TWI823061B - 使用透明電極之相移器 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示光電裝置及用於建構諸如一開關或相移器之光電裝置之方法。將一電極層沈積於一基板層上，將一波導結構沈積於該電極層上，將一第一包覆層沈積於該波導結構上，且將該第一包覆層平坦化且接合至一晶圓。移除該基板層且蝕刻該電極層以將該電極層分離成與一第二電極分開之一第一電極。在該經蝕刻電極層上沈積一第二包覆層。該等第一及第二電極可由具有一大介電常數之一材料構成，或其等可由具有一大電子遷移率之一材料構成。該裝置可展現其中一光電層安置於兩個帶狀波導之間之一夾層波導架構。
Description
本文中之實施例大體上係關於光電裝置，諸如相移器及開關。
已在光學領域中採用光電(EO)調變器及開關。一些EO調變器利用自由載子電折射、自由載子電吸收、普克爾(Pockel)效應或DC克爾(Kerr)效應以修改操作期間之光學性質(例如，改變傳播穿過EO調變器或開關之光之相位)。作為一實例，光學相位調變器可用於整合式光學器件系統、波導結構及整合式光電子學中。
儘管在EO調變器及開關之領域中取得進展，然在此項技術中需要與EO調變器及開關之製造及架構相關之經改良方法及系統。
本文中描述之一些實施例係關於光子裝置及用於製造諸如光電開關及相移器之光子裝置之方法。
在一些實施例中，一種裝置包含一第一包覆層、一第一電極、一第二電極、包括一第一材料之一波導結構及一第二包覆層。該波導結構耦合至該第一電極及該第二電極。在一些實施例中，該第一電極及該第二電極由具有高於矽之一電子遷移率之一第二材料構成。
在一些實施例中，一種裝置包含一第一包覆層、一第一電極、一第二電極、一第二包覆層及一波導結構。該波導結構可包含由一第一材料構成之一光電層、由一第二材料構成之一第一帶狀波導部分及由一第三材料構成之一第二帶狀波導部分。該光電層可安置於該第一帶狀波導部分與該第二帶狀波導部分之間。該光電層可耦合至該第一電極及該第二電極。
在一些實施例中，描述一種用於製造一裝置之方法。
例如，在一些實施例中，將一晶種層沈積於一基板層上，將一光電層沈積於該晶種層上，將一第一包覆層沈積於該光電層上。在一些實施例中，可接收包括該等經堆疊基板層、晶種層、光電層及/或第一包覆層之一經預製第一晶圓作為進一步製造步驟之一起始點。
在一些實施例中，將該第一包覆層平坦化且接合至一第二晶圓。移除該基板層且蝕刻該晶種層以將該晶種層分離成與一第二電極分開之一第一電極。在該經蝕刻晶種層上沈積一第二包覆層。在一些實施例中，蝕刻該第二包覆層以曝露該第一電極之一第一部分及該第二電極之一第二部分。透過該經曝露第一部分將一第一導線沈積至該第一電極上且透過該經曝露第二部分將一第二導線沈積至該第二電極上。
在一些實施例中，將一晶種層沈積於一基板層上，將一光電層沈積於該晶種層上，且將一電極層沈積於該光電層上。在一些實施例中，可接收包括該等經堆疊基板層、晶種層、光電層及/或電極層之一經預製第一晶圓作為進一步製造步驟之一起始點。
在一些實施例中，蝕刻該電極層以曝露該光電層之一部分且將該電極層分離成與一第二電極分開之一第一電極。在該光電層之該經
曝露部分以及該等第一及第二電極上沈積一第一包覆層。將該第一包覆層平坦化且接合至一第二晶圓。移除該基板層及該晶種層，且在移除該基板層及該晶種層之後，蝕刻該光電層以產生具有一第一厚度之一脊波導，該脊波導安置於具有小於該第一厚度之一第二厚度之第一與第二板片層之間。在該等第一及第二板片層以及該脊波導結構上沈積一第二包覆層。
在一些實施例中，將一晶種層沈積於一基板層上，將一光電層沈積於該晶種層上，且將一第一包覆層沈積於該光電層上。在一些實施例中，可接收包括該等經堆疊基板層、晶種層、光電層及/或第一包覆層之一經預製第一晶圓作為進一步製造步驟之一起始點。
在一些實施例中，將該第一包覆層平坦化且接合至一晶圓。移除該基板層及該晶種層，且在移除該基板層及該晶種層之後，蝕刻該光電層以產生具有一第一厚度之一脊波導，該脊波導安置於一第一板片層與一第二板片層之間，其中該等第一及第二板片層具有小於該第一厚度之一第二厚度。第一及第二電極分別沈積於該脊波導結構之左及右側上。接著在該等第一及第二電極以及該脊波導結構上沈積一第二包覆層。
此發明內容旨在提供此文件中描述之標的物之一些之一簡要概述。因此，將瞭解，上述特徵僅係實例且不應被解釋為以任何方式窄化本文中描述之標的物之範疇或精神。將自下文之實施方式、圖及發明申請專利範圍明白本文中描述之標的物之其他特徵、態樣及優點。
100:開關
105:50/50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
210:第一包覆層
212:第二包覆層
220:板片層
230:第一導線
232:第二導線
240:第一電極
242:第二電極
243:間隙區域
251:脊部分
260:第二厚度
262:第一厚度
310:第一包覆層
312:第二包覆層
320:板片層
330:第一導線
332:第二導線
340:第一電極
342:第二電極
343:間隙區域
351:脊部分
360:第二厚度
362:第一厚度
410:第一包覆層
412:第二包覆層
420:板片層/第一材料
430:第一導線
432:第二導線
440:第一電極
442:第二電極
451:脊部分
460:第二厚度
462:第一厚度
510:第一包覆層
512:第二包覆層
520:板片層/光電層
530:第一導線
532:第二導線
540:第一電極
542:第二電極
551:脊部分
554:第一帶狀波導部分
556:第二帶狀波導部分
562:第一厚度
610:第一包覆層
612:第二包覆層
630:第一導線
632:第二導線
640:第一電極
642:第二電極
651:板片層
710:第一包覆層
712:第二包覆層
730:第一導線
732:第二導線
740:第一電極
742:第二電極
754:板片層/波導結構
810:第一包覆層
812:第二包覆層
830:第一導線
832:第二導線
840:第一電極
842:第二電極
844:脊部分
846:脊部分
851:板片層/波導結構
860:厚度
862:厚度
920:板片層
930:第一導線
932:第二導線
940:第一電極
942:第二電極
951:波導結構
1150:大箭頭
1202:基板層
1204:晶種層
1206:光電層
1208:第一包覆層
1210:經平坦化第一包覆層
1212:晶圓
1214:第一電極
1216:第二電極
1218:第二包覆層
1220:第一導線
1222:第二導線
1224:脊波導結構
1302:基板層
1304:晶種層
1306:光電層
1308:電極層
1310:第一電極
1312:第二電極
1314:第一包覆層/經平坦化第一包覆層
1316:晶圓
1318:脊波導
1320:第一板片層
1322:第二板片層
1324:第二包覆層
1326:第一厚度
1328:第二厚度
1330:第一導線
1332:第二導線
1402:基板層
1404:晶種層
1406:光電層
1408:第一包覆層
1410:晶圓
1412:脊波導
1414:第一板片層
1416:第二板片層
1418:第一厚度
1420:第二厚度
1422:第一電極
1424:第二電極
1426:第二包覆層
1428:第一導線
