專利名稱：用于集成在cmos芯片上的光電子收發(fā)器的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的某些實(shí)施例涉及集成電路功率控制。更明確地說(shuō)，本發(fā)明的某些實(shí)施例 涉及用于集成在CMOS芯片上的光電子收發(fā)器的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)縮放以滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬要求，銅數(shù)據(jù)信道的缺點(diǎn)變得明顯。由 于輻射的電磁能量引起的信號(hào)衰減和串?dāng)_是此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者遭遇的主要障礙。其在某種 程度上可以均衡、譯碼和屏蔽而減輕，但這些技術(shù)需要相當(dāng)大的功率、復(fù)雜性和電纜體積代 價(jià)，同時(shí)僅提供可達(dá)到的普通的改進(jìn)和非常有限的可縮放性。由于沒(méi)有此類信道限制，光學(xué) 通信已被視作銅鏈路的繼承者。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員通過(guò)將此類系統(tǒng)與本申請(qǐng)案的余下部分中參看圖式陳述的 本發(fā)明進(jìn)行比較，將了解常規(guī)和傳統(tǒng)方法的更多限制和缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
大體如結(jié)合圖式的至少一者展示和/或描述的用于集成在CMOS芯片上的光電子 收發(fā)器的系統(tǒng)和/或方法，如權(quán)利要求書(shū)中更完整陳述。從以下描述內(nèi)容和圖式將更充分理解本發(fā)明的各種優(yōu)點(diǎn)、方面和新穎特征以及其 所說(shuō)明的實(shí)施例的細(xì)節(jié)。


圖IA是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光子啟用的CMOS芯片的框圖。圖IB是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光子啟用的CMOS芯片的斜視圖的圖。圖IC是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的耦合到光纖電纜的示范性CMOS芯片的圖。
圖2k是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性分離域馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器的框圖。圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性相位調(diào)制器的橫截面示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光子啟用的工藝流程的框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性集成的電和光電子裝置的橫截面。圖5是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性鍺光電二極管的橫截面的圖。圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光柵耦合器的圖。圖7是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光學(xué)裝置的圖。圖8是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性波導(dǎo)雪崩光電二極管的圖。圖9是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光源組合件的圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的某些方面可在用于集成在CMOS芯片上的光電子收發(fā)器的方法和系統(tǒng)中 找到。本發(fā)明的示范性方面可包括經(jīng)由CMOS芯片的頂部表面上的光柵耦合器從一個(gè)或一 個(gè)以上光纖接收光學(xué)信號(hào)。光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由集成在CMOS芯片中或上的一個(gè)或一個(gè)以上光 電檢測(cè)器而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)可經(jīng)由CMOS芯片中的電路來(lái)處理?？山?jīng)由CMOS芯片的 頂部表面上的光柵耦合器從激光源接收連續(xù)波(CW)光學(xué)信號(hào)，且可經(jīng)由集成在CMOS芯片 中或上的一個(gè)或一個(gè)以上光學(xué)調(diào)制器對(duì)所述CW光學(xué)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制?？山?jīng)由CMOS芯片中的 電路來(lái)接收電信號(hào)，且所述電信號(hào)可驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或一個(gè)以上光學(xué)調(diào)制器。經(jīng)調(diào)制的光學(xué) 信號(hào)可經(jīng)由集成在CMOS芯片中或上的一個(gè)或一個(gè)以上光柵耦合器傳送出CMOS芯片的頂部 表面而進(jìn)入一個(gè)或一個(gè)以上光纖。所接收的CW光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由例如馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器和 /或環(huán)形調(diào)制器來(lái)調(diào)制。CMOS芯片可包括CMOS保護(hù)環(huán)。所接收的光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由波導(dǎo)在 CMOS芯片上的裝置之間傳送。