專利名稱：通過形態(tài)控制修改半導(dǎo)體光路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)主要涉及光學(xué)器件，并且更具體地涉及配置光路。
背景技術(shù)：
光電和光子器件包括光路，光學(xué)信號(hào)通過光路傳輸。包括折射率(η)和消光系數(shù) (k)在內(nèi)的這些路徑的光學(xué)特性決定了信號(hào)傳播的速度以及由傳播造成的損失。器件的性能特征相應(yīng)地取決于傳播速度和損失。

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)實(shí)施例提供了一種光學(xué)器件，其包括基板和位于基板上的光路。光路包括半導(dǎo)體層，半導(dǎo)體層包括波導(dǎo)芯層區(qū)域。芯層區(qū)域具有第一半導(dǎo)體區(qū)域，第一半導(dǎo)體區(qū)域具有第一類型形態(tài)和第一折射率。第一半導(dǎo)體區(qū)域位于半導(dǎo)體層的第二半導(dǎo)體區(qū)域附近，第二半導(dǎo)體區(qū)域具有第二類型形態(tài)和不同于第一折射率的第二折射率。另一個(gè)實(shí)施例提供了構(gòu)造光學(xué)器件的方法。所述方法包括提供一種基板，具有位于其上的可設(shè)置用于接收輸入光學(xué)信號(hào)的半導(dǎo)體材料層。材料層包括具有第一類型形態(tài)的半導(dǎo)體材料區(qū)域。將所述區(qū)域轉(zhuǎn)化為不同于第一類型的第二類型形態(tài)。這種轉(zhuǎn)化改變了包括所述區(qū)域的光路的傳播特性。


現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)以下的說明內(nèi)容進(jìn)行介紹，在附圖中圖1A-1C示出了包括第一和第二形態(tài)的半導(dǎo)體材料的光路的一個(gè)實(shí)施例；圖2A-2C示出了半導(dǎo)體層的一個(gè)實(shí)施例，其中波導(dǎo)芯層區(qū)域具有第一形態(tài)和第一折射率，并且波導(dǎo)覆層區(qū)域具有不同的第二形態(tài)和較低的折射率；圖3是半導(dǎo)體層在光照之后的顯微照片；圖4是電熔絲承受電應(yīng)力之后的顯微照片；圖5A和5B是分段的電熔絲在暴露于與圖4中電熔絲所經(jīng)受的相類似的電應(yīng)力之后的顯微照片；圖6示出了作為波長的函數(shù)的c-Si、a-Si和p_Si的折射率；
圖7示出了光學(xué)諧振器，具有通過光學(xué)加熱改變的部分；圖8示出了光學(xué)諧振器，具有被設(shè)置用于通過電加熱改變其一部分的電熔絲；圖9示出了電熔絲、光路以及被設(shè)置用于進(jìn)行加熱的相交部分；圖10示出了干涉儀，使其一部分通過光學(xué)加熱修改；圖11示出了干涉儀，具有被設(shè)置用于通過電加熱改變其一部分的電熔絲；圖12A-12E示出了通過控制半導(dǎo)體層各部分的形態(tài)以形成波導(dǎo)芯層區(qū)域從而在基板上界定出光路；圖13A-13C示出了通過控制半導(dǎo)體層各部分的形態(tài)以形成波導(dǎo)覆層區(qū)域從而在基板上界定出光路；以及圖14是一種用于形成光學(xué)器件(例如圖1A-1C中的光學(xué)器件或者圖2A-2C中的光學(xué)器件200)的方法。
具體實(shí)施例方式本公開得益于以下認(rèn)知可以改變半導(dǎo)體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)以改變包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件的操作。已經(jīng)可以例如使用激光照射改變某些類型的波導(dǎo)以形成光學(xué)元件譬如Bragg光柵。但是，這樣的改變通常都局限于非半導(dǎo)體的光學(xué)波導(dǎo)，例如光纖、LiNbO3和玻璃。如本文各個(gè)實(shí)施例中所述的改變半導(dǎo)體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的能力提供了一種例如再加工、修復(fù)或調(diào)整包括半導(dǎo)體波導(dǎo)的光學(xué)器件的操作特性的手段。