張應(yīng)變半導(dǎo)體光子發(fā)射和檢測裝置和集成的光子學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】張應(yīng)變半導(dǎo)體光子發(fā)射和檢測裝置和集成的光子學(xué)系統(tǒng)
[0001]本申請是申請日為2012年8月10日、申請?zhí)枮?01210285225.7、發(fā)明名稱為“張應(yīng)變半導(dǎo)體光子發(fā)射和檢測裝置和集成的光子學(xué)系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明總體上涉及光學(xué)系統(tǒng)，其包括半導(dǎo)體發(fā)光裝置或半導(dǎo)體光探測器。更具體地講，本發(fā)明涉及在有源區(qū)域(active reg1n)中采用了具有應(yīng)變的第四族半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體發(fā)光或檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]人們總是感興趣在光子學(xué)系統(tǒng)中使用第四族半導(dǎo)體材料，因?yàn)檫@樣的系統(tǒng)容易制造，并且容易將第四族光子學(xué)器件與電路集成在一起。硅、鍺和它們的合金是光子學(xué)系統(tǒng)中最常被考慮的第四族半導(dǎo)體。例如，最感興趣的是從硅發(fā)射的或位于硅中的光。硅和鍺呈現(xiàn)有間接帶隙，在整個(gè)成分范圍內(nèi)它們的合金也是這樣。傳統(tǒng)上它們并不是用于光發(fā)射的高效材料，因?yàn)橹苯庸廛S迀中涉及的導(dǎo)帶未被占據(jù)，因此，在不額外地導(dǎo)致產(chǎn)生其它性質(zhì)例如晶格震蕩或不純的情況下，就基本上沒有可以重新組合并且直接產(chǎn)生光子的電子空穴對。
[0004]—種將光子功能與硅基ULSI芯片例如多核處理器或前沿存儲器集成在一起的低成本措施為現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)打開了意義深遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)改變和性能改進(jìn)的大門。這些光子功能的一個(gè)被建議的應(yīng)用是代替現(xiàn)代ULSI芯片中的一些芯片內(nèi)銅互連，例如用于從一個(gè)CPU內(nèi)核向另一 CPU內(nèi)核導(dǎo)通數(shù)據(jù)，其中兩個(gè)內(nèi)核位于相同的物理硅芯片上。與此同時(shí)，一種現(xiàn)實(shí)的第四族光子學(xué)解決方案在制造更傳統(tǒng)的光子系統(tǒng)時(shí)能夠提供極好的成本節(jié)約益處。
[0005]將光子學(xué)與已有的CMOS工藝流程相組合的主要途徑包括下列在拓?fù)鋵W(xué)上截然不同的選項(xiàng):i)先于晶體管制造光學(xué)部件；ii)在晶體管集成之后制造光學(xué)部件，也就是在金屬互連層之前、之中或直接之后；或iii)利用第四族半導(dǎo)體制造可光通的層(optically-enabled layer)，所述第四族半導(dǎo)體可通過各種機(jī)構(gòu)之一被附連于ULSI芯片。連接機(jī)構(gòu)可包括晶圓接合，彼此前后相繼地共同封裝若干裸晶，以將它們引線接合或通過封裝體中的特征連接，以及堆疊裸晶并連接它們，例如利用硅通孔(TSV)。利用單獨(dú)的光層使得能夠?qū)⒕w管和ULSI電互連制造中遇到的制造方面的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵集成步驟與光層所需的這些分開。
[0006]另一方面，有利的是芯片上發(fā)射光，以避免在其它情況下需要解決的耦合和對正問題。當(dāng)?shù)谒淖灏雽?dǎo)體在光層中被用作光學(xué)活性的光發(fā)射材料時(shí)，芯片上光發(fā)射非常具有挑戰(zhàn)性。據(jù)文獻(xiàn)記載，在硅中利用喇曼效應(yīng)進(jìn)行光發(fā)射以將具有特定波長的外部供應(yīng)光轉(zhuǎn)化為不同波長的光。利用喇曼效應(yīng)的光發(fā)射是一種低效率工藝。