所述一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器可包括例如鍺波導(dǎo)光電二 極管、鍺波導(dǎo)雪崩光電二極管和/或異質(zhì)結(jié)二極管。所述CW光學(xué)信號(hào)可使用例如可結(jié)合到 CMOS芯片的頂部表面的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器和/或垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器來(lái)產(chǎn) 生。所述一個(gè)或一個(gè)以上調(diào)制器可使用CMOS芯片上的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。圖IA是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光子啟用的CMOS芯片的框圖。參看圖1A， 展示CMOS芯片130上的光電子裝置，包括高速光學(xué)調(diào)制器105A-105D、高速光電二極 管111A-111D、監(jiān)視器光電二極管113A-113H，以及包括分接頭103A-103K、光學(xué)終端 115A-115D和光柵耦合器117A-117H的光學(xué)裝置。還展示電裝置和電路，包括互阻抗和限幅 放大器(TIA/LA) 107A-107E、模擬和數(shù)字控制電路109，以及控制區(qū)段112A-112D。光學(xué)信號(hào) 經(jīng)由制造于CMOS芯片130中的光學(xué)波導(dǎo)在光學(xué)與光電子裝置之間傳送。另外，光學(xué)波導(dǎo)在 圖IA中由虛線橢圓形指示。高速光學(xué)調(diào)制器105A-105D包括例如馬赫曾德?tīng)柣颦h(huán)形調(diào)制器，且啟用對(duì)CW激 光輸入信號(hào)的調(diào)制。高速光學(xué)調(diào)制器105A-105D由控制區(qū)段112A-112D控制，且調(diào)制器的 輸出經(jīng)由波導(dǎo)光學(xué)耦合到光柵耦合器117E-117H。分接頭103D-103K包括例如四端口光學(xué) 耦合器，且用于對(duì)高速光學(xué)調(diào)制器105A-105D產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行取樣，其中經(jīng)取樣的信 號(hào)由監(jiān)視器光電二極管113A-113H測(cè)量。分接頭103D-103K的未使用的分支由光學(xué)終端 115A-115D終止以避免不想要的信號(hào)的背面反射。光柵耦合器117A-117H包括使光能夠耦合到CMOS芯片130中和離開(kāi)CMOS芯片130的光柵。光柵耦合器117A-117D用于將從光纖接收的光耦合到CMOS芯片130中，且可 包括偏振無(wú)關(guān)光柵耦合器。光柵耦合器117E-117H用于將來(lái)自CMOS芯片130的光耦合到 光纖中。光纖可以環(huán)氧樹(shù)脂接合(例如)到CMOS芯片，且可以從法線到CMOS芯片130的 表面的角度對(duì)準(zhǔn)以優(yōu)化耦合效率。 高速光電二極管11IA-11ID將從光柵耦合器117A-117D接收的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)，所述電信號(hào)傳送到TIA/LA 107A-107D以進(jìn)行處理。模擬和數(shù)字控制電路109可控制 增益級(jí)或TIA/LA 107A-107D的操作中的其它參數(shù)。TIA/LA 107A-107D可接著將電信號(hào)傳 送到CMOS芯片130上的其它電路和/或芯片外的電路/裝置。 TIA/LA 107A-107D可包括窄帶、非線性光電子接收器電路。因此，窄帶接收器前 端可跟隨有非歸零(NRZ)電平恢復(fù)器電路。此電路限制光學(xué)接收器的帶寬以便減少集成噪 聲，借此增加信噪比。NRZ電平恢復(fù)器可用于將所得的數(shù)據(jù)脈沖轉(zhuǎn)換回NRZ數(shù)據(jù)。控制區(qū)段112A-112D包括啟用對(duì)從分接頭103A-103C接收的CW激光信號(hào)的調(diào)制 的電子電路。高速光學(xué)調(diào)制器105A-105D需要高速電信號(hào)來(lái)調(diào)制例如馬赫曾德?tīng)柛缮嫫?(MZI)的相應(yīng)分支中的折射率。驅(qū)動(dòng)MZI所需的電壓擺動(dòng)是CMOS芯片130中的顯著功率耗 用。因此，如果用于驅(qū)動(dòng)調(diào)制器的電信號(hào)可分為若干域，其中每一域穿越較低電壓擺動(dòng)，那 么功率效率增加。在本發(fā)明的實(shí)施例中，收發(fā)器所需的所有光學(xué)、電和光電子裝置連同耦合的激光 源的集成啟用單一芯片上多個(gè)光電子收發(fā)器的集成。在示范性實(shí)施例中，CMOS芯片130 包括四個(gè)光電子收發(fā)器以及一個(gè)光源，且啟用垂直地到達(dá)和來(lái)自芯片表面的光學(xué)信號(hào)的傳 送，因此使得能夠使用CMOS工藝，包含CMOS保護(hù)環(huán)，如參看圖IB和IC所論述。圖IB是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光子啟用的CMOS芯片的斜視圖的圖。 參看圖1B，展示CMOS芯片130，其包括電子裝置/電路131、光學(xué)和光電子裝置133、光源接 口 135、CMOS芯片表面137、光纖接口 139禾口 CMOS保護(hù)環(huán)141。光源接口 135和光纖接口 139包括與如同常規(guī)邊緣發(fā)射裝置的芯片的邊緣相反， 啟用經(jīng)由CMOS芯片表面137的光信號(hào)的耦合的光柵耦合器。經(jīng)由CMOS芯片表面137耦合 光信號(hào)使得能夠使用CMOS保護(hù)環(huán)141，所述CMOS保護(hù)環(huán)141機(jī)械上保護(hù)芯片且防止污染物 經(jīng)由芯片邊緣進(jìn)入。電子裝置/電路131包括例如參看圖IA描述的TIA/LA 107A-107D以及模擬 和數(shù)字控制電路109等電路。