專利名稱：利用多程波導光學調制器進行光學上調制光束的方法及裝置的制作方法
背景技術：
發(fā)明領域本發(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制。
背景信息在集成電路工業(yè)內部，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)相關的電容性負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載通常不是一個重要因素。然而，隨著更新的集成電路設計，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部的往返延遲(round trip delay)及/或輸入/輸出帶寬。
現(xiàn)有技術專注于與增加集成電路速度及器件密度相關的電容性負載問題的努力已經(jīng)引發(fā)在芯片上使用更大且更強有力的集成電路輸入/輸出驅動器。使用較大輸入/輸出驅動器所不希望得到的結果包括這樣的事實，即與較小集成電路輸入/輸出驅動器相比較，較大的輸入/輸出驅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)有技術努力已經(jīng)包括光學互連的使用。在集成電路之間的光學互連方面的現(xiàn)有技術努力通常已經(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行調幅的調制器。所述調制通?；谕ㄟ^GaAs集成電路中濾波的多層生長分子束外(MBE)膜的電吸附。正如本領域中的技術人員所意識到，集成或組合包括GaAs且具有標準基于硅的互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術的基于III-V的技術既困難且不現(xiàn)實。
第二個典型的現(xiàn)有技術方法是基于使用基于硅的光導。這些光導通常利用基于絕緣體上的硅(SOI)的處理技術而被建造。現(xiàn)有技術基于SOI的調制器利用硅波導結構以切換經(jīng)過光導的光。然而不同于基于雙極的晶體管，切換機構采用向波導中注入載流子。這樣的一個結果是速度減慢，例如達到幾百兆赫，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例如上千微米的數(shù)量級而實現(xiàn)，從而增加了光束運行經(jīng)過的交互作用長度。正如本領域的技術人員所意識到的，然而，將SOI波導實際結合進入現(xiàn)存的多層標準基于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)微處理器中當波導用于高速輸入/輸出時，這些波導結構的使用變得非常不實際。
發(fā)明概述一種光學調制器的方法及裝置被公開。在一個實施例中，一個光學調制器包括放置在集成電路小片的半導體基片中的充電區(qū)域。第一偏轉器緊接著所述充電放置被放置。所述第一偏轉器將把被導引通過所述充電區(qū)域的光束偏轉返回通過充電區(qū)域。第二偏轉器被放置在第一偏轉器的對面。所述第二偏轉器將把偏轉離開第一偏轉器的光束偏轉返回通過充電區(qū)域到達第一偏轉器。光束通過在第一和第二偏轉器之間充電區(qū)域的多次偏轉，光束將被導引離開光學調制器。根據(jù)隨后所提出的詳細說明、圖及權利要求，本發(fā)明的附加特點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)明學說的光學調制器，所述光學調制器采用p-n結充電區(qū)域及全內反射以對光束進行調制。
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)明學說的光學調制器，所述光學調制器采用p-n結充電區(qū)域及反射材料以對光束進行調制。
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)明學說的光學調制器，所述光學調制器采用金屬氧化物半導體(MOS)型結構的充電區(qū)域及全內反射以對光束進行調制。
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)明學說的光學調制器，所述光學調制器采用MOS型結構的充電區(qū)域及反射材料以對光束進行調制。
詳細說明一種提供光學調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，提出了眾多具體細節(jié)。然而，顯然對本領域的普通技術人員來講，不需要采用所述具體細節(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)明提供一種光學調制器，所述光學調制器保證能夠通過集成電路小片的半導體基片背面從集成電路輸出電路節(jié)點中抽取集成電路信號。在一個實施例中，光學調制器被放置在倒裝晶片封裝的集成電路小片內。