本公開給出了采用半導(dǎo)體材料用于光學(xué)波導(dǎo)的光學(xué)器件的不同實(shí)施例。實(shí)施例可以涉及各種半導(dǎo)體形態(tài)塊狀晶體半導(dǎo)體，例如晶體半導(dǎo)體晶格的一部分或擴(kuò)展或外延層； 非晶半導(dǎo)體，例如具有比幾個(gè)半導(dǎo)體鍵長更短的周期性；以及多晶半導(dǎo)體，例如具有相對(duì)于彼此任意取向的跨越多于幾十個(gè)(例如50個(gè))半導(dǎo)體鍵長的多個(gè)晶疇。本公開設(shè)想了用任意元素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體以每一種形態(tài)類型實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例，所述元素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體包括但不限于Si、Ge、GaAs、InP, SiC, InGaP, InGaAs和 InMGaP。半導(dǎo)體可以是摻雜或本征的。使用Si作為示例性的半導(dǎo)體材料來介紹各個(gè)實(shí)施例。這樣使用Si作為示例性材料并不是將介紹的實(shí)施例限制為Si。不同的實(shí)施例可以將非晶Si稱為a-Si，將晶體硅稱為c-Si，以及將多晶硅稱為p-Si。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，參照這些形式的Si介紹的原理也可以被擴(kuò)展到本公開保護(hù)范圍內(nèi)的其他半導(dǎo)體。如本文中所用，同素異形體是指半導(dǎo)體材料的一種形式，其特征在于總體的鍵合特性。因此，塊狀晶體和多晶形態(tài)都是同一種同素異形體，原因在于半導(dǎo)體原子均以晶體排列鍵合。非晶形態(tài)是一種不同的同素異形體，原因在于半導(dǎo)體的鍵合通常都不像在晶體中一樣有序。不同的實(shí)施例和權(quán)利要求可能會(huì)涉及第一類型的同素異形體和第二類型的同素異形體。第一和第二類型的同素異形體是互斥的。因此，第一類型的同素異形體可能是指晶體形態(tài)(塊狀晶體或多晶)或非晶形態(tài)，而第二類型的同素異形體就相應(yīng)地是指非第一類型同素異形體的同素異形體。本文中介紹的各個(gè)實(shí)施例包括半導(dǎo)體層的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，其可以具有選自非晶、多晶和塊狀晶體的形態(tài)。例如而非限制性的，硅層區(qū)域可以是非晶硅(a-Si)、多晶硅 (P-Si)或塊狀晶體硅(c-Si)。說明書和權(quán)利要求書可能會(huì)涉及第一類型形態(tài)、第二類型形態(tài)和第三類型形態(tài)。第一、第二和第三形態(tài)類型中的每一種都可以是非晶、多晶或塊狀晶體中的任何一種。但是在單個(gè)實(shí)施例或單項(xiàng)權(quán)利要求中，只有一種前述形態(tài)例如非晶、多晶或塊狀晶體可以被唯一地指定用于第一、第二和第三類型中的每一種。因此，例如第一類型形態(tài)可以是非晶、多晶或塊狀晶體中的任何一種。第二類型形態(tài)可以是剩余兩種形態(tài)類型中的任何一種。第三類型形態(tài)就是那種剩余的未指定形態(tài)類型。如本文中所用并且在權(quán)利要求中，半導(dǎo)體層包括基板上任何的均質(zhì)半導(dǎo)體層以及源于均質(zhì)層的半導(dǎo)體特征。半導(dǎo)體層明確地排除了形成在半導(dǎo)體層上的任何附加材料層， 無論附加層是半導(dǎo)體還是其他材料。因此，例如操作晶圓上的外延層是半導(dǎo)體層，那么即使是特征具有不同的形態(tài)或者是非連續(xù)的，由外延層構(gòu)成的半導(dǎo)體特征也是半導(dǎo)體層。但是， 覆蓋均質(zhì)層的半導(dǎo)體區(qū)域或者是來源于此的特征都不包含在半導(dǎo)體層內(nèi)。這樣的排除區(qū)域通常可以通過它和下方均質(zhì)層或特征之間離散的接觸面加以識(shí)別。還可以從半導(dǎo)體層中排除的是在由半導(dǎo)體層構(gòu)成單獨(dú)的半導(dǎo)體特征之后添加的任何半導(dǎo)體或其他特征。