光學(xué)和光電子裝置133包括例如分接頭103A-103K、光學(xué) 終端115A-115D、光柵耦合器117A-117H、高速光學(xué)調(diào)制器105A-105D、高速光電二極管 11IA-IIlD以及監(jiān)視器光電二極管113A-113H等裝置。圖IC是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的耦合到光纖電纜的示范性CMOS芯片的圖。參 看圖1C，展示CMOS芯片130，其包括電子裝置/電路131、光學(xué)和光電子裝置133、CMOS芯 片表面137和CMOS保護(hù)環(huán)141。還展示光纖到芯片耦合器143、光纖電纜145和光源模塊 147。包括電子裝置/電路131、光學(xué)和光電子裝置133、CMOS芯片表面137和CMOS保 護(hù)環(huán)141的CMOS芯片130可如參看圖IB所描述。在本發(fā)明的實(shí)施例中，光纖電纜可經(jīng)由例如環(huán)氧樹(shù)脂而附著到CMOS芯片表面 137。光纖芯片耦合器143啟用光纖電纜145到CMOS芯片130的物理耦合。
光源模塊147可經(jīng)由例如環(huán)氧樹(shù)脂或焊料附著到CMOS芯片表面137。以此方式，高功率光源可與單一 CMOS芯片上的一個(gè)或一個(gè)以上高速光電子收發(fā)器的光電子和電子功 能性集成。圖2A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性分離域馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器的框圖。參看圖 2A，展示分離域馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器(MZM) 250，其包括發(fā)射線驅(qū)動(dòng)器209、波導(dǎo)211、發(fā)射線 213A-213D、二極管驅(qū)動(dòng)器215A-215H、二極管219A-219D，以及發(fā)射線終端電阻器RTU-RTL4。 還展示電壓電平VdtnVt^nGncL在本發(fā)明的實(shí)施例中，Vd等于電壓Vdd/2，因此由于堆疊電 路的對(duì)稱性質(zhì)的緣故而產(chǎn)生兩個(gè)電壓域。然而，本發(fā)明不限于兩個(gè)電壓域。因此，可依據(jù)每 一域的所需的電壓擺動(dòng)和總電壓范圍(此處定義為Vdd到接地)而利用任何數(shù)目的電壓域。 類似地，每一電壓域中的電壓范圍的量值可以是與其它域不同的值。發(fā)射線(T線)驅(qū)動(dòng)器209包括用于在偶數(shù)耦合模式中驅(qū)動(dòng)發(fā)射線的電路，其中除 了 DC偏移外，每一對(duì)發(fā)射線上的信號(hào)相等。以此方式，兩個(gè)或兩個(gè)以上電壓域可用于驅(qū)動(dòng) 產(chǎn)生MZM 250的相應(yīng)分支中的指數(shù)變化的二極管。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，T線驅(qū)動(dòng)器 209可在奇數(shù)耦合模式中驅(qū)動(dòng)發(fā)射線。偶數(shù)耦合模式可導(dǎo)致發(fā)射線中較高的阻抗，而奇數(shù)耦 合可導(dǎo)致較低的阻抗。波導(dǎo)211包括MZM 250的光學(xué)組件且啟用圍繞CMOS芯片130的光學(xué)信號(hào)的路由。 波導(dǎo)211包括通過(guò)CMOS制造工藝形成的硅和二氧化硅，其利用Si與SiO2之間的折射率差 來(lái)限制波導(dǎo)211中的光學(xué)模式。發(fā)射線終端電阻器Rtu-Rtm啟用到T線213A-213D的阻抗 匹配和因此減少的反射。二極管驅(qū)動(dòng)器215A-215H包括用于驅(qū)動(dòng)二極管219A-219D的電路，借此在波導(dǎo)211 中局部地改變折射率。此指數(shù)改變又改變波導(dǎo)211中的光學(xué)模式的速率，使得當(dāng)波導(dǎo)在驅(qū) 動(dòng)器電路之后再次合并時(shí)，光學(xué)信號(hào)相長(zhǎng)或相消地干涉，因此調(diào)制激光輸入信號(hào)。通過(guò)以差 動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)二極管219A-219D，其中在二極管的每一端子處驅(qū)動(dòng)信號(hào)(與一個(gè)端子連接到 AC接地相反)，可由于每一域中需要的減少的電壓擺動(dòng)而增加功率效率和帶寬兩者。在操作中，Cff光學(xué)信號(hào)耦合到“激光輸入”中，且調(diào)制差動(dòng)電信號(hào)傳送到T線驅(qū)動(dòng) 器209。T線驅(qū)動(dòng)器209產(chǎn)生互補(bǔ)電信號(hào)以在T線213A-213D上傳送，其中每一對(duì)信號(hào)偏移 一 DC電平以使每一二極管驅(qū)動(dòng)器215A-215H的電壓擺動(dòng)最小化，同時(shí)仍啟用跨越二極管 219A-219D的完全電壓擺動(dòng)。使二極管219A-219D反向偏壓修改了耗盡區(qū)的寬度，從而調(diào)制與光學(xué)模式的載流 子密度重疊，以及因此傳播穿過(guò)波導(dǎo)213A-213D的光學(xué)信號(hào)的速度。光學(xué)信號(hào)接著相長(zhǎng)或 相消地干涉，從而導(dǎo)致“經(jīng)調(diào)制光”信號(hào)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，MZM 250集成在芯片130上，從而啟用單一 CMOS芯片上一 個(gè)或一個(gè)以上收發(fā)器的集成，而常規(guī)收發(fā)器利用離散的光學(xué)、電和光電子裝置及芯片。通過(guò) 將光電子收發(fā)器集成在單一芯片上，可大大減少功率和空間要求。圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性相位調(diào)制器的橫截面示意圖。參看圖2B，展 示PIN相位調(diào)制器260和熱相位調(diào)制器(TPM) 270。