在一個實施例中，光束被導引通過一個集成電路小片半導體基片的背面。所述光束被導引通過半導體基片的充電區(qū)域。響應于來自于例如集成電路小片中電路輸出節(jié)點的一個電信號，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。光束被偏轉離開第一偏轉器返回通過充電區(qū)域。第二偏轉器把偏轉離開第一偏轉器的光束偏轉返回通過充電區(qū)域到達第一偏轉器。經(jīng)過通過第一和第二偏轉器之間充電區(qū)域的多次偏轉，則光束通過集成電路小片的半導體基片背面而被偏轉開。
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)明學說的一個光學調制器。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。正如本領域普通技術人員所意識到的，球壓焊107提供集成電路小片101的內部集成電路節(jié)點與封裝基片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相關的電感問題。在一個實施例中，集成電路小片101的內部集成電路節(jié)點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)明的光學調制器包括放置在包括充電區(qū)域115的半導體基片103內的調制區(qū)域。在一個實施例中，利用所形成的p-n結，所述充電區(qū)域115被提供有在半導體基片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溝道器件結構。此外，用于這個公開內容的目的，要理解為術語“基片”包含半導體基片的層，其包括例如阱區(qū)、外延層等。因此，根據(jù)本發(fā)明的學說，本發(fā)明的p-n結可以存在于例如半導體基片中、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，響應于被絕緣層105中的導體119輸運到摻雜區(qū)域113的信號129，充電區(qū)域115內的自由電荷分布被調制。在一個實施例中，信號129是一個由包括在集成電路小片101內部的集成電路輸出節(jié)點所產(chǎn)生的信號。因此，當在導體119上信號129的電壓V變化時，充電區(qū)域115內的自由電荷載流子分布被調制。要注意到，為了本公開內容的目的，“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被導引通過背面102進入到半導體基片103中。如圖1所說明的實施例所示，光束111被導引通過充電區(qū)域115并且被偏轉離開由摻雜區(qū)域113和絕緣體105的界面所形成的偏轉器。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。為了本公開內容的目的，入射角θ是光束與垂直于入射點表面的虛線所形成的夾角。在所述實施例中，由于全內反射，光束111被偏轉離開摻雜區(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滿足下述關系sinθ＞noxide/nSi(方程式1)偏轉的結果是在一個實施例中，光束111被偏轉返回通過充電區(qū)域115直到它被偏轉離開半導體基片103背面102與空氣的界面。在這個界面處，被偏轉光束111相對于半導體基片103與空氣之間界面的入射角θ滿足下述關系sinθ＞nair/nSi(方程式2)其中空氣的折射率nair約等于1。結果是，在半導體基片103與空氣之間的界面處形成偏轉器。這個偏轉器與摻雜區(qū)域113與絕緣體105之間界面處所形成的偏轉器相對。如圖1所舉例說明的實施例所示，光束111被多次偏轉通過充電區(qū)域113直至其最終作為被偏轉的光束127從半導體基片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處進入半導體基片103的背面102，并且被偏轉的光束127在位置125處離開半導體基片的背面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垂直并且被偏轉光束127幾乎垂直于位置125。當光束111和被偏轉光束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被降低。結果是，可以獲得在最初的偏轉器(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，半導體基片103被變薄，以便于減小光束111穿過半導體基片103的量。因此，摻雜區(qū)域113和絕緣體105之間界面與半導體基片103與空氣之間界面的距離被減小。結果是，光束111穿過半導體基片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等，從背面102將半導體基片103變薄。
