專利名稱：利用多程波導(dǎo)光學(xué)調(diào)制器進(jìn)行光學(xué)上調(diào)制光束的方法及裝置的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總體上涉及集成電路，且更具體地，本發(fā)明涉及采用集成電路的光調(diào)制。
背景信息在集成電路工業(yè)內(nèi)部，一直在努力增加集成電路的速度及器件的密度。伴隨著增加電路速度和器件密度，集成電路設(shè)計者面臨的一個挑戰(zhàn)是日益增加的因與離片電路連接(off chip circuit connection)相關(guān)的電容性負(fù)載而引起的電路輸入及輸出的顯著傳播延遲。在較慢的時鐘速度下，在集成電路線上的電容性負(fù)載通常不是一個重要因素。然而，隨著更新的集成電路設(shè)計，時鐘速度繼續(xù)向兆赫及更高的方向上升，顯然未來集成電路如例如但不局限于微處理器、離片高速緩存(off chip caches)、控制器等的主要瓶頸之一將是芯片之間或芯片內(nèi)部的往返延遲(round trip delay)及/或輸入/輸出帶寬。
現(xiàn)有技術(shù)專注于與增加集成電路速度及器件密度相關(guān)的電容性負(fù)載問題的努力已經(jīng)引發(fā)在芯片上使用更大且更強(qiáng)有力的集成電路輸入/輸出驅(qū)動器。使用較大輸入/輸出驅(qū)動器所不希望得到的結(jié)果包括這樣的事實，即與較小集成電路輸入/輸出驅(qū)動器相比較，較大的輸入/輸出驅(qū)動器通常消耗更多的能量、產(chǎn)生大的di/dt噪聲、消散更多的熱量并且在集成電路上占據(jù)更多有價值的區(qū)域，其中產(chǎn)生大的di/dt噪聲要求低電感封裝及大量在電路小片上的去耦電容，以提供噪聲抑制手段。
克服傳統(tǒng)集成電路互連局限性的其它現(xiàn)有技術(shù)努力已經(jīng)包括光學(xué)互連的使用。在集成電路之間的光學(xué)互連方面的現(xiàn)有技術(shù)努力通常已經(jīng)涉及或已經(jīng)基于兩類方法。
一個方法一直基于采有砷化鎵(GaAs)激光二極管及調(diào)制或電切換(switching)所述二極管，或者是通過采用GaAs建造的對通過集成電路的激光束進(jìn)行調(diào)幅的調(diào)制器。所述調(diào)制通常基于通過GaAs集成電路中濾波的多層生長分子束外(MBE)膜的電吸附。正如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所意識到，集成或組合包括GaAs且具有標(biāo)準(zhǔn)基于硅的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的基于III-V的技術(shù)既困難且不現(xiàn)實。
第二個典型的現(xiàn)有技術(shù)方法是基于使用基于硅的光導(dǎo)。這些光導(dǎo)通常利用基于絕緣體上的硅(SOI)的處理技術(shù)而被建造。現(xiàn)有技術(shù)基于SOI的調(diào)制器利用硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以切換經(jīng)過光導(dǎo)的光。然而不同于基于雙極的晶體管，切換機(jī)構(gòu)采用向波導(dǎo)中注入載流子。這樣的一個結(jié)果是速度減慢，例如達(dá)到幾百兆赫，以及非常高的能耗，例如一次簡單切換便為10mW或更高。為了增加調(diào)制深度，人們經(jīng)常試圖獲得被注入電荷與光束之間大的交互作用體積。這通常是通過制造非常長的波導(dǎo)例如上千微米的數(shù)量級而實現(xiàn)，從而增加了光束運(yùn)行經(jīng)過的交互作用長度。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所意識到的，然而，將SOI波導(dǎo)實際結(jié)合進(jìn)入現(xiàn)存的多層標(biāo)準(zhǔn)基于CMOS的處理并沒有一直向前發(fā)展。因此，在大型晶體管計數(shù)微處理器中當(dāng)波導(dǎo)用于高速輸入/輸出時，這些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的使用變得非常不實際。
發(fā)明概述一種光學(xué)調(diào)制器的方法及裝置被公開。在一個實施例中，一個光學(xué)調(diào)制器包括放置在集成電路小片的半導(dǎo)體基片中的充電區(qū)域。第一偏轉(zhuǎn)器緊接著所述充電放置被放置。所述第一偏轉(zhuǎn)器將把被導(dǎo)引通過所述充電區(qū)域的光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域。第二偏轉(zhuǎn)器被放置在第一偏轉(zhuǎn)器的對面。所述第二偏轉(zhuǎn)器將把偏轉(zhuǎn)離開第一偏轉(zhuǎn)器的光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域到達(dá)第一偏轉(zhuǎn)器。光束通過在第一和第二偏轉(zhuǎn)器之間充電區(qū)域的多次偏轉(zhuǎn)，光束將被導(dǎo)引離開光學(xué)調(diào)制器。根據(jù)隨后所提出的詳細(xì)說明、圖及權(quán)利要求，本發(fā)明的附加特點(diǎn)及益處將變成很顯然。
附圖的簡要說明本發(fā)明通過實例方式得以舉例說明，且并不局限于所附的圖。


圖1是倒裝晶片封裝集成電路小片的一個實施例的橫斷面示意，所述集成電路小片包括一個根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的光學(xué)調(diào)制器，所述光學(xué)調(diào)制器采用p-n結(jié)充電區(qū)域及全內(nèi)反射以對光束進(jìn)行調(diào)制。
圖2是倒裝晶片封裝集成電路小片的另一個實施例的橫斷面示意，所述集成電路小片包括一個根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的光學(xué)調(diào)制器，所述光學(xué)調(diào)制器采用p-n結(jié)充電區(qū)域及反射材料以對光束進(jìn)行調(diào)制。
