TWI657570B - 具有提供於半導體基板上之光子晶體下包覆層之光子裝置 - Google Patents

具有提供於半導體基板上之光子晶體下包覆層之光子裝置 Download PDF

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Abstract

一種整合式光子裝置，其具備一半導體基板上之一光子晶體下包覆物。

Description

具有提供於半導體基板上之光子晶體下包覆層之光子裝置
本發明係關於製作於半導體基板上方之光子裝置。
諸如波導、調變器、偵測器、解調變器、諧振器、分接頭、分離器、放大器、光柵、耦合器及其他之光子裝置已成功地整合於一積體電路基板上。通常，光子裝置具有用於引導光之一波導核心材料以及環繞該核心以將光侷限於該核心中之一包覆物。通常，基板由矽形成且核心材料由多晶矽形成。在將此等裝置製作於一基板上時，亦必須存在對通過核心之光一解耦以使其不耦合至基板以防止光學信號損失。此需要核心與基板之間的一適合光學解耦器。通常出於此目的，可使用具有呈一矽上層下方之一種二氧化矽層之形式之一光學絕緣體之一絕緣體上矽(SOI)基板。另一選擇係，一裸矽基板可具備其上可建立具有一波導核心之光子裝置之一上覆光學解耦器(舉例而言，一種二氧化矽層)。另外，當前趨勢係將電子電路及裝置與光子電路及裝置一起整合於一基板上。此存在額外問題，此乃因具有用於光子裝置及電路之適合光學隔離之一基板可不適合於製作於相同基板上之電子裝置及電路之所要操作特性。
期望用於在提供一適合包覆層及低信號損失時光學隔離光子電路及裝置與一基板且允許將電子電路及裝置易於整合於該相同基板上之一有效技術及結構。
100‧‧‧光子裝置/光子晶體/相關聯光子裝置/波導
101‧‧‧矽基板/基板/開始基板/裸矽基板
102‧‧‧溝渠
103‧‧‧光子晶體/相關聯光子晶體包覆物/一維光子晶體/二維及三維光子晶體/下光子晶體包覆物/光子晶體結構/光子晶體下包覆物
105‧‧‧波導核心/核心/晶體矽波導核心/波導核心層
107‧‧‧介電材料/側及上包覆物/側及上包覆層/二氧化矽包覆物/側及上包覆介電材料
109‧‧‧元件/二氧化矽/氧化物元件
109'‧‧‧元件
111‧‧‧溝渠
113‧‧‧經圖案化光罩/光罩
114‧‧‧晶體矽層/實質上完整磊晶晶體層/晶體磊晶矽層/其他磊晶晶體矽區/晶體矽/晶體磊晶層
114'‧‧‧晶體矽/磊晶晶體矽/磊晶晶體矽層/其他區/晶體磊晶層
118‧‧‧週期性或準週期性分段/光子晶體分段
120‧‧‧開口
122‧‧‧連續波導分段/波導分段
201‧‧‧金屬氧化物半導體場效應電晶體/電晶體
202‧‧‧經摻雜源極/源極
204‧‧‧汲極
205‧‧‧電淺溝渠隔離區域
206‧‧‧閘極結構
207‧‧‧電極
a‧‧‧週期
d‧‧‧深度
h‧‧‧高度
w‧‧‧寬度
x‧‧‧寬度
圖1(A)係根據一項實施例製作於一基板上之一光子裝置之一實例沿著波導方向之一剖面圖；圖1(B)係展示代表性尺寸之圖1(A)實施例之一放大部分；圖1(C)係旋轉90°且沿著波導方向之垂直平面的圖1(A)實施例之一剖面圖；圖2(A)至圖2(H)繪示用於形成圖1A實施例之一製作製程之連續步驟之一實例；圖3(A)至圖3(H)繪示另一製作製程之連續步驟之一實例；圖4係經製作以將光子裝置及電裝置兩者包含於相同基板上之一積體電路之一剖面。
本發明提供可隔離諸如一波導之一光子裝置或包含一波導作為其結構之部分的其他光子裝置與一下伏基板之塊體材料之一光學隔離結構。光學隔離結構亦用作一下包覆物以用於通過光子裝置之光的垂直侷限。光學隔離結構係由製作於其上方形成一光子裝置之其餘部分之基板中之一光子晶體形成。光子裝置包含具有藉由光子晶體下包覆層與基板光學隔離之一核心之一波導。額外包覆物亦提供於波導核心之側上及頂部上方。