在一個實施例中，由于對充電區(qū)域115內自由載流子分布的調制，響應于信號129光束111被調制。尤其是，由于等離子體光學效應，光束111通過充電區(qū)域115的相被調制。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效應。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的局部電介常數(shù)。這反過來導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中的光速的比值。當光能被用盡時，自由電荷載流子也導致對光場的吸收，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量、bc和bh是調整參數(shù)。作為充電區(qū)域115內對自由電荷載流子分布的調制結果，被偏轉光束127的強度受到調制。
要理解到集成電路小片103事實上形成了多程波導光學調制器。正如可以理解到的，根據(jù)本發(fā)明的學說，因光束111經(jīng)過充電區(qū)域115的多次偏轉或穿過，采用充電區(qū)域115的光學調制器形式的總交互作用長度L得到增加。結果是相對于具有光束僅通過兩次的充電區(qū)域的光學調制器，由充電區(qū)域115的光學調制器形式的調制深度增加。
在一個實施例中，光束111和/或被偏轉的光束127被導引進入使用衍射光學裝置(未顯示出)等的半導體基片103并從中出來。使用光纖技術等，光束111和/或被偏轉的光束127可能被導引進和出衍射光學裝置。
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)明學說的一個光學調制器，所述光學調制器采用p-n結充電區(qū)域及反射材料以對光束211進行調制。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的內部集成電路節(jié)點與封裝基片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的內部集成電路節(jié)點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中的光學調制器包括一個放置在包括充電區(qū)域215的半導體基片203內的調制區(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，所述充電區(qū)域215被提供在半導體基片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-型硅半導體基片203上的p-型摻硅區(qū)域。在一個實施例中，響應于被絕緣層205中的導體219輸運到摻雜區(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內部的集成電路輸出節(jié)點所產(chǎn)生的信號。
在圖2所舉例說明的實施例中，光束211被導引通過背面202進入到半導體基片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被引導經(jīng)過充電區(qū)域215及絕緣體205，并且被偏轉離開由導體219構成的偏轉器。在一個實施例中，導體219由反射材料如例如金屬等構成。由于偏轉所帶來的結果是，在一個實施例中，光束211被偏轉返回經(jīng)過充電區(qū)域215直至它被偏轉離開偏轉器233，所述偏轉器233被放置在半導體基片203背面202上的導體219的對面。在一個實施例中，偏轉器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被多次偏轉通過充電區(qū)域213直至其最終作為被偏轉的光束227從半導體基片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處進入半導體基片203的背面202，并且被偏轉的光束227在位置225處離開半導體基片的背面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垂直并且偏轉光束227幾乎垂直于位置225。
在一個實施例中，使用衍射光學裝置(未顯示出)等，光束211和/或被偏轉光束227被導引進和出半導體基片203。使用光纖技術等，光束211和/或被偏轉的光束227可被導引進和出衍射光學裝置。
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之間的界面處被導引成更陡的角度。圖2所舉例說明的實施例的優(yōu)點在于對光束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)的偏轉的更小的側面尺寸(lateraldimension)。
在一個實施例中，在緊接著充電區(qū)域215的區(qū)域，半導體基片203被變薄，以便于減小光束211穿過半導體基片203的量。因此，利用導體219形成的偏轉器與偏轉器233之間的距離被減小。結果是，光束211穿過半導體基片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等，將半導體基片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)明學說的一個光學調制器，所述光學調制器采用金屬氧化物半導體(MOS)型結構的充電區(qū)域及全內反射以對光束311進行調制。要理解為本發(fā)明并不局限于使用實際的金屬用于MOS型結構。例如，在MOS電容器結構中，多晶硅柵等可以被采用，而不采用根據(jù)本發(fā)明學說的金屬柵。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調制器同圖1所舉例說明的集成電路小片中的光學調制器相類似，不同的是在集成電路小片301中的充電區(qū)域315是采用MOS結構而不是p-n結結構所形成。