1430:第二導線
1500:第一晶圓
1501:第二晶圓
1502:光電層
1504:電極層/晶種層
1506:第一基板層/第一包覆層/光電層
1508:第二帶狀波導結構/電極層/晶種層
1510:第二包覆層/第二絕緣基板層
1512:第二基板層
1514:第一電極
1516:第二電極
1518:第一包覆層
1520:第一帶狀波導結構
1522:第一導線
1524:第二導線
為了更佳理解各項所述實施例，應結合以下圖式參考下文之實施方式，其中在圖通篇，相同元件符號係指對應部分。
圖1係繪示根據一些實施例之一光學開關之一簡化示意
圖；圖2係繪示根據一些實施例之併入與波導脊相對放置之高κ電極之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；圖3係繪示根據一些實施例之併入與具有穿透導線之波導脊相對放置之高κ電極之一波導結構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併入與波導脊放置於相同側上之高κ電極之一波導結構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併入高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6係繪示根據一些實施例之併入高κ材料之一垂直波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；圖7係繪示根據一些實施例之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，該波導結構具有與其成直線之電極；圖8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；圖9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；圖10係根據一些實施例之與一混合量子運算裝置介接之一使用者之一圖解；圖11係繪示根據一些實施例之展現一經引發電場之方向之一波導結構之一橫截面之一簡化示意圖；圖12A至圖12G係繪示根據一些實施例之用於建構具有與電極相對定位之一脊波導之光電裝置之一製造方法之示意圖；
圖13A至圖13E係繪示根據一些實施例之用於建構光電裝置之一製造方法之示意圖，該光電裝置具有與電極定位於相對側上之一脊波導，其中導線穿透波導；圖14A至圖14E係繪示根據一些實施例之用於建構具有與電極定位於相同側上之一脊波導之光電裝置之一製造方法之示意圖；圖15A至圖15E係繪示根據一些實施例之用於建構展現一夾層架構之一光子裝置之一製造方法之示意圖；及圖16係根據一些實施例之包括堆疊層之一經預製晶圓之一示意圖。
雖然本文中描述之特徵可易於以各種修改及替代形式呈現，但本發明之特定實施例藉由圖式中之實例展示且在本文中經詳細描述。然而，應理解，圖式及其等之詳細描述不旨在限於所揭示之特定形式，而相反，本發明欲涵蓋落於如由隨附發明申請專利範圍界定之標的物之精神及範疇內之全部修改、等效物及替代物。
優先權主張
本申請案主張標題為「PHASE SHIFTER EMPLOYING TRANSPARENT ELECTRODES」且在2020年3月3日申請之美國臨時專利申請案第62/984,751號之優先權，該案之全文藉此以引用的方式併入如同在本文中經完整且完全闡述。
現將詳細參考實施例，在隨附圖式中繪示該等實施例之實例。在以下詳細描述中，闡述許多具體細節以便提供各項所述實施例之一透徹解釋。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
各項所述實施例。在其他例項中，未詳細描述熟知方法、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。
亦將理解，儘管本文中在一些例項中採用術語第一、第二等來描述各種元件，然此等元件不應受限於此等術語。此等術語僅用於區分一個元件與另一元件。例如，一第一電極層可稱為一第二電極層且類似地，一第二電極層可稱為一第一電極層而不脫離各項所述實施例之範疇。第一電極層及第二電極層兩者皆係電極層，但其等非相同電極層。
為了解釋之目的，已參考特定實施例描述前述描述。然而，上文之闡釋性論述不旨在為窮舉性或將發明申請專利範圍之範疇限於所揭示之精確形式。鑑於上文中之教示，許多修改及變動係可行的。選取實施例以便最佳解釋作為發明申請專利範圍及其等實際應用之基礎之原理以藉此使其他熟習此項技術者能夠最佳地採用具有如適合所審慎考慮之特定用途之各種修改之實施例。
本發明之實施例係關於光學系統。更特定言之，本發明之實施例在光學調變器及開關中利用高介電常數材料(即，高κ材料)以降低操作期間之功率消耗。應注意，如本文中採用，一「高介電常數材料」旨在係指相較於光學調變器或開關之可操作組件內之其他材料且特定言之相較於用於建構波導之材料具有一高介電常數之一材料。僅藉由實例，在包含主動光學裝置之整合式光學系統之背景內容中提供本發明之實施例，但本發明不限於此實例且對各種光學及光電系統具有廣泛適用性。
根據一些實施例，本文中描述之主動光子裝置利用光電效應(諸如半導體中之自由載子引發之折射率變動、普克爾效應及/或DC克爾效應)來實施光學信號之調變及/或切換。因此，本發明之實施例適用於
其中透射光經調變為開或關或採用透射百分比之一部分改變調變光之調變器以及其中透射光在一第一輸出(例如，波導)或一第二輸出(例如，波導)上輸出之光學開關或具有兩個以上輸出以及一個以上輸入之一光學開關兩者。因此，本發明之實施例適用於包含利用本文中論述之方法、裝置及技術之一M(輸入) x N(輸出)系統之各種設計。一些實施例亦係關於可在開關或調變器內使用之光電相移器裝置(在本文中亦稱為相位調整區段)。
圖1係繪示根據本發明之一實施例之一光學開關之一簡化示意圖。參考圖1，開關100包含兩個輸入：輸入1及輸入2以及兩個輸出：輸出1及輸出2。作為一實例，開關100之輸入及輸出可實施為可操作以支援單模式或多模式光束之光學波導。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中繪示，輸入1及輸入2光學耦合至一第一50/50光束分離器105(亦稱為一定向耦合器)，該第一50/50光束分離器105自輸入1或輸入2接收光且透過50/50光束分離器中之消散耦合，將輸入光之50%自輸入1引導至波導110且將輸入光之50%自輸入1引導至波導112。同時，第一50/50光束分離器105將輸入光之50%自輸入2引導至波導110中且將輸入光之50%自輸入2引導至波導112中。僅考量來自輸入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，使得其可具有相位調整區段122中之可控制地變動之一折射率。由於在傳播穿過第一50/50光束分離器105之後，波導110及112中之光仍具有一經良好定義相位關係(例如，其等可同相、180°異相等)，故相位調整區段122中之相位調整可引入在波導130與132
中傳播之光之間之一預定相位差。如熟習此項技術者顯而易見，在波導130與132中傳播之光之間之相位關係可導致輸出光存在於輸出1處(例如，光束同相)或輸出2處(例如，光束異相)，藉此在光依據施加於相位調整區段122處之電壓V0變化而被引導至輸出1或輸出2時提供開關功能性。雖然在圖1中繪示一單一主動臂，但將瞭解，馬赫-詹德干涉儀之兩個臂可包含相位調整區段。