PIN相位調(diào)制器260包括η區(qū)251、本征 區(qū) 253、ρ 區(qū) 255、η+ 區(qū) 257、ρ+ 區(qū) 259，以及觸點(diǎn) 261Α 和 261Β。TPM 270 包括 η 區(qū) 251Α 禾口 251Β、η-區(qū) 263、η+ 區(qū) 257Α 和 257Β,以及接觸層 261Α 和 261Β。η區(qū)251包括η型硅區(qū)以界定PIN結(jié)的η側(cè)。本征區(qū)253包括無(wú)意摻雜硅區(qū)，其形成PIN結(jié)的i區(qū)。ρ區(qū)255包括ρ摻雜硅，其形成PIN結(jié)的ρ區(qū)。η+區(qū)257和ρ+區(qū)259 包括低電阻率摻雜硅以啟用與包括P區(qū)255、本征區(qū)253和η區(qū)251的PIN 二極管的歐姆接 觸。接觸層261Α和261Β包括金屬或其它低電阻率材料以啟用與下伏半導(dǎo)體材料的歐姆接 觸。η區(qū)251Α和251Β包括η型硅區(qū)以界定η/η_/η電阻性裝置的η側(cè)。η-區(qū)263可 包括低η摻雜硅區(qū)以提供電阻性結(jié)構(gòu)。η+區(qū)257Α和257Β包括高摻雜η型硅以啟用與較低 η摻雜材料的歐姆接觸。接觸層261Α和261Β包括金屬或其它低電阻率材料以啟用與下伏 半導(dǎo)體材料的歐姆接觸。在操作中，PIN相位調(diào)制器260性能可由施加到觸點(diǎn)261Α和261Β的電信號(hào)控制。在高速應(yīng)用中，PIN相位調(diào)制器260可被反向偏壓，其修改耗盡區(qū)的寬度，從而調(diào)制與光學(xué) 模式的載流子密度重疊，以及因此傳播穿過(guò)PIN相位調(diào)制器260的光學(xué)模式的速度?；蛘撸?對(duì)于較低速度應(yīng)用，PIN相位調(diào)制器260可針對(duì)載流子注入模式而正向偏壓，從而再次影響 傳播穿過(guò)PIN相位調(diào)制器260的模式的折射率。此模式可展現(xiàn)出非常高的效率，但還展現(xiàn) 出高動(dòng)態(tài)損失。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，PIN相位調(diào)制器260可通過(guò)使所述結(jié)構(gòu)正向偏壓而用 作可變光學(xué)衰減器，從而導(dǎo)致增加的光學(xué)模式損失。TPM 270可通過(guò)使電流流動(dòng)穿過(guò)η區(qū)251Α和251Β以及η-區(qū)263界定的電阻器而 調(diào)制光學(xué)信號(hào)、光學(xué)模式，借此提供電損失以及因此局部加熱。此加熱改變基本上由ΤΡΜ270 的η-區(qū)界定的波導(dǎo)的折射率。此結(jié)構(gòu)可展現(xiàn)出相對(duì)低的效率，但還展現(xiàn)出低動(dòng)態(tài)損失。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光子啟用的工藝流程的框圖。參看圖3，展示 光子啟用的工藝流程300，其包括初始CMOS工藝320、淺溝槽模塊303、定制植入模塊307、 源極/漏極植入模塊313、阻塞硅化模塊315、鍺模塊317，以及數(shù)據(jù)處理模塊323。初始CMOS工藝包括工藝流程步驟的開(kāi)始301、深溝槽模塊305、阱模塊309、柵極模 塊311、后端金屬模塊319，以及晶片產(chǎn)出(wafers out)步驟321。光子啟用的工藝流程以具有對(duì)于光學(xué)工藝的適當(dāng)氧化物厚度的定制SOI襯底被 插入到工藝流程步驟的開(kāi)始301中而開(kāi)始，所述工藝可包括適宜的晶片制備工藝，例如分 類、清潔或質(zhì)量控制。晶片接著前進(jìn)到淺溝槽模塊303，用于界定并蝕刻淺溝槽。淺溝槽模 塊303可包括例如光刻、蝕刻、填充和化學(xué)_機(jī)械拋光(CMP)，之后是深溝槽模塊305，其包 括常規(guī)CMOS溝槽模塊。阱模塊309包括光刻步驟和摻雜劑離子植入以界定用于CMOS裝置的阱。定制植 入模塊307可插入到阱模塊309中，以界定例如特定針對(duì)光電子裝置的摻雜區(qū)。晶片接著 前進(jìn)到柵極模塊311以經(jīng)由例如光刻、蝕刻、修整、間隔件和植入物來(lái)界定CMOS柵極。源極 和漏極植入可在前進(jìn)到阻塞硅化模塊315之前由源極/漏極植入模塊313執(zhí)行。硅化模塊315在用于金屬觸點(diǎn)的硅表面中產(chǎn)生自對(duì)準(zhǔn)硅化物層，其后是鍺模塊 317，所述鍺模塊317可在SOI硅晶片上為集成的光電檢測(cè)器沉積鍺。在本發(fā)明的實(shí)施例中， 鍺工藝可為完全CMOS兼容的。晶片接著前進(jìn)到后端金屬模塊319，其包括例如6金屬低k 銅工藝，之后是晶片產(chǎn)出步驟321。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，CMOS工藝流程包括用于集成導(dǎo)向波光學(xué)元件的 0.13微米CMOS SOI技術(shù)平臺(tái)。光刻工藝包括深UV技術(shù)以實(shí)現(xiàn)近IR光學(xué)元件能力，且高電阻率襯底可實(shí)現(xiàn)電路中的低微波損失。定制步驟可用于標(biāo)準(zhǔn)工具中，且包括硅蝕刻和注入、 鍺外延生長(zhǎng)，且可利用標(biāo)準(zhǔn)觸點(diǎn)模塊。這些工藝可以是遵從熱預(yù)算的，且不需要后處理。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性集成的電和光電子裝置的橫截面。參看圖4， 展示集成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400，其包括晶體管410和調(diào)制器420以及相關(guān)聯(lián)的層。所述層用于 制造晶體管410和調(diào)制器420以例如隔離裝置和提供到裝置的電連接。集成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400包括硅襯底401、掩埋氧化物403、場(chǎng)氧化物405、接觸層 415、金屬1層417、通路1層419、金屬2層421、最終金屬層423、鈍化層425，以及金屬蓋 427。