光子裝置可整合於其上形成光子裝置及電裝置兩者之一基板上。
儘管實施例將闡述為採用一矽基板及作為用於一波導之一核心材料之晶體矽，但該等實施例並不限於此等特定材料之使用，此乃因其他材料可用於基板及波導核心。
現在參考圖1(A)及圖1(C)之剖面圖，後者係圖1(A)之一經90°旋轉視圖，且圖1(B)係圖1(A)之一放大部分，展示形成於一矽基板101上之一光子裝置100之一項實施例。所展示之光子裝置100係具有一波導核心105、由形成於基板101中之一光子晶體103形成之一下包覆物以及由一介電材料107形成之側壁包覆物及上包覆物(如圖1(C)中所展示)之一波導。在圖1(A)中光通過核心105之方向係左至右或右至左。光子裝置可形成為使用一波導核心105來傳遞光之任何類型之光子裝置。若干實例包含波導、調變器、偵測器、解調變器、諧振器、分接頭、分離器、放大器、光柵、耦合器及其他光子裝置。波導核心105中之光導模式與矽基板101模式之間的耦合因光子晶體103之晶體色散性質而受抑制，藉此提供穿過波導核心105之一低損失光路徑。
光子晶體103經提供為形成於基板101中之元件109之一週期性或準週期性陣列。作為一非限制性實例，基板101可由裸矽形成(亦即，矽係穿過整個基板101厚度之僅有材料)。元件109可由各種介電材料或導電材料形成，諸如(作為實例)一種氧化物(氧化矽、二氧化矽)、一種氮化物(諸如氮化矽)或一金屬(諸如鋁或銅)。確實，可使用將基板101中斷成週期性或準週期性分段118(圖1(B))且致使光色散之任何材料，只要光子晶體103的平均折射率低於波導核心105之材料的折射率即可。元件109致使進入至基板101中之光的色散，使得光極少或不耦合至基板101塊體中。此外，由於光子晶體103之平均折射率低於波導核心105之折射率，因此其用作 包含核心105以及側及上包覆物107之一波導之一下包覆物，在圖1(C)中最佳地展示。圖1(B)藉由虛線展示包含一光子晶體100分段118之連續波導分段122中之一者，其中波導核心105具有一高度(h)，元件109具有一寬度(x)及至基板101中之一深度(d)，且元件109以一週期(a)間隔開。
光子晶體103的平均折射率係藉由對具有一週期(a)(圖1(B))或一準週期之光子晶體103分段118的折射率求平均來判定，如下文所闡述。作為一項實例，波導核心105可由晶體矽形成，且側及上包覆物107可由具有比晶體矽波導核心105之折射率低之一折射率之一材料形成。在圖1(A)至圖1(C)實施例之一項特定實例中，基板101由裸矽形成，元件109由二氧化矽形成，核心105由磊晶晶體矽形成，且側及上包覆物107由二氧化矽形成。另外，如下文進一步所闡述，若電子裝置亦將被整合於基板101上，則側及上包覆物可由BPSG或PSG(已知用作電子積體電路中之層間介電材料且具有低於晶體矽波導核心105之折射率之一折射率的材料)形成。
如圖1(A)至圖1(C)中所展示，光子晶體103具有週期(a)之一週期性結構(圖1B)；然而光子晶體亦可具有一準週期性晶體結構。準週期性光子晶體係眾所周知的，且經闡述於(舉例而言)Florescu等人之「Complete Band Gaps in Two-Dimensional Photonic Quasicrystals」(美國物理學會(2009)第155112-1頁至第15512-7頁)及Sun等人之「Air Guiding with Photonic Quasi-Crystal Fiber」(IEEE(2010),1041至1135)中。