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的內部集成電路節(jié)點與封裝基片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的內部集成電路節(jié)點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內的光學調制器包括調制區(qū)域，所述調制區(qū)域被放置在包括充電區(qū)域315的半導體基片303內。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體場效應晶體管(MOSFET)電容器被耦合。例如，圖3顯示放置在半導體基片303內的源/漏區(qū)335和337。源/漏區(qū)335和337通過導體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。如所示，柵級絕緣體339被放置在半導體基片303和柵級341之間。在一個實施例中，源/漏區(qū)335和337共同通過導體343被耦合到公用電勢V如例如對n溝道MOSFET為地或對p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通過導體319被耦合以接收信號329。
在操作中，當被公用地耦合的源/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內形成一個高度充電的反轉層，所述充電區(qū)域被放置在半導體基片303內的源/漏區(qū)335和337之間。響應于信號329，充電區(qū)域315內的自由電荷載流子分布被調制。在一個實施例中，信號319是由集成電路小片301內的集成電路輸出節(jié)點所產(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型半導體基片103內的摻雜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型半導體基片103內的摻雜P+的區(qū)域。在一個實施例中，利用電容器結構而不是MOS晶體管結構，因為在MOSFET電容器溝道中非移動的反轉層被用來調制光束311。
如圖3所舉例說明，光束311被導引通過背面302進入半導體基片303。如所示，光束311被引導經(jīng)過充電區(qū)域315，并且被半導體基片303與柵級絕緣體339之間的界面所形成的偏轉器所偏轉開。在一個實施中，光束311具有相對于半導體基片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因全內反射被偏轉離開半導體基片303與柵級絕緣體339之間的界面。
由于偏轉，在一個實施例中，光束311被偏轉回到充電區(qū)域315直至其被偏轉離開半導體基片303背面302與空氣的界面。在這個界面處，被偏轉光束311的入射角θ要使光束由于全內反射，在半導體基片303與空氣的界面處被偏轉離開背面302。結果是，在半導體基片303與空氣的界面處形成一個偏轉器。此偏轉器與在半導體基片303和柵級絕緣體之間界面處形成的偏轉器相對。因此，光束311被多次偏轉通過充電區(qū)域313直至其最終作為被偏轉的光束327從半導體基片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處進入半導體基片303的背面302，并且被偏轉的光束327在位置325處離開半導體基片的背面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)域半導體基片303被變薄，以便于減小光束311穿過半導體基片303的量。因此，半導體基片303和柵極絕緣體339之間界面與半導體基片303與空氣之間界面的距離被減小。結果是，光束311穿過半導體基片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等，從背面302將半導體基片303變薄。
在一個實施例中，使用衍射光學裝置(未顯示出)等，光束311及/或被偏轉的光束327被導引進和出半導體基片303。使用光纖技術等，光束311和/或被偏轉的光束327可被導引進和出衍射光學裝置。