圖3是倒裝晶片封裝集成電路小片的另一個實施例的橫斷面示意，所述集成電路小片包括一個根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的光學(xué)調(diào)制器，所述光學(xué)調(diào)制器采用金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)型結(jié)構(gòu)的充電區(qū)域及全內(nèi)反射以對光束進(jìn)行調(diào)制。
圖4是倒裝晶片封裝集成電路小片的又一個實施例的橫斷面示意，所述集成電路小片包括一個根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的光學(xué)調(diào)制器，所述光學(xué)調(diào)制器采用MOS型結(jié)構(gòu)的充電區(qū)域及反射材料以對光束進(jìn)行調(diào)制。
詳細(xì)說明一種提供光學(xué)調(diào)制器的方法和裝置被公開。在下述說明中，為了提供對本發(fā)明的完整理解，提出了眾多具體細(xì)節(jié)。然而，顯然對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，不需要采用所述具體細(xì)節(jié)便可以實踐本發(fā)明。在另一情況下，為了避免使本發(fā)明含糊，并沒有具體地說明眾所周知的材料或方法。
本發(fā)明提供一種光學(xué)調(diào)制器，所述光學(xué)調(diào)制器保證能夠通過集成電路小片的半導(dǎo)體基片背面從集成電路輸出電路節(jié)點(diǎn)中抽取集成電路信號。在一個實施例中，光學(xué)調(diào)制器被放置在倒裝晶片封裝的集成電路小片內(nèi)。
在一個實施例中，光束被導(dǎo)引通過一個集成電路小片半導(dǎo)體基片的背面。所述光束被導(dǎo)引通過半導(dǎo)體基片的充電區(qū)域。響應(yīng)于來自于例如集成電路小片中電路輸出節(jié)點(diǎn)的一個電信號，充電區(qū)域中自由電荷載流子的電荷分布被調(diào)制。在一個實施例中，集成電路小片的電路被置于在朝向集成電路小片前面的位置。光束被偏轉(zhuǎn)離開第一偏轉(zhuǎn)器返回通過充電區(qū)域。第二偏轉(zhuǎn)器把偏轉(zhuǎn)離開第一偏轉(zhuǎn)器的光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域到達(dá)第一偏轉(zhuǎn)器。經(jīng)過通過第一和第二偏轉(zhuǎn)器之間充電區(qū)域的多次偏轉(zhuǎn)，則光束通過集成電路小片的半導(dǎo)體基片背面而被偏轉(zhuǎn)開。
為了舉例說明，圖1顯示集成電路小片101的一個實施例，其中所述集成電路小片101包括根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的一個光學(xué)調(diào)制器。在一個實施例中，集成電路小片101是通過球壓焊107耦合到封裝基片109上的受控崩潰芯片連接(controlled collapse chip connection)(C4)的或倒裝晶片封裝的集成電路小片。正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所意識到的，球壓焊107提供集成電路小片101的內(nèi)部集成電路節(jié)點(diǎn)與封裝基片109的管腳121之間更直接的連接，由此減小了與典型引線接合集成電路的封裝技術(shù)相關(guān)的電感問題。在一個實施例中，集成電路小片101的內(nèi)部集成電路節(jié)點(diǎn)被置于在朝向集成電路小片101前面104的位置。倒裝晶片封裝的另一特征是提供對集成電路小片101背面102的全入口。在另一個實施例中可以意識到集成電路小片101并不被局限于安裝在倒裝晶片封裝的配置中。
在一個實施例中，本發(fā)明的光學(xué)調(diào)制器包括放置在包括充電區(qū)域115的半導(dǎo)體基片103內(nèi)的調(diào)制區(qū)域。在一個實施例中，利用所形成的p-n結(jié)，所述充電區(qū)域115被提供有在半導(dǎo)體基片103上的摻雜區(qū)域113。在一個實施例中，摻雜區(qū)域113可電尋址且可切換。
在一個實施例中，摻雜區(qū)域113是一個在p-型硅半導(dǎo)體基片103上的n-型摻硅區(qū)域。在另一個實施例中，摻雜區(qū)域113是一個在n-型硅半導(dǎo)體基片103上的p-型摻硅區(qū)域。要意識到本發(fā)明包含本處所說明的器件類型以及包括相反極性摻雜劑的器件。例如，本發(fā)明包含n溝道及p溝道器件結(jié)構(gòu)。此外，用于這個公開內(nèi)容的目的，要理解為術(shù)語“基片”包含半導(dǎo)體基片的層，其包括例如阱區(qū)、外延層等。因此，根據(jù)本發(fā)明的學(xué)說，本發(fā)明的p-n結(jié)可以存在于例如半導(dǎo)體基片中、p基片的n阱中、n基片的p阱中、n外延層中、p外延層中等。
在一個實施例中，響應(yīng)于被絕緣層105中的導(dǎo)體119輸運(yùn)到摻雜區(qū)域113的信號129，充電區(qū)域115內(nèi)的自由電荷分布被調(diào)制。在一個實施例中，信號129是一個由包括在集成電路小片101內(nèi)部的集成電路輸出節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的信號。因此，當(dāng)在導(dǎo)體119上信號129的電壓V變化時，充電區(qū)域115內(nèi)的自由電荷載流子分布被調(diào)制。要注意到，為了本公開內(nèi)容的目的，“充電”區(qū)域可以被解釋為具有自由電荷載流子的高度充電的區(qū)域。