在一特定構造及使用圖1(B)中所展示之波導分段122尺寸之一項實例中，光子晶體103經形成為一個一維(1D)布拉格(Bragg)反射體。波導核心105之高度(h)及寬度(w)可分別係大約3.3um及大約3×(h)。3：1之一寬度與厚度比促進一光源耦合至(舉例而言)光子裝置100。波導核心105之此不 對稱設計亦支援初級傳播零階模式，同時支援高階模式。一元件109之寬度(x)可係大約0.13um且週期(a)可係大約0.54um。元件109之深度(d)可係大約0.68um。在本文中使用措辭「大約」來指示一值可自所表達值偏離±10%。藉助此構造，光子晶體103具有3.4之一平均折射率，該平均折射率小於晶體矽之折射率(3.5)。另外，由於基板101之矽在元件109之間的寬度係大約0.41um，該寬度係元件109之寬度(w)之三(3)倍以上，因此促進基板101上用於波導核心105之一幾乎完整晶體磊晶矽層的形成。
在具有此等尺寸之一波導上完成之模擬展示，光子晶體103及波導核心105之幾何性質可經最小調整以在1310nm±40nm之一波長處達成TE01及TM01傳播模式之最小傳輸損失。存在至基板101中之大約-2db/cm至大約-5db/cm之低光學信號損失。該等模擬亦揭露，波導核心層105之高度(h)(圖1(B))應針對TE01模式傳輸大於大約2.5um且針對TM01模式傳輸大於大約5um。
上文所論述之參數不過係一波導核心105及相關聯光子晶體包覆物103之代表性尺寸之實例。其他尺寸亦可用於一特定應用。
儘管上文所闡述及圖式中所圖解說明之實施例形成充當一布拉格反射體之一個一維光子晶體103，但光子晶體103亦可形成為基板101內之一個二維或三維光子晶體結構。二維及三維光子晶體103可進一步降低至基板101中之光學信號損失且改良光子裝置100支援TE及TM光學傳輸模式之能力。
現在參考圖2(A)至圖2(H)來闡述用於形成圖1(A)至圖1(C)結構之一製程之一項實例。
圖2(A)圖解說明係裸矽基板之一開始基板101。使用光微影將基板 101圖案化為具有複數個溝渠102。在一項實例中，於基板101上形成一經圖案化光罩(例如，一種氮化矽光罩)，其中將對應於元件109之位置之遮罩的部分移除向下至基板101的表面。如圖2(B)中所展示，光罩之經移除區允許對基板101之一選擇性蝕刻以形成溝渠102，此舉之後藉由蝕刻或化學機械拋光(CMP)及基板101清洗來移除光罩。然後，如圖2(C)中所展示，在基板101上方沈積或生長一種氧化物(例如，二氧化矽109)，從而填充溝渠102。如圖2(D)中所展示，然後將二氧化矽平面化向下至基板101之上層，以形成嵌入於基板101中之元件109。以一週期(a)配置元件109。
如圖2(E)中所展示，將一晶體矽層114(將形成波導核心105)非選擇性地磊晶生長為包含氧化物元件109之基板101上方之一毯覆層。圖2(F)展示自圖2(E)旋轉90°之基板101之一剖面。由於元件109之寬度(x)(0.13um)較小，因此在磊晶生長期間較小量之多晶矽將形成於氧化物元件109上方。然而，多晶矽將薄於0.2um，且因此其有效體積將小於將形成波導核心105之實質上完整磊晶晶體層114之總體積的1%。
如圖2(G)中所展示，選擇性地蝕刻晶體磊晶矽層114，以將溝渠111形成至基板101之表面處之光子晶體103的頂部，藉此形成一波導核心105，波導核心105藉由溝渠111與其他磊晶晶體矽區114分離。然後，如圖2(H)中所展示，沈積一介電材料以形成用於波導核心105之側及上包覆層107。用於側及上包覆層之介電材料可係具有低於矽之一折射率且可係一種氧化物(舉例而言，二氧化矽)或一種氮化物、BPSG、PSG或者其他材料的任何材料。在一項實例中，光子裝置100具有包含晶體矽波導核心105、一下光子晶體包覆物103以及側及上二氧化矽包覆物107之一波導結構。