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)明學說的一個光學調制器，所述光學調制器采用MOS型結構的充電區(qū)域及反射材料以對光束進行調制。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的內部集成電路節(jié)點與封裝基片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的內部集成電路節(jié)點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內的光學調制器包括調制區(qū)域，所述調制區(qū)域被放置在包括充電區(qū)域415的半導體基片403內。在一個實施例中，提供采用MOSFET電容器或電容器結構的充電區(qū)域415。圖4顯示包括放置在半導體基片403內的源/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。如所示，柵級絕緣體439被放置在半導體基片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通過導體419被耦合以接收信號429。
在集成電路小片401內光學調制器的操作與在集成電路小片301內光學調制器的操作相類似。尤其是，當被公用地耦合的源/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內形成一個高度充電的反轉層，所述充電區(qū)域被放置在半導體基片403內的源/漏區(qū)435和437之間。響應于信號429，充電區(qū)域415內的自由電荷載流子分布被調制。在一個實施例中，信號429是由集成電路小片401內的集成電路輸出節(jié)點所產(chǎn)生的一個信號。
如圖4所舉例說明，光束411被導引通過背面402進入到半導體基片403中。如所示，光束411被引導經(jīng)過充電區(qū)域415、通過柵極絕緣體439、通過多晶硅柵441并且被偏轉離開由導體419形成的偏轉器。在一個實施中，導體419由反射材料如例如金屬等形成。由于偏轉所帶來的結果是，在一個實施例中，光束411被偏轉回到充電區(qū)域415直至它被偏轉離開偏轉器433，所述偏轉器433被放置在半導體基片403背面402上的導體419的對面。在一個實施例中，偏轉器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被多次偏轉通過充電區(qū)域413直至其最終作為偏轉的光束427從半導體基片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處進入半導體基片403的背面402，并且被偏轉光束427在位置425處離開半導體基片的背面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)域中半導體基片403被變薄，以便于減小光束411穿過半導體基片403的量。因此，利用導體419而形成的偏轉器與偏轉器433之間的距離被減小。結果是，光束411穿過半導體基片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等，從背面402將半導體基片403變薄。
在一個實施例中，使用衍射光學裝置(未顯示出)等，光束411及/或被偏轉的光束427被導引進和出半導體基片403。使用光纖技術等光束411和/或被偏轉的光束427可被導引進和出衍射光學裝置。
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)全內反射。
在上述詳細說明中，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。本技術說明和圖例相應被認為是舉例說明性的，而非局限性的。
權利要求
1.一種光學調制器，其包括一個放置在集成電路小片的半導體基片內的充電區(qū)域；一個緊接著所述充電區(qū)域放置的第一偏轉器，所述第一偏轉器把被導引通過所述充電區(qū)域的光束偏轉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器對面的第二偏轉器，所述第二偏轉器將把偏轉離開第一偏轉器的光束偏轉返回通過充電區(qū)域到達第一偏轉器，所述光束通過在第一和第二偏轉器之間充電區(qū)域的多次偏轉，將被導引離開所述光學調制器。
2.如權利要求1所述的光學調制器，其中半導體基片包括背面和前面，所述光束通過所述半導體基片的所述背面被導引進入到半導體基片。
3.如權利要求2所述的光學調制器，其中所述光束在經(jīng)多次偏轉后，被導引通過所述背面離開所述光學調制器。
4.如權利要求3所述的光學調制器，其中所述光束將在所述半導體基片背面上的第一位置進入所述半導體基片，所述光束將在所述半導體基片背面上的第二位置離開所述半導體基片，所述第一位置與所述第二位置相分離。
5.如權利要求4所述的光學調制器，其中在所述第一位置處的所述半導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.如權利要求1所述的光學調制器，其中所述第一偏轉器包括半導體基片的第一界面，所述界面具有與半導體基片折射率不同折射率的材料，所述光束由于全內反射將從所述第一偏轉器被偏轉。
7.如權利要求1所述的光學調制器，其中所述第一偏轉器包括一種緊接著半導體基片的反射材料。
8.如權利要求1所述的光學調制器，其中所述第二偏轉器包括半導體基片的第二界面，所述界面具有與半導體基片折射率不同折射率的材料，所述光束由于全內反射將從所述第二偏轉器被偏轉。