如圖1中繪示，相較於全光學開關技術，光電開關技術利用跨開關之主動區域施加電偏壓(例如，圖1中之V0)以產生光學變動。源自此電壓偏壓之施加之電場及/或電流導致主動區域之一或多個光學性質(諸如折射率或吸光度)之改變。
雖然在圖1中繪示一馬赫-詹德干涉儀實施方案，但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(包含環形諧振器設計、馬赫-詹德調變器、一般化馬赫-詹德調變器及類似者)包含於本發明之範疇內。一般技術者將辨識許多變動、修改及替代例。
在一些實施例中，本文中描述之光學相移器裝置可用於一量子運算系統(諸如圖10中展示之混合量子運算系統)內。替代地，此等光學相移器裝置可用於其他類型之光學系統中。例如，其他運算、通信及/或技術系統可利用光子相移器以在一系統或網路內引導光學信號(例如，單光子或連續波(CW)光學信號)，且在各項實施例中，本文中描述之相移器架構可用於此等系統內。
圖2至圖8-光子相移器之橫截面
圖2至圖8係繪示根據各項實施例之一光子相移器之各種架構之簡化橫截面圖。應注意，圖2至圖8中展示之架構係示意性圖解且不一
定按比例繪製。雖然圖2至圖8中展示之架構在若干重要設計特徵方面不同，但其等亦共用一些共同特徵。例如，如下文更詳細描述，圖2至圖8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)之一導線(230、330、430、530、630、730及830以及232、332、432、532、632、732及832)。應注意，如本文中採用，術語「電極」係指直接耦合至波導結構(例如，以更改跨波導結構之壓降且致動一光子開關)之一裝置組件。此外，術語「導線」係指將電極耦合至裝置之其他組件之一後端結構(例如，導線可將電極耦合至一可控制電壓源)，但導線與波導結構隔離且不直接耦合至波導結構。在一些實施例中，導線可由一金屬(例如，銅、金等)或替代地，一半導體材料構成。
電極經組態以緊鄰波導中之光學模式之位置延伸，且光子相移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)引入一可控制電壓差以更改行進通過波導之一光子模式之經累積相位。例如，電極可經由導線耦合至強加可控制電壓差之一電壓源。
在一些實施例中，電極可由具有一大介電常數之一高κ介電材料構成，使得電極具有大於波導及/或板片層之材料之一介電常數。如本文中採用，κ用於表示介電常數，其係指相對介電常數κ=Re(ε r )=Re(ε/ε 0)之實數分量，其中ε r 係複值相對介電常數，ε係材料之絕對介電常數，且ε 0係介電常數自由空間。應注意，為了簡潔起見，ε r 之虛數分量與材料之導電率相關，而實數分量κ與材料之介電極化率相關。
相較於一交流(AC)電壓，在存在一直流(DC)電壓之情況下，一材料之介電常數可具有一不同值，且在一AC電壓中，材料之介電
常數可依據頻率κ(ω)而變化。因此，在一些實施例中，當選擇電極、板片層及/或脊波導之一材料時，可在光子相移器之操作頻率下考量材料之介電常數。
電極可由沿著分開第一及第二電極之方向(例如，圖2至圖5及圖7至圖8中之x方向或圖6中之y方向)具有高於板片層之第一材料之一介電常數之一材料構成。例如，在各向異性介質中，介電常數張量 ε 可由將電場E與電位移D關聯之以下矩陣表達。
表1繪示各種材料之χ(3)、折射率及介電常數值。如表1中展示，STO針對低於10K之溫度具有一極高介電常數，使得STO可係待用於電極之一所要材料，而在一些實施例中，BTO可用於波導之板片層及/或脊部分。
如繪示，在圖2至圖8之各者中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之區域表示波導之一側上之第一包覆層，而標記為212、312、412、512、612、712及812之區域表示在波導之另一側上之第二包覆層。應注意，術語「第一」及「第二」僅意在區分兩個包覆層且例如，術語「第一包覆層」可係指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2至圖8進一步展現包含耦合至一第一電極(240、340、440、540、640、740及840)之一第一導線(230、330、430、530、630、730及830)之一第一電接觸件及包含耦合至一第二電極(242、342、442、542、642、742及842)之一第二導線(232、332、432、532、632、732及842)之一第二電接觸件。第一及第二導線可由一導電材料(諸如一金屬)構成或替代地，其等可由一半導體材料構成。在各項實施例中，第一電極及第二電極由砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)/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)、經摻雜矽、鈦酸鍶(STO)、經摻雜STO、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鍶鋇(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鋁、其等之經摻雜變體或固溶體或二維電子氣體之一或多者構成。針對其中第一及第二電
極由經摻雜STO構成之實施例，根據各項實施例，STO可經鈮摻雜、鑭摻雜或空位摻雜。
圖2至圖8繪示包含包括一第一材料之一板片層(220、320、420及520、651、754及851)之一波導結構，其中板片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)構成且耦合至板片層之一脊部分(251、351、451及551)，其中脊部分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，第一材料係鈦酸鍶(STO)、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鍶鋇(BST)、氧化鉿、鈮酸鋰、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鋁或其等之經摻雜變體或固溶體之一者。在一些實施例中，第一材料可係具有大於第一及第二包覆層之一折射率的一折射率之一透明材料。
在一些實施例中，可基於構成板片層及/或波導結構之第一材料選擇構成第一及第二電極之一第二材料。例如，第二材料可經選擇使得第二材料具有大於第一材料之介電常數之一介電常數。作為一個實例，若第一材料係BTO，則第二材料可經選擇為STO，在光子裝置旨在依其操作之低溫(例如，4K)下，STO具有大於BTO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位準之損耗，相較於金屬電極，電極之大介電常數可使電極能夠放置成與波導更緊鄰。例如，在與波導之相同離距下，相較於一電極之吸收，一金屬電極之高導電率將導致自波導之一更大程度之光子吸收(即，損耗)。因此，針對一給定損耗容限，電極可放置成比金屬電極更緊鄰波導。電極之高介電常數對應於介電材料之一高極化率，此繼而導致用於調整波導結構內之電場之一節能控制機制。
