專利名稱：光學(xué)器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概念涉及光學(xué)器件和方法，更具體地，涉及用于實現(xiàn)光通信的光波導(dǎo)和光 耦合器、以及制造光波導(dǎo)和光耦合器的方法。
背景技術(shù)：
諸如光學(xué)纖維、光波導(dǎo)和光耦合器的光學(xué)器件在各種器件和系統(tǒng)中用于高速、低 功率通信。光學(xué)互連已經(jīng)在半導(dǎo)體存儲器件、模塊和系統(tǒng)中用于實現(xiàn)大容量、高速和低功率 通信。在這些系統(tǒng)中，光學(xué)纖維能用于模塊之間的通信。光學(xué)纖維能通過光耦合器耦合到 存儲模塊和存儲器件，光信號能通過光波導(dǎo)在模塊和存儲器件內(nèi)傳輸。由于小尺寸要求，存儲模塊、器件和系統(tǒng)中的光學(xué)互連通常要求將光波導(dǎo)和光耦 合器集成到半導(dǎo)體晶片中。常規(guī)地，集成的光波導(dǎo)和光耦合器形成在絕緣體上硅(SOI) 襯底上，絕緣體上硅襯底包括形成在單晶硅襯底或晶片上的絕緣材料層，諸如硅氧化物 (SiO2)。絕緣材料層用作波導(dǎo)的底包層。具有比下包層的折射率更大的折射率的波導(dǎo)芯材 料諸如非晶硅形成在下包層上。上包層諸如具有比芯層的折射率更低的折射率的材料層可 形成在芯層上和/或圍繞芯層以完成波導(dǎo)包覆。上包層可以是另一硅氧化物層、多晶硅層、 或者折射率小于芯的另一材料。例如，在一些情況下，空氣可用作上包層。其中形成常規(guī)器件的SOI晶片比常規(guī)半導(dǎo)體晶片昂貴很多。此外，由于常規(guī)的集 成光學(xué)器件形成在SOI襯底中，所以不能實現(xiàn)光學(xué)器件與其他電路諸如存儲器件電路的完 全集成，因為這些器件通常不形成在SOI襯底上。結(jié)果，光學(xué)器件通常形成為在單獨芯片上 和/或單獨封裝中的單獨器件。這導(dǎo)致大尺寸和復(fù)雜的器件、模塊和系統(tǒng)，還導(dǎo)致更高的相 關(guān)成本。隨著對小尺寸、高速、低功率和省成本的存儲器件、模塊和系統(tǒng)的需求不斷增大， 對能以更低成本制造，具有更小尺寸，能以高速和低功耗工作且能在單個芯片或晶片上與 其他電路有效集成的光學(xué)互連器件和系統(tǒng)的需求也在增大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明概念的一個特征在于提供一種集成到體半導(dǎo)體襯底中的光波導(dǎo)，其它電路 也集成在該體半導(dǎo)體襯底上。本發(fā)明概念的另一特征在于提供一種集成到體半導(dǎo)體襯底中的光耦合器，其它電 路也集成在該體半導(dǎo)體襯底上。本發(fā)明概念的另一特征在于提供一種具有集成的光互連器件諸如光波導(dǎo)和光耦 合器的集成半導(dǎo)體器件，諸如存儲器件。本發(fā)明概念的另一特征在于提供一種具有光學(xué)互連系統(tǒng)的模塊，諸如存儲器模 塊，該光學(xué)互連系統(tǒng)具有集成的光學(xué)互連器件，諸如光波導(dǎo)和光耦合器。本發(fā)明概念的另一特征在于提供一種光學(xué)互連系統(tǒng)，諸如用于存儲器系統(tǒng)的光學(xué) 互連系統(tǒng)，其中在存儲器模塊上的存儲器件包括集成的光學(xué)互連器件，諸如光波導(dǎo)和光耦O本發(fā)明概念的另一特征在于提供制造存儲器件、存儲器模塊、存儲器系統(tǒng)和互連 系統(tǒng)的方法，其中存儲器模塊上的存儲器件包括集成的光學(xué)互連器件，諸如光波導(dǎo)和光耦
O根據(jù)一方面，本發(fā)明概念涉及一種光學(xué)器件，包括設(shè)置在半導(dǎo)體襯底中的溝槽、 設(shè)置在溝槽中的第一包層、以及設(shè)置在第一包層上方的至少一個芯區(qū)。在一實施方式中，半導(dǎo)體襯底包括體單晶硅，溝槽的側(cè)壁基本垂直于半導(dǎo)體襯底 的表面。在一實施方式中，光學(xué)器件包括至少一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和至少一個光耦合器結(jié)構(gòu)，芯 區(qū)的第一側(cè)壁離溝槽的第一側(cè)壁距離dl，芯區(qū)的第二側(cè)壁離溝槽的第二側(cè)壁距離d2。在一 實施方式中，距離dl和d2大于約0. 27 μ m，波導(dǎo)中的泄漏損失小于ldB/mm。在一實施方式 中，第一包層的頂表面低于半導(dǎo)體襯底的頂表面，距離dl和d2大于約0. 35 μ m,波導(dǎo)中的泄 漏損失小于ldB/mm。在一實施方式中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)耦合到光耦合器結(jié)構(gòu)，該光耦合器結(jié)構(gòu)包括以下中的 至少一個設(shè)置在第一包層的一部分頂表面中的光柵、垂直光柵耦合器、光束方向改變器 件、光收發(fā)器和光-電轉(zhuǎn)換器件；該光耦合器結(jié)構(gòu)包括與該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂表面基本共平面 地設(shè)置的頂表面。在一實施方式中，光學(xué)器件還包括反射元件，該反射元件是以下情況中的至少一 種鄰近第一包層設(shè)置；和設(shè)置在第一包層中，該反射元件包括以下中的至少一種金屬反 射器、布拉格反射器、分布式布拉格反射器、以及其中至少包括第一材料層和第二材料層且 第一和第二材料層都接觸第三材料層的結(jié)構(gòu)，該第三材料層具有不同于第一和第二材料層 的折射率。在一實施方式中，光學(xué)器件還包括第二包層，設(shè)置來覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的 至少一部分。在一實施方式中，芯區(qū)包括有缺陷單晶硅、單晶硅、大晶粒多晶硅和晶化非晶硅中 的至少一種。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及一種光學(xué)器件，包括設(shè)置在體單晶硅中的溝槽， 該溝槽的側(cè)壁基本垂直于硅襯底的表面或者向外傾斜以使得在溝槽的表面處比在底部處 具有更大的溝槽寬度；設(shè)置在溝槽中的具有頂表面的第一包層，該頂表面是以下情況中的 一種與硅襯底的表面基本共平面、在硅襯底的表面之下、以及在硅襯底的表面之上；設(shè)置 于該第一包層上方的芯區(qū)，包括有缺陷單晶硅、單晶硅、大晶粒多晶硅和晶化非晶硅中的至 少一種，其中芯區(qū)設(shè)置來提供至少一個波導(dǎo)，該波導(dǎo)耦合到至少一個垂直光耦合器，該垂直 光耦合器的頂表面與該波導(dǎo)的頂表面基本共平面；以及第二包層，設(shè)置來覆蓋該芯區(qū)的頂 表面和側(cè)壁的至少一部分。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及一種制造光學(xué)器件的方法，該方法包括在硅襯底 中形成溝槽；基本在溝槽內(nèi)形成第一包層；以及在第一包層上形成芯區(qū)。在一實施方式中，第一包層由具有通式SixNyOz的電介質(zhì)材料形成；第一包層的頂 表面與硅襯底的頂表面基本共平面或者低于硅襯底的頂表面；硅襯底包括體單晶硅。在一實施方式中，該方法還包括利用芯區(qū)形成至少一個波導(dǎo)和至少一個光耦合器。在一實施方式中，該方法還包括形成反射層，該反射層設(shè)置為以下情況之一在第 一包層之下、在第一包層之上、以及在第一包層內(nèi)，該反射層設(shè)置得鄰近以下中的至少一個 的至少一部分所述波導(dǎo)、所述光耦合器、以及將所述波導(dǎo)耦合到所述光耦合器的區(qū)域。在一實施方式中，該方法還包括形成第二包層，該第二包層覆蓋芯區(qū)的頂表面和 側(cè)表面的至少一部分。在一實施方式中，形成芯區(qū)還包括形成有缺陷單晶硅、單晶硅、大晶粒多晶硅、晶 化多晶硅和晶化非晶硅中的至少一種出層。在一實施方式中，該方法還包括形成具有基本垂直側(cè)壁的溝槽，該基本垂直側(cè)壁 與硅襯底的頂表面基本垂直。在一實施方式中，該方法還包括形成光耦合器以具有與波導(dǎo)的頂表面共平面的頂 表面。在一實施方式中，該方法還包括形成以下中的至少一種光柵、垂直光柵耦合器、 光-電轉(zhuǎn)換器、電-光轉(zhuǎn)換器和光收發(fā)器。在一實施方式中，形成反射層包括形成以下中的至少一種金屬反射層、布拉格反 射器、分布式布拉格反射器、以及至少包括第一材料層和第二材料層且第一材料層和第二 材料層都形成為直接接觸第三材料層的結(jié)構(gòu)，該第三材料層具有不同于第一材料層和第二 材料層的折射率。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及一種光波導(dǎo)。該光波導(dǎo)包括形成在硅襯底中的溝 槽、形成在溝槽中的第一包層和形成在第一包層上的芯區(qū)。在一實施方式中，硅襯底是體硅襯底。在一實施方式中，芯區(qū)的第一側(cè)壁離溝槽的第一側(cè)壁距離dl，芯區(qū)的第二側(cè)壁離 溝槽的第二側(cè)壁距離d2，芯區(qū)具有寬度w，寬度w是芯區(qū)的第一側(cè)壁與第二側(cè)壁之間的距 離，基于襯底引起的波導(dǎo)中的期望泄漏損失來選擇距離dl和d2。在一實施方式中，如果距 離dl和d2都至少為0. 27 μ m，則因襯底導(dǎo)致的波導(dǎo)中的泄漏損失不大于ldB/mm。在一實施方式中，芯區(qū)的第一側(cè)壁離與芯區(qū)相鄰的第二芯區(qū)的第一側(cè)壁距離d3， 芯區(qū)的第二側(cè)壁離與芯區(qū)相鄰的第三芯區(qū)的第一側(cè)壁距離d4，基于相鄰芯區(qū)引起的波導(dǎo)中 的期望泄漏損失來選擇距離d3和d4。在一實施方式中，如果距離d3和d4中的較小者為至 少0. 35μπι，則因相鄰芯區(qū)導(dǎo)致的波導(dǎo)中的泄漏損失不大于ldB/mm。在一實施方式中，第一包層的頂表面與硅襯底的頂表面持平。在一實施方式中，第 一包層的頂表面低于硅襯底的頂表面。在一實施方式中，光波導(dǎo)耦合到光耦合器。在一實施方式中，光耦合器是垂直光柵 耦合器。在一實施方式中，至少一部分反射元件設(shè)置在其中形成光耦合器和光波導(dǎo)中的至 少一個的區(qū)域中。在一實施方式中，反射元件位于第一包層中。在一實施方式中，光波導(dǎo)還包括覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的第二包層。在一實施方式中，芯區(qū)包括通過多晶硅和非晶硅中的一個進行結(jié)晶而形成的有缺 陷單晶硅。在一實施方式中，芯區(qū)具有比第一包層大的折射率。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及一種光耦合器。該光耦合器包括形成在硅襯底中的溝槽、形成在溝槽中的第一包層，形成在第一包層上的芯區(qū)和形成在芯區(qū)的表面中的光 柵。在一實施方式中，硅襯底是體硅襯底。在一實施方式中，第一包層的頂表面與硅襯底的頂表面持平。在一實施方式中，第 一包層的頂表面低于硅襯底的頂表面。在一實施方式中，光耦合器耦合到光波導(dǎo)。在一實施方式中，反射元件的至少一部 分設(shè)置在其中形成光耦合器和光波導(dǎo)中的至少一個的區(qū)域中。在一實施方式中，反射元件 位于第一包層中。在一實施方式中，光耦合器還包括覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的第二包層。在一實施方式中，芯區(qū)包括通過多晶硅和非晶硅中的一個進行結(jié)晶而形成的有缺 陷的單晶硅。在一實施方式中，芯區(qū)具有比第一包層大的折射率。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及一種光學(xué)器件。該光學(xué)器件包括形成在硅襯底中 的光波導(dǎo)和耦合到光波導(dǎo)的光耦合器。該光波導(dǎo)包括形成在硅襯底中的溝槽、形成在溝槽 中的第一包層和形成在底包層上的芯區(qū)。該光耦合器形成在該光波導(dǎo)的區(qū)域中。在一實施方式中，第一包層的頂表面與硅襯底的頂表面持平。在一實施方式中，第一包層的頂表面低于硅襯底的頂表面。在一實施方式中，光耦 合器包括形成在芯區(qū)中的光柵。在一實施方式中，光耦合器是垂直光柵耦合器。在一實施方式中，反射元件的至少一部分設(shè)置在其中形成光耦合器和光波導(dǎo)中的 至少一個的區(qū)域中。在一實施方式中，反射元件位于第一包層中。在一實施方式中，光學(xué)器件還包括覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的第二包層。在一實施方式中，芯區(qū)包括通過多晶硅和非晶硅中的一個進行結(jié)晶而形成的有缺 陷的單晶硅。在一實施方式中，芯區(qū)具有比第一包層大的折射率。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及一種光學(xué)器件。該光學(xué)器件包括形成在硅襯底中 的溝槽、形成在溝槽中的第一包層，形成在第一包層上的芯區(qū)和形成在芯區(qū)的表面中的光 柵。在一實施方式中，光學(xué)器件包括光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)包括第一包層和芯區(qū)的至少一 部分。在一實施方式中，光學(xué)器件包括光耦合器，該光耦合器包括第一包層和芯區(qū)的至 少一部分。在一實施方式中，光耦合器包括形成在芯區(qū)中的光柵。在一實施方式中，光學(xué)器 件包括光波導(dǎo)，光波導(dǎo)包括第一包層和芯區(qū)的至少另一部分，光波導(dǎo)耦合到光耦合器。在一實施方式中，光學(xué)器件還包括轉(zhuǎn)換單元，用于在光信號和電信號之間轉(zhuǎn)換。在一實施方式中，光學(xué)器件還包括收發(fā)器，用于傳輸和接收光信號。在一實施方式中，第一包層的頂表面與硅襯底的頂表面持平。在一實施方式中，第 一包層的頂表面低于硅襯底的頂表面。在一實施方式中，反射元件位于第一包層中。在一實施方式中，光學(xué)器件還包括覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的第二包層。