金屬1層417、金屬2層421、最終金屬層和金屬蓋427提供層之間以及到電和光電子 裝置(例如，晶體管410和調(diào)制器420)的電觸點(diǎn)。通路1層419和接觸層415也啟用到裝 置的電觸點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)在傳導(dǎo)通路之間并入絕緣材料而提供裝置之間的電隔離。晶體管410包括阱407、分別漏極和源極植入層429A和429B、柵極431，以及鈍化 層433。阱區(qū)407是通過(guò)形成具有與阱外部的區(qū)的摻雜相反的摻雜的層而使互補(bǔ)裝置能夠 集成在相同襯底上的摻雜硅層。以此方式，在其中阱為η摻雜的例子中，源極和漏極植入層 429Α和429Β可包括例如ρ摻雜硅。柵極431可包括例如金屬或多晶硅，其可通過(guò)薄氧化物層(未圖示)與阱407隔 離。柵極可由鈍化層433鈍化，所述鈍化層433可提供例如與其它金屬層的電隔離。調(diào)制器420包括ρ區(qū)409、η區(qū)411、硅化物阻塞區(qū)(salicide block) 413和經(jīng)蝕 刻區(qū)439。硅化物阻塞區(qū)413包括一材料層以防止調(diào)制器420和其它光學(xué)裝置的硅在標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝期間硅化。如果光學(xué)裝置中的硅硅化，那么將導(dǎo)致較大光學(xué)損失。另外，硅化物阻 塞區(qū)413阻塞不想要的植入物進(jìn)入波導(dǎo)和其它光學(xué)裝置中(其也將導(dǎo)致不想要的損失)。圖5是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性鍺光電二極管的橫截面的圖。參看圖5， 展示鍺同質(zhì)結(jié)光電二極管500和鍺單異質(zhì)結(jié)(SH)波導(dǎo)光電二極管520。鍺同質(zhì)結(jié)波導(dǎo)光電 二極管500包括硅襯底501A、Ge層503A、p摻雜Ge (p-Ge)層505,η摻雜Ge (η-Ge)層507、 陽(yáng)極觸點(diǎn)513A，以及陰極觸點(diǎn)515A。陽(yáng)極觸點(diǎn)513A以及陰極觸點(diǎn)515A可包括啟用到同質(zhì) 結(jié)波導(dǎo)光電二極管500的電觸點(diǎn)的金屬或其它傳導(dǎo)材料。p-Ge層505、Ge層503A和n-Ge 層507包括可經(jīng)啟用以檢測(cè)光學(xué)信號(hào)并產(chǎn)生電輸出信號(hào)的同質(zhì)結(jié)二極管。SH光電二極管520包括硅襯底501B、Ge層503B、p_Ge層509、n摻雜硅(n_Si)層 511、陽(yáng)極觸點(diǎn)513B,以及陰極觸點(diǎn)515B。p-Ge層509,Ge層503B、Si襯底501B和η-Si層 511包括可經(jīng)啟用以檢測(cè)光學(xué)信號(hào)并產(chǎn)生電輸出信號(hào)的單異質(zhì)結(jié)二極管。異質(zhì)結(jié)光電二極 管可展示出比同質(zhì)結(jié)裝置低的暗電流，且波導(dǎo)檢測(cè)器可由于與垂直光電二極管相比在橫向 方向上增加的吸收長(zhǎng)度而實(shí)現(xiàn)較高的量子效率。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，光電二極管可 包括由兩個(gè)Si-Ge結(jié)界定的雙異質(zhì)結(jié)光電二極管。在本發(fā)明的實(shí)施例中，一個(gè)或一個(gè)以上 Ge波導(dǎo)光電二極管可集成在例如參看圖1A-1C描述的CMOS芯片130的CMOS芯片中，從而 啟用所述芯片上一個(gè)或一個(gè)以上光電子收發(fā)器的集成。圖6是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光柵耦合器的圖。參看圖6，展示光柵耦 合器600，其包括Si襯底601、掩埋氧化物603、波導(dǎo)層605、電介質(zhì)堆疊607、光柵609、光學(xué) 模式611、發(fā)射光學(xué)模式613和反射光學(xué)模式615。例如光柵耦合器600等多個(gè)光柵耦合器 可集成在參看圖1A-1C描述的芯片130中。波導(dǎo)層605包括例如硅層，其支持可從芯片130中的其它光學(xué)和/或光電子裝置傳送的光學(xué)模式611。光柵609包括交替電介質(zhì)常數(shù)材料的圖案，其經(jīng)配置以將光學(xué)模式 613 經(jīng)由電介質(zhì)堆疊607發(fā)射出芯片130的表面。電介質(zhì)堆疊607可經(jīng)配置以啟用經(jīng)散射 光學(xué)信號(hào)以與垂線所成的角度離開(kāi)頂部表面的發(fā)射。在操作中，光學(xué)模式611可經(jīng)由光柵耦合器600散射出芯片130的頂部表面。在 示范性實(shí)施例中，損失耦合可為例如1. 5dB或更低，且可啟用晶片級(jí)測(cè)試。在本發(fā)明的實(shí)施 例中，光柵耦合器可啟用橫向和縱向20倍模式大小轉(zhuǎn)換。圖7是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光學(xué)裝置的圖。參看圖7，展示光柵耦合 器700、波導(dǎo)彎頭710、Y結(jié)720、波導(dǎo)終端730、定向耦合器740、偏振分離光柵耦合器750、波 導(dǎo)760，以及波導(dǎo)錐形770。光柵耦合器700可大體類似于參看圖6描述的光柵耦合器600。波導(dǎo)760包括硅波導(dǎo)，其可經(jīng)啟用以以最小光學(xué)損失傳送光學(xué)模式。波導(dǎo)760可 包括單一模式波導(dǎo)或多模式波導(dǎo)。單一模式波導(dǎo)可具有較高傳播損失，但可啟用具有20微 米半徑的緊密彎頭(例如，波導(dǎo)彎頭710)或圓環(huán)。多模式波導(dǎo)可具有較低損失，且因此可 用于在較大距離上傳送光學(xué)信號(hào)。Y結(jié)720可包括分為兩個(gè)單獨(dú)波導(dǎo)的波導(dǎo)，因此啟用信號(hào)分離和/或信號(hào)組合。Y 結(jié)720可為波長(zhǎng)和制造不敏感的。