圖3(A)至圖3(H)中展示用於形成光子晶體103及相關聯光子裝置100之一替代製程。
圖3(A)展示開始裸矽基板101。圖3(B)展示形成於基板101上方之一經圖案化光罩113。經圖案化光罩113可由氮化矽形成。光罩113中之開口120對應於其中將形成光子晶體結構103之元件109'之位置。如圖3(C)中所展示，使用一種氧化物(例如，二氧化矽)及然後二氧化矽至光罩113之頂部表面之一CMP平面化來在開口120中製作元件109'。接下來，如圖3(D)中所展示，選擇性地蝕除光罩材料，從而留下自基板101之上表面向上延伸之元件109'。如圖3(E)中所展示，將晶體矽114'之一磊晶層製作為基板101之上表面上方且向上延伸超過元件109'之上端之一毯覆層。將使磊晶晶體矽114'形成至光子晶體結構103上方之波導核心105中。
圖3(F)係圖3(E)結構之一經90°旋轉剖面圖。如圖3(G)中所展示，然後將磊晶晶體矽層114'選擇性地蝕刻至矽基板101之表面以形成波導核心105，波導核心105藉由溝渠111與磊晶晶體矽之其他區114'分離，且在此之後，在經蝕刻區中及波導核心105之上表面上方形成側及上包覆介電材料107。介電材料可係上文關於圖1(A)至圖1(C)及圖2(H)所論述之相同介電材料107，例如，參考圖2(H)所論述之二氧化矽或其他材料中之一者。此形成包含光子晶體103下包覆物及環繞晶體矽波導核心105之二氧化矽(或其他材料)側及上包覆物107之完成之波導100結構。
圖4圖解說明將一光子裝置100整合於其上製作電子裝置及電路(例如，CMOS裝置及電路)之相同基板101(例如，一矽基板)上之一實例。圖4之右側圖解說明包含圖1(A)實施例中所展示之光子晶體103下包覆物、波導核心105及側(未展示)及上包覆物107之光子裝置。圖4之左側圖解說 明一MOSFET電晶體201之製作作為形成製作於裸矽基板101上之一電子電路之部分之一電子裝置之一實例。MOSFET電晶體201包含矽基板101之上區中之經摻雜源極202及汲極204區域、基板101中之圍繞電晶體201之電淺溝渠隔離(STI)區域205及控制電荷在源極202及汲極204區域之間通過之一閘極結構206。電極207亦展示為分別連接至源極202及汲極204區域。在此實例中，電極207之上表面駐留於用於波導核心105之上包覆物之相同介電層107之上表面上。由於PSG及BPSG係在CMOS積體電路之製作中出於閘極隔離及層間電介質金屬化通常使用之絕緣材料，因此可由此等材料形成側及上包覆物107。
儘管上文所闡述之實施例利用一裸矽基板101，但使用一絕緣體上矽(SOI)基板之上矽層作為其上形成光子晶體下包覆物103及對應波導之基板而形成實施例亦係可能的。此外，儘管已藉助具有基板101內之一週期性(a)或準週期性配置之元件109、109'來闡述光子晶體103，但可使用提供矽基板101內之足以提供低於波導核心105之材料之折射率的光子晶體103之一平均折射率之一無序程度之其他間隔。此外，儘管形成波導核心105之晶體磊晶層114、114'展示為非選擇性地生長，但另一選擇係其亦可選擇性地生長於波導核心105之所要剖面形狀中。
雖然上文已闡述實例性實施例，但其並不限制本發明，此乃因可在不背離本發明之精神或範疇之情況下做出修改。因此，本發明並不受限於圖式及隨附說明，而僅受限於隨附申請專利範圍之範疇。