在一實施方式中，芯區(qū)包括通過多晶硅和非晶硅中的一個進行結(jié)晶而形成的有缺 陷的單晶硅。在一實 施方式中，芯區(qū)具有比第一包層大的折射率。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及光波導(dǎo)的制造方法。根據(jù)該方法，溝槽形成在硅襯 底中。第一包層形成在溝槽中。芯區(qū)形成在第一包層上。在一實施方式中，硅襯底是體硅襯底。在一實施方式中，第一包層的頂表面與硅襯底的頂表面持平。在一實施方式中，第 一包層的頂表面低于硅襯底的頂表面。在一實施方式中，光波導(dǎo)耦合到光耦合器。在一實施方式中，反射元件的至少一部分設(shè)置在其中形成光耦合器和光波導(dǎo)中的 至少一個的區(qū)域中。在一實施方式中，反射元件位于第一包層中。在一實施方式中，該方法還包括形成覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的第二包層。在一實施方式中，芯區(qū)包括通過多晶硅和非晶硅中的一個進行結(jié)晶而形成的有缺 陷的單晶硅。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及光耦合器的制造方法。根據(jù)該方法，溝槽形成在硅 襯底中。第一包層形成在溝槽中。芯區(qū)形成在第一包層上。光柵形成在芯區(qū)的表面中。在一實施方式中，硅襯底是體硅襯底。在一實施方式中，第一包層的頂表面與硅襯底的頂表面持平。在一實施方式中，第 一包層的頂表面低于硅襯底的頂表面。在一實施方式中，光耦合器耦合到光波導(dǎo)。在一實施方式中，反射元件的至少一部 分形成在其中形成光耦合器和光波導(dǎo)中的至少一個的區(qū)域中。在一實施方式中，反射元件 形成在第一包層中。在一實施方式中，該方法還包括形成覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的第二包層。在一實施方式中，芯區(qū)包括通過多晶硅和非晶硅中的一個進行結(jié)晶而形成的有缺 陷的單晶硅。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及一種光學(xué)器件的制造方法。該方法包括在硅襯底 中形成光波導(dǎo)和將光耦合器耦合到該光波導(dǎo)。形成光波導(dǎo)包括在硅襯底中形成溝槽、在溝 槽中形成第一包層和在底包層上形成芯區(qū)。光耦合器形成在光波導(dǎo)的區(qū)域中。在一實施方式中，第一包層的頂表面與硅襯底的頂表面持平。在一實施方式中，第 一包層的頂表面低于硅襯底的頂表面。在一實施方式中，光耦合器包括形成在芯區(qū)中的光柵。在一實施方式中，反射元件的至少一部分設(shè)置在其中形成光耦合器和光波導(dǎo)中的 至少一個的區(qū)域中。在一實施方式中，反射元件形成在第一包層中。在一實施方式中，該方法還包括形成覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的第二包層。在一實施方式中，芯區(qū)包括通過多晶硅和非晶硅中的一個進行結(jié)晶而形成的有缺 陷的單晶硅。根據(jù)另一方面，本發(fā)明概念涉及一種光學(xué)器件的制造方法。該方法包括在硅襯底 中形成溝槽、在溝槽中形成第一包層、在第一包層上形成芯區(qū)和在芯區(qū)的表面中形成光柵。在一實施方式中，光學(xué)器件包括光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)包括第一包層和芯區(qū)的至少一部分。
在一實施方式中，光學(xué)器件包括光耦合器，該光耦合器包括第一包層和芯區(qū)的至 少一部分。在一實施方式中，光耦合器包括形成在芯區(qū)中的光柵。在一實施方式中，光學(xué)器件包括光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)包括第一包層和芯區(qū)的至少另 一部分，光波導(dǎo)耦合到光耦合器。在一實施方式中，該方法還包括形成轉(zhuǎn)換單元，用于在光信號和電信號之間轉(zhuǎn)換。在一實施方式中，該方法還包括形成收發(fā)器，用于傳輸和接收光信號。在一實施方式中，第一包層的頂表面與硅襯底的頂表面持平。在一實施方式中，第 一包層的頂表面低于硅襯底的頂表面。在一實施方式中，反射元件位于第一包層中在一實施方式中，該方法還包括形成覆蓋芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的第二包層。在一實施方式中，芯區(qū)包括通過多晶硅和非晶硅中的一個進行結(jié)晶而形成的有缺 陷的單晶硅。
本發(fā)明概念的前述和其他特征和優(yōu)點將從對本發(fā)明概念的如附圖所示的優(yōu)選實 施方式的更特定的描述變得顯然，在附圖中，全部不同視圖中相似的附圖標記指代相同的 部件。附圖不是必須按比例，旨在示出本發(fā)明概念的原理。在附圖中，層的厚度和區(qū)域為了 清楚而被夸大。圖IA是根據(jù)本發(fā)明概念一示范性實施方式的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。圖IB是作為距離dl和d2的函數(shù)的穿過圖IA結(jié)構(gòu)的基板的光泄漏損失的曲線圖。圖2是器件的包括圖IA光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的部分的示意性橫截面圖。圖3A是根據(jù)本發(fā)明概念另一示范性實施方式的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。圖3B是作為距離d5和d6的函數(shù)的穿過圖3A結(jié)構(gòu)的基板的光泄漏損失的曲線圖。圖4A至4G是示意性橫截面圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一示范性實施方式的制造圖 IA的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法。圖5A至5G是示意性橫截面圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一示范性實施方式制造圖3A 的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法。圖6是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念實施方式的到集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的垂直 光華禹合。圖7包含根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的光耦合結(jié)構(gòu)或器件的示意性透視圖。圖8包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合結(jié)構(gòu)或器件的示意性透視圖。圖9包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合結(jié)構(gòu)或器件的示意性透視圖。圖10包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合結(jié)構(gòu)或器件的示意性透視圖。圖11包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合結(jié)構(gòu)或器件的示意性透視圖。圖12包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合結(jié)構(gòu)或器件的示意性透視圖。圖13至圖18分別是修改為包括分布式布拉格反射器的圖7至圖12的發(fā)明概念 實施方式的示意性透視圖。圖19是根據(jù)本發(fā)明概念的耦合結(jié)構(gòu)或器件的另一實施方式的示意性透視圖。
圖20A至20F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖7所示的 耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖21A至21F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖8所示的 耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖22k至22F 是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖9所示的 耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖23A至23F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖10所示的 耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖24A至24F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖11所示的 耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖25A至25E是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖12所示的 耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖26A至261包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖13所示 的耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖27A至27G包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖14所示 的耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖28A至281包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖15所示 的耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖29A至29H包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖16所示 的耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖30A至30H包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖17所示 的耦合結(jié)構(gòu)或器件的方法。圖31包含光耦合效率與底包層厚度的曲線圖，其可適用于這里所描述的本發(fā)明 概念的實施方式。圖32包含根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的光波導(dǎo)器件和光耦合器件以及方法能應(yīng) 用到的處理系統(tǒng)的示意性框圖。圖33包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光波導(dǎo)器件和光耦合器件以及方法能 應(yīng)用到的處理系統(tǒng)的示意性框圖。圖34包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光波導(dǎo)器件和光耦合器件以及方法能 應(yīng)用到的處理系統(tǒng)的示意性框圖。圖35是存儲器電路例如DRAM存儲器電路的示意性功能圖，該存儲器電路具有根 據(jù)本發(fā)明概念的光耦合器件和光波導(dǎo)器件，該光耦合器件和光波導(dǎo)器件集成在與其上形成 該存儲器電路的芯片或管芯相同的芯片或管芯上。圖36是根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的計算或處理系統(tǒng)的能應(yīng)用本發(fā)明概念的光 波導(dǎo)和光耦合器的部分的示意性透視圖。圖37包含根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的計算或處理系統(tǒng)的能應(yīng)用本發(fā)明概念的 光波導(dǎo)和光耦合器的部分的示意性橫截面圖。圖38A至38C是應(yīng)用本發(fā)明概念的光學(xué)互連結(jié)構(gòu)例如波導(dǎo)的示意性透視圖。圖39是封裝器件的示意性橫截面圖，該封裝器件包括根據(jù)本發(fā)明概念實施方式的光學(xué)器件。 圖40是可應(yīng)用本發(fā)明概念的一般處理、通信或顯示系統(tǒng)的示意性框圖。