9.如權利要求1所述的光學調制器，其中所述第二偏轉器包括一種緊接著半導體基片的反射材料。
10.如權利要求1所述的光學調制器，其中響應于集成電路小片中的一個信號，充電區(qū)域內的自由電荷載流子分布受到調制。
11.如權利要求1所述光學調制器，其中所述充電區(qū)域緊接著集成電路小片的半導體基片內的p-n結。
12.如權利要求1所述的光學調制器，其中所述充電區(qū)域緊接著集成電路小片的半導體基片內的金屬氧化物半導體(MOS)界面。
13.如權利要求1所述的光學調制器，其中半導體基片在第一和第二偏轉器之間被變薄，以減小光束的衰減。
14.一種調制光束的方法，其包括導引所述光束通過放置在集成電路小片的半導體基片內的充電區(qū)域；以及將所述光束多次偏轉返回通過所述充電區(qū)域，以便于光束在離開半導體基片之前不只一次通過所述充電區(qū)域。
15.如權利要求14所述的調制光束的方法還包括響應于集成電路小片中的一個信號，對充電區(qū)域內的自由電荷載流子分布進行調制。
16.如權利要求14所述的調制光束的方法，其中多次將所述光束偏轉返回通過充電區(qū)域包括利用緊接著充電區(qū)域的第一偏轉器，把被導引通過充電區(qū)域的光束偏轉；以及利用放置在所述第一偏轉器對面的第二偏轉器，把被從第一偏轉器偏轉的光束偏轉返回通過充電區(qū)域。
17.如權利要求16所述的調制光束的方法，其中利用第一偏轉器把被導引通過充電區(qū)域的光束偏轉包括采用緊接著半導體基片放置的一種反射材料把光束偏轉。
18.如權利要求16所述的調制光束的方法，其中利用第一偏轉器把被導引通過充電區(qū)域的光束偏轉包括由于半導體基片內部的全內反射使光束偏轉。
19.如權利要求16所述的調制光束的方法，其中利用第二偏轉器把被從第一偏轉器偏轉的光束偏轉返回通過充電區(qū)域包括利用緊接著半導體基片放置的一種反射材料把光束偏轉。
20.如權利要求16所述的調制光束的方法，其中利用第二偏轉器把被從第一偏轉器偏轉的光束偏轉返回通過充電區(qū)域包括由于半導體基片內部的全內反射使光束偏轉。
21.如權利要求14所述的調制光束的方法，其中所述半導體基片包括前面和背面，所述光束通過所述半導體基片的所述背面被導引到充電區(qū)域，所述光束通過所述背面離開半導體基片。
22.如權利要求19所述的調制光束的方法還包括將第一和第二偏轉器之間的半導體基片變薄以減小光束的衰減。
23.如權利要求21所述的調制光束的方法，其中光束將在第一位置被導引通過半導體的背面，其中被偏轉的光束將在第二位置處通過半導體基片的背面離開，所述第一位置不同于所述的第二位置。
24.如權利要求23所述的調制光束的方法還包括將半導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；以及將半導體基片背面的第二位置成一個角度，以減小被偏轉光束在所述第二位置的入射角。
25.一種光學調制器，其包括一個放置在集成電路小片的半導體基片內的充電區(qū)域，所述半導體基片具有前面及背面；在半導體基片背面上的第一位置，通過它光束將通過半導體基片被導引到充電區(qū)域；緊接著充電區(qū)域放置的第一偏轉器，將光束偏轉返回通過充電區(qū)域；放置在所述第一偏轉器對面的第二偏轉器，將被從第一偏轉器偏轉通過充電區(qū)域的光束偏轉，所述第二偏轉器將光束偏轉返回通過充電區(qū)域；以及在半導體基片背面上的第二位置，通過它光束在經(jīng)第一和第二偏轉器之間的充電區(qū)域多次被偏轉后將離開半導體基片。
26.如權利要求26所述的光學調制器，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，以減小被偏轉光束的入射角。
27.如權利要求26所述的光學調制器，其中所述第一偏轉器包括一個半導體基片與具有折射率不同于半導體基片折射率的材料之間的界面。
28.如權利要求26所述的光學調制器，其中所述第一偏轉器包括緊接著半導體基片放置的一種反射材料。
29.如權利要求26所述的光學調制器，其中所述第二偏轉器包括一個半導體基片與具有折射率不同于半導體基片折射率的材料之間的界面。
30.如權利要求26所述的光學調制器，其中所述第二偏轉器包括緊接著半導體基片放置的一種反射材料。
全文摘要
一種光學調制器(101)，其對通過集成電路小片(103)背面通過半導體基片(103)的光進行調制。在一個實施例中，光學調制器被放置在倒裝晶片封裝的集成電路小片(103)內。所述光學調制器包括一個光束多次通過的調制區(qū)域(115)。在一個實施例中，光束(111)在第一位置(123)進入到半導體基片的背面，并且被調制的光束(127)從半導體基片(103)背面上的第二位置(125)被偏轉出來。通過使光束多次在調制區(qū)域內部偏轉且經(jīng)過，光學調制器的交互作用長度得到增加。在一個實施例中，全內反射被用來將光束偏轉。在另一個實施例中，反射材料(233)被用來將光束進行內部偏轉。在一個實施例中，所述調制區(qū)域被提供有由p－n結(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體類型結構(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