在一個實施例中，光束111被導(dǎo)引通過背面102進(jìn)入到半導(dǎo)體基片103中。如圖1所說明的實施例所示，光束111被導(dǎo)引通過充電區(qū)域115并且被偏轉(zhuǎn)離開由摻雜區(qū)域113和絕緣體105的界面所形成的偏轉(zhuǎn)器。在一個實施例中，光束111具有相對于摻雜區(qū)域113和絕緣體105之間界面的入射角θ。為了本公開內(nèi)容的目的，入射角θ是光束與垂直于入射點(diǎn)表面的虛線所形成的夾角。在所述實施例中，由于全內(nèi)反射，光束111被偏轉(zhuǎn)離開摻雜區(qū)域113與絕緣體105之間的界面。在一個實施例中，摻雜區(qū)域113形成的過程是這樣的，即在摻雜區(qū)域113與絕緣體105之間界面處的反射表面上沒有硅化物形成。
在一個實施例中，絕緣體105包括氧化硅等，并且具有約為noxide＝1.5的折射率以及摻雜區(qū)域113包括硅且具有約為nSi＝3.5的折射率。為了具有光束111的全內(nèi)反射，光束111相對于摻雜區(qū)域113和絕緣體105之間界面的入射角θ滿足下述關(guān)系sinθ＞noxide/nSi(方程式1)偏轉(zhuǎn)的結(jié)果是在一個實施例中，光束111被偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域115直到它被偏轉(zhuǎn)離開半導(dǎo)體基片103背面102與空氣的界面。在這個界面處，被偏轉(zhuǎn)光束111相對于半導(dǎo)體基片103與空氣之間界面的入射角θ滿足下述關(guān)系sinθ＞nair/nSi(方程式2)其中空氣的折射率nair約等于1。結(jié)果是，在半導(dǎo)體基片103與空氣之間的界面處形成偏轉(zhuǎn)器。這個偏轉(zhuǎn)器與摻雜區(qū)域113與絕緣體105之間界面處所形成的偏轉(zhuǎn)器相對。如圖1所舉例說明的實施例所示，光束111被多次偏轉(zhuǎn)通過充電區(qū)域113直至其最終作為被偏轉(zhuǎn)的光束127從半導(dǎo)體基片103的背面102離開。
在一個實施例中，光束111包括紅外光或接近紅外光，因為硅可以對紅外光部分透明。在一個實施例中，光束111在位置123處進(jìn)入半導(dǎo)體基片103的背面102，并且被偏轉(zhuǎn)的光束127在位置125處離開半導(dǎo)體基片的背面102。在一個實施例中，位置123和125處的表面包括防反射涂層以降低光束111和反射光束127因反射而造成的衰減。如圖1所示的實施例所舉例說明，位置123處的表面被成一個角度，以便于減小光束111的入射角θ。類似地，在一實施例中，位置125處的表面被成一個角度，以便于減小被偏轉(zhuǎn)光束127的入射角θ。在一個實施例中，光束111幾乎相對于位置123垂直并且被偏轉(zhuǎn)光束127幾乎垂直于位置125。當(dāng)光束111和被偏轉(zhuǎn)光束127分別相對于位置123和125具有減小的入射角時，在這些界面處的折射相應(yīng)被降低。結(jié)果是，可以獲得在最初的偏轉(zhuǎn)器(例如在圖1中在摻雜區(qū)域113和絕緣體105之間界面上所形成的偏轉(zhuǎn)器)上的較大入射角θ。
在一個實施例中，在緊接著充電區(qū)域115的區(qū)域，半導(dǎo)體基片103被變薄，以便于減小光束111穿過半導(dǎo)體基片103的量。因此，摻雜區(qū)域113和絕緣體105之間界面與半導(dǎo)體基片103與空氣之間界面的距離被減小。結(jié)果是，光束111穿過半導(dǎo)體基片103后所帶來的光束111的衰減量得以減小。在一個實施例中，采用公知的刻蝕或開槽技術(shù)等，從背面102將半導(dǎo)體基片103變薄。
在一個實施例中，由于對充電區(qū)域115內(nèi)自由載流子分布的調(diào)制，響應(yīng)于信號129光束111被調(diào)制。尤其是，由于等離子體光學(xué)效應(yīng)，光束111通過充電區(qū)域115的相被調(diào)制。由于可能沿著光束111的傳播路徑存在光電場矢量和自由電荷載流子之間的交互作用，從而引起等離子體光學(xué)效應(yīng)。光束111的電場使自由電荷載流子極化，而且這有效地干擾了介質(zhì)的局部電介常數(shù)。這反過來導(dǎo)致對光波傳播速度的干擾及由此對光折射率的干擾，因為折射率只是在真空中的光速與在介質(zhì)中的光速的比值。當(dāng)光能被用盡時，自由電荷載流子也導(dǎo)致對光場的吸收，以對自由電荷載流子加速?？傮w上，折射率干擾是一個復(fù)數(shù)，其實部是引起速度變化的部分且其虛部為與自由電荷載流子的吸收有關(guān)的部分。相移量Ф由下式給出φ＝(2π/λ)ΔnL (等式3)其中光波長為λ且交互作用長度為L。在等離子光效應(yīng)情況下，因電子(ΔNe)和空穴(ΔNh)濃度變化引起的折射率變化Δn由下式給出Δn=-e2λ28π2c2ϵ0n0(be(ΔNe)1.05me*+bh(ΔNh)0.8mh*)]]>(等式4)其中n0是硅的額定折射率、e是電子電荷、c是光速、ε0是自由空間介電常數(shù)、me*和mh*分別是電子和空穴的有效質(zhì)量、bc和bh是調(diào)整參數(shù)。作為充電區(qū)域115內(nèi)對自由電荷載流子分布的調(diào)制結(jié)果，被偏轉(zhuǎn)光束127的強(qiáng)度受到調(diào)制。
要理解到集成電路小片103事實上形成了多程波導(dǎo)光學(xué)調(diào)制器。正如可以理解到的，根據(jù)本發(fā)明的學(xué)說，因光束111經(jīng)過充電區(qū)域115的多次偏轉(zhuǎn)或穿過，采用充電區(qū)域115的光學(xué)調(diào)制器形式的總交互作用長度L得到增加。結(jié)果是相對于具有光束僅通過兩次的充電區(qū)域的光學(xué)調(diào)制器，由充電區(qū)域115的光學(xué)調(diào)制器形式的調(diào)制深度增加。
在一個實施例中，光束111和/或被偏轉(zhuǎn)的光束127被導(dǎo)引進(jìn)入使用衍射光學(xué)裝置(未顯示出)等的半導(dǎo)體基片103并從中出來。使用光纖技術(shù)等，光束111和/或被偏轉(zhuǎn)的光束127可能被導(dǎo)引進(jìn)和出衍射光學(xué)裝置。