具體實施例方式下面將參考附圖更全面地描述各種示范性實施方式，附圖示出一些示范性實施方 式。然而，本發(fā)明概念可以以許多不同的形式實現(xiàn)且不應(yīng)解釋為限于這里闡述的示范性實 施方式。將理解，當元件或?qū)臃Q為在另一元件或?qū)印吧稀?、“連接到”和/或“耦接到”另一元 件或?qū)訒r，它可以直接在其他元件或?qū)由匣蛑苯舆B接到、耦接到另一元件或?qū)?，或者可以?在中間的元件或?qū)?。相反，當元件被稱為“直接”在其他元件“上”、“直接連接到”和/或“直 接耦接到”另一元件或?qū)訒r，則沒有中間元件或?qū)哟嬖?。通篇相似的附圖標記指示相似的元 件。這里所用的術(shù)語“和/或”包括相關(guān)列舉項目的一個或更多的任何和所有組合。將理解，雖然術(shù)語第一、第二和第三可以在此用來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和 /或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語只用于 區(qū)分一個元件、部件、區(qū)域、層或部分與其他元件、部件、區(qū)域、層或部分。因此，以下討論的 第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不背離本發(fā) 明概念的教導(dǎo)。在這里為了描述的方便，可以使用空間相對術(shù)語，諸如“下面”、“下方”、“下”、“上 方”、“上”等，來描述一個元件或特征和其他元件或特征如圖中所示的關(guān)系?？梢岳斫饪臻g 相對術(shù)語旨在包含除了在圖中所繪的方向之外的裝置在使用或操作中的不同方向。例如， 如果在圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，被描述為在其他元件或特征的“下方”或“下面”的元件則應(yīng)取 向在所述其他元件或特征的“上方”。因此，示范性術(shù)語“下方”可以包含下方和上方兩個方 向。裝置也可以有其它取向(旋轉(zhuǎn)90度或其它取向)且相應(yīng)地解釋這里所使用的空間相 對描述語。這里所使用的術(shù)語僅用于描述特定實施方式而無意限制本發(fā)明。這里使用時，單 數(shù)形式也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非內(nèi)容清楚地指示另外的意思?？梢赃M一步理解當在此說 明書中使用時術(shù)語“包括”和/或“包含”說明所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組分 的存在，但是不排除存在或添加一個或更多其他特征、整體、步驟、操作、元件、組分和/或其組。這里參照橫截面圖描述了示范性實施方式，橫截面圖是本發(fā)明的理想實施方式 (和中間結(jié)構(gòu))的示意圖。因此，可以預(yù)期由于例如制造技術(shù)和/或容差引起的圖示形狀 的變化。因此，示范性實施方式不應(yīng)解釋為限于這里所示的區(qū)域的特定形狀，而是包括由于 例如由制造引起的形狀的偏離。例如，被示為矩形的注入?yún)^(qū)將通常具有圓化或彎曲的特征 和/或在其邊緣具有注入濃度的梯度而不是從注入?yún)^(qū)到非注入?yún)^(qū)的二元變化。相似地，由 注入形成的掩埋區(qū)可以引起掩埋區(qū)和通過其進行注入的表面之間的區(qū)域中的一些注入。因 此，圖中示出的區(qū)域本質(zhì)上是示意性的且它們的形狀不旨在示出器件的區(qū)域的實際形狀且 不旨在限制本發(fā)明概念的范圍。根據(jù)本發(fā)明概念，提供各種光學(xué)器件，具體地，光波導(dǎo)器件和光耦合器件。還提供 使用本發(fā)明概念的光學(xué)器件的電路互連系統(tǒng)。具體地，一些示范性實施方式提供與半導(dǎo)體存儲器電路例如DRAM電路一起使用的光學(xué)互連系統(tǒng)。本發(fā)明概念還提供使用本發(fā)明概念 的光學(xué)器件和互連系統(tǒng)的模塊，例如存儲模塊、DRAM模塊、DMM模塊和DRAM DMM模塊。還 提供使用本發(fā)明概念的光學(xué)器件、互連系統(tǒng)和/或模塊的計算和/或處理系統(tǒng)。下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明概念的各種示范性實施方式。圖IA是根據(jù)本發(fā)明概念一示范性實施方式的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)100的示意性橫截面圖。 光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)100形成在體半導(dǎo)體晶片上或體半導(dǎo)體晶片中，例如體硅晶片或襯底10。體硅 襯底10包括頂或前表面IOa和底或后表面10b。溝槽區(qū)12穿過前表面IOa形成在襯底10 中。溝槽區(qū)12具有側(cè)壁12a和12b并具有溝槽寬度TW。 底包層14形成在溝槽12中。底包層14由絕緣材料制成，諸如硅氧化物、硅氮化 物或硅氮氧化物。在此實施方式中，底包層14的頂表面與襯底10的頂表面IOa持平或平 齊。這是在溝槽12中形成底包層材料之后通過例如化學(xué)機械拋光(CMP)來完成的。芯區(qū)22a形成在底包層14的頂表面上。芯區(qū)22a由折射率高于底包層14的折射 率的材料制成。例如，根據(jù)示范性實施方式，芯區(qū)22a由有缺陷的單晶硅形成。S卩，芯區(qū)22a 由具有比單晶的體硅襯底更低的結(jié)晶度即更高的晶體缺陷百分比的有缺陷的單晶硅形成。 芯區(qū)22a用作光波導(dǎo)100的芯。光穿過芯區(qū)22a傳播并通過芯區(qū)22a與底包層14之間的 折射率差異而被限制到芯區(qū)22a。也就是說，底包層14的低折射率將所傳播的光限制到芯 區(qū)22a的內(nèi)部，芯區(qū)22a具有比底包層更高的折射率。雖然圖IA中未示出，但是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)100還可包括形成在芯區(qū)22a的頂表面和側(cè)表 面上方且在底包層14上方的頂或上包層。與底包層14類似，上包層可由絕緣材料諸如硅氧 化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。備選地，上包層可被省略。在此情況下，空氣可用作光 波導(dǎo)的上包層。上包層與底包層14用于相同目的。具體地，上包層也用來限制在芯區(qū)22a 中傳播的光，因為上包層的折射率低于芯區(qū)22a的折射率。芯區(qū)22a具有寬度W。芯區(qū)22a的左側(cè)壁位于離溝槽12的左側(cè)壁12a距離dl處， 芯區(qū)22a的右側(cè)壁位于離溝槽12的右側(cè)壁12b距離d2處。根據(jù)本發(fā)明概念選擇距離dl 和d2，從而減少或最小化由光經(jīng)由溝槽12的側(cè)壁12a和12b穿過襯底傳播所導(dǎo)致的光波導(dǎo) 100中的光泄漏損失。圖IB是作為距離dl和d2的函數(shù)的穿過圖IA結(jié)構(gòu)的襯底12的光泄 漏損失的曲線圖。如圖IB的曲線圖所示，在一些實施方式中，當距離dl和d2大于或等于 0.27μπι時，到襯底中的光泄漏損失小于或等于l.OdB/mm。為了實現(xiàn)這個可接受的到襯底 中的光泄漏損失，距離dl和d2能由如下關(guān)系式表達0. 27 μ m彡dl，d2彡Tff-w-0. 27 μ m。 在許多情況中，更大的光泄漏損失是可容忍的。根據(jù)本發(fā)明概念，如果距離dl和d2大于或 等于0. Ιμπι，那么到襯底中的光泄漏損失小于或等于24dB/mm。為了實現(xiàn)這個可接受的到 襯底中的光泄漏損失，距離dl和d2能由如下關(guān)系式表達0. Iym彡dl，d2彡TW-w-Ο. Ιμπι。圖2是器件的包括圖IA的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)100的部分的示意性橫截面圖。將不再重 復(fù)對圖2結(jié)構(gòu)的與圖IA相同的特征和元件的描述。圖2的器件的該部分包括除了光波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)100之外額外的“虛設(shè)”芯區(qū)22b，“虛設(shè)”芯區(qū)22b與圖IA的芯區(qū)22a同時形成。應(yīng) 注意，虛設(shè)芯區(qū)22b能是鄰近光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)100形成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的芯區(qū)。芯區(qū)22a的左側(cè) 壁離左虛設(shè)芯區(qū)22b的右側(cè)壁距離d3，芯區(qū)22a的右側(cè)壁離右虛設(shè)芯區(qū)22b的左側(cè)壁距離 d4。根據(jù)本發(fā)明概念選擇距離d3和d4，從而減少或最小化因相鄰芯區(qū)導(dǎo)致的光波導(dǎo)100中 的光泄漏損失。根據(jù)本發(fā)明概念，在一些實施方式中，當距離d3和d4大于或等于0. 35 μ m時，因相鄰芯區(qū)導(dǎo)致的光學(xué)泄露損失小于或等于ldB/mm。即，為了使光泄漏損失小于或等于 ldB/mm, d3, d4 彡 0. 35 μ m。 圖3A是根據(jù)本發(fā)明概念另一示范性實施方式的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)200的示意性橫截面 圖。可不重復(fù)對圖3A結(jié)構(gòu)的與圖IA結(jié)構(gòu)相同的特征和元件的描述。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)200形成 在體半導(dǎo)體晶片上或在體半導(dǎo)體晶片中，諸如體硅晶片或襯底10。體硅襯底10包括頂或前 表面IOa和底或后表面10b。溝槽區(qū)12穿過前表面IOa形成在襯底10中。溝槽區(qū)12具有 側(cè)壁12a和12b并具有溝槽寬度TW。底包層44形成在溝槽12中。底包層44由絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅 氮氧化物制成。在此實施方式中，底包層44的頂表面低于襯底10的頂表面10a。芯區(qū)52a形成在底包層44的頂表面上。芯區(qū)52a由折射率高于底包層44的材料 制成。例如，根據(jù)示范性實施方式，芯區(qū)52a由有缺陷的單晶硅形成。S卩，芯區(qū)52a由具有 比單晶的體硅襯底10更低的結(jié)晶度即更高的晶體缺陷百分比的單晶硅形成。芯區(qū)52a用 作光波導(dǎo)100的芯。光穿過芯區(qū)52a傳播并通過芯區(qū)52a與底包層14之間的折射率差異 而被限制到芯區(qū)52a。也就是說，底包層44的更低的折射率將所傳播的光限制到芯區(qū)52a 的內(nèi)部，芯區(qū)52a具有比底包層更高的折射率。雖然圖3A中未示出，但是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)200還可包括形成在芯區(qū)52a的頂表面和側(cè)表 面上方且在底包層44上方的頂或上包層。與底包層44類似，上包層可由絕緣材料諸如硅 氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。備選地，上包層可被省略。在此情況下，空氣可用作 光波導(dǎo)的上包層。上包層用于與底包層44相同的目的。具體地，上包層也用來限制在芯區(qū) 52a中傳播的光，因為上包層的折射率低于芯區(qū)52a的折射率。芯區(qū)52a具有寬度W。芯區(qū)52a的左側(cè)壁位于離溝槽12的左側(cè)壁12a距離d5處， 芯區(qū)52a的右側(cè)壁位于離溝槽12的右側(cè)壁12b距離d6處。根據(jù)本發(fā)明概念選擇距離d5 和d6，從而減少或最小化由光經(jīng)由溝槽12的側(cè)壁12a和12b穿過襯底傳播所導(dǎo)致的光波導(dǎo) 200中的光泄漏損失。圖3B是作為距離d5和d6的函數(shù)的穿過圖3A結(jié)構(gòu)的襯底12的光泄 漏損失的曲線圖。如圖3B的曲線圖所示，在一些實施方式中，當距離d5和d6大于或等于 0.35μπι時，到襯底中的光泄漏損失小于或等于l.OdB/mm。為了實現(xiàn)這個可接受的到襯底 中的光泄漏損失，距離d5和d6能由如下關(guān)系式表達0. 35ym^d5,d6^Tff-w-0. 35μπι。在 許多情況中，更大的光泄漏損失是可容忍的。根據(jù)本發(fā)明概念，如果距離d5和d6大于或等 于0. 15μπι，那么到襯底中的光泄漏損失小于或等于22dB/mm。為了實現(xiàn)這個可接受的到襯 底中的光泄漏損失，距離d5和d6能由如下關(guān)系式表達0. 15ym^d5,d6^Tff-w-0. 15 μ m。分別示于圖IA和3A中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)100和200的實施方式之間的差異在于在 圖IA的實施方式中，底包層14的頂表面與襯底10的頂表面持平；在圖3A的實施方式中， 底包層44的頂表面低于襯底10的頂表面。S卩，在圖3A的實施方式中，芯區(qū)凹陷或掩埋于 溝槽中。在兩個實施方式中，由于在體硅襯底中制造光波導(dǎo)，所以光波導(dǎo)可應(yīng)用于硅光電子 器件(silicon photonics)，且能容易地與芯片或晶片上的其它電路諸如CMOS電路或半導(dǎo) 體存儲器電路集成。在一些這樣的應(yīng)用中，期望的是，為了易于與其它電路集成，波導(dǎo)芯區(qū) 形成在溝槽的頂部之上(圖1A)；在一些這樣的應(yīng)用中，期望的是，為了易于與其它電路集 成，芯區(qū)形成在溝槽內(nèi)(圖3A)。