定向耦合器740可包括兩個(gè)光學(xué)波導(dǎo)，其會(huì)聚為分開(kāi)較 小距離，且接著再次發(fā)散，因此啟用光學(xué)信號(hào)的耦合和/或分離。波導(dǎo)之間的最小間隔可確 定定向耦合器的耦合效率。波導(dǎo)終端730包括包含光柵/金屬/Ge結(jié)構(gòu)的吸收光柵結(jié)構(gòu)，其制造于鄰近于波 導(dǎo)錐形(例如，波導(dǎo)錐形770)的波導(dǎo)上。制造于錐形波導(dǎo)上的光柵可吸收行進(jìn)到波導(dǎo)終端 730中的光學(xué)模式，因此減弱經(jīng)反射的光學(xué)信號(hào)(其可使性能降級(jí))。偏振分離光柵耦合器(PSGC) 750可啟用傳入光信號(hào)的耦合并產(chǎn)生傳送到芯片上 的其它光學(xué)組件的兩個(gè)輸出信號(hào)。PSGC 750可將傳入光學(xué)信號(hào)分離為相同TE波導(dǎo)模式中 的兩個(gè)正交輸出信號(hào)。輸入/輸出包括任何偏振，且可啟用簡(jiǎn)單的偏振_分集方案。圖8是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性波導(dǎo)雪崩光電二極管的圖。參看圖8， 展示集成在CMOS芯片(例如，參看圖1A-1C描述的CMOS芯片130)上的鍺波導(dǎo)雪崩光電 二極管(Ge WG-APD)800o Ge WGAPD 800可制造于硅襯底801和掩埋氧化物層803上。Ge WG-APD 800 包括3丨層 805、66層 8074摻雜66&-66)層 809、n 摻雜硅(η-Si)層 81IA 和 811B、硅化Si層813A和813B、陽(yáng)極815、陰極817A和817B、光學(xué)模式819，以及雪崩區(qū)821。硅化Si層813A和813B包括已硅化以啟用到下伏較低或未摻雜Si層805的良好 電接觸的硅層。雪崩區(qū)821包括由Ge層807以及η-Si層811A和811B界定的高電區(qū)。在操作中，光學(xué)模式819可大體限于Ge層807且可被吸收從而形成電子-空穴 對(duì)。通過(guò)越過(guò)陽(yáng)極和陰極施加較大反向偏壓而產(chǎn)生的電場(chǎng)使載流子分離。在適當(dāng)偏壓的情 況下，雪崩區(qū)821中的電場(chǎng)可足夠高以啟始雪崩過(guò)程，從而將光生載流子的數(shù)目乘以乘數(shù) M，其可導(dǎo)致比PIN光電二極管高的響應(yīng)率。圖9是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光源組合件的圖。參看圖9，展示光源組 合件900，其包括光具座901、激光器裝配臺(tái)903、激光器二極管905、球透鏡907、光學(xué)隔離器 909、鏡面元件911、底部結(jié)合墊913、頂部接觸墊915、硼硅酸玻璃/石英罩917，以及支撐環(huán) 919。在本發(fā)明的實(shí)施例中，硼硅酸玻璃/石英罩917包括可在任一方向上定向的硼硅酸玻璃/石英堆疊，其中硼硅酸玻璃或石英在頂部上，且啟用光學(xué)組件的氣密封以改進(jìn)裝 置壽命。光學(xué)隔離器909可啟用回到激光器二極管905的經(jīng)反射信號(hào)的減少。在本發(fā)明的 替代實(shí)施例中，光學(xué)隔離器包括法拉弟旋轉(zhuǎn)器。光具座901包括例如硅光具座，且經(jīng)顯微機(jī)械加工和/或蝕刻以包括凹進(jìn)特征來(lái) 附著例如隔離器909和球透鏡907等裝置。包括例如經(jīng)蝕刻硅的支撐環(huán)919提供結(jié)合硼硅 酸玻璃/石英罩917和光具座910的氣密封。鏡面元件911可包括沉積在支撐環(huán)919上的 反射表面。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，鏡面元件911可通過(guò)蝕刻和/或拋光支撐環(huán)919的 表面來(lái)制造。在本發(fā)明的實(shí)施例中，支撐環(huán)包括硅，其可例如通過(guò)各向異性蝕刻而經(jīng)顯微機(jī) 械加工以形成鏡面元件911的光學(xué)反射表面。激光器二極管905包括例如邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器，且可經(jīng)啟用以發(fā)射具有所需 波長(zhǎng)的光學(xué)信號(hào)。激光器裝配臺(tái)903為激光器二極管905提供機(jī)械支撐和散熱能力。球透 鏡907將激光器二極管905產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)聚焦到隔離器909上。在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過(guò)將電和光學(xué)接口集成在晶片的相同側(cè)上，可啟用激光 器封裝的晶片級(jí)光纖耦合測(cè)試。底部側(cè)墊促進(jìn)附接到CMOS裸片之后的線結(jié)合，所述CMOS 裸片可耦合到光輸出(Light Out)光學(xué)信號(hào)出現(xiàn)的一側(cè)。隔膜可并入到硅座中，或者一個(gè) 或一個(gè)以上熱敏電阻可作為密封性傳感器制造于封裝中。在操作中，光學(xué)信號(hào)可由激光器二極管905產(chǎn)生，其由球透鏡907聚焦和/或準(zhǔn)直 到隔離器909上。光信號(hào)接著經(jīng)由鏡面元件911反射出光源組合件900，從而產(chǎn)生光輸出。在本發(fā)明的實(shí)施例中，揭示用于經(jīng)由CMOS芯片130的頂部表面上的光柵耦合器從 一個(gè)或一個(gè)以上光纖接收光學(xué)信號(hào)的方法和系統(tǒng)。光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由集成在CMOS芯片130中 或上的一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器11IA-11ID而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。可使用CMOS芯片中的電路 107A-107D/109來(lái)處理電信號(hào)?？