[0007]光學(xué)系統(tǒng)或光層典型地具有若干功能部件。光層通常包括光源，或許具有集成帶寬濾波器，以便從寬頻譜波長進(jìn)行選擇，也就是被使用的光的“顏色”。光源可以是發(fā)射相干光的激光器或發(fā)光二極管。光源既可以直接調(diào)制，例如，通過調(diào)制流經(jīng)光源的電流，類似于將燈泡開和關(guān)(高和低)，也可以通過位于光源之外的單獨(dú)的部件調(diào)制“光束”上的信息，也就是說，利用調(diào)制器。外部調(diào)制器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，包括環(huán)形調(diào)制器和Mach-Zehnder調(diào)制器。
[0008]光層通常包括至少一個(gè)波導(dǎo)，其能夠以連續(xù)波的形式或以調(diào)制形式、也就是作為信號從一個(gè)點(diǎn)至另一點(diǎn)導(dǎo)通光。波導(dǎo)性能方面的考慮包括衰減，每單位長度光的損失程度，例如，由于光散射或由于光被吸收到波導(dǎo)或相鄰材料中。另一重要性能優(yōu)勢是波導(dǎo)能夠?qū)⒈灰龑?dǎo)的光轉(zhuǎn)向另一方向的能力，其轉(zhuǎn)彎半徑很小，又沒有明顯的光損失。緊湊的轉(zhuǎn)彎半徑可被實(shí)現(xiàn)，例如，通過使用高約束波導(dǎo)，其中波導(dǎo)的折射率顯著高于周圍體積中的值，從而光波強(qiáng)度大部分被承載于波導(dǎo)體積中。轉(zhuǎn)彎半徑和波導(dǎo)外光強(qiáng)度的消散波尾部(evanescent tail)的泄露之間的相互影響是設(shè)計(jì)環(huán)形調(diào)制器或?qū)ㄩ_關(guān)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。緊湊的轉(zhuǎn)彎還可以借助于反射鏡而便于實(shí)現(xiàn)，其中入射光方向和反射鏡表面法向之間的角度基本上與出射光方向和反射鏡法向之間的角度相同。還有一個(gè)方面是波導(dǎo)維持給定光偏振的程度。
[0009]光層通常包括導(dǎo)通或開關(guān)元件，其從入射波導(dǎo)接收光，并且從多個(gè)出射波導(dǎo)選擇一個(gè)或若干將要攜帶出射光的波導(dǎo)。反射鏡可被認(rèn)為是一種具有一個(gè)入射波導(dǎo)和一個(gè)出射波導(dǎo)的導(dǎo)通元件。這些元件的其它例子包括陣列分布的波導(dǎo)耦合器，多模式干涉耦合器和環(huán)形耦合器。
[0010]光層通常包括檢測器，其精確且以高速度測量入射光的強(qiáng)度。檢測器常常是反向偏壓的光電二極管。對于將被檢測的光的波長而言，光電二極管的響應(yīng)率以及外部和內(nèi)部量子效率應(yīng)當(dāng)優(yōu)選高些。它們的速度常受限于RC值，即檢測器電容(結(jié)電容和寄生電容)與通向反向偏壓結(jié)的導(dǎo)體的電阻值和電容之間的產(chǎn)物。利用RC值可測量檢測器結(jié)處產(chǎn)生的電荷載體傳輸在電檢測器終端可檢測到的電流的時(shí)間，也就是檢測器的外部速度。
[0011]光層通常包括驅(qū)動(dòng)電子器件，它們位于相同光層或分開的層中，例如，位于CMOS芯片中，其中光子學(xué)層提供一部分互連。
[0012]未來的數(shù)據(jù)傳輸帶寬的各種需求，例如，服務(wù)器場軌架之間，從一個(gè)電路板至另一電路板，從處理器至電路板或至存儲器，將持續(xù)增長成若干Tbps的數(shù)據(jù)帶寬范圍。用于光源、調(diào)制器甚至檢測器的當(dāng)前光學(xué)部件不能以這些頻率操作。更具體地講，將信息置于承載光束上的能力，要么通過直接調(diào)制光源，要么借助于調(diào)制器，目前還沒有超過幾十Gbps的頻率。
[0013]因此，需要有將多重光束(等價(jià)于多個(gè)總線)用于并行傳輸數(shù)據(jù)的措施來實(shí)現(xiàn)Tbps系統(tǒng)帶寬。如果攜帶信息的光束具有不同波長，多載體信號可通過單一的波導(dǎo)和耦合器被傳輸。這樣的方案稱作波分復(fù)用(WDM)，在電信領(lǐng)域是眾所周知的。利用相同或類似波長的多個(gè)點(diǎn)至點(diǎn)連接可以設(shè)想出來，并且波導(dǎo)甚至可以彼此交叉，因?yàn)楣馐舜酥g不會相互作用。