本發(fā)明概念的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于所有這樣的應(yīng)用。還應(yīng)注意，在圖3A的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)200中，芯區(qū)52a具有特定高度hl，底包層44的頂部與襯底的頂表面之間的距離為特定高度h2。雖然圖3A的實施方式示出hi與h2相等，但 是不一定要是這種情況。例如，hi能大于h2，或者h2能大于hi?；诠獠▽?dǎo)結(jié)構(gòu)200與 同一芯片或晶片上的其它電路的含意的易于集成來選擇相對高度hi和h2。圖4A至4G是示意性橫截面圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一示范性實施方式制造圖IA 的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)100的方法。參考圖4A，提供襯底10諸如體半導(dǎo)體襯底，例如體硅襯底。襯 底10包括頂或前表面IOa和底或后表面10b。襯底10被選擇性蝕刻以在襯底10中形成具 有側(cè)壁12a和12b的溝槽12?；诩磳⒃跍喜?2中形成的底包層的期望厚度來確定溝槽 12的深度。接著，底包層14形成在溝槽12中。底包層14由折射率比光波導(dǎo)的即將順序 形成在底包層14上的芯區(qū)的折射率低的絕緣材料形成。底包層14的材料能是例如硅氧化 物、硅氮化物或硅氮氧化物。在此實施方式中，底包層的頂表面與襯底10的頂表面IOa持 平或平齊。這能在形成底包層材料以填充溝槽12之后通過對底包層材料使用拋光工序諸 如化學(xué)機械拋光(CMP)來完成。參考圖4B，接著，非晶半導(dǎo)體材料例如非晶硅的層16形成在底包層14和襯底10 的頂表面IOa上方。非晶硅層16能通過例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或其 它類似工藝形成。然后，參考圖4C，非晶硅層16至少部分地結(jié)晶以將非晶硅層16轉(zhuǎn)變?yōu)?有缺陷的單晶硅層18。S卩，層18由具有比單晶的體硅襯底10更低的結(jié)晶度即更高的晶體 缺陷百分比的單晶硅形成。非晶硅層16的結(jié)晶能通過例如激光外延生長(LEG)、固相外延 (SPE)、外延橫向過生長(ELO)、選擇外延生長(SEG)、固相結(jié)晶(SPC)或其它類似方法進行。然后，參考圖4D，掩模圖案20形成在有缺陷單晶硅層18上以定義光波導(dǎo)的芯區(qū)。 掩模圖案20能由例如光致抗蝕劑和/或光致抗蝕劑與硬掩模材料的組合形成。接著，參考 圖4E，采用掩模圖案20作為蝕刻掩模來選擇性蝕刻該結(jié)構(gòu)，從而去除層18的未遮掩部分以 形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)100的芯區(qū)22a。還同時形成與芯區(qū)22a材料相同的額外區(qū)22b。這些其 它區(qū)22b能是其它相鄰光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的芯區(qū)或其它這樣的區(qū)。接著，參考圖4F，掩模圖案20被去除。然后，參考圖4G，上或頂包層23可形成在 芯區(qū)22a的上表面和側(cè)表面上且在底包層14上。類似于底包層14，上包層23可由絕緣材 料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。備選地，可省略上包層23。在此情況下，空 氣可用作光波導(dǎo)的上包層。上包層用于與底包層14相同的目的。具體地，上包層也用來限 制在芯區(qū)22a中傳播的光，因為上包層的折射率低于芯區(qū)22a的折射率。 圖5A至5G是示意性橫截面圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一示范性實施方式制造圖3A 的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)200的方法。參考圖5A，提供襯底10諸如體半導(dǎo)體襯底，例如體硅襯底。襯 底10包括頂或前表面IOa和底或后表面10b。襯底10被選擇性蝕刻以在襯底10中形成 具有側(cè)壁12a和12b的溝槽12。基于即將在溝槽12中形成的底包層的期望厚度確定溝槽 12的深度。接著，底包層44形成在溝槽12中。底包層44由折射率低于光波導(dǎo)的芯區(qū)的絕 緣材料形成，光波導(dǎo)的芯區(qū)即將順序形成在底包層44上。底包層44的材料能是例如硅氧 化物、硅氮化物或硅氮氧化物。在此實施方式中，底包層44的頂表面低于襯底10的頂表面 10a。參考圖5B，接著，非晶半導(dǎo)體材料例如非晶硅的層46形成在底包層44和襯底10 的頂表面IOa上方。非晶硅層46能通過例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或其 它相似工藝來形成。然后，參考圖5C，非晶硅的層46至少部分地結(jié)晶以將非晶硅的層46轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕輪尉Ч璧膶?8。S卩，層48由具有比單晶的體硅襯底10更低的結(jié)晶度即更高的晶體缺陷百分比的單晶硅形成。非晶硅層46的結(jié)晶能通過例如激光外延生長(LEG)、固相 外延(SPE)、外延橫向過生長(ELO)、選擇外延生長(SEG)、固相結(jié)晶(SPC)或其它類似方法 來進行。然后，參考圖5D，掩模圖案50形成在有缺陷單晶硅層48上以定義光波導(dǎo)的芯區(qū)。 掩模圖案50能由例如光致抗蝕劑和/或光致抗蝕劑與硬掩模材料的組合形成。接著，參考 圖5E，采用掩模圖案50作為蝕刻掩模來選擇性蝕刻該結(jié)構(gòu)從而去除層48的未遮掩部分，以 形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)200的芯區(qū)52a。還同時形成與芯區(qū)52a材料相同的額外區(qū)52b。這些其 它區(qū)52b能是其它相鄰光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的芯區(qū)或其它這樣的區(qū)。接著，參考圖5F，掩模圖案50被去除。然后，參考圖5G，上或頂包層53可形成在 芯區(qū)52a的上表面和側(cè)表面上且在底包層44上。與底包層44類似，上包層53可由絕緣材 料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。備選地，可省略上包層53。在此情況下，空 氣可用作光波導(dǎo)的上包層。上包層用于與底包層44相同的目的。具體地，上包層也用來限 制在芯區(qū)52a中傳播的光，因為上包層的折射率低于芯區(qū)52a的折射率。本發(fā)明概念的集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過這里描述的根據(jù)本發(fā)明概念各種實施方式的 光耦合結(jié)構(gòu)可選地耦接到其它器件諸如外部器件。圖6是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明 概念實施方式的到集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的垂直光耦合。參考圖6，根據(jù)本發(fā)明概念的實施方式，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)150能集成在半導(dǎo)體襯底10諸 如硅襯底上或中，如上面關(guān)于本發(fā)明概念的各種實施方式描述的那樣。為了耦合波導(dǎo)150 以傳輸光能到其它外部器件和從其它外部器件接收光能，波導(dǎo)150的末端耦合到光學(xué)纖 維，圖6中示出為第一輸入纖維121和第二輸出纖維123。根據(jù)本發(fā)明概念的實施方式，波 導(dǎo)150的末端在水平尺寸上而非垂直尺寸上成楔形，如160和170所示，從而適應(yīng)纖維末端 的更大尺寸。楔形部分160和170分別連接到更寬的耦合端部190和180，光耦合器件形成 在耦合端部190和180處。根據(jù)本發(fā)明概念的實施方式，在圖6的垂直光柵耦合器(VGC)中，在輸入纖維121 的末端發(fā)射的光入射在形成于寬耦合端部190處的區(qū)152中的光柵153上。光被光柵153 耦合到波導(dǎo)150的芯中，使得它穿過波導(dǎo)150傳播。類似地，傳播到波導(dǎo)150的輸出末端的 光入射在形成于寬耦合端部180處的區(qū)154中的光柵155上。光柵155將光耦合出波導(dǎo) 150并進入輸出纖維123的末端。耦合器件中的光柵結(jié)構(gòu)在垂直方向和水平方向之間轉(zhuǎn)變 光的傳播方向。在根據(jù)本發(fā)明概念實施方式的垂直耦合中，如圖6所示，波導(dǎo)末端僅在水平尺寸 上成楔形，在垂直尺寸上相對平坦。結(jié)果，纖維末端僅需垂直地耦合到波導(dǎo)末端。尤其期望 此垂直耦合以提高將光波導(dǎo)和光耦合器與形成在襯底上或襯底中的其它電路集成的能力。 這還導(dǎo)致減小的器件尺寸、工藝時間、復(fù)雜性和成本。此外，測試和封裝成本得到降低。下面描述根據(jù)本發(fā)明概念的光耦合器件的各種實施方式。本發(fā)明概念的光耦合器 件是新穎且非顯而易見類型的垂直光柵耦合器，其中光柵形成在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)處的 芯區(qū)中。類似于上述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明概念的光耦合器結(jié)構(gòu)形成在體半導(dǎo)體襯底諸如體 硅襯底中的溝槽中。用于耦合器的底包層形成在溝槽的底部，達到期望的厚度，該期望的厚 度由器件的期望性能特性確定。底包層能由例如絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。通過在底包層上沉積非晶硅或多晶硅來形成芯層。非晶硅或多晶硅結(jié)晶以將 芯層轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕莸膯尉Ч琛Ｓ腥毕莸膯尉Ч璞贿x擇性蝕刻，從而設(shè)定耦合器的芯區(qū)的尺 寸且在芯區(qū)中形成光柵。根據(jù)本發(fā)明概念，與上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)類似，耦合器結(jié)構(gòu)能集成到具有 其它電路諸如CMOS電路或存儲器電路的單個晶片或芯片中，與硅光電子器件的要求兼容。 結(jié)果，晶片或芯片上的電連接被光學(xué)連接取代，產(chǎn)生具有更高速度、更小尺寸、更低功耗和 更高容量的器件和系統(tǒng)。圖7包含根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的光耦合器結(jié)構(gòu)或器件1100的示意性透視 圖。參考圖7，光耦合器件1100形成在體半導(dǎo)體襯底1120諸如體硅襯底中。溝槽1185形 成在襯底1120中。由絕緣材 料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物制成的底包層1140 形成在溝槽1140中。耦合器1100的芯區(qū)1160形成在底包層1140上，芯區(qū)1160也是所連 接的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1170的芯區(qū)。在此實施方式中，芯區(qū)1160由有缺陷的單晶硅形成。在一 實施方式中，有缺陷的單晶硅通過非晶硅結(jié)晶來制成。光柵1175形成在芯區(qū)1160的頂部 中。頂或上包層1180形成在耦合器結(jié)構(gòu)1100上方，頂或上包層1180在一實施方式中由絕 緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物制成。應(yīng)注意，可省略上包層1180，在此情況 下，空氣可用作耦合器1100和/或波導(dǎo)1170的上包層。圖8包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合器結(jié)構(gòu)或器件1200的示意性透 視圖。圖8的實施方式基本類似于圖7的實施方式，除了溝槽1285和底包層1240的側(cè)壁 是傾斜的而不是垂直的之外。溝槽1285和底包層1240的傾斜壁用于便于器件1200的制 造，尤其當溝槽1285形成得深時。傾斜的溝槽壁減小溝槽的形成工藝的復(fù)雜性和成本，尤 其當溝槽較深時。耦合器結(jié)構(gòu)1200包括芯區(qū)1160，芯區(qū)1160也是所連接的光波導(dǎo)1170的 芯區(qū)，并具有形成在其上的光柵1175。該結(jié)構(gòu)還可包括上或頂包層1180。應(yīng)注意，可省略 上包層1180，在此情況下，空氣可用作耦合器1200和/或波導(dǎo)1170的上包層。圖9包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合器結(jié)構(gòu)或器件1300的示意性透 視圖。圖9的實施方式基本類似于圖7的實施方式，除了由有缺陷的單晶硅制成的芯區(qū)1360 是通過結(jié)晶多晶硅而不是非晶硅來形成之外。所連接的光波導(dǎo)1370的芯也可通過結(jié)晶多 晶硅而不是非晶硅來形成。結(jié)構(gòu)1300包括形成在溝槽1185中的底包層1140，溝槽1185形 成在體硅襯底1120中。雖然圖中沒有示出，但是頂或上包層1180可以形成在該結(jié)構(gòu)上方， 或者它可被省略，使得空氣可起到上包層1180的作用。圖10包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合器結(jié)構(gòu)或器件1600的示意性透 視圖。圖10的實施方式基本類似于圖7的實施方式，除了溝槽1685沒有被底包層1640的 材料完全填充之外。即，底包層1640的頂表面低于襯底1620的頂表面。結(jié)果是，包括光柵 1675的芯區(qū)1660和波導(dǎo)1670相對于襯底1620凹陷。雖然圖中沒有示出，但是頂或上包 層1180可形成在該結(jié)構(gòu)上方，或者可以省略上包層1180，使得空氣可起到上包層1180的作 用。在圖10的耦合器件1600的實施方式中，由于底包層1640的頂表面相對于襯底 1620凹陷，所以襯底殘留區(qū)ARE保持與溝槽1685相鄰。ARE區(qū)的側(cè)壁離芯區(qū)1660的側(cè)壁 一標識為ITV的距離。ARE區(qū)由與具有較高折射率的襯底1620相同的材料形成。對于凹入 到襯底1620中的芯區(qū)1660，距離ITV被選擇以將到襯底的ARE區(qū)中的泄漏損失保持在期望 水平。