因此，例如，如果單獨(dú)的特征(譬如波導(dǎo)芯層)是由半導(dǎo)體層構(gòu)成，那么即使是位于與波導(dǎo)芯層相同的層級(jí)，沉積在波導(dǎo)芯層上或者靠近波導(dǎo)芯層的材料也不是半導(dǎo)體層的一部分。注意力集中在將硅作為說明性的半導(dǎo)體材料，在硅光子網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間，電磁輻射通過網(wǎng)絡(luò)中的各種元件傳播。硅在約1. 3 μ m到約6 μ m的波長范圍內(nèi)具有對(duì)電磁輻射開放的透射特性(例如約>50%的透射)。因此，這些波長在硅光子學(xué)中普遍使用。但是，在某些情況下例如在衰減或短傳播距離的情況下，短于1. 3微米的波長可能也是有效的。上述的每一種形態(tài)通常都具有復(fù)數(shù)折射率特性(折射率η和消光系數(shù)k，取決于波長)。而且，例如電阻率的電特性對(duì)于每一種形態(tài)可能都有所不同。例如，在1. 12μπι的波長下，公開文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的c-Si和a-Si的折射率分別是3. M和4. 09。因?yàn)榻橘|(zhì)中的光速取決于介質(zhì)的折射率，所以可以預(yù)見光學(xué)信號(hào)行進(jìn)通過a-Si會(huì)比通過c-Si更慢。正如以下進(jìn)一步介紹的那樣，折射率的差異可以被用于通過控制材料形態(tài)來構(gòu)成波導(dǎo)，用于調(diào)整波導(dǎo)中的光路長度，或兩者皆可。圖1A-1C示出了通常標(biāo)記為100的光學(xué)器件的平面圖(圖1A)和截面圖(圖IB 和1C)。器件100可以是光子器件，例如對(duì)光學(xué)信號(hào)130進(jìn)行光學(xué)處理的器件。器件100可以是或者非限制性地包括光學(xué)多路復(fù)用器、多路分配器、光學(xué)濾波器、光學(xué)諧振器、光學(xué)處理器、光學(xué)波導(dǎo)、光學(xué)MEM(微電子機(jī)械系統(tǒng))器件，例如鏡陣列或其他類似的光學(xué)組件。給出圖示的實(shí)施例作為可以出現(xiàn)在各個(gè)實(shí)施例中的光學(xué)器件中的元件的非限制性示例?；?10具有位于其上的芯層區(qū)域120。芯層區(qū)域120可設(shè)置用于接收光學(xué)信號(hào) 130。基板110可以是任意合適的基板例如晶片?；?10的材料可以是半導(dǎo)體例如硅或鍺，但非必須。例如可以使用玻璃、石英或藍(lán)寶石基板。芯層區(qū)域120可以由均質(zhì)半導(dǎo)體層構(gòu)成。例如，一層(未示出)最初為具有均勻性質(zhì)的連續(xù)層可以首先被設(shè)置在基板110上。在某些實(shí)施例中，可以通過選擇性地移除其中的一部分來圖案化該均質(zhì)層，從而形成芯層區(qū)域120。在其他的實(shí)施例中，可以通過使用本公開保護(hù)范圍內(nèi)的方法改變一部分均質(zhì)層的形態(tài)和/或光學(xué)性質(zhì)而形成芯層區(qū)域120。 芯層區(qū)域120可以被設(shè)置為用作光路中的組件，例如作為平面波導(dǎo)芯層。覆層區(qū)域125位于芯層區(qū)域120附近。本文中，光路是被設(shè)置用于約束光學(xué)信號(hào)例如光學(xué)信號(hào)130在基板110的平面內(nèi)傳播的固體介質(zhì)。光路包括例如芯層區(qū)域130的芯層和例如覆層區(qū)域125的覆層。通常通過芯層和覆層之間接觸面處的全內(nèi)反射而沿著芯層的方向引導(dǎo)光學(xué)信號(hào)。但是，本公開設(shè)想的實(shí)施例中覆層具有大于芯層的折射率。這樣的實(shí)施例可以包括其中例如光路被設(shè)置用于衰減光學(xué)信號(hào)的情況。覆層區(qū)域125并不局限于任何特定的材料。覆層區(qū)域125可以是或者包括例如空氣、氧化硅或半導(dǎo)體材料。當(dāng)覆層區(qū)域125是半導(dǎo)體材料時(shí)，它可以是構(gòu)成芯層區(qū)域120的相同材料層的一部分。在某些情況下，可能希望在靠近芯層區(qū)域120的介質(zhì)的所有側(cè)面，介質(zhì)的折射率都低于芯層區(qū)域120的折射率，以使來自于芯層區(qū)域120的光能損失最小化。