Claims (30)

  1. 一種整合式結構，其包括：一半導體基板；光學包覆物，其形成於該基板中，該包覆物包括自該半導體基板向上延伸之一光子晶體結構之複數個間隔開的元件；及一波導，其包括一核心，該核心形成於該光學包覆物上方且向下在該光子晶體結構之該等間隔開的元件之間延伸，其中該光學包覆物形成一布拉格反射體(Bragg reflector)。
  2. 如請求項1之整合式結構，其中該等間隔開的元件包括一種氧化物材料。
  3. 如請求項2之整合式結構，其中該等間隔開的元件包括二氧化矽。
  4. 如請求項1之整合式結構，其中該核心包括一半導體材料。
  5. 如請求項1之整合式結構，其中該等間隔開的元件致使該光學包覆物具有低於該核心之折射率之一平均折射率。
  6. 如請求項4之整合式結構，其中該波導進一步包括該核心之側及上表面上之額外包覆物。
  7. 如請求項6之整合式結構，其中該額外包覆物包括一種氧化物材料。
  8. 如請求項7之整合式結構，其中該氧化物材料包括二氧化矽。
  9. 如請求項6之整合式結構，其中該額外包覆物包括BPSG或PSG。
  10. 如請求項1之整合式結構，其中該基板包括一裸矽，該等間隔開的元件一種氧化物材料，且該波導核心包括晶體矽。
  11. 如請求項10之整合式結構，其中該核心包括磊晶晶體矽。
  12. 如請求項1之整合式結構，其中該基板包括裸矽，且該波導核心包括形成於該光學包覆物上之磊晶晶體矽。
  13. 如請求項1之整合式結構，其中該光學包覆物包括一光子晶體。
  14. 如請求項13之整合式結構，其中該光子晶體包括一個一維光子晶體。
  15. 如請求項13之整合式結構，其中該等間隔開的元件在基板中週期性地間隔開。
  16. 如請求項13之整合式結構，其中該等間隔開的元件在基板中準週期 性地間隔開。
  17. 如請求項1之整合式結構，其中該基板包括穿過其厚度之矽。
  18. 如請求項1之整合式結構，進一步包括整合於該半導體基板上之一電子裝置。
  19. 如請求項1之整合式結構，其中該波導核心具有一高度(h)及一寬度(w)，其中(w)3h。
  20. 如請求項19之整合式結構，其中該光子晶體具有0.54μm之一平均週期(a)。
  21. 如請求項19之整合式結構，其中(h)大約等於3.3μm。
  22. 如請求項1之整合式結構，其中該波導具有圍繞約1310nm之一中心波長±40nm之一有效波長傳輸範圍。
  23. 一種形成一整合式結構之方法，其包括：形成一光子晶體，該光子晶體包括自一矽基板向上延伸之複數個間隔開的元件；及形成一光子裝置，該光子裝置具有一波導，該波導在該光子晶體之該等間隔開的元件上方且向下在該光子晶體之該等間隔開的元件 之間延伸，使得該光子晶體作為該波導之一下包覆物，其中該光學包覆物形成一布拉格反射體(Bragg reflector)。
  24. 如請求項23之方法，其中該矽基板包括貫穿基板厚度之矽。
  25. 如請求項23之方法，其中該波導包含一波導核心，且該波導核心之材料包括晶體矽。
  26. 如請求項23之方法，其中該等間隔開的元件係由選自包含氧化物、氮化物及金屬之群組的一材料所形成。
  27. 如請求項23之方法，其中該光子晶體包括一個一維光子晶體。
  28. 如請求項23之方法，其中該等間隔開的元件週期性地間隔開。
  29. 如請求項23之方法，其中該等間隔開的元件準週期性地間隔開。
  30. 如請求項23之方法，進一步包括形成位於該矽基板上之一電子裝置。
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