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)係一固有材料性質，但一結構之有效介電常數與其介電常數成比例但亦取決於結構之形狀及尺寸。在此等實施例中，用於第一及第二電極之材料可經選擇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，一低溫裝置(諸如圖10中展示之低溫恆溫器1113)可經組態以將第一電接觸件、第二電接觸件及波導結構維持在一低溫溫度下(例如，處於或低於凱氏77度)。
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，且波導結構可藉由具有沿著電場之方向對準之一非零值之一光電係數(例如，χ(2)，普克爾係數、或χ(3)，克爾係數)特性化。例如，導線可耦合至一電壓源，該電壓源強加一可控制(例如，可程式化)電壓差，藉此在波導結構中產生一電場，如圖10中繪示。另外或替代地，由波導結構支援之一導引模式可具有與x方向對準之一偏振方向。
在一些實施例中，第一電極及第二電極經組態為與板片層共面且鄰近板片層之一第一側安置之一第二層。例如，第一及第二電極可(例如，採用磊晶或另一方法(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))生長至板片層之第一側上，使得第一及第二電極層直接耦合至板片層。替代地，在一些實施例中，一中介層可安置於板片層與第一及第二介電層之間，使得板片層以及第一及第二介電層經間接耦合。在一些實施例中，中介層可由氧化物材料構成。
第一電極及第二電極可由一間隙區域(例如，間隙區域243或343)分開。在一些實施例中，間隙區域可能已被蝕刻掉，且可填充有一包覆材料。在一些實施例中，第一電極及第二電極兩者可在板片層上方生長為一單一第二層，且隨後蝕刻掉一區域以分開第一及第二電極。此經蝕刻區域可隨後填充有一包覆材料。替代地，經蝕刻區域可保持為空(即，可填充有空氣或真空)。
在一些實施例中，在分開第一及第二電極之方向上，第一電極及第二電極具有大於第一材料之一介電常數之一介電常數。在大於1mK、小於77K、小於150K及/或在另一溫度範圍內之一第一溫度下，第一電極及第二電極之介電常數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的一折射率之一透明材料。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
一材料之導電率與其載子遷移率(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。一光子相移器裝置之電極之增加的導電率可係所要的，此係因為其可實現在更高頻率下及/或在減少電極之加熱之情況下增加對裝置之控制。然而，電極之一大自由電子密度可係非所要的，此係因為具有一大自由電子密度之一電極可為波導結構內之光子提供一大吸收儲存庫(reservoir)以供電極之自由電子吸收(例如，藉此逸出波導結構且至電極中)。換言之，藉由增加為電極選擇之材料之自由電子密度而增加電極之導電率可係非所要的，此係因為此可增加裝置之光子損耗率。
為了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構成，該第二材料經選擇以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導電率。有利地，高載子遷移率材料可產生一成比例地高導電率而不引入高光子吸收。一高載子遷移率材料可憑藉其相對較低載子濃度(例如，相對於具有一類似導電率及一低載子遷移率之一材料低)而展現所要導電率性質，同時維持對波導內之光學模式之透明度。經典德汝德(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構成，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，第二材料可經選擇使得其電子遷移率高於矽。在一些實施例中，第二材料可經選擇使得其具有大於裝置之一操作頻率之一能隙。
在一些實施例中，第二材料包括砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)/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)、經摻雜矽、二維電子氣體或經摻雜氧化鍶(STO)之一者。針對其中第二材料包括經摻雜STO之實施例，經摻雜STO可經鈮摻雜、鑭摻雜或空位摻雜以及其他可能性。例如，塊狀GaAs具有8500cm2/Vs之一電子遷移率，該電子遷移率比矽之電子遷移率高6倍。InGaAs/GaAs之異質結構在凱氏4度下可達到41000cm2/Vs之遷移率且AlxGa1-xAs/GaAs異質結構可達到高達180,000cm2/Vs之遷移率。相較之下，Si具有1500cm2/Vs之一遷移率。取決於載子濃度，經摻雜STO亦可展現自10,000cm2/Vs至53,000cm2/Vs之高電子遷移率。
針對其中第二材料係一經摻雜材料之實施例，可基於所得經摻雜材料之吸收性質選擇摻雜濃度。例如，可針對複數個摻雜濃度之各者在光電裝置之(若干)操作頻率下分析經摻雜材料之吸收，且可選擇在(若干)操作頻率下展現低吸收之一摻雜濃度。
以下段落描述在圖2至圖8中展示之架構之間不同之各種設計特徵。
圖2繪示其中波導結構之脊部分(251)安置於板片層之底部上且延伸至第一包覆層(210)中之一架構。如圖2中繪示，脊部分及板片層之組合具有大於單獨板片層(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在板片層之底側上延伸至包覆層(210)中。如圖2中繪示，第一電極(240)及第二電極(242)在板片層之與底側相對之頂側上耦合至板片層(220)。此外，第一電接觸件及第二電接觸件安置於板片層(220)之頂側上。應注意，術語「頂部」及「底部」係為了參考圖中繪示之透視圖之清楚起見而採用，且不一定係指相對於整體裝置之任何特定定向。
圖3繪示其中波導結構之脊部分(351)安置於板片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板片層之與頂側相對之底側上耦合至板片層之一架構。如繪示，脊部分及板片層之組合具有大於單獨板片層(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在板片層(320)之頂側上延伸至第二包覆層(312)中。如圖3中繪示，第一電極(340)及第二電極(342)在板片層之與頂側相對之底側上耦合至板片層(320)。此外，第一電接觸件藉由自板片層之頂側穿透板片層(320)至板片層之底側而耦合至第一電極(340)，
且第二電接觸件藉由自板片層之頂側穿透板片層(320)至板片層之底側而耦合至第二電極(342)。