圖2是倒裝晶片封裝的集成電路小片201的另一個實施例的橫斷面示意，所述集成電路小片201包括根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的一個光學(xué)調(diào)制器，所述光學(xué)調(diào)制器采用p-n結(jié)充電區(qū)域及反射材料以對光束211進(jìn)行調(diào)制。同圖1所示的集成電路小片101相類似，集成電路小片201以倒裝晶片的配置被舉例說明，并且其通過球壓焊207被耦合到封裝基片209以提供集成電路小片201的內(nèi)部集成電路節(jié)點(diǎn)與封裝基片209的管腳221之間更直接的連接。在一個實施例中，集成電路小片201的內(nèi)部集成電路節(jié)點(diǎn)被置于在朝向集成電路小片201前面204的位置。在另一個實施例中可以意識到集成電路小片201并不被局限于安裝在倒裝晶片封裝的配置中。
與集成電路小片101相類似，在圖2的集成電路小片201中的光學(xué)調(diào)制器包括一個放置在包括充電區(qū)域215的半導(dǎo)體基片203內(nèi)的調(diào)制區(qū)域。在一個實施例中，利用與摻雜區(qū)域213所形成的p-n結(jié)，所述充電區(qū)域215被提供在半導(dǎo)體基片203中。在一個實施例中，摻雜區(qū)域213可電尋址且可切換。在一個實施例中，摻雜區(qū)域213是一個在p-型硅半導(dǎo)體基片203上的n-型摻硅區(qū)域。在另一個實施例中，摻雜區(qū)域213是一個在n-型硅半導(dǎo)體基片203上的p-型摻硅區(qū)域。在一個實施例中，響應(yīng)于被絕緣層205中的導(dǎo)體219輸運(yùn)到摻雜區(qū)域213的信號229，在充電區(qū)域215的自由電荷分布被調(diào)制。在一個實施例中，信號229是一個由包括在集成電路小片201內(nèi)部的集成電路輸出節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的信號。
在圖2所舉例說明的實施例中，光束211被導(dǎo)引通過背面202進(jìn)入到半導(dǎo)體基片203中。在一個實施例中，摻雜區(qū)域213形成的過程是這樣的，即在摻雜區(qū)域213與絕緣體205之間界面處的反射表面上沒有反射材料形成，如例如硅化物。如所示，光束211被引導(dǎo)經(jīng)過充電區(qū)域215及絕緣體205，并且被偏轉(zhuǎn)離開由導(dǎo)體219構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)器。在一個實施例中，導(dǎo)體219由反射材料如例如金屬等構(gòu)成。由于偏轉(zhuǎn)所帶來的結(jié)果是，在一個實施例中，光束211被偏轉(zhuǎn)返回經(jīng)過充電區(qū)域215直至它被偏轉(zhuǎn)離開偏轉(zhuǎn)器233，所述偏轉(zhuǎn)器233被放置在半導(dǎo)體基片203背面202上的導(dǎo)體219的對面。在一個實施例中，偏轉(zhuǎn)器233由反射材料如例如金屬等形成。如圖2所舉例說明的實施例所示，光束211被多次偏轉(zhuǎn)通過充電區(qū)域213直至其最終作為被偏轉(zhuǎn)的光束227從半導(dǎo)體基片203的背面202離開。
在一個實施例中，光束211包括紅外光或接近紅外光，因為硅可以對紅外光部分部分透明。在一個實施例中，光束211在位置223處進(jìn)入半導(dǎo)體基片203的背面202，并且被偏轉(zhuǎn)的光束227在位置225處離開半導(dǎo)體基片的背面202。在一個實施例中，在位置223和225處的表面及偏轉(zhuǎn)器233下面的表面包括防反射涂層以降低光束211和反射光束227因反射而造成的衰減。如圖2所示的實施例所舉例說明，位置223的表面被成一個角度，以便于減小光束211的入射角θ。類似地，在一個實施例中，位置225的表面被成一個角度，以便于減小被偏轉(zhuǎn)光束227的入射角θ。在一個實施例中，光束211幾乎相對于位置223垂直并且偏轉(zhuǎn)光束227幾乎垂直于位置225。
在一個實施例中，使用衍射光學(xué)裝置(未顯示出)等，光束211和/或被偏轉(zhuǎn)光束227被導(dǎo)引進(jìn)和出半導(dǎo)體基片203。使用光纖技術(shù)等，光束211和/或被偏轉(zhuǎn)的光束227可被導(dǎo)引進(jìn)和出衍射光學(xué)裝置。
在圖2所舉例說明的實施例中，由于光束211相對小的入射角θ，在摻雜區(qū)域213和絕緣體205之間的界面處并不出現(xiàn)全內(nèi)反射。因此，同圖1舉例說明的實施例相比，在如圖2所舉例說明的實施例中光束211在摻雜區(qū)域213和絕緣體205之間的界面處被導(dǎo)引成更陡的角度。圖2所舉例說明的實施例的優(yōu)點(diǎn)在于對光束211不存在最小入射角θ，所以集成電路小片201可以被設(shè)計成允許光束211通過充電區(qū)域215的相同或更多次數(shù)的偏轉(zhuǎn)的更小的側(cè)面尺寸(lateraldimension)。
在一個實施例中，在緊接著充電區(qū)域215的區(qū)域，半導(dǎo)體基片203被變薄，以便于減小光束211穿過半導(dǎo)體基片203的量。因此，利用導(dǎo)體219形成的偏轉(zhuǎn)器與偏轉(zhuǎn)器233之間的距離被減小。結(jié)果是，光束211穿過半導(dǎo)體基片203后所帶來的光束211的衰減量得以減小。在一個實施例中，采用公知的刻蝕或開槽技術(shù)等，將半導(dǎo)體基片203從背面202變薄。