山?jīng)由CMOS芯片130的頂部表面137上的光柵耦合器從激 光源147接收連續(xù)波(CW)光學(xué)信號(hào)，且可經(jīng)由集成在CMOS芯片130中或上的一個(gè)或一個(gè) 以上光學(xué)調(diào)制器105A-105D對(duì)所述CW光學(xué)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制?？山?jīng)由CMOS芯片130中的電路 來(lái)接收電信號(hào)，且所述電信號(hào)可驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或一個(gè)以上光學(xué)調(diào)制器105A-105D。經(jīng)調(diào)制的 光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由集成在CMOS芯片130中或上的一個(gè)或一個(gè)以上光柵耦合器117E-117H傳 送出CMOS芯片130的頂部表面137而進(jìn)入一個(gè)或一個(gè)以上光纖。所接收的CW光學(xué)信號(hào)可 使用馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器和/或環(huán)形調(diào)制器來(lái)調(diào)制。CMOS芯片130可包括CMOS保護(hù)環(huán)141。 所接收的光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由波導(dǎo)在CMOS芯片上的裝置之間傳送。所述一個(gè)或一個(gè)以上光電 檢測(cè)器111A-111D/113A-113H可包括例如鍺波導(dǎo)光電二極管、鍺波導(dǎo)雪崩光電二極管和/ 或異質(zhì)結(jié)二極管。所述CW光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由例如可結(jié)合到CMOS芯片130的頂部表面137的 邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器和/或垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生。所述一個(gè)或一個(gè)以上調(diào) 制器105A-10OT可使用CMOS芯片130上的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。
雖然已參考某些實(shí)施例描述本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，在不脫離本 發(fā)明的范圍的情況下可作出各種變化且等效物可進(jìn)行替代。另外，根據(jù)本發(fā)明的教示在不 脫離其范圍的情況下，可作出許多修改以適應(yīng)特定情形或材料。因此，希望本發(fā)明不限于所 揭示的特定實(shí)施例，而是本發(fā)明將包含落在所附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種處理信號(hào)的方法，所述方法包括在CMOS芯片中，經(jīng)由所述CMOS芯片的頂部表面上的光柵耦合器從一個(gè)或一個(gè)以上光纖接收光學(xué)信號(hào)；經(jīng)由集成在所述CMOS芯片中的一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器將所述光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；使用所述CMOS芯片中的電路來(lái)處理所述電信號(hào)；經(jīng)由所述CMOS芯片的所述頂部表面上的光柵耦合器從激光源接收連續(xù)波(CW)光學(xué)信號(hào)；使用集成在所述CMOS芯片中的一個(gè)或一個(gè)以上光學(xué)調(diào)制器對(duì)所接收的CW光學(xué)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；從所述CMOS芯片中的電路接收電信號(hào)；使用所述接收的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或一個(gè)以上光學(xué)調(diào)制器；以及經(jīng)由集成在所述CMOS芯片中的一個(gè)或一個(gè)以上光柵耦合器將所述經(jīng)調(diào)制的光學(xué)信號(hào)傳送出所述CMOS芯片的所述頂部表面而進(jìn)入一個(gè)或一個(gè)以上光纖中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其包括使用馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器對(duì)所述所接收的CW光學(xué) 信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其包括使用環(huán)形調(diào)制器對(duì)所述所接收的CW光學(xué)信號(hào)進(jìn) 行調(diào)制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述CMOS芯片包括CMOS保護(hù)環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其包括經(jīng)由波導(dǎo)在所述CMOS芯片上的裝置之間傳送所 述接收的光學(xué)信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器包括鍺波導(dǎo)光電二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述其中所述一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器包括鍺 波導(dǎo)雪崩光電二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述其中所述一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器包括異質(zhì)結(jié)二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其包括使用邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生所述CW光學(xué)信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其包括使用垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生所述 CW光學(xué)信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光源結(jié)合到所述CMOS芯片的所述頂部表