圖4繪示其中波導結構之板片層及脊部分(451)之組合具有大於板片層(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在板片層之頂側上延伸至第二包覆層(412)中之一架構。如圖4中繪示，第一電極(440)及第二電極(442)在板片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)毗連波導結構之脊部分(451)。
圖5繪示其中波導結構包含一第一帶狀波導部分(554)及一第二帶狀波導部分(556)，其中第一及第二帶狀波導部分由一第二材料構成，且其中板片層(520)安置於第一帶狀波導部分(554)與第二帶狀波導部分(556)之間之一架構。一第一電極(540)及一第二電極(542)安置於光電層(520)上，一第一導線(530)耦合至第一電極，且一第二導線(532)耦合至第二電極。根據一些實施例，圖5中繪示之裝置架構可藉由參考圖15描述之方法製造。
在一些實施例中，第一帶狀波導部分由氮化矽(Si3N4)構成且第二帶狀波導部分由矽構成。在其他實施例中，第一及第二帶狀波導部分兩者由氮化矽(Si3N4)構成。替代地，第一及第二波導部分之各者可單獨由Si3N4、二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)或另一材料構成。
如圖5中繪示，第一電極及第二電極毗連第一帶狀波導，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光電層共面且鄰近光電層之一第一側安置之一第二層。
在一些實施例中，第一及第二帶狀波導部分經組態以將一光學模式之最大強度部分集中於光電層內。換言之，在板片層(520)之一側上僅具有一第一帶狀波導部分(554)且在另一側上僅具有一包覆層(即，無第二帶狀波導部分(556))，或在板片層(520)之一側上僅具有一第二帶狀波導部分(556)且在另一側上僅具有一包覆層(即，無第一帶狀波導部分(554))可導致一垂直偏移及/或較不集中光學模式。在一些實施例中，第一帶狀波導部分毗連板片層且第二帶狀波導部分與板片層分開達一小距離(例如，數奈米或另一距離)。替代地，(圖5中未展示)，第一及第二帶狀波導部分兩者可毗連板片層。
圖6繪示其中第二電極(642)在板片層之頂側上耦合至板片層(651)且第一電極(640)在板片層之與頂側相對之底側上耦合至板片層(651)之一垂直波導架構。換言之，第一及第二電極耦合至波導結構之頂側及底側，使得波導結構內之經引發電場沿著y方向定向。
圖7繪示其中第一電極(740)及第二電極(742)之各者與波導結構(754)成直線安置之一波導架構。換言之，第一及第二電極之各者以及波導結構安置於具有一單一寬度之一單一層內。
圖8繪示其中第一電極(840)及第二電極(842)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)可包含一脊部分(844)，該脊部分(844)具有大於第一電極之剩餘部分之一厚度(860)之一厚度(862)，且第二電極(842)可包含一脊部分(846)，該脊部分(846)具有大於第二電極之剩餘部分之厚度(860)之一厚度(862)。此外，第一及第二電極之脊部分可展現與波導結構(851)相同之厚度。
圖9-光子相移器之自上而下視圖
圖9係根據一些實施例之一光子相移器架構之一自上而下視圖。如繪示，相移器可包含第一導線(930)及第二導線(932)、第一電極(940)及第二電極(942)、一板片(例如，波導)層(920)及波導結構(951)之一脊部分。
圖10-混合量子運算系統
圖10係繪示根據一些實施例之將具有一低溫恆溫器之一光電開關併入一混合量子運算系統中之一簡化系統圖。為了在低溫(例如，液氦溫度)下操作，本發明之實施例將本文中論述之光電開關整合至包含冷卻系統之一系統中。因此，本發明之實施例提供可用於一混合運算系統內之一光學相移器，例如，如圖8中繪示。混合運算系統1001包含通信地耦合至一混合量子運算(QC)子系統1005之一使用者介面裝置1003。使用者介面裝置1003可係任何類型之使用者介面裝置，例如，包含一顯示器、鍵盤、滑鼠、觸控螢幕及類似者之一終端機。另外，使用者介面裝置自身可係一電腦，諸如一個人電腦(PC)、膝上型電腦、平板電腦及類似者。在一些實施例中，使用者介面裝置1003提供一使用者可採用其與混合QC子系統1005互動之一介面。例如，使用者介面裝置1003可運行軟體(諸如一文字編輯器、一交互式開發環境(IDE)、命令提示、圖形使用者介面及類似者)，使得使用者可程式化QC子系統或以其他方式與QC子系統互動以運行一或多個量子演算法。在其他實施例中，QC子系統1005可經預程式化且使用者介面裝置1003可僅係其中一使用者可起始一量子運算、監測進展且自混合QC子系統1005接收結果之一介面。混合QC子系統1005進一步包含耦合至一或多個量子運算晶片1009之一經典運算系統
1007。在一些實例中，經典運算系統1007及量子運算晶片1009可耦合至其他電子組件1011(例如，脈衝泵浦雷射、微波振盪器、電力供應器、網路連結硬體等)。
在利用低溫操作之一些實施例中，量子運算晶片1009可容置於一低溫恆溫器(例如，低溫恆溫器1013)內。在一些實施例中，量子運算晶片1009可包含一或多個構成晶片(例如，混合電子晶片1015及整合式光子晶片1017)。信號可以任何數目個方式(例如，經由光學互連件1019及經由其他電子互連件1021)在晶片上及晶片外路由。
圖11-一光子相移器中之經引發電場
圖11係繪示根據一些實施例之圖2中展示之波導結構之一橫截面之一簡化示意圖，其中採用箭頭繪示經引發電場之方向。如繪示，小箭頭展示通常沿著正x方向指向通過裝置之電極之經引發電場方向。電場在電極之上方及下方兩者以一凸形方式彎曲，如繪示。此外，指向正x方向之大箭頭(1150)繪示可行進通過板片層及波導之一光學模式之偏振方向。
圖12至圖15-光電裝置之製造方法
最新技術進步已證實採用複合分子束磊晶(MBE)技術在平面Si基板上成功生長鐵電薄膜，此使採用半導體處理技術在光電裝置中單片整合各種複合氧化物可行。BaTiO3或BTO歸因於其高普克爾係數、高頻寬及低介電損耗而被視為下一代光電開關之首選材料。在一些實施例中，可採用SrTiO3作為一緩衝層在一矽基板上磊晶生長一毯覆式BTO薄膜。可接著在BTO薄膜上覆疊二氧化矽(SiO2)接合層。在另一矽晶圓上，形成一矽波導且其由具有一平坦頂表面之二氧化矽包覆層包圍，該平坦頂
表面可藉由(例如)在於矽波導上方毯覆式沈積二氧化矽層之後進行化學機械拋光而獲得。透過晶圓至晶圓接合將其上形成毯覆式BTO膜之第一晶圓接合至第二晶圓，使得毯覆式BTO膜經轉移至包覆在第二晶圓上之二氧化矽之平坦頂表面。隨後(例如，藉由研磨及/或化學機械拋光)移除此第一晶圓，且接著在BTO膜中形成電極或接觸件以容許跨接觸件施加一電場。此程序涉及將BTO膜自一個基板轉移至另一基板，且因此效率低、成本高且限制底層裝置架構。圖12至圖15繪示根據各項實施例之各種光電裝置架構之製造程序之經改良方法。
圖12A至圖12G係繪示根據一些實施例之用於建構具有與電極相對定位之一脊波導之光電裝置之一製造方法之示意圖。
圖12A繪示用於建構一裝置之初始步驟，包含在一基板層(1202)上沈積一晶種層(1204)，且在晶種層(1204)上沈積一光電層(1206)。連續層可經磊晶沈積，或其等可採用另一技術沈積。在一些實施例中，可接收包括一第一層堆疊之一第一晶圓，其中第一層堆疊包含經繪示基板層(1202)、晶種層(1204)及光電層(1206)。換言之，可自一製造商接收對應於圖12A中繪示之經預製晶圓之一經預製晶圓。替代地，可接收包括晶種層(1204)、基板層(1202)及/或光電層(1206)之一或多者之一部分完成晶圓，且可沈積剩餘層以完成晶圓。