圖3是倒裝晶片封裝的集成電路小片301的另一個實施例的橫斷面示意，所述集成電路小片301包括根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的一個光學(xué)調(diào)制器，所述光學(xué)調(diào)制器采用金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)型結(jié)構(gòu)的充電區(qū)域及全內(nèi)反射以對光束311進(jìn)行調(diào)制。要理解為本發(fā)明并不局限于使用實際的金屬用于MOS型結(jié)構(gòu)。例如，在MOS電容器結(jié)構(gòu)中，多晶硅柵等可以被采用，而不采用根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的金屬柵。正如所要討論地，圖3所舉例說明的集成電路小片中的光學(xué)調(diào)制器同圖1所舉例說明的集成電路小片中的光學(xué)調(diào)制器相類似，不同的是在集成電路小片301中的充電區(qū)域315是采用MOS結(jié)構(gòu)而不是p-n結(jié)結(jié)構(gòu)所形成。
同圖1所示的集成電路小片101相類似，圖3的集成電路小片301以倒裝晶片的配置被舉例說明，并且其通過球壓焊307被耦合到封裝基片309以提供集成電路小片301的內(nèi)部集成電路節(jié)點(diǎn)與封裝基片309的管腳321之間更直接的連接。在一個實施例中，集成電路小片301的內(nèi)部集成電路節(jié)點(diǎn)被置于在朝向集成電路小片301前面304的位置。在另一個實施例中可以意識到集成電路小片301并不被局限于安裝在倒裝晶片封裝的配置中。
同集成電路小片101相類似，圖3的集成電路小片301內(nèi)的光學(xué)調(diào)制器包括調(diào)制區(qū)域，所述調(diào)制區(qū)域被放置在包括充電區(qū)域315的半導(dǎo)體基片303內(nèi)。在一個實施例中，充電區(qū)域315采用集成電路器件如晶體管而形成，其中晶體管作為源和漏區(qū)被短接到一起的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)電容器被耦合。例如，圖3顯示放置在半導(dǎo)體基片303內(nèi)的源/漏區(qū)335和337。源/漏區(qū)335和337通過導(dǎo)體343被短接在一起。在一個實施例中，多晶硅柵341被放置在源/漏區(qū)335和337之間的絕緣體305內(nèi)。如所示，柵級絕緣體339被放置在半導(dǎo)體基片303和柵級341之間。在一個實施例中，源/漏區(qū)335和337共同通過導(dǎo)體343被耦合到公用電勢V如例如對n溝道MOSFET為地或?qū)溝道MOSFET為Vcc在另一個實施例中，電勢V對于n溝道MOSFET為Vcc且對p溝道MOSFET為地。在另外一個實施例中，源和漏被耦合到不同的電勢上。在一個實施例中，柵級341可電尋址并且可切換。在一個實施例中，柵級341通過導(dǎo)體319被耦合以接收信號329。
在操作中，當(dāng)被公用地耦合的源/漏區(qū)335和337被耦合到公用電勢V且柵級341被耦合到信號329時，在充電區(qū)域315內(nèi)形成一個高度充電的反轉(zhuǎn)層，所述充電區(qū)域被放置在半導(dǎo)體基片303內(nèi)的源/漏區(qū)335和337之間。響應(yīng)于信號329，充電區(qū)域315內(nèi)的自由電荷載流子分布被調(diào)制。在一個實施例中，信號319是由集成電路小片301內(nèi)的集成電路輸出節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的一個信號。在一個實施例中，源/漏區(qū)335和337包括放置在p型半導(dǎo)體基片103內(nèi)的摻雜N+的區(qū)域。在另一個實施例中，源/漏區(qū)335和337包括放置在n型半導(dǎo)體基片103內(nèi)的摻雜P+的區(qū)域。在一個實施例中，利用電容器結(jié)構(gòu)而不是MOS晶體管結(jié)構(gòu)，因為在MOSFET電容器溝道中非移動的反轉(zhuǎn)層被用來調(diào)制光束311。
如圖3所舉例說明，光束311被導(dǎo)引通過背面302進(jìn)入半導(dǎo)體基片303。如所示，光束311被引導(dǎo)經(jīng)過充電區(qū)域315，并且被半導(dǎo)體基片303與柵級絕緣體339之間的界面所形成的偏轉(zhuǎn)器所偏轉(zhuǎn)開。在一個實施中，光束311具有相對于半導(dǎo)體基片303與柵級絕緣體339之間界面的一個入射角θ，以便于光束311因全內(nèi)反射被偏轉(zhuǎn)離開半導(dǎo)體基片303與柵級絕緣體339之間的界面。
由于偏轉(zhuǎn)，在一個實施例中，光束311被偏轉(zhuǎn)回到充電區(qū)域315直至其被偏轉(zhuǎn)離開半導(dǎo)體基片303背面302與空氣的界面。在這個界面處，被偏轉(zhuǎn)光束311的入射角θ要使光束由于全內(nèi)反射，在半導(dǎo)體基片303與空氣的界面處被偏轉(zhuǎn)離開背面302。結(jié)果是，在半導(dǎo)體基片303與空氣的界面處形成一個偏轉(zhuǎn)器。此偏轉(zhuǎn)器與在半導(dǎo)體基片303和柵級絕緣體之間界面處形成的偏轉(zhuǎn)器相對。因此，光束311被多次偏轉(zhuǎn)通過充電區(qū)域313直至其最終作為被偏轉(zhuǎn)的光束327從半導(dǎo)體基片303的背面302離開。
在一個實施例中，光束311包括紅外光或接近紅外光，因為硅可以對紅外光部分透明。在一個實施例中，光束311在位置323處進(jìn)入半導(dǎo)體基片303的背面302，并且被偏轉(zhuǎn)的光束327在位置325處離開半導(dǎo)體基片的背面302。在一個實施例中，位置323和325處的表面包括防反射涂層以降低光束311和反射光束327因反射而造成的衰減。如圖3所示的實施例所舉例說明，位置323處的表面被成一個角度，以便于減小光束311的入射角θ。類似地，在一實施例中，位置325的表面被成一個角度，以便于減小被偏轉(zhuǎn)光束327的入射角θ。在一個實施例中，光束311幾乎相對于位置323垂直并且被偏轉(zhuǎn)光束327幾乎垂直于位置325。
在一個實施例中，在緊接著充電區(qū)域315的區(qū)域半導(dǎo)體基片303被變薄，以便于減小光束311穿過半導(dǎo)體基片303的量。因此，半導(dǎo)體基片303和柵極絕緣體339之間界面與半導(dǎo)體基片303與空氣之間界面的距離被減小。結(jié)果是，光束311穿過半導(dǎo)體基片303后所帶來的光束311的衰減量得以減小。在一個實施例中，采用公知的刻蝕或開槽技術(shù)等，從背面302將半導(dǎo)體基片303變薄。