12. 一種用于處理信號(hào)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 CMOS芯片，其包括一個(gè)或一個(gè)以上光柵耦合器，其在所述CMOS芯片的頂部表面上且經(jīng)啟用以從一個(gè)或 一個(gè)以上光纖接收光學(xué)信號(hào)；一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器，其集成在所述CMOS芯片中且經(jīng)啟用以將所述接收的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；一個(gè)或一個(gè)以上電路，其集成在所述CMOS芯片中且經(jīng)啟用以處理所述電信號(hào)； 一個(gè)或一個(gè)以上光柵耦合器，其在所述CMOS芯片的所述頂部表面上且經(jīng)啟用以從激 光源接收連續(xù)波(CW)光學(xué)信號(hào)；一個(gè)或一個(gè)以上光學(xué)調(diào)制器，其集成在所述CMOS芯片中且經(jīng)啟用以對(duì)所接收的CW光 學(xué)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；一個(gè)或一個(gè)以上電路，其集成在所述CMOS芯片中且經(jīng)啟用以接收電信號(hào)并使用所述 接收的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或一個(gè)以上光學(xué)調(diào)制器；以及一個(gè)或一個(gè)以上光柵耦合器，其集成在所述CMOS芯片中且經(jīng)啟用以將所述經(jīng)調(diào)制的 光學(xué)信號(hào)傳送出所述CMOS芯片的所述頂部表面而進(jìn)入一個(gè)或一個(gè)以上光纖中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)調(diào)制器包括馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)調(diào)制器包括環(huán)形調(diào)制器。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述CMOS芯片包括CMOS保護(hù)環(huán)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述接收的光學(xué)信號(hào)使用波導(dǎo)在所述CMOS芯片 上的裝置之間傳送。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器包括鍺波導(dǎo)光電二極管。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述其中所述一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器包括 鍺波導(dǎo)雪崩光電二極管。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述其中所述一個(gè)或一個(gè)以上光電檢測(cè)器包括異質(zhì)結(jié)二極管。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述激光源是邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述激光源是垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述激光源結(jié)合到所述CMOS芯片的所述頂部表
全文摘要
本發(fā)明揭示用于集成在CMOS芯片上的光電子收發(fā)器的方法和系統(tǒng)，且所述方法和系統(tǒng)可包含經(jīng)由CMOS芯片的頂部表面上的光柵耦合器從光纖接收光學(xué)信號(hào)，所述CMOS芯片可包含保護(hù)環(huán)。光電檢測(cè)器可集成在所述CMOS芯片中?？山?jīng)由光柵耦合器從激光源接收CW光學(xué)信號(hào)，且可使用光學(xué)調(diào)制器對(duì)所述CW光學(xué)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，所述光學(xué)調(diào)制器可以是馬赫曾德?tīng)柡?或環(huán)形調(diào)制器。所述CMOS芯片中的電路可驅(qū)動(dòng)所述光學(xué)調(diào)制器。所述經(jīng)調(diào)制的光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由光柵耦合器傳送出所述CMOS芯片的所述頂部表面而進(jìn)入光纖。所述接收的光學(xué)信號(hào)可經(jīng)由波導(dǎo)在裝置之間傳送。所述光電檢測(cè)器可包含鍺波導(dǎo)光電二極管、雪崩光電二極管和/或異質(zhì)結(jié)二極管。所述CW光學(xué)信號(hào)可使用邊緣發(fā)射和/或垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生。
文檔編號(hào)G02B6/26GK101868745SQ200880116716
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2008年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月2日
發(fā)明者彼得·德·多伯拉爾, 斯特芬·格勒克納, 蒂埃里·潘蓋, 西納·米爾賽蒂, 謝里夫·阿布達(dá)拉 申請(qǐng)人:樂(lè)仕特拉公司