti或Au的至少一者。
  16. 如請求項11之方法，其中該介面層包含Inx Pdy 。
  17. 如請求項16之方法，其中x = 0.7且y = 0.3。
  18. 如請求項11之方法，其中該介面層的一厚度係小於50 Å。
  19. 如請求項11之方法，其中形成一黏接區域，設於該矽晶層與該化合物半導體元件之間的步驟，包含在從約350℃至約500℃範圍內的一溫度進行一黏接製程的步驟。
  20. 如請求項19之方法，其中該溫度係從約400℃至約450℃的範圍。
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