[0014]希望在單一的光層中建立這樣一種WDM系統(tǒng)或點(diǎn)至點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)，以降低成本。
[0015]若干在光層中產(chǎn)生光的方法是已知的。一個(gè)方法是混合型激光器，其通過使在硅波導(dǎo)中引導(dǎo)的一些光能到達(dá)或延伸到光學(xué)活性InP基多重量子阱材料中而獲得光放大，其中光放大是通過在直接帶隙InP基材料電栗浦光學(xué)活性躍迀而實(shí)現(xiàn)的。
[0016]另一現(xiàn)有技術(shù)方法利用了鍺的直接帶隙的減小，這是通過鍺的雙軸應(yīng)變實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)變發(fā)生是因?yàn)殒N和基板之間熱膨脹系數(shù)失配，其中鍺在一個(gè)工藝步驟中以升高的溫度沉積在基板上。隨著溫度降低，鍺在很小長度上發(fā)生雙軸張應(yīng)變，典型地小于0.3%。在這種情況下，應(yīng)變不夠強(qiáng)，因而不能將鍺充分轉(zhuǎn)化為直接帶隙材料，并且從導(dǎo)帶至鍺的價(jià)帶的能量最小躍迀持續(xù)保持為光學(xué)上不允許的躍迀(也就是說，是間接的并且涉及另一準(zhǔn)粒子例如聲子或晶格振動(dòng))。由于摻雜了非常強(qiáng)的η型發(fā)光裝置有源區(qū)域，間接帶躍迀的優(yōu)勢被抵消，從而位于最低位置的導(dǎo)帶谷的狀態(tài)越來越密集。在向η+區(qū)域中高級別地電噴射載體的情況下，載流子(電子)從禁止光躍迀的導(dǎo)帶谷(間接帶隙)溢出到能量略高的允許光躍迀的導(dǎo)帶谷(直接帶隙)。禁止躍迀變得飽和，并且載流子溢出到更為有效的直接帶隙躍迀狀態(tài)。
[0017]在光被產(chǎn)生于芯片上，也就是產(chǎn)生于光層中的情況下，光層可使用均質(zhì)材料或異質(zhì)材料系統(tǒng)。在均質(zhì)材料系統(tǒng)中，光在對于系統(tǒng)的所有部件例如光源、波導(dǎo)、調(diào)制器、開關(guān)或檢測器而言在化學(xué)上基本相同的材料中被發(fā)射和檢測。在異質(zhì)材料系統(tǒng)中，光在化學(xué)上不同于波導(dǎo)或檢測器材料的材料中被發(fā)射。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種光學(xué)裝置，其具有與多個(gè)應(yīng)力源區(qū)域接觸的鍺區(qū)域。多個(gè)應(yīng)力源區(qū)域在鍺區(qū)域中引起張應(yīng)變。鍺區(qū)域至少一部分中的張應(yīng)變足以導(dǎo)致鍺區(qū)域的一部分中具有直接帶隙。結(jié)定位于鍺區(qū)域中或相鄰的部分中，所述結(jié)具有第一多數(shù)載流子型的第一側(cè)和第二多數(shù)載流子型的第二側(cè)。第一和第二觸頭分別耦合到結(jié)的第一側(cè)和結(jié)的第二側(cè)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種光學(xué)裝置包括第一和第二鍺區(qū)域。第一鍺區(qū)域與第一張應(yīng)力源接觸而使得第一鍺區(qū)域至少在第一鍺區(qū)域的第一部分中具有雙軸張應(yīng)變。第二鍺區(qū)域與第二張應(yīng)力源接觸而使得第二鍺區(qū)域至少在第二鍺區(qū)域的第二部分中具有雙軸張應(yīng)變。光學(xué)元件限定出穿過第一和第二鍺區(qū)域的光學(xué)路徑。結(jié)定位于第一和第二鍺區(qū)域的第一和第二部分中或相鄰的部分中，所述結(jié)具有第一多數(shù)載流子型的第一側(cè)和第二多數(shù)載流子型的第二側(cè)。第一和第二觸頭分別耦合到結(jié)的第一側(cè)和結(jié)的第二側(cè)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種光學(xué)裝置包括鍺板坯，其具有第一和第二表面、第一和第二端部以及位于第一和第二表面上的第一和第二應(yīng)力源層。