注意，芯區(qū)1660的高度由底包層1640的厚度和溝槽1685的深度確定。這兩個 特征導(dǎo)致，芯區(qū)1660可以完全凹陷在溝槽1685內(nèi)，或者一部分芯區(qū)1660可以突出到溝槽 1685的頂部上方。凹陷的底包層的益處在于降低在相同襯底上一起制造的本發(fā)明概念的光 學(xué)器件與其他電路諸如CMOS晶體管的單片集成的成本和復(fù)雜性。在例如CMOS晶體管的情 況下，由于晶體管的高度與常規(guī)光學(xué)器件的高度相比較低，所以本發(fā)明概念的光學(xué)器件能 掩埋在溝槽中在襯底的頂表面以下以便于集成。圖11包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合器結(jié)構(gòu)或器件1900的示意性透 視圖。圖11實施方式的器件1900的結(jié)構(gòu)基本類似于圖10的器件1600的實施方式，且大 體上可與圖10實施方式的器件1600的 結(jié)構(gòu)相同。這兩個實施方式之間的差異主要在于制 造器件1600和1900的工藝方面，如下文結(jié)合圖23A至23F和圖24A至24F描述的那樣。圖12包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光耦合器結(jié)構(gòu)或器件11000的示意性 透視圖。圖12的實施方式與圖7的實施方式基本相似，除了由非晶硅或多晶硅而不是有缺 陷的單晶硅形成耦合器11000和波導(dǎo)11070的芯區(qū)11060之外。在制造期間，在沉積非晶 硅或多晶硅的芯層之后，該層沒有如在其它實施方式中那樣被結(jié)晶以形成有缺陷的單晶硅 芯區(qū)。結(jié)構(gòu)11000包括形成在溝槽1185中的底包層1140，溝槽1185形成在體硅襯底1120 中。雖然圖中沒有示出，但是頂或上包層1180可以形成在該結(jié)構(gòu)上方，或者可以省略上包 層1180，使得空氣可以起到上包層1180的作用。要注意，雖然僅結(jié)合圖12的實施方式描述了將非晶硅或多晶硅用于芯區(qū)，但其適 用于任何這里描述的實施方式。即，在任何縮描述的實施方式中，芯區(qū)能是非晶硅或多晶硅 而不是有缺陷的單晶硅。在本發(fā)明概念的一些實施方式中，反射元件被包括在光耦合器件下面，還可被包 括在集成光波導(dǎo)下面。反射元件被提供來改善耦合器的光效率，即降低光損失，且在一些實 施方式中改善波導(dǎo)的光效率。在一些實施方式中，反射元件是形成在底包層中的分布式布 拉格反射器(DBR)。DBR是通過交替具有不同折射率的材料而形成的多層結(jié)構(gòu)。在這里描 述的本發(fā)明概念的示范性實施方式中，DBR結(jié)構(gòu)示為具有三層，其中兩層被標識為A和B并 被折射率不同于層A和B的第三層分隔開。將理解，根據(jù)DBR的期望反射率，任何數(shù)量的層 能用于DBR。根據(jù)DBR的期望性能，層A和B的折射率通常相同，但是它們也可以不同。在一些實施方式中，DBR形成在一部分底包層上，該部分底包層將DBR與襯底隔 離。直接在芯層下面的另一部分底包層形成在DBR上。該部分底包層執(zhí)行與其中不形成 DBR的一些實施方式中的底包層相同的功能。該層還用于通過調(diào)節(jié)其厚度使從DBR反射的 光波與從光柵耦合器直接耦合出的光波相長地(constructively)干涉。圖13至圖18分別是修改為包括DBR的圖7至圖12的發(fā)明概念實施方式的示意 性透視圖。圖13至18的每個實施方式的DBR示為包括層A和B，層A和B能由折射率相同 或相似的材料制成，層A和B被折射率與層A和B不同的材料層分隔開。應(yīng)注意，使用三層 DBR僅是為了示例。如上所述，根據(jù)DBR的期望反射率，DBR能是任何數(shù)量的層。還應(yīng)注意， 圖13至18每個旨在說明且確實說明了 DBR不必僅在器件的耦合器部分下面。它也能位于 波導(dǎo)下面，從而降低波導(dǎo)中的光損失。將不再重復(fù)描述與前述特征和元件相同的特征和元 件。還應(yīng)注意，圖13至17中的實施方式中的一些示為具有上包層1180，一些示為沒有上包 層。這旨在說明任何這里描述的實施方式可具有上包層1180或者可省略上包層1180。在省略上包層1180的情況下，空氣可以起到上包層的作用。參考圖13，耦合器結(jié)構(gòu)或器件1100A包括在底包層1140內(nèi)的DBR結(jié)構(gòu)。額外層 1142形成在DBR和下包層1140上方，額外層能由與下包層1140相同的材料制成。參考圖14，耦合器結(jié)構(gòu)或器件1200A包括在具有傾斜側(cè)壁的底包層1240內(nèi)的DBR
結(jié)構(gòu)。 參考圖15，耦合器結(jié)構(gòu)或器件1300A包括在底包層1140內(nèi)的DBR結(jié)構(gòu)。額外層 1142形成在DBR和下包層1140上方。額外層能由與下包層1140相同的材料制成。參考圖16，耦合器結(jié)構(gòu)或器件1600A包括在底包層1640內(nèi)的DBR結(jié)構(gòu)。參考圖17，耦合器結(jié)構(gòu)或器件1900A包括在底包層1940內(nèi)的DBR結(jié)構(gòu)。參考圖18，耦合器結(jié)構(gòu)或器件11000A包括在底包層1940內(nèi)的DBR結(jié)構(gòu)。圖19是根據(jù)本發(fā)明概念的耦合器結(jié)構(gòu)或器件1800A的另一實施方式的示意性透 視圖。參考圖19，耦合器結(jié)構(gòu)或器件1800A包括在底包層1140下方的DBR結(jié)構(gòu)。耦合器 1800A與圖13和15分別示出的實施方式1100A和1300A基本相似，除了在圖19的實施方 式中相鄰波導(dǎo)之間的間隔被選擇使得襯底的殘留部分ARE比較窄，如側(cè)壁1885定義的那樣 之外。這是通過將相鄰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間的距離設(shè)定為大于波導(dǎo)溝槽1886的寬度而實現(xiàn)的。 DBR和底包層1140形成在溝槽1886中，芯區(qū)1160形成在底包層1140上方。側(cè)壁1885被 間隔開，使得產(chǎn)生窄的殘留部分ARE和增大的ITV距離。由于接近襯底1120，這導(dǎo)致減小的 器件光損失。圖20A至20F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖7所示的 耦合器結(jié)構(gòu)或器件1100的方法。參考圖20A，提供體半導(dǎo)體襯底1120，諸如體硅襯底。通 過選擇性蝕刻在體硅襯底1120中形成具有垂直側(cè)壁的溝槽1185。基于即將在溝槽中形成 的底包層的期望厚度來選擇溝槽1185的深度，底包層的厚度是基于耦合器和連接到耦合 器的波導(dǎo)的期望性能特性來確定的。參考圖20B，底包層1140形成在溝槽1185中，使得其頂表面與襯底1120的頂表面 持平或平齊。底包層1140能由例如絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。參考圖20C，非晶硅層1155形成在襯底1120的頂表面和底包層1140上。參考圖 20D，非晶硅層1155結(jié)晶以將層1155轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕輪尉Ч鑼?160，用于耦合器和所連接的 波導(dǎo)的芯區(qū)。所使用的結(jié)晶方法能是激光外延生長(LEG)、固相外延(SPE)、外延橫向過生 長(ELO)、選擇性外延生長(SEG)或固相結(jié)晶(SPC)之一。參考圖20E，由光致抗蝕劑和/或硬掩模材料制成的掩模形成在結(jié)晶的硅層1160 上，并被構(gòu)圖為即將形成在耦合器的芯區(qū)上的光柵1175的期望圖案。采用被構(gòu)圖的掩模蝕 刻芯區(qū)層1160從而在芯區(qū)層1160中形成光柵1175。參考圖20F，芯區(qū)層1160被選擇性蝕刻以產(chǎn)生用于耦合器的具有光柵1175的最終 芯區(qū)1160。同時，可以形成用于所連接的波導(dǎo)1170的芯區(qū)。然后，可選的上包層1180可以 形成在該結(jié)構(gòu)上方。上包層1180可以由與制成底包層1140的材料相同的材料制成。圖21A至21F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的制造圖8所示 的耦合器結(jié)構(gòu)或器件1200的方法。參考圖21A，提供體半導(dǎo)體襯底1120，諸如體硅襯底。通 過選擇性蝕刻在體硅襯底1120中形成具有傾斜側(cè)壁的溝槽1285?；诩磳⒃跍喜壑行纬?的底包層的期望厚度來確定溝槽1285的深度，底包層的厚度是基于耦合器和連接到耦合器的波導(dǎo)的期望性能特性來確定的。參考圖21B，底包層1240形成在溝槽1285中，使得其頂表面與襯底1120的頂表面 持平或平齊。底包層1240能由例如絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。參考圖21C，非晶硅層1155形成在襯底1120的頂表面和底包層1240上。參考圖 21D，非晶硅層1155結(jié)晶以將層1155轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕輪尉Ч鑼?160，用于耦合器和所連接的 波導(dǎo)的芯區(qū)。所使用的結(jié)晶方法能是激光外延生長(LEG)、固相外延(SPE)、外延橫向過生 長(ELO)、選擇性外延生長(SEG)或固相結(jié)晶(SPC)之一。
參考圖21E，由光致抗蝕劑和/或硬掩模材料制成的掩模形成在結(jié)晶的硅層1160 上，并被構(gòu)圖為即將形成在耦合器的芯區(qū)上的光柵1175的期望圖案。采用被構(gòu)圖的掩模蝕 刻芯區(qū)層1160，從而在芯區(qū)層1160中形成光柵1175。參考圖21F，芯區(qū)層1160被選擇性蝕刻以產(chǎn)生用于耦合器的具有光柵1175的最終 芯區(qū)1160。同時，可以形成用于所連接的波導(dǎo)1170的芯區(qū)。然后，可選的上包層1180可以 形成在該結(jié)構(gòu)上方。上包層1180可由與制成底包層1140的材料相同的材料制成。圖22A至22F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖9所示的 耦合器結(jié)構(gòu)或器件1300的方法。參考圖22A，提供體半導(dǎo)體襯底1120諸如體硅襯底。通過 選擇性蝕刻在體硅襯底1120中形成具有垂直側(cè)壁的溝槽1185?；诩磳⒃跍喜壑行纬傻?底包層的期望厚度選擇溝槽1185的深度，底包層的厚度基于耦合器和連接到耦合器的波 導(dǎo)的期望性能特性來確定。參考圖22B，底包層1140形成在溝槽1185中，使得其頂表面與襯底1120的頂表面 持平或平齊。底包層1140能由例如絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。參考圖22C，多晶硅層1355形成在襯底1120的頂表面和底包層1140上。參考圖 22D，多晶硅層1355結(jié)晶以將層1355轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕輪尉Ч璧膶?360，用于耦合器和所連接 的波導(dǎo)的芯區(qū)。所使用的結(jié)晶方法能是激光外延生長(LEG)、固相外延(SPE)、外延橫向過 生長(ELO)、選擇性外延生長(SEG)或固相結(jié)晶(SPC)之一。參考圖22E，由光致抗蝕劑和/或硬掩模材料制成的掩模形成在結(jié)晶的硅層1360 上，并被構(gòu)圖成即將形成在耦合器的芯區(qū)上的光柵1375的期望圖案。采用被構(gòu)圖的掩模蝕 刻芯區(qū)層1360，從而在芯區(qū)層1360中形成光柵1375。參考圖22F，芯區(qū)層1360被選擇性蝕刻以產(chǎn)生用于耦合器的具有光柵1375的最終 芯區(qū)1360。同時，可形成用于所連接的波導(dǎo)1370的芯區(qū)。然后，可選的上包層1180可以形 成在該結(jié)構(gòu)上方。上包層1180可以由與制成底包層1140的材料相同的材料制成。圖23A至23F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖10所示的 耦合器結(jié)構(gòu)或器件1600的方法。參考圖23A，提供體半導(dǎo)體襯底1620諸如體硅襯底。