在一些實施例中，基板層係一絕緣體上覆矽(SOI)晶圓，且基板層之第一部分係SOI晶圓之與晶種層接觸之一頂部矽層。SOI晶圓可包含一半導體(例如，矽或Si)基底、半導體基底基板上之氧化物層(例如，二氧化矽或SiO2)及氧化物層上之一半導體層(例如，矽)。雖然本文中採用具有矽基底基板上之二氧化矽層上之一矽層之一矽基SOI基板作為
SOI基板之一實例，但SOI基板可係基於其他類型之半導體(例如，鍺或砷化鎵)。SOI基板上之矽層及SiO2層之厚度可根據各項實施例變動。在一些實施例中，SOI基板上之矽層之厚度等於或小於150nm，SiO2層之厚度可在自0.5μm至4μm之範圍中，且矽基底之厚度可在自100μm至2mm之範圍中。
在一些實施例中，晶種層由鈦酸鍶(STO)、鈦酸鍶鋇(BST)、氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鎂(MgO)、鍺(Ge)或類似者之一者構成。在一些實施例中，晶種層可薄於30nm，且可用作用以將光電層附接至基板層之一介接(interworking)層。在此等實施例中，可最終在一後續製造步驟中移除晶種層及介接層。替代地，在一些實施例中，晶種層可更厚(例如，厚度自4nm至300nm)，且可隨後經蝕刻以將晶種層分離成與一第二電極分開之一第一電極，如下文更詳細描述。
在一些實施例中，光電層由鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鍶鋇(BST)、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、氧化鋁、亞硝酸鋁或鈮酸鍶鋇(SBN)之一者構成。在一些實施例中，第一包覆層可由二氧化矽或另一材料構成。
在一些實施例中，在基板層上沈積晶種層包含獲得具有一清潔矽表面(例如，Si[001]2x1重建表面)之一SOI基板，且採用習知技術鈍化矽表面。在鈍化矽表面之後，可在矽層上磊晶生長一SrTiO3緩衝層。一薄膜(約3nm至30nm)磊晶生長SrTiO3層可最初生長為一緩衝層以促進後續沈積BaTiO3層之磊晶生長。在一些實施例中，可在一較低溫度(例如，100℃至300℃)下在(例如)10-8至1.5 x10-6托之一氧氣壓力下生長
SrTiO3之前幾個ML(1至3ML)以便避免矽表面處之氧化。SrTiO3之此幾個ML大多係非晶系的，因此可執行在較高溫度(例如，500℃至750℃)下在超高真空條件(例如，壓力<5 x 10-9托)中之一退火程序以使生長於矽表面上之SrTiO3結晶化。接著，可在較高溫度(例如，500℃至600℃)下或在較低溫度(例如，300℃至500℃)下生長更多SrTiO3，接著為在較高溫度(例如，550℃至750℃)下退火直至達成SrTiO3緩衝層之一所要厚度。
圖12B繪示如何蝕刻光電層以建構一脊波導結構(1224)。在蝕刻光電層之後，在光電層(1206)上沈積一第一包覆層(1208)。例如，在沈積第一包覆層之前，可自一均勻光電層形成一脊結構。在一些實施例中，可藉由以下項形成脊波導結構：獲得具有(例如)200nm至350nm厚度之一光電層；遮罩光電層上之其中脊波導結構待定位之區域；且採用一各向異性蝕刻(例如，RIE)程序蝕刻SOI基板上之光電層以使光電層之未遮罩部分減薄至(例如)小於150nm。接著在脊波導結構及光電層之已減薄之部分上沈積第一包覆層。
圖12C繪示平坦化第一包覆層(1210)。例如，圖12B中展示之第一包覆層之上表面可非充分平坦的，且可平坦化第一包覆層以減少第一包覆層之厚度之變動。
圖12D繪示將經平坦化第一包覆層(1210)接合至一晶圓(1212)。在一些實施例中，可將第一包覆層之上表面接合至晶圓。在一些實施例中，晶圓(1212)包括一光學中介層，或晶圓可係裝置之另一類型之電路組件。一般言之，晶圓可含有待經組態為接近脊波導之各種不同類型之組件之任何者。
圖12E繪示自現展示為裝置之上表面之表面移除基板層(1202)。移除基板層可曝露晶種層。
圖12F繪示蝕刻晶種層以將晶種層分離成與一第二電極(1216)分開之一第一電極(1214)。可執行蝕刻晶種層以曝露光電層之一部分。方法可繼續至在經蝕刻晶種層及光電層之經曝露部分上沈積一第二包覆層(1218)。
圖12G繪示蝕刻第二包覆層以曝露第一電極之一第一部分，蝕刻第二包覆層以曝露第二電極之一第二部分，透過經曝露第一部分將一第一導線(1220)沈積至第一電極(1214)上，且透過經曝露第二部分將一第二導線(1222)沈積至第二電極(1216)上。第一及第二導線可由一導電材料(諸如一金屬(例如，銅、金或類似者))構成或替代地，其等可由一半導體構成。最終裝置可結構上類似於(例如)圖2中繪示之裝置。
圖13A至圖13E係繪示根據一些實施例之用於建構光電裝置之一製造方法之示意圖，該光電裝置具有與電極定位於相對側上之一脊波導，其中導線穿透波導之板片層。圖13A至圖13E中展示之方法步驟可用於建構類似於(例如)圖3中展示之裝置之一裝置。
圖13A繪示用於製造一裝置之初始步驟，包含在一基板層(1302)上沈積一晶種層(1304)，在晶種層(1304)上沈積一光電層(1306)，且在光電層(1306)上沈積一電極層(1308)。連續層可經磊晶沈積，或其等可採用另一技術沈積。替代地，可自一製造商接收一完成晶圓(諸如圖13A中展示之完成晶圓)。替代地，可接收包括晶種層(1304)、基板層(1302)及/或光電層(1306)之一或多者之一部分完成晶圓，且可沈積剩餘層以完成晶圓。
在一些實施例中，晶種層由鈦酸鍶(STO)、鈦酸鍶鋇(BST)、氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、鈮酸鍶鋇(SBN)、氧化鎂(MgO)、鍺或類似者之一者構成。
在一些實施例中，光電層由鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鍶鋇(BST)、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、氧化鋁、亞硝酸鋁或鈮酸鍶鋇(SBN)之一者構成。
圖13B繪示蝕刻電極層(1308)以曝露光電層之一部分且將電極層分離成與一第二電極(1312)分開之一第一電極(1310)。在執行蝕刻之後，在光電層之經曝露部分以及第一及第二電極上沈積一第一包覆層(1314)。
圖13C繪示平坦化第一包覆層且將經平坦化第一包覆層(1314)接合至一晶圓(1316)。例如，可平坦化第一包覆層以增加其厚度均勻性且改良至晶圓之接合。可在接合至晶圓之前將裝置上下翻轉，使得經平坦化第一包覆層現在裝置之底部上以接合至晶圓。在一些實施例中，晶圓(1316)包括一光學中介層，或晶圓可係裝置之另一類型之電路組件。一般言之，晶圓可含有待經組態為接近電極之各種不同類型之組件之任何者。