在一個實施例中，使用衍射光學(xué)裝置(未顯示出)等，光束311及/或被偏轉(zhuǎn)的光束327被導(dǎo)引進(jìn)和出半導(dǎo)體基片303。使用光纖技術(shù)等，光束311和/或被偏轉(zhuǎn)的光束327可被導(dǎo)引進(jìn)和出衍射光學(xué)裝置。
圖4是倒裝晶片封裝的集成電路小片的又一個實施例的橫斷面示意，所述集成電路小片包括根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的一個光學(xué)調(diào)制器，所述光學(xué)調(diào)制器采用MOS型結(jié)構(gòu)的充電區(qū)域及反射材料以對光束進(jìn)行調(diào)制。同集成電路小片301相類似，圖4的集成電路小片401以倒裝晶片的配置被舉例說明，并且其通過球壓焊407被耦合到封裝基片409以提供集成電路小片401的內(nèi)部集成電路節(jié)點(diǎn)與封裝基片409的管腳421之間更直接的連接。在一個實施例中，集成電路小片401的內(nèi)部集成電路節(jié)點(diǎn)被置于在朝向集成電路小片401前面404的位置。在另一個實施例中可以意識到集成電路小片401并不被局限于安裝在根據(jù)本發(fā)明學(xué)說的倒裝晶片封裝的配置中。
同集成電路小片301相類似，圖4的集成電路小片401內(nèi)的光學(xué)調(diào)制器包括調(diào)制區(qū)域，所述調(diào)制區(qū)域被放置在包括充電區(qū)域415的半導(dǎo)體基片403內(nèi)。在一個實施例中，提供采用MOSFET電容器或電容器結(jié)構(gòu)的充電區(qū)域415。圖4顯示包括放置在半導(dǎo)體基片403內(nèi)的源/漏區(qū)435和437的MOSFET電容器，所述源/漏區(qū)435和437通過導(dǎo)體443被短接在一起。在一個實施例中，源/漏區(qū)435和437共同通過導(dǎo)體343被耦合到公用電勢V上。在一個實施例中，多晶硅柵441被放置在源/漏區(qū)435和437之間的絕緣體405內(nèi)。如所示，柵級絕緣體439被放置在半導(dǎo)體基片403和柵級441之間。在一個實施例中，柵級441可電尋址并且可切換。在一個實施例中，柵級441通過導(dǎo)體419被耦合以接收信號429。
在集成電路小片401內(nèi)光學(xué)調(diào)制器的操作與在集成電路小片301內(nèi)光學(xué)調(diào)制器的操作相類似。尤其是，當(dāng)被公用地耦合的源/漏區(qū)435和437被耦合到公用電勢V且柵級441被耦合到信號429時，在充電區(qū)域415內(nèi)形成一個高度充電的反轉(zhuǎn)層，所述充電區(qū)域被放置在半導(dǎo)體基片403內(nèi)的源/漏區(qū)435和437之間。響應(yīng)于信號429，充電區(qū)域415內(nèi)的自由電荷載流子分布被調(diào)制。在一個實施例中，信號429是由集成電路小片401內(nèi)的集成電路輸出節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的一個信號。
如圖4所舉例說明，光束411被導(dǎo)引通過背面402進(jìn)入到半導(dǎo)體基片403中。如所示，光束411被引導(dǎo)經(jīng)過充電區(qū)域415、通過柵極絕緣體439、通過多晶硅柵441并且被偏轉(zhuǎn)離開由導(dǎo)體419形成的偏轉(zhuǎn)器。在一個實施中，導(dǎo)體419由反射材料如例如金屬等形成。由于偏轉(zhuǎn)所帶來的結(jié)果是，在一個實施例中，光束411被偏轉(zhuǎn)回到充電區(qū)域415直至它被偏轉(zhuǎn)離開偏轉(zhuǎn)器433，所述偏轉(zhuǎn)器433被放置在半導(dǎo)體基片403背面402上的導(dǎo)體419的對面。在一個實施例中，偏轉(zhuǎn)器433由反射材料如例如金屬等形成。如圖4所舉例說明的實施例所示，光束411被多次偏轉(zhuǎn)通過充電區(qū)域413直至其最終作為偏轉(zhuǎn)的光束427從半導(dǎo)體基片403的背面402離開。
在一個實施例中，光束411包括紅外光或接近紅外光，因為硅可以對紅外光部分透明。在一個實施例中，光束411在位置423處進(jìn)入半導(dǎo)體基片403的背面402，并且被偏轉(zhuǎn)光束427在位置425處離開半導(dǎo)體基片的背面402。在一個實施例中，位置423和425處的表面以及偏轉(zhuǎn)器433下面的表面包括防反射涂層以降低光束411和被反射光束427因反射而造成的衰減。如圖4所示的實施例所舉例說明，位置423的表面被成一個角度，以便于減小光束411的入射角θ。類似地，在一個實施例中，位置425的表面被成一個角度，以便于減小被偏轉(zhuǎn)光束427的入射角θ。在一個實施例中，光束411幾乎相對于位置423垂直并且偏轉(zhuǎn)光束427幾乎垂直于位置425。
在一個實施例中，在緊接著充電區(qū)域415的區(qū)域中半導(dǎo)體基片403被變薄，以便于減小光束411穿過半導(dǎo)體基片403的量。因此，利用導(dǎo)體419而形成的偏轉(zhuǎn)器與偏轉(zhuǎn)器433之間的距離被減小。結(jié)果是，光束411穿過半導(dǎo)體基片403后所帶來的光束411的衰減量得以減小。在一個實施例中，采用公知的刻蝕或開槽技術(shù)等，從背面402將半導(dǎo)體基片403變薄。
在一個實施例中，使用衍射光學(xué)裝置(未顯示出)等，光束411及/或被偏轉(zhuǎn)的光束427被導(dǎo)引進(jìn)和出半導(dǎo)體基片403。使用光纖技術(shù)等光束411和/或被偏轉(zhuǎn)的光束427可被導(dǎo)引進(jìn)和出衍射光學(xué)裝置。
在圖4所舉例說明的實施例中，因為光束411相對小的入射角θ，在半導(dǎo)體基片403與絕緣體柵絕緣體439之間的界面處并不出現(xiàn)全內(nèi)反射。