第一和第二應(yīng)力源層在鍺板坯中引起雙軸張應(yīng)力。光學(xué)元件相對于鍺板坯定位，以限定出穿過鍺板坯的光學(xué)路徑。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種光學(xué)裝置包括兩個(gè)或更多個(gè)鍺平板，每個(gè)鍺平板分別具有第一和第二表面、第一和第二端部以及位于第一和第二表面每個(gè)上的第一和第二應(yīng)力源層。第一和第二應(yīng)力源層在所述兩個(gè)或更多個(gè)鍺板坯中的相應(yīng)一個(gè)中引起雙軸張應(yīng)力。光學(xué)元件相對于鍺平板定位，以限定出穿過兩個(gè)或更多個(gè)鍺板坯的光學(xué)路徑。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的又另一方面，一種制造半導(dǎo)體裝置的方法包括提供基板，其具有鍺區(qū)域，并且向鍺區(qū)域中蝕刻出開口。該方法接下來在各開口中形成硅鍺，以形成圍繞鍺區(qū)域第一部分的嵌入硅鍺的圖案，所述硅鍺區(qū)域和鍺區(qū)域第一部分中具有平面雙軸張應(yīng)變。
[0023]本發(fā)明的又另一方面提供了一種數(shù)據(jù)通信方法，包括將電信號耦合到光學(xué)裝置中，所述光學(xué)裝置包括第一應(yīng)變半導(dǎo)體區(qū)域，用以產(chǎn)生相應(yīng)光學(xué)信號。該方法接下來將相應(yīng)光學(xué)信號傳輸通過波導(dǎo)，所述波導(dǎo)包括第二未應(yīng)變半導(dǎo)體區(qū)域，并且將相應(yīng)光學(xué)信號耦合到檢測器中，該檢測器包括第三應(yīng)變半導(dǎo)體區(qū)域。第一、第二和第三半導(dǎo)體區(qū)域包括鍺。在這個(gè)方面的一種更具體的實(shí)施方式中，這些區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上彼此自對正。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光學(xué)裝置，包括第一和第二鍺區(qū)域，所述第一鍺區(qū)域與第一應(yīng)力源相接觸從而所述第一鍺區(qū)域至少在所述第一鍺區(qū)域的第一部分中具有雙軸張應(yīng)變，所述第二鍺區(qū)域與第二應(yīng)力源相接觸從而所述第二鍺區(qū)域至少在所述第二鍺區(qū)域的第二部分中具有雙軸張應(yīng)變；光學(xué)元件，其限定出穿過所述第一和第二鍺區(qū)域的光學(xué)路徑；定位在所述第一鍺區(qū)域的第一部分內(nèi)或附近的結(jié)，所述結(jié)具有第一多數(shù)載流子類型的第一側(cè)和第二多數(shù)載流子類型的第二側(cè)；以及第一和第二觸頭，分別耦合到所述結(jié)的第一側(cè)和所述結(jié)的第二側(cè)。
[0025]優(yōu)選地，所述第一鍺區(qū)域至少在所述第一鍺區(qū)域的一部分所具有的雙軸張應(yīng)變足以導(dǎo)致所述第一鍺區(qū)域的第一部分具有直接帶隙。
[0026]優(yōu)選地，所述第一和第二張應(yīng)力源是硅鍺。
[0027]優(yōu)選地，所述光學(xué)元件包括限定出激光器腔的第一發(fā)射鏡和第二發(fā)射鏡。
[0028]優(yōu)選地，所述第一發(fā)射鏡和所述第二發(fā)射鏡形成在所述激光器腔的端面上，并且，所述激光器腔通過消散波耦合光學(xué)耦合于所述第一和第二鍺區(qū)域。
[0029]優(yōu)選地，所述激光器腔至少部分地布置在波導(dǎo)中。
[0030]優(yōu)選地，所述激光器腔至少部分地布置在硅或二氧化硅波導(dǎo)內(nèi)。
[0031]優(yōu)選地，所述應(yīng)力源區(qū)域包括施加了壓應(yīng)力的材料。
[0032]優(yōu)選地，所述應(yīng)力源區(qū)域包括氮化硅。
[0033]優(yōu)選地，所述第一和第二應(yīng)力源定位在所述第一鍺區(qū)域的相反兩側(cè)。
[0034]優(yōu)選地，第一和第二應(yīng)力源定位在鍺翅片的一側(cè)，還有第三和第四應(yīng)力源定位在鍺翅片的相反側(cè)，并且，所述鍺翅片包括所述第一鍺區(qū)域的第一部分。
[0035]優(yōu)選地，所