通過 選擇性蝕刻在體硅襯底1620中形成具有垂直側(cè)壁的溝槽1685?；诩磳⒃跍喜壑行纬傻?底包層的期望厚度以及耦合器和所連接的波導(dǎo)相對于襯底1620的頂表面的期望高度來選 擇溝槽1685的深度。參考圖23B，底包層1640形成在溝槽1685中使得其頂表面與襯底1620的頂表面 持平或平齊。底包層1640能由例如絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。 參考圖23C，底包層1640在溝槽1685內(nèi)被蝕刻到預(yù)定厚度，使得底包層1640的頂表面低于 襯底1620的頂表面，從而耦合器結(jié)構(gòu)和所連接的波導(dǎo)凹入在溝槽1685內(nèi)?；隈詈掀骱瓦B接到耦合器的波導(dǎo)的期望性能特性來確定底包層1640的厚度。接著，非晶硅層1655形 成在溝槽1685中的底包層1640上。參考圖23D，非晶硅 層1655結(jié)晶以將層1655轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕輪尉Ч璧膶?660，用 于耦合器和所連接的波導(dǎo)的芯區(qū)。所使用的結(jié)晶方法能是激光外延生長(LEG)、固相外延 (SPE)、外延橫向過生長(ELO)、選擇性外延生長(SEG)或固相結(jié)晶(SPC)之一。參考圖23E，由光致抗蝕劑和/或硬掩模材料制成的掩模形成在結(jié)晶硅層1660上， 并被構(gòu)圖成即將形成在耦合器的芯區(qū)上的光柵1675的期望圖案。采用被構(gòu)圖的掩模蝕刻 芯區(qū)層1660，從而在芯區(qū)層1660中形成光柵1675。參考圖23F，芯區(qū)層1660被選擇性蝕刻以產(chǎn)生用于耦合器的具有光柵1675的最終 芯區(qū)1660。同時，可以形成用于所連接的波導(dǎo)1670的芯區(qū)。然后可選的上包層1180可以 形成在該結(jié)構(gòu)上方。上包層1180可以由與制成底包層1640的材料相同的材料制成。圖24A至24F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖11所示的 耦合器結(jié)構(gòu)或器件1900的方法。參考圖24A，提供體半導(dǎo)體襯底1920諸如體硅襯底。通過 選擇性蝕刻在體硅襯底1920中形成具有垂直側(cè)壁的溝槽1985。基于即將在溝槽中形成的 底包層的期望厚度以及耦合器和所連接的波導(dǎo)相對于襯底1920的頂表面的期望高度來選 擇溝槽1985的深度。參考圖24B，底包層1940形成在溝槽1985中使得其頂表面低于襯底1920的頂表 面。底包層1940能由例如絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。底包層 1940在溝槽1985內(nèi)形成至預(yù)定厚度，使得底包層1940的頂表面低于襯底1920的頂表面， 從而耦合器結(jié)構(gòu)和所連接的波導(dǎo)凹入在溝槽1985內(nèi)?；隈詈掀骱瓦B接到耦合器的波導(dǎo) 的期望性能特性來確定底包層1940的厚度。參考圖24C，接著，非晶硅層1955形成在溝槽1985中的底包層1940上。參考圖 24D，非晶硅層1955結(jié)晶以將層1955轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕輪尉Ч璧膶?960，用于耦合器和所連接 的波導(dǎo)的芯區(qū)。所使用的結(jié)晶方法能是激光外延生長(LEG)、固相外延(SPE)、外延橫向過 生長(ELO)、選擇性外延生長(SEG)或固相結(jié)晶(SPC)之一。參考圖24E，由光致抗蝕劑和/或硬掩模材料制成的掩模形成在結(jié)晶硅層1960上， 并被構(gòu)圖成即將形成在耦合器的芯區(qū)上的光柵1975的期望圖案。采用被構(gòu)圖的掩模蝕刻 芯區(qū)層I960，從而在芯區(qū)層1960中形成光柵1975。參考圖24F，芯區(qū)層1960被選擇性蝕刻以產(chǎn)生用于耦合器的具有光柵1975的最終 芯區(qū)1960。同時，可形成用于所連接的波導(dǎo)1970的芯區(qū)。然后可選的上包層1180可形成 在該結(jié)構(gòu)上方。上包層1180可以由與制成底包層1940的材料相同的材料制成。注意，圖23A至圖23F描述了制造圖10的器件1600的工藝，圖24A至24F描述了 制造圖11的器件1900的工藝。器件1600和1900可具有基本相似或相同的結(jié)構(gòu)。兩個實 施方式之間的差異主要在于它們的制造工藝方面，如上文詳細描述的那樣。圖25A至25F是示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖12所示的 耦合器結(jié)構(gòu)或器件11000的方法。參考圖25A，提供體半導(dǎo)體襯底1120諸如體硅襯底。通 過選擇性蝕刻在體硅襯底1120中形成具有垂直側(cè)壁的溝槽1185?；诩磳⒃跍喜壑行纬?的底包層的期望厚度來選擇溝槽1185的深度，底包層的厚度基于耦合器和連接到耦合器 的波導(dǎo)的期望性能特性來確定。
參考圖25B，底包層1140形成在溝槽1185中使得其頂表面與襯底1120的頂表面 持平或平齊。底包層1140能由例如絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形成。參考圖25C，非晶硅或多晶硅的層11060形成在襯底1120的頂表面和底包層1140 上。參考圖25D，由光致抗蝕劑和/或硬掩模材料制成的掩模形成在層11060上，并被構(gòu)圖 為即將形成在耦合器的芯區(qū)上的光柵11075的期望圖案。采用被構(gòu)圖的掩模蝕刻芯區(qū)層 11060，從而在芯區(qū)層11060中形成光柵11075。參考圖25E，芯區(qū)層11060被選擇性蝕刻以產(chǎn)生用于耦合器的具有光柵11075的最 終芯區(qū)11060。同時，可形成用于所連接的波導(dǎo)11070的芯區(qū)。然后可選的上包層1180可 形成在該結(jié)構(gòu)上方。上包層1180可以由與制成底包層1140的材料相同的材料制成。如上所述，本發(fā)明概念的光耦合器結(jié)構(gòu)和器件可包括反射元件例如分布式布拉格 反射器(DBR)，從而提高光耦合和傳輸效率并減小光損失。根據(jù)本發(fā)明概念，DBR能形成在 耦合器和/或波導(dǎo)中或在耦合器和/或波導(dǎo)下面。如上面進一步描述的那樣，DBR是通過交 替不同折射率的材料而形成的多層結(jié)構(gòu)。在這里描述的本發(fā)明概念的示范性實施方式中， DBR結(jié)構(gòu)示為具有三層，其中兩層被標注為A和B并被折射率不同于層A和B的第三層分隔 開。將理解，根據(jù)DBR的期望反射率，任意數(shù)量的層能用于DBR。根據(jù)DBR的期望性能，層A 和B的折射率通常相同，但它們也可以不同。在一些實施方式中，DBR形成在一部分底包層上，該部分底包層將DBR與襯底隔 離。直接在芯層下面的另一部分底包層形成在DBR上。該部分底包層與其中沒有形成DBR 的那些實施方式中的底包層起相同作用。該層還用于通過調(diào)節(jié)其厚度使從DBR反射的光波 與從光柵耦合器直接耦合出的光波相長地干涉。圖26A至圖261包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖13所 示的耦合器結(jié)構(gòu)或器件1100A的方法。參考圖26A，提供體半導(dǎo)體襯底1120，諸如體硅襯底。 通過選擇性蝕刻在體硅襯底1120中形成具有垂直側(cè)壁的溝槽1185。基于即將在溝槽中形 成的底包層的期望厚度來選擇溝槽1185的深度，底包層的厚度基于耦合器和連接到耦合 器的波導(dǎo)的期望性能特性來確定。參考圖26B，能由與底包層材料相同的層1141形成在溝槽1185中。包括通過折 射率不同于層A和B的材料層分隔開的層A和B的三層結(jié)構(gòu)的DBR結(jié)構(gòu)形成在層1141上。 參考圖26C，底包層1140形成在DBR上方的溝槽1185中，使得其頂表面與襯底1120的頂 表面持平或平齊。底包層1140能由例如絕緣材料諸如硅氧化物、硅氮化物或硅氮氧化物形 成。參考圖26D，基于器件的期望構(gòu)造和性能特性，底包層1140、層1141和DBR的側(cè)壁部分 被蝕刻到預(yù)定厚度。參考圖26E，額外的包層1142形成在底包層1140、層1141和DBR上方 以填滿溝槽，使得額外包層1142的頂表面與襯底的頂表面持平或平齊。參考圖26F，非晶硅層1155形成在該結(jié)構(gòu)上方。參考圖26G，非晶硅層1155結(jié)晶 以將層1155轉(zhuǎn)變?yōu)橛腥毕輪尉Ч璧膶?160，用于耦合器和所連接的波導(dǎo)的芯區(qū)。所使用的 結(jié)晶方法能是激光外延生長(LEG)、固相外延(SPE)、外延橫向過生長(ELO)、選擇性外延生 長(SEG)或固相結(jié)晶(SPC)之一。參考圖26H，由光致抗蝕劑和/或硬掩模材料制成的掩模形成在結(jié)晶硅層1160上， 并被構(gòu)圖成即將形成在耦合器的芯區(qū)上的光柵1175的期望圖案。采用被構(gòu)圖的掩模蝕刻 芯區(qū)層1160，從而在芯區(qū)層1160中形成光柵1175。
參考圖261，芯區(qū)層1160被選擇性蝕刻以產(chǎn)生用于耦合器的具有光柵1175的最終 芯區(qū)1160。同時，可以形成用于所連接的波導(dǎo)1170的芯區(qū)。然后可選的上包層1180可形 成在該結(jié)構(gòu)上方。上包層1180可由與制成底包層1140的材料相同的材料制成。圖27A至27G包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖14所示 的耦合器結(jié)構(gòu)或器件1200A的方法。圖27A至27G的方法與上文結(jié)合圖26A至261所示并 描述的方法以及結(jié)合圖21A至21F所示并描述的方法相似。本領(lǐng)域技術(shù)人員將從圖21A至 21F和圖26A至261以及這里包含的對其的詳細描述理解圖27A至27G所示的制造方法。
因此，將不再重復(fù)對圖27A至27G所示方法的詳細描述。圖28A至圖281包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖15所 示的耦合器結(jié)構(gòu)或器件1300A的方法。圖28A至281所示的用于制造圖15的實施方式的 步驟與上文所述并結(jié)合圖26A至261所示的步驟相同，除了圖28F和28G之外。如圖28F 所示，形成多晶硅層1355，代替圖26C所示的非晶硅層1155。如圖28G所示，層1355結(jié)晶 以形成有缺陷單晶硅的層1360。由于除了上述步驟之外，其余的步驟與結(jié)合圖26A至261 描述的步驟相同，所以將不再重復(fù)對圖15的實施方式的制造方法中其余步驟的描述。圖29A至29H包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖16所 示的耦合器結(jié)構(gòu)或器件1600A的方法。圖29A至29H的方法步驟與上文結(jié)合圖26A至261 所示出并描述的方法步驟以及結(jié)構(gòu)圖23A至23F所示出并描述的方法步驟相似。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將從圖23A至23F和圖26A至261以及這里包含的對其的詳細描述來理解圖29A至 29H所示的制造方法。因此，將不再重復(fù)對圖29A至29H所示方法的詳細描述。圖30A至30H包含示意性透視圖，示出根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式制造圖17所 示的耦合器結(jié)構(gòu)或器件1900A的方法。圖30A至30H的方法步驟與上文結(jié)合圖26A至261 所示出并描述的方法步驟以及結(jié)構(gòu)圖24A至24F所示出并描述的方法步驟相似。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將從圖24A至24F和圖26A至261以及這里包含的對其的詳細描述來理解圖30A至 30H所示的制造方法。因此，將不再重復(fù)對圖30A至30H所示方法的詳細描述。注意，圖18所示的耦合器結(jié)構(gòu)或器件11000A的實施方式以與圖30A至30H所示 的實施方式相同的方式制造，除了在實施方式11000A中，芯層11060是非晶硅或多晶硅，且 層11060在形成之后沒有被晶化之外。這里描述的本發(fā)明概念實施方式的垂直光柵耦合器(VGC)器件隨底包層的厚度 而表現(xiàn)出光耦合效率的變化。圖31包含光耦合效率與底包層的厚度的曲線圖，其可適用于 這里所述的本發(fā)明概念的實施方式。在圖31的曲線圖中，假設(shè)波長為1. 58 μ m，光柵周期為 630nm，光柵蝕刻深度為70nm。圖31的曲線圖所示的結(jié)果隨這些參數(shù)的變化而改變。本發(fā)明概念的光波導(dǎo)和光耦合器可適用于其中使用光通信和光信號傳輸?shù)脑S多 電路、模塊和系統(tǒng)。例如，本發(fā)明概念的器件和方法適用于存儲系統(tǒng)中使用的互連系統(tǒng)和器 件。即，本發(fā)明概念的光學(xué)器件和方法能用于實施中央處理單元(CPU)與一個或多個存儲 模塊之間、多個存儲模塊之間、一個或多個存儲模塊上的多個存儲器件之間、和/或形成在 單個存儲器件上的多個電路之間的光通信。圖32包含根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的光波導(dǎo)和光耦合器件及方法能應(yīng)用到的 處理系統(tǒng)2000的示意性框圖。