在上述詳細(xì)說明中，參考其中的具體實例性的實施例，已經(jīng)對本發(fā)明的方法和裝置加以說明。然而，顯然的是，可以對此進(jìn)行各種修改及變化而不偏離本發(fā)明更廣泛的精神及范圍。本技術(shù)說明和圖例相應(yīng)被認(rèn)為是舉例說明性的，而非局限性的。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)調(diào)制器，其包括一個放置在集成電路小片的半導(dǎo)體基片內(nèi)的充電區(qū)域；一個緊接著所述充電區(qū)域放置的第一偏轉(zhuǎn)器，所述第一偏轉(zhuǎn)器把被導(dǎo)引通過所述充電區(qū)域的光束偏轉(zhuǎn)返回通過所述的充電區(qū)域；以及一個放置在所述第一偏轉(zhuǎn)器對面的第二偏轉(zhuǎn)器，所述第二偏轉(zhuǎn)器將把偏轉(zhuǎn)離開第一偏轉(zhuǎn)器的光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域到達(dá)第一偏轉(zhuǎn)器，所述光束通過在第一和第二偏轉(zhuǎn)器之間充電區(qū)域的多次偏轉(zhuǎn)，將被導(dǎo)引離開所述光學(xué)調(diào)制器。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)調(diào)制器，其中半導(dǎo)體基片包括背面和前面，所述光束通過所述半導(dǎo)體基片的所述背面被導(dǎo)引進(jìn)入到半導(dǎo)體基片。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述光束在經(jīng)多次偏轉(zhuǎn)后，被導(dǎo)引通過所述背面離開所述光學(xué)調(diào)制器。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述光束將在所述半導(dǎo)體基片背面上的第一位置進(jìn)入所述半導(dǎo)體基片，所述光束將在所述半導(dǎo)體基片背面上的第二位置離開所述半導(dǎo)體基片，所述第一位置與所述第二位置相分離。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)調(diào)制器，其中在所述第一位置處的所述半導(dǎo)體基片背面的表面被成一個角度，以減小光束在第一位置處的入射角，其中在所述第二位置處的所述半導(dǎo)體基片背面的表面被成一個角度，以減小光束在第二位置處的入射角。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第一偏轉(zhuǎn)器包括半導(dǎo)體基片的第一界面，所述界面具有與半導(dǎo)體基片折射率不同折射率的材料，所述光束由于全內(nèi)反射將從所述第一偏轉(zhuǎn)器被偏轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第一偏轉(zhuǎn)器包括一種緊接著半導(dǎo)體基片的反射材料。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第二偏轉(zhuǎn)器包括半導(dǎo)體基片的第二界面，所述界面具有與半導(dǎo)體基片折射率不同折射率的材料，所述光束由于全內(nèi)反射將從所述第二偏轉(zhuǎn)器被偏轉(zhuǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第二偏轉(zhuǎn)器包括一種緊接著半導(dǎo)體基片的反射材料。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)調(diào)制器，其中響應(yīng)于集成電路小片中的一個信號，充電區(qū)域內(nèi)的自由電荷載流子分布受到調(diào)制。
11.如權(quán)利要求1所述光學(xué)調(diào)制器，其中所述充電區(qū)域緊接著集成電路小片的半導(dǎo)體基片內(nèi)的p-n結(jié)。
12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述充電區(qū)域緊接著集成電路小片的半導(dǎo)體基片內(nèi)的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)界面。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)調(diào)制器，其中半導(dǎo)體基片在第一和第二偏轉(zhuǎn)器之間被變薄，以減小光束的衰減。
14.一種調(diào)制光束的方法，其包括導(dǎo)引所述光束通過放置在集成電路小片的半導(dǎo)體基片內(nèi)的充電區(qū)域；以及將所述光束多次偏轉(zhuǎn)返回通過所述充電區(qū)域，以便于光束在離開半導(dǎo)體基片之前不只一次通過所述充電區(qū)域。
15.如權(quán)利要求14所述的調(diào)制光束的方法還包括響應(yīng)于集成電路小片中的一個信號，對充電區(qū)域內(nèi)的自由電荷載流子分布進(jìn)行調(diào)制。
16.如權(quán)利要求14所述的調(diào)制光束的方法，其中多次將所述光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域包括利用緊接著充電區(qū)域的第一偏轉(zhuǎn)器，把被導(dǎo)引通過充電區(qū)域的光束偏轉(zhuǎn)；以及利用放置在所述第一偏轉(zhuǎn)器對面的第二偏轉(zhuǎn)器，把被從第一偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)的光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域。
17.如權(quán)利要求16所述的調(diào)制光束的方法，其中利用第一偏轉(zhuǎn)器把被導(dǎo)引通過充電區(qū)域的光束偏轉(zhuǎn)包括采用緊接著半導(dǎo)體基片放置的一種反射材料把光束偏轉(zhuǎn)。