圖13D繪示移除基板層(1302)及晶種層(1304)，且在移除基板層及晶種層之後，蝕刻光電層(1306)以產生具有一第一厚度(1326)之一脊波導(1318)，該脊波導(1318)安置於具有小於該第一厚度(1326)之一第二厚度(1328)之第一板片層(1320)與第二板片層(1322)之間。在一些實施例中，為了進一步改良脊波導附近之區域中之光電係數，不僅移除基板
層(1302)及晶種層(1304)而且亦移除光電層1306之一部分以移除在接近晶種層之區域中生長之任何c軸光電材料(例如，在一STO晶種及BTO光電層之情況中)。在蝕刻脊波導之後，可在第一及第二板片層以及脊波導結構上沈積一第二包覆層(1324)。
圖13E繪示蝕刻穿過第二包覆層(1324)及第一板片層以曝露第一電極之一第一部分，蝕刻穿過第二包覆層及第二板片層以曝露第二電極之一第二部分，透過經曝露第一部分將一第一導線(1330)沈積至第一電極(1310)上，且透過經曝露第二部分將一第二導線(1332)沈積至第二電極(1312)上。第一及第二導線可由一導電材料(諸如一金屬)構成或替代地，其等可由一半導體構成。
圖14A至圖14E係繪示根據一些實施例之用於建構具有與電極定位於相同側上之一脊波導之光電裝置之一製造方法之示意圖。圖14A至圖14E中展示之方法步驟可用於建構類似於(例如)圖4中展示之裝置之一裝置。
圖14A繪示用於製造一裝置之初始步驟，包含在一基板層(1402)上沈積一晶種層(1404)，在晶種層(1404)上沈積一光電層(1406)，且在光電層(1406)上沈積一第一包覆層(1408)。連續層可經磊晶沈積，或其等可採用另一技術沈積。替代地，可自一製造商接收一完成晶圓(諸如圖14A中展示之完成晶圓)。替代地，可接收包括晶種層(1404)、基板層(1402)、光電層(1406)及/或第一包覆層(1408)之一或多者之一部分完成晶圓，且可沈積剩餘層以完成晶圓。
在一些實施例中，光電層由鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鍶鋇(BST)、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)、氧化鋁、亞硝酸
鋁或鈮酸鍶鋇(SBN)之一者構成。
圖14B繪示平坦化第一包覆層(1408)以增加第一包覆層之厚度均勻性且將經平坦化第一包覆層(1408)接合至一晶圓(1410)。可在接合至晶圓之前將裝置上下翻轉，使得經平坦化第一包覆層現在裝置之底部上以接合至晶圓。在一些實施例中，晶圓(1410)包括一光學中介層，或晶圓可係裝置之另一類型之電路組件。一般言之，晶圓可含有待經組態為接近晶種層之各種不同類型之組件之任何者。
圖14C繪示移除基板層(1402)及晶種層(1404)，且在移除基板層及晶種層之後，蝕刻光電層以產生具有一第一厚度(1418)之一脊波導(1412)，該脊波導(1412)安置於一第一板片層(1414)與一第二板片層(1416)之間，其中該等第一及第二板片層具有小於第一厚度(1418)之一第二厚度(1420)。在一些實施例中，為了進一步改良脊波導附近之區域中之光電係數，不僅移除基板層(1402)及晶種層(1404)而且亦移除光電層1406之一部分以移除在接近晶種層之區域中生長之任何c軸光電材料(例如，在一STO晶種及BTO光電層之情況中)。
圖14D繪示分別在脊波導結構(1412)之左側及右側上沈積一第一電極(1422)及一第二電極(1424)，且在第一及第二電極以及脊波導結構上沈積一第二包覆層(1426)。在一些實施例中，第一及第二電極由鈦酸鍶(STO)、鈦酸鍶鋇(BST)、氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化石墨烯、氧化鉭、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛鑭鋯(PLZT)或鈮酸鍶鋇(SBN)之一者構成。
圖14E繪示蝕刻穿過第二包覆層以曝露第一電極之一第一部分，蝕刻穿過第二包覆層以曝露第二電極之一第二部分，透過經曝露第
一部分將一第一導線(1428)沈積至第一電極(1422)上，且透過經曝露第二部分將一第二導線(1430)沈積至第二電極(1424)上。第一及第二導線可由一導電材料(諸如一金屬)構成或替代地，其等可由一半導體構成。
圖15A至圖15E繪示根據一些實施例之用於製造展現一夾層架構之一光子裝置之方法。圖15A至圖15E中展示之方法步驟可用於建構類似於(例如)圖5中展示之裝置之一裝置。
圖15A繪示包括安置於一第一基板層(1506)上之一電極層(1504)及安置於電極層(1504)上之一光電層(1502)之一第一晶圓(1500)之一橫截面。替代地，在一些實施例中，光電層(1502)安置於一晶種層(未展示)上。在一些實施例中，第一晶圓可由一晶圓製造商預製且經接收以供如圖15C至圖15E中描述之進一步製造步驟。替代地，可在設計公司內製造第一晶圓。例如，可藉由利用磊晶沈積或如貫穿本發明不同地描述之各種其他沈積技術之任何者在第一基板層上依序沈積電極層及光電層。
圖15B繪示一第二晶圓(1501)之一橫截面，其包括安置於一第二包覆層(1510)下方之一第二基板層(1512)及安置於第二包覆層內且在第二包覆層之上表面附近之一第二帶狀波導結構(1508)。在一些實施例中，第二晶圓(1501)可由一晶圓製造商預製且經接收以供如圖15C至圖15E中描述之進一步製造步驟。替代地，可視需要在設計公司內製造第二晶圓。
在一些實施例中，翻轉第一晶圓(1500)，且將第一晶圓之光電層(1502)之經曝露表面接合至第二晶圓之第二包覆層(1510)之經曝露表面。因此，將第一及第二晶圓接合在一起。
圖15C繪示在一些實施例中，如何在將第一晶圓接合至第
二晶圓之後，移除第一包覆層(1506)，且蝕刻電極層(1504)以將電極層分離成與一第二電極(1516)分開之一第一電極(1514)。在其他實施例中，電極層(1504)用作最終被移除之一相對薄晶種層。為了進一步改良晶種層之表面附近之區域中之光電係數，除基板層(1506)及電極/晶種層(1504)之外，亦可移除光電層(1502)之一部分。在此等實施例中，在晶種層之此移除之後，可如上文描述般沈積且蝕刻一新電極層。
圖15D繪示如何將一第一帶狀波導結構(1520)沈積於第一電極(1514)與第二電極(1516)之間。在一些實施例中，沈積程序之後接著為一平坦化步驟以(例如)藉由微影圖案化或化學機械拋光(CMP)自電極上方之區域移除過量材料。在一些實施例中，用於帶狀波導結構(1520)及/或(1508)之材料係如上文參考圖5描述，且可係(例如)氮化矽。隨後，在第一及第二電極以及第一帶狀波導結構上沈積一第一包覆層(1518)。
最後，圖15E繪示如何蝕刻第一包覆層(1518)以曝露第一電極(1514)之一部分及第二電極(1516)之一部分。接著在第一電極之經曝露部分上沈積一第一導線(1522)，且在第二電極之一經曝露部分上沈積一第二導線(1524)。圖15E繪示導線經沈積於第一及第二電極之上表面上之何處之一實施例。然而，在其他實施例中，第一及第二電極之經曝露部分可自身經蝕刻，使得第一及第二導線經沈積於第一及第二電極之橫截面內之某一距離內，或潛在地在光電層(1502)之上表面上。
圖16繪示根據各項實施例之包含可經接收作為本文中描述之各種裝置之一製造程序之部分之一層堆疊之一第一晶圓之一橫截面。如繪示，一第一絕緣基板層(1602)可(視情況)安置於一晶種層(1604)下方，該晶種層(1604)安置於一光電層(1606)下方，該光電層(1606)(視情況)安