參考圖32，系統(tǒng)2000包括CPU 2002，其經(jīng)由互連系統(tǒng)2013 與至少一個存儲模塊2008通信。存儲模塊2008能是例如雙列直插存儲模塊(DIMM)。具體地，DIMM 2008能是例如DRAMDIMM 2008。DIMM 2008包括安裝在其上的多個獨立存儲器電 路2020，例如DRAM存儲器電路。在此實施方式中，CPU 2002和DIMM 2008產(chǎn)生并處理電信號?；ミB系統(tǒng)2013包 括光通信通道2012，其承載CPU 2002與DIMM 2008之間的光信號并能是例如光學(xué)纖維。由 于CPU 2002和DIMM 2008使用電信號，所以需要電-光轉(zhuǎn)換來將CPU 2002和DIMM 2008 的電信號轉(zhuǎn)換為光信號從而在光通信通道2012上傳輸。此外，需要光-電轉(zhuǎn)換來將光通信 通道2012上的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以用于被CPU 2002和DMM 2008處理。為此，互連系 統(tǒng)2013還包括在光通信通道2012的相反端部的光/電(0/E)轉(zhuǎn)換單元2004和2006。CPU 2002經(jīng)由電總線2010將電信號傳輸?shù)?/E轉(zhuǎn)換單元2004并從0/E轉(zhuǎn)換單元2004傳輸電 信號，DIMM 2008經(jīng)由電總線2014將電信號傳輸?shù)?/E轉(zhuǎn)換單元2006并從0/E轉(zhuǎn)換單元 2006傳輸電信號。在此實施方式中，0/E轉(zhuǎn)換單元2004和2006包括本發(fā)明概念的光通信器件，其分 別在圖32中集體地標為2016和2018。即，光路(optical circuit) 2016和2018包括這里 所述的本發(fā)明概念的光耦合器件中的一個或更多，光耦合器件將光信號發(fā)送到光通信通道 2012以及從光通信通道2012接收光信號，光通信通道2012是例如光學(xué)纖維。光路2016和 2018還包括一個或多個這里所述的本發(fā)明概念的光波導(dǎo)器件。0/E轉(zhuǎn)換單元2004和2006 中的光耦合器將光通信通道2012上的光信號耦合到本發(fā)明概念的一個或多個光波導(dǎo)器件 以及將來自于本發(fā)明概念的一個或多個光波導(dǎo)器件的光信號耦合到光通信通道2012。本發(fā) 明概念的光耦合器和光波導(dǎo)可以與用于實施0/E轉(zhuǎn)換單元2004和2006的0/E轉(zhuǎn)換操作的 其它電路一起集成在形成于一個或更多體半導(dǎo)體襯底上的一個或多個半導(dǎo)體集成電路中， 如上文詳細描述的那樣。圖33包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光波導(dǎo)和光耦合器件及方法能應(yīng)用到 的處理系統(tǒng)2050的示意性框圖。參考圖33，系統(tǒng)2050包括CPU2052，其經(jīng)由互連系統(tǒng)2063 與至少一個存儲模塊2058通信。存儲模塊2058能是例如雙列直插存儲模塊(DIMM)。具體 地，DIMM 2058能是例如DRAMDIMM 2058。DIMM 2058包括安裝在其上的多個獨立的存儲器 電路2070，例如DRAM存儲器電路。在此實施方式中，CPU 2052和DMM 2058產(chǎn)生并處理電信號和光信號。與圖32的 實施方式不同，在圖33的實施方式中，0/E轉(zhuǎn)換操作能在CPU 2052上和/或DIMM 2058上進 行。因此，CPU 2052能包括0/E轉(zhuǎn)換單元2076，DIMM 2058能包括0/E轉(zhuǎn)換單元2082。CPU 2052中的電路，大致指示為2078，經(jīng)由電總線2080將電信號傳送到0/E轉(zhuǎn)換單元2076并傳 送來自于0/E轉(zhuǎn)換單元2076的電信號。DMM 2058中的電路，包括多個存儲器電路2070， 經(jīng)由電總線2084將電信號傳送到0/E轉(zhuǎn)換單元2082并傳送來自于0/E轉(zhuǎn)換單元2082的 電信號?；ミB系統(tǒng)2063包括光通信通道2062，其承載CPU 2052與DIMM 2058之間的光信 號并能是例如光學(xué)纖維。CPU 2052包括光連接器2072，通過光連接器2072，光信號從0/E 轉(zhuǎn)換單元2076傳輸?shù)焦馔ㄐ磐ǖ?062以及從光通信通道2062傳輸?shù)?/E轉(zhuǎn)換單元2076。 DIMM 2058包括光連接器2074，通過光連接器2074，光信號從0/E轉(zhuǎn)換單元2082傳輸?shù)焦?通信通道2062以及從光通信通道2062傳輸?shù)?/E轉(zhuǎn)換單元2082。在此實施方式中，0/E轉(zhuǎn)換單元2076和2082包括本發(fā)明概念的光通信器件，其在圖33中分別集 體地標為2077和2083。S卩，光路2077和2083包括這里所述的本發(fā)明概念 的一個或更多光耦合器件，光耦合器件從光通信通道2062接收光信號并將光信號發(fā)送到 光通信通道2062，光通信通道2062例如是光學(xué)纖維。光路2077和2083還包括一個或多個 這里所述的本發(fā)明概念的光波導(dǎo)器件。0/E轉(zhuǎn)換單元2076和2082中的光耦合器將光通信 通道2062上的光信號耦合到一個或多個本發(fā)明概念的光波導(dǎo)器件并將來自一個或多個本 發(fā)明概念的光波導(dǎo)器件的光信號耦合到光通信通道2062。本發(fā)明概念的光耦合器和光波導(dǎo) 可以與用于實施0/E轉(zhuǎn)換單元2076和2082的0/E轉(zhuǎn)換操作的其它電路一起集成在形成于 一個或更多體半導(dǎo)體襯底上的一個或多個半導(dǎo)體集成電路中，如上文詳細描述的那樣。圖34包含根據(jù)本發(fā)明概念另一實施方式的光波導(dǎo)和光耦合器件及方法能應(yīng)用到 的處理系統(tǒng)2100的示意性框圖。參考圖34，系統(tǒng)2100包括CPU2102，其經(jīng)由互連系統(tǒng)2113 與至少一個存儲器模塊2108通信。存儲器模塊2108能是例如雙列直插存儲器模塊(DIMM)。 具體地，DIMM 2108能是例如DRAM DIMM 2108。DIMM 2108包括安裝在其上的多個獨立存 儲器電路2120，例如DRAM存儲器電路。在此實施方式中，CPU 2102和DIMM 2108產(chǎn)生并處理電信號和光信號。與圖32 的實施方式不同，在圖34的實施方式中，0/E轉(zhuǎn)換操作能在CPU 2102上和/或DIMM 2108 上進行，具體地，在每個DIMM存儲器電路2120上進行。因此，CPU 2102能包括0/E轉(zhuǎn)換單 元2126，每個存儲器電路2120能包括0/E轉(zhuǎn)換單元2121。CPU 2102中的電路，一般地標為 2128，經(jīng)由電總線2130將電信號傳送到0/E轉(zhuǎn)換單元2126并傳送來自0/E轉(zhuǎn)換單元2126 的電信號。每個存儲器電路2120中的電路，一般地標為2127，經(jīng)由電總線2125將電信號傳 送到各自的0/E轉(zhuǎn)換單元2121并傳送來自于各自的0/E轉(zhuǎn)換單元2121的電信號?；ミB系統(tǒng)2113包括光通信通道2112，其承載CPU 2102與DIMM 2108之間的光信 號并能是例如光學(xué)纖維。CPU 2102包括光連接器2122，通過光連接器2122，光信號從0/E 轉(zhuǎn)換單元2126傳輸?shù)焦馔ㄐ磐ǖ?112以及從光通信通道2112傳輸?shù)?/E轉(zhuǎn)換單元2126。 DIMM 2108包括光連接器2124，通過光連接器2124，光信號經(jīng)由光總線2134從0/E轉(zhuǎn)換單 元2121傳輸?shù)焦馔ㄐ磐ǖ?112以及從光通信通道2112傳輸?shù)?/E轉(zhuǎn)換單元2121。在此實施方式中，0/E轉(zhuǎn)換單元2126和2121包括本發(fā)明概念的光通信器件，其在 圖34中分別集體地標為2116和2123。S卩，光路2116和2123包括這里所述的本發(fā)明概念 的一個或多個光耦合器件，光耦合器件從光通信通道2112接收光信號并將光信號發(fā)送到 光通信通道2112，光通信通道2112例如是光學(xué)纖維。光路2116和2123還包括一個或多 個這里所述的本發(fā)明概念的光波導(dǎo)器件。在0/E轉(zhuǎn)換單元2116和2123中的光耦合器將光 通信通道2112上的光信號耦合到本發(fā)明概念的一個或多個光波導(dǎo)器件并將來自本發(fā)明概 念的一個或多個光波導(dǎo)器件的光信號耦合到光通信通道2112。本發(fā)明概念的光耦合器和 光波導(dǎo)可以與用于實施0/E轉(zhuǎn)換單元2126和2121的0/E轉(zhuǎn)換操作的其它電路一起集成在 形成于一個或更多體半導(dǎo)體襯底上的一個或多個半導(dǎo)體集成電路中，如上文詳細描述的那 樣。具體地，本發(fā)明概念的光耦合器和光波導(dǎo)可以與獨立的存儲器電路2120例如DRAM存 儲器電路集成在相同的芯片或管芯上。圖35是存儲器電路5010例如DRAM存儲器電路的示意性功能圖，具有本發(fā)明概念 的光耦合器和光波導(dǎo)器件，該光耦合器和光波導(dǎo)器件集成在其上形成有存儲器電路的相同 芯片或管芯上。存儲器電路5010包括用于DRAM存儲器的電路5012，電路5012包括存儲單元陣列5026以及外圍和其它相關(guān)電路5028。器件5010上的所有電路通過電接觸墊5024 連接到一個或更多電總線且經(jīng)一個或多個電總線通信。器件上的一個或多個電總線在圖35 中一般地標識為電總線5014。包括輸入數(shù)據(jù)信號(DQ In)、尋址和控制信號(Addr/Ctrl)、時鐘信號(CLK)和光 源的光信號通過根據(jù)本發(fā)明概念一或更多實施方式的光耦合器件5020例如從光學(xué)纖維光 學(xué)耦合到器件5010。來自光耦合器5020的光信號耦合到根據(jù)本發(fā)明概念一或更多實施方 式的光波導(dǎo)5018。光波導(dǎo)5018經(jīng)由光學(xué)總線將光信號傳遍整個器件。輸入到器件中的 光信號通過波導(dǎo)5018耦合到光電探測器5016，光電探測器5016 解調(diào)光信號并將它們轉(zhuǎn)換為電信號。被解調(diào)和轉(zhuǎn)換的電信號輸入到CMOS驅(qū)動電路5022， CMOS驅(qū)動電路5022驅(qū)動電總線5014上的電信號。從器件5010傳輸?shù)墓庑盘柪巛敵鰯?shù)據(jù)信號DQ Out從來自于光源并耦合到器 件5010的連續(xù)未調(diào)制光信號產(chǎn)生。來自器件5010的各種電部件的電信號用于在光調(diào)制器 5030中調(diào)制連續(xù)光信號。電信號從電總線5014發(fā)送到調(diào)制器5030，調(diào)制器5030利用電信 號來產(chǎn)生調(diào)制的光信號，調(diào)制的光信號沿光波導(dǎo)5018傳輸并通過耦合器件5020耦合到光
學(xué)纖維。圖36是根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的本發(fā)明概念的光波導(dǎo)和光耦合器能應(yīng)用到 的一部分計算或處理系統(tǒng)3000的示意性透視圖。參考圖36，系統(tǒng)3000包括主或母印刷電 路板(PCB) 3002，其能是光PCB。CPU 3004安裝在PCB 3002上并耦接到亦安裝在PCB 3002 上的0/E轉(zhuǎn)換單元3006。0/E轉(zhuǎn)換單元3006耦接到光學(xué)互連系統(tǒng)3008，光學(xué)互連系統(tǒng)3008 能包括形成在PCB 3002上或形成在PCB 3002中的一個或多個光波導(dǎo)。光學(xué)互連系統(tǒng)3008 通過光插座或光連接器3014連接到DIMM 3010，例如DRAM DMM。DIMM3010包括安裝在 DIMM PCB 3012上的多個電路3016，諸如DRAM存儲器電路，DIMM PCB 3012能是光PCB。光 源3014諸如激光二極管為系統(tǒng)3000提供光。每個存儲器電路3016包括光信號輸入/輸出(I/O)接口(I/F)單元，如上文詳細 描述的那樣，光信號輸入/輸出接口單元為電路提供E/0轉(zhuǎn)換。每個I/O I/F單元還提供 必要的光學(xué)器件，諸如根據(jù)本發(fā)明概念的光波導(dǎo)和光耦合器，從而將光信號傳遍整個器件。源3014將優(yōu)選的準直光供應(yīng)到存儲器件3016中的E/0轉(zhuǎn)換電路，其根據(jù)即將傳 輸給CPU 3004的數(shù)據(jù)信號調(diào)制該源光。被調(diào)制的光數(shù)據(jù)信號沿著光學(xué)互連系統(tǒng)3008的波 導(dǎo)經(jīng)由耦接到CPU 3004的0/E轉(zhuǎn)換單元3006而被傳送到CPU 3004。源3014還將光提供 到E/0轉(zhuǎn)換單元3006，使得來自CPU3004的數(shù)據(jù)信號能經(jīng)由光學(xué)互連系統(tǒng)3008而傳送到 DIMM 3010。圖37包含根據(jù)本發(fā)明概念一實施方式的本發(fā)明概念的光波導(dǎo)和光耦合器能應(yīng)用 到的計算或處理系統(tǒng)3500的一部分的示意性橫截面圖。參考圖37，系統(tǒng)3500包括安裝在 主或母PCB 3002上并光耦合到主或母PCB 3002的DIMM 3010。