18.如權(quán)利要求16所述的調(diào)制光束的方法，其中利用第一偏轉(zhuǎn)器把被導(dǎo)引通過充電區(qū)域的光束偏轉(zhuǎn)包括由于半導(dǎo)體基片內(nèi)部的全內(nèi)反射使光束偏轉(zhuǎn)。
19.如權(quán)利要求16所述的調(diào)制光束的方法，其中利用第二偏轉(zhuǎn)器把被從第一偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)的光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域包括利用緊接著半導(dǎo)體基片放置的一種反射材料把光束偏轉(zhuǎn)。
20.如權(quán)利要求16所述的調(diào)制光束的方法，其中利用第二偏轉(zhuǎn)器把被從第一偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)的光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域包括由于半導(dǎo)體基片內(nèi)部的全內(nèi)反射使光束偏轉(zhuǎn)。
21.如權(quán)利要求14所述的調(diào)制光束的方法，其中所述半導(dǎo)體基片包括前面和背面，所述光束通過所述半導(dǎo)體基片的所述背面被導(dǎo)引到充電區(qū)域，所述光束通過所述背面離開半導(dǎo)體基片。
22.如權(quán)利要求19所述的調(diào)制光束的方法還包括將第一和第二偏轉(zhuǎn)器之間的半導(dǎo)體基片變薄以減小光束的衰減。
23.如權(quán)利要求21所述的調(diào)制光束的方法，其中光束將在第一位置被導(dǎo)引通過半導(dǎo)體的背面，其中被偏轉(zhuǎn)的光束將在第二位置處通過半導(dǎo)體基片的背面離開，所述第一位置不同于所述的第二位置。
24.如權(quán)利要求23所述的調(diào)制光束的方法還包括將半導(dǎo)體基片背面的第一位置成一個角度，以減小光束在所述第一位置的入射角；以及將半導(dǎo)體基片背面的第二位置成一個角度，以減小被偏轉(zhuǎn)光束在所述第二位置的入射角。
25.一種光學(xué)調(diào)制器，其包括一個放置在集成電路小片的半導(dǎo)體基片內(nèi)的充電區(qū)域，所述半導(dǎo)體基片具有前面及背面；在半導(dǎo)體基片背面上的第一位置，通過它光束將通過半導(dǎo)體基片被導(dǎo)引到充電區(qū)域；緊接著充電區(qū)域放置的第一偏轉(zhuǎn)器，將光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域；放置在所述第一偏轉(zhuǎn)器對面的第二偏轉(zhuǎn)器，將被從第一偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)通過充電區(qū)域的光束偏轉(zhuǎn)，所述第二偏轉(zhuǎn)器將光束偏轉(zhuǎn)返回通過充電區(qū)域；以及在半導(dǎo)體基片背面上的第二位置，通過它光束在經(jīng)第一和第二偏轉(zhuǎn)器之間的充電區(qū)域多次被偏轉(zhuǎn)后將離開半導(dǎo)體基片。
26.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第一位置被成一個角度，以減小光束的入射角，其中所述第二位置被成一個角度，以減小被偏轉(zhuǎn)光束的入射角。
27.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第一偏轉(zhuǎn)器包括一個半導(dǎo)體基片與具有折射率不同于半導(dǎo)體基片折射率的材料之間的界面。
28.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第一偏轉(zhuǎn)器包括緊接著半導(dǎo)體基片放置的一種反射材料。
29.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第二偏轉(zhuǎn)器包括一個半導(dǎo)體基片與具有折射率不同于半導(dǎo)體基片折射率的材料之間的界面。
30.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)調(diào)制器，其中所述第二偏轉(zhuǎn)器包括緊接著半導(dǎo)體基片放置的一種反射材料。
全文摘要
一種光學(xué)調(diào)制器(101)，其對通過集成電路小片(103)背面通過半導(dǎo)體基片(103)的光進(jìn)行調(diào)制。在一個實施例中，光學(xué)調(diào)制器被放置在倒裝晶片封裝的集成電路小片(103)內(nèi)。所述光學(xué)調(diào)制器包括一個光束多次通過的調(diào)制區(qū)域(115)。在一個實施例中，光束(111)在第一位置(123)進(jìn)入到半導(dǎo)體基片的背面，并且被調(diào)制的光束(127)從半導(dǎo)體基片(103)背面上的第二位置(125)被偏轉(zhuǎn)出來。通過使光束多次在調(diào)制區(qū)域內(nèi)部偏轉(zhuǎn)且經(jīng)過，光學(xué)調(diào)制器的交互作用長度得到增加。在一個實施例中，全內(nèi)反射被用來將光束偏轉(zhuǎn)。在另一個實施例中，反射材料(233)被用來將光束進(jìn)行內(nèi)部偏轉(zhuǎn)。在一個實施例中，所述調(diào)制區(qū)域被提供有由p－n結(jié)(115、215)形成的充電區(qū)域。在另一個實施例中，采用金屬氧化物半導(dǎo)體類型結(jié)構(gòu)(315、415)的充電區(qū)域被提供。
文檔編號G02F1/015GK1413314SQ00817794
公開日2003年4月23日 申請日期2000年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月25日
發(fā)明者S·M·克爾, M·J·帕尼西亞, D·尼科諾夫 申請人:英特爾公司