置於一電極層(1608)下方，該電極層(1608)(視情況)安置於一第二絕緣基板層(1610)下方。應注意，取決於待使用之特定製造方法，第一晶圓可具有各種類型，此係因為視需要，晶種層、電極層及第二基板層可視情況存在或不存在。
在一些實施例中，隨後可蝕刻晶種層(1604)以形成與一第二電極分開之一第一電極。替代地，在一些實施例中，晶種層僅用於提供光電層與第一基板層之間之一中介層，且最終在製造程序期間移除晶種層。在此等實施例中，可蝕刻晶種層(1608)以形成第一及第二電極。
額外實施例
以下編號段落描述額外實施例。
在一些實施例中，一光子相移器裝置包括一第一包覆層、一第一電極、一第二電極、由一第一材料構成之一波導結構及一第二包覆層。波導結構耦合至第一電極及第二電極。第一電極及第二電極由具有高於矽之一電子遷移率之一第二材料構成。
在一些實施例中，第一電極、第二電極及波導結構安置於具有一第一厚度之一單一層內，且波導結構安置於第一與第二電極之間。例如，見圖7。
在一些實施例中，第一電極及第二電極各包括一各自脊結構及一各自板片結構，各自脊結構具有大於各自板片結構之一第二厚度之一第一厚度，波導結構安置於第一與第二電極之間且耦合至第一及第二電極之脊結構，且波導結構具有第一厚度。例如，見圖8。
在一些實施例中，波導結構包括一板片層，第一電極在板片層之一第一側上耦合至板片層，且第二電極在板片層之與第一側相對之
一第二側上耦合至板片層。例如，見圖6。
在一些實施例中，裝置進一步包含經組態以將第一電極、第二電極及波導結構維持為處於或低於凱氏77或150度之一低溫裝置。
本文中之各項所述實施例之描述中採用之術語僅係出於描述特定實施例之目的且不旨在限制性。如各項所述實施例之描述及隨附發明申請專利範圍中採用，單數形式「一(a/an)」及「該」旨在亦包含複數形式，除非背景內容另有清楚指示。亦將理解，如本文中採用之術語「及/或」係指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。將進一步理解，當在本說明書中採用時，術語「包含(includes、including)」及/或「包括(comprises、comprising)」指定所述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其等之群組之存在或添加。
如本文中採用，取決於背景內容，術語「若」視情況被解釋為意謂「當...時」或「在...之後」或「回應於判定」或「回應於偵測」或「根據...之一判定」。
為了解釋之目的，已參考特定實施例描述前述描述。然而，上文之闡釋性論述不旨在為窮舉性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。選取實施例以便最佳解釋作為發明申請專利範圍及其等實際應用之基礎之原理以藉此使其他熟習此項技術者能夠最佳地採用具有如適合所審慎考慮特定用途之各種修改之實施例。
亦應理解，本文中描述之實例及實施例僅係為了闡釋性目的且鑑於其之各種修改或改變將被建議給熟習此項技術者且欲包含於本申
請案之精神及範圍以及隨附發明申請專利範圍之範疇內。
210:第一包覆層
212:第二包覆層
220:板片層
230:第一導線
232:第二導線
240:第一電極
242:第二電極
243:間隙區域
251:脊部分
260:第二厚度
262:第一厚度
Claims (19)
- 一種光電裝置，其包括：一第一包覆層；一第一電極；一第一金屬導線，其經電連接至該第一電極；一第二電極；一第二金屬導線，其經電連接至該第二電極；一第二包覆層；一波導結構，其由鈦酸鋇構成，其中該波導結構耦合至該第一電極及該第二電極，其中該波導結構安置於該等第一與第二包覆層之間；及其中該第一電極及該第二電極由具有高於矽之一電子遷移率之一第一材料構成，其中該第一電極及該第二電極藉由一間隙區域分開。
- 如請求項1之裝置，其中該第一材料對可見光係透明的。
- 一種光電裝置，其包括：一第一包覆層；一第一電極；一第二電極；一波導結構，其由一第一材料構成，其中該波導結構耦合至該第一電極及該第二電極；及 一第二包覆層，其中該第一電極及該第二電極由具有高於矽之一電子遷移率之一第二材料構成，其中該第一電極及該第二電極藉由一間隙區域分開。
- 如請求項3之裝置，其中該第二材料具有大於該裝置之一操作頻率之一能隙。
- 如請求項3之裝置，其中該第二材料包括以下項之一者：砷化鎵(GaAs)；砷化鋁鎵/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)；二維電子氣體；或經摻雜鈦酸鍶。
- 如請求項5之裝置，其中該經摻雜鈦酸鍶係以下項之任一者：鈮摻雜；鑭摻雜；或空位摻雜。
- 如請求項3之裝置，其中該第二材料對可見光係透明的。
- 如請求項3之裝置，其中該第一材料包括以下項之一者：鈦酸鋇；鈦酸鍶鋇；鋯鈦酸鉛；鈦酸鉛鑭鋯；或鈮酸鍶鋇。
- 如請求項3之裝置，其中該第一包覆層及該第二包覆層由氮化矽構成。
- 如請求項3之裝置，其中該波導結構包括一脊部分及一板片層，其中該脊部分耦合至該板片層，其中該脊部分安置於該第一電極與該第二電極之間。
- 如請求項10之裝置，其中該脊部分安置於該板片層之一第一側上且延伸至該第一包覆層中，且其中該第一電極及該第二電極在該板片層之該第一側上耦合至該板 片層且毗連該波導結構之該脊部分。
- 如請求項10之裝置，其中該脊部分安置於該板片層之一第一側上且延伸至該第一包覆層中，其中該第一電極及該第二電極在該板片層之與該第一側相對之一第二側上耦合至該板片層。
- 如請求項3之裝置，其中該第一包覆層安置於該第一電極、第二電極及波導結構之一第一側上，且其中該第二包覆層安置於該第一電極、第二電極及波導結構之與該第一側相對之一第二側上。
- 如請求項3之裝置，其中該第一電極及該第二電極經組態以在該波導結構中沿著一x方向產生一電場，且其中該波導結構藉由具有沿著該x方向對準之一非零值之一光電係數特性化。
- 如請求項1之裝置，其中該波導結構包括一板片層、一第一帶狀波導部分及一第二帶狀波導部分， 其中該等第一及第二帶狀波導部分分別由一第二材料及一第三材料構成，且其中該板片層安置於該第一帶狀波導部分與該第二帶狀波導部分之間。
- 如請求項15之裝置，其中該等第二及第三材料係氮化矽。
- 如請求項3之裝置，其中該波導結構包括一板片層，且其中該第一電極及該第二電極包括與該板片層共面且鄰近該板片層之一第一側安置之一第二層。
- 如請求項3之裝置，其中該第一材料包括具有大於該等第一及第二包覆層之一折射率的一折射率之一透明材料。
- 一種光學開關，其包括：至少一個輸入埠；至少一個輸出埠；一馬赫-詹德干涉儀，其耦合至一光束分離器，其中該馬赫-詹德干涉儀包括一第一臂及一第二臂；一光子相移器，其包括在該馬赫-詹德干涉儀之該第一臂內，該光子相移器包括： 一第一包覆層；一第一電極；一第二電極；一波導結構，其由一第一材料構成，其中該波導結構耦合至該第一電極及該第二電極；及一第二包覆層，其中該第一電極及該第二電極由具有高於矽之一電子遷移率之一第二材料構成，其中該第一電極及該第二電極藉由一間隙區域分開。
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