安裝構(gòu)件3056可以是插 座3014的一部分，包括固定在母板3002上的導(dǎo)孔中的導(dǎo)銷3054。DIMM 3010包括安裝在 DMM光PCB 3012上的電路器件3016，諸如DRAM存儲器電路，電路器件3016可以根據(jù)本發(fā) 明概念的器件，其中本發(fā)明概念的光波導(dǎo)和/或光耦合器與其它電路諸如DRAM存儲器電路 集成在單個芯片或管芯上。器件3016包括電路芯片或管芯3040，諸如DRAM芯片或管芯，其包括根據(jù)硅光電子器件集成到芯片或管芯3040的光I/O部件3042。I/O部件3042可包括根據(jù)本發(fā)明概念的 一個或多個光波導(dǎo)和/或光耦合器結(jié)構(gòu)。光信號經(jīng)由I/O部件3042耦合到芯片3040。I/ O部件3042位于透明窗部件3044上方，透明窗部件3044允許光信號傳到I/O部件3042以 及從I/O部件3042傳輸光信號。光還穿過折射率匹配膠3037，折射率匹配膠3037最小化 傳到I/O部件3042以及從I/O部件3042傳輸?shù)墓獾姆瓷?，同時將器件3016貼附到光PCB 3012的頂部。 到達器件的I/O部件3042以及來自器件的I/O部件3042的光信號穿過形成在光 PCB 3012中的波導(dǎo)3032行進。波導(dǎo)3032可包括在器件3016下面的90度轉(zhuǎn)彎，并可以包 括45度反射器以指引在I/O部件3042與波導(dǎo)3032之間的光信號。DIMM 3010通過微球透鏡陣列3050光耦合到母PCB 3002，微球透鏡陣列3050在 形成于DIMM 3010的光PCB 3012中的波導(dǎo)3032與形成在光母PCB 3002中的另一波導(dǎo)3008 之間傳導(dǎo)光信號。局部反射元件3052引導(dǎo)波導(dǎo)3008與波導(dǎo)3032之間的光信號。器件3016也可以通過焊料球3036和金屬線3062電耦接并機械耦接到PCB 3012。 器件被聚合物模塑材料3034包封。這里描述的本發(fā)明概念的光學(xué)器件可應(yīng)用于所有類型的光通信和互連器件及系 統(tǒng)。雖然為了說明本發(fā)明概念而描述了線型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明概念還可應(yīng)用于其它類 型的結(jié)構(gòu)。圖38A至38C為可應(yīng)用本發(fā)明概念的光學(xué)互連例如波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示意性透視圖。 圖38A示出平面型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3702 ；圖38B示出線型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3704 ；圖38C示出光分流器結(jié) 構(gòu)3706。所有結(jié)構(gòu)包括芯區(qū)(標為WG)和包區(qū)，光信號穿過芯區(qū)傳播，包區(qū)的折射率低于芯 區(qū)從而將光信號限制在芯區(qū)內(nèi)。圖39為封裝器件1201的示意性橫截面圖，封裝器件1201包括根據(jù)本發(fā)明概念的 實施方式的光學(xué)器件。封裝器件1201包括印刷電路板1204，根據(jù)本發(fā)明概念的實施方式， 集成電路芯片或器件1202安裝在印刷電路板1204上。集成電路器件1202能包括在電路 管芯上與其它集成電路例如Si光電子電路集成的本發(fā)明概念的一個或多個光波導(dǎo)和/或 光耦合器件。印刷電路板1204安裝在集成電路封裝1208內(nèi)。到和來自集成電路器件1202的光信號通過一個或多個光學(xué)纖維1206耦合到器件 1202。纖維1206的末端通過根據(jù)這里描述的本發(fā)明概念實施方式的光耦合器件而耦合到 器件1202。封裝內(nèi)的框架1205和1203穩(wěn)固地且關(guān)于集成器件1202以適當角度地保持住 纖維1206。本發(fā)明可應(yīng)用于任意類型的處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、通信系統(tǒng)或其中信號能光學(xué)地 傳輸?shù)钠渌@樣的系統(tǒng)。圖40是可應(yīng)用本發(fā)明概念的一般處理、通信或顯示系統(tǒng)4000的 示意性框圖。參考圖40，系統(tǒng)4000包括經(jīng)由光總線4012與系統(tǒng)4000的其它部件光通信的 處理器4010。處理器4010能包括0/E轉(zhuǎn)換電路，0/E轉(zhuǎn)換電路包括根據(jù)本發(fā)明概念的一個 或多個光波導(dǎo)和光耦合器件。一個或多個半導(dǎo)體存儲器件4002也光耦合到光總線4012。 存儲器件能包括0/E轉(zhuǎn)換電路，0/E轉(zhuǎn)換電路包括根據(jù)本發(fā)明概念的一個或多個光波導(dǎo)和 光耦合器件。電源4006也能耦接到系統(tǒng)總線4012。用戶接口 4008提供來自用戶的輸入和 到用戶的輸出。本發(fā)明概念在這里已經(jīng)描述為制造在體半導(dǎo)體襯底上或體半導(dǎo)體襯底中，特別 地，在體硅襯底上或體硅襯底中。本發(fā)明概念不限于在體硅中制造的光學(xué)器件?？梢允褂闷渌牧?。例如，諸如鍺的其它半導(dǎo)體材料能用作用于本發(fā)明概念的集成光學(xué)器件的襯底。雖然參考其示范性實施方式已經(jīng)具體顯示和描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域一般技術(shù) 人員可以理解，在不脫離由權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出形 式和細節(jié)上的各種變化。本申請要求2009年12月3日向韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請 10-2009-0119107和2010年1月11日提交的韓國專利申請10-2010-0002390和 10-2010-0002391的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用 合并于此。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包括 設(shè)置在半導(dǎo)體襯底中的溝槽；設(shè)置在所述溝槽中的第一包層；以及 設(shè)置在所述第一包層之上的至少一個芯區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述半導(dǎo)體襯底包括體單晶硅，所述溝槽包括 與所述半導(dǎo)體襯底的表面基本垂直的側(cè)壁。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)器件，其中所述光學(xué)器件包括至少一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和至少一 個光耦合器結(jié)構(gòu)，所述芯區(qū)的第一側(cè)壁離所述溝槽的第一側(cè)壁距離dl，所述芯區(qū)的第二側(cè) 壁離所述溝槽的第二側(cè)壁距離d2。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中距離dl和d2大于約0.27 μ m，所述波導(dǎo)中的泄 漏損失小于ldB/mm。
5.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中所述第一包層的頂表面低于所述半導(dǎo)體襯底的 頂表面，距離dl和d2大于約0. 35 μ m，所述波導(dǎo)中的泄漏損失小于ldB/mm。
6.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)耦合到所述光耦合器結(jié)構(gòu)，所述光耦合器結(jié)構(gòu)包括以下中的至少一個 設(shè)置在所述第一包層的一部分頂表面中的光柵，垂直光柵耦合器，光束方向改變器件，光收 發(fā)器和光-電轉(zhuǎn)換器件；且所述光耦合器結(jié)構(gòu)包括與所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂表面基本共平面設(shè)置的頂表面。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，還包括反射構(gòu)件，該反射構(gòu)件是鄰近所述第一包層 設(shè)置和設(shè)置在所述第一包層中的至少一種情況，該反射構(gòu)件包括以下中的至少一種金屬 反射器、布拉格反射器、分布式布拉格反射器、以及至少包括第一材料層和第二材料層且第 一和第二材料層每個都接觸第三材料層的結(jié)構(gòu)，第三材料層具有與第一和第二材料層不同 的折射率。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，還包括第二包層，設(shè)置為覆蓋所述芯區(qū)的頂表面和 側(cè)壁的至少一部分。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述芯區(qū)包括以下中的至少一種有缺陷單晶 硅、單晶硅、大晶粒多晶硅、以及晶化非晶硅。
10.一種光學(xué)器件，包括設(shè)置在體單晶硅中的溝槽，該溝槽的側(cè)壁基本垂直于所述硅襯底的表面或者向外傾斜 以使得在溝槽的表面處的溝槽寬度大于在溝槽的底部處的溝槽寬度；設(shè)置在所述溝槽中并具有頂表面的的第一包層，該頂表面是以下情況中的一種與所 述硅襯底的表面基本共平面、在所述硅襯底的表面之下、在所述硅襯底的表面之上；設(shè)置在該第一包層之上的芯區(qū)，包括有缺陷單晶硅、單晶硅、大晶粒多晶硅和晶化非晶 硅中的至少一種，其中所述芯區(qū)設(shè)置來提供至少一個波導(dǎo)，該波導(dǎo)耦合到至少一個垂直光 耦合器，該垂直光耦合器的頂表面與所述波導(dǎo)的頂表面基本共平面；以及 第二包層，設(shè)置來覆蓋所述芯區(qū)的頂表面和側(cè)壁的至少一部分。
11.一種制造光學(xué)器件的方法，包括 在硅襯底中形成溝槽；基本在所述溝槽內(nèi)形成第一包層；以及在所述第一包層上形成芯區(qū)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第一包層由具有通式SixNyOz的電介質(zhì)材料形成；所述第一包層的頂表面與所述硅襯底的頂表面基本共平面或者低于所述硅襯底的頂 表面；且所述硅襯底包括體單晶硅。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括利用所述芯區(qū)形成至少一個波導(dǎo)和至少一個光華禹合器。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括形成反射層，該反射層設(shè)置為以下之一在所述 第一包層之下，在所述第一包層之上，以及在所述第一包層內(nèi)，且該反射層鄰近以下中至少 一個的至少一部分設(shè)置波導(dǎo)、光耦合器、以及將所述波導(dǎo)耦合到所述光耦合器的區(qū)域。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括形成第二包層，該第二包層覆蓋所述芯區(qū)的頂 表面和側(cè)表面的至少一部分。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中形成所述芯區(qū)還包括形成有缺陷單晶硅、單晶硅、 大晶粒多晶硅、晶化多晶硅和晶化非晶硅中的至少一種的層。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括形成具有基本垂直側(cè)壁的所述溝槽，該基本垂 直側(cè)壁基本垂直于所述硅襯底的頂表面。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括形成所述光耦合器以具有與所述波導(dǎo)的頂表面 共平面的頂表面。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括形成光柵、垂直光柵耦合器、光-電轉(zhuǎn)換器、 電-光轉(zhuǎn)換器和光收發(fā)器中的至少一種。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中形成所述反射層包括形成以下中的至少一種金 屬反射層、布拉格反射器、分布式布拉格反射器、以及至少包括第一材料層和第二材料層且 第一材料層和第二材料層每個都形成得直接接觸第三材料層的結(jié)構(gòu)，該第三材料層具有與 所述第一材料層和所述第二材料層不同的折射率。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)器件及其制造方法。光波導(dǎo)和光耦合器件包括形成在體半導(dǎo)體襯底例如體硅襯底中的溝槽。底包層形成在溝槽中，芯區(qū)形成在底包層上。反射元件諸如分布式布拉格反射器能形成在耦合器件和/或波導(dǎo)器件下面。因為光學(xué)器件集成在體襯底中，所以根據(jù)硅光電子技術(shù)，光學(xué)器件能容易地在芯片或管芯上與其它器件集成。具體地，例如，光學(xué)器件能集成在DRAM存儲器電路芯片管芯中。
文檔編號G02B6/13GK102141650SQ201010578730
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者卜鎮(zhèn)權(quán), 姜泌圭, 樸允童, 池晧哲, 河鏡虎, 羅敬遠, 裵大錄, 邢庸宇, 金奇南 申請人:三星電子株式會社