因此，與芯層區(qū)域120相比具有較低折射率的介電層140可以被設(shè)置在基板110和芯層區(qū)域120之間， 由此用作芯層區(qū)域120的下覆層。介電層140如果存在則可以是與絕緣體上半導(dǎo)體(SOI) 基板相關(guān)聯(lián)的氧化物層、熱氧化物或CVD氧化物，或者可以是基板110，例如藍(lán)寶石基板。芯層區(qū)域120包括具有第一類型形態(tài)和第一折射率na的區(qū)域120a，以及具有第二類型形態(tài)和不同的第二折射率nb的區(qū)域120b。非限制性地考慮其中nb大于na的實(shí)施例。光學(xué)信號(hào)130以比通過區(qū)域120b更快的速度通過區(qū)域120a傳播。光學(xué)信號(hào)130通過芯層區(qū)域120的傳播時(shí)間取決于區(qū)域120a和120b沿芯層區(qū)域120中光路(例如沿信號(hào)傳播方向)的相對(duì)長度。任意所需長度組合的每一個(gè)區(qū)域120a、102b中的一個(gè)或多個(gè)可以被設(shè)置為沿著由光學(xué)信號(hào)130通過芯層區(qū)域120采用的路徑。在各個(gè)實(shí)施例中，構(gòu)成芯層區(qū)域120的半導(dǎo)體材料層的形態(tài)可以被可控地加以改變?？梢赃M(jìn)行所述改變以改變芯層區(qū)域120的光學(xué)特性。在不同的實(shí)施例中，正如以下進(jìn)一步介紹的那樣，改變傳播特性可以包括改變傳播的方向或速度，或者是改變由芯層區(qū)域120 在光學(xué)信號(hào)130上產(chǎn)生的衰減。改變芯層區(qū)域120的傳播特性可以包括改變芯層區(qū)域120 附近的材料形態(tài)。例如，靠近芯層區(qū)域120的一部分半導(dǎo)體層(例如覆層區(qū)域125的折射率)可以被改變?yōu)樵黾踊蛘邷p少光學(xué)信號(hào)130從芯層區(qū)域120到相鄰的覆層區(qū)域125的損失的量。圖2A-2C示出了總體標(biāo)記為200的光學(xué)器件的實(shí)施例的平面圖(圖2A)和截面圖 (圖2B-2C)。器件200包括波導(dǎo)210，波導(dǎo)210依次包括芯層區(qū)域215和覆層區(qū)域220a、 220b。介質(zhì)225可以是例如空氣、氧化物或半導(dǎo)體材料。在某些實(shí)施例中，介質(zhì)225是形成在基板110上的、構(gòu)成芯層區(qū)域215以及覆層區(qū)域220a和220b的連續(xù)半導(dǎo)體材料層的一部分。在圖示的器件200中，芯層區(qū)域215和介質(zhì)225具有折射率ηι。覆層區(qū)域220a、220b 具有折射率 < H1,由此限制去往波導(dǎo)210的一部分光學(xué)信號(hào)130。先前通過引用并入的、Baiocchi等人提交的、申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US08/76976的PCT申請(qǐng)(以下稱為“'976申請(qǐng)”)公開了改變半導(dǎo)體層的同素異形和/或形態(tài)類型的方法。在其中介紹的各個(gè)實(shí)施例中，相干(激光)能量可以被集中到一部分半導(dǎo)體層上，造成光照部分的部分熔化。例如，能量劑量和持續(xù)時(shí)間、焦點(diǎn)以及執(zhí)行多次曝光的時(shí)間段可以確定導(dǎo)致光照半導(dǎo)體的非晶或多晶同素異形體形成的時(shí)間-溫度曲線。因此，如'976申請(qǐng)中所述， 半導(dǎo)體例如硅中的塊狀晶體或多晶可以被可控地轉(zhuǎn)化為非晶的同素異形體，并且隨后被可控地改變?yōu)槎嗑У耐禺愋误w?？梢酝瓿赊D(zhuǎn)化而不會(huì)對(duì)周圍的介電層或下面的基板造成損壞。圖3示出了單晶體硅基板310，其中的一部分已經(jīng)通過使用第一脈沖模式和/或光照條件的激光照射基板310而被轉(zhuǎn)化為非晶區(qū)域320。接著，一部分非晶區(qū)域320已經(jīng)通過使用第二脈沖模式和/或光照條件的激光照射基板310而被轉(zhuǎn)化為多晶區(qū)域330。通常，未改變的基板310、非晶區(qū)域320和多晶區(qū)域330均具有不同的光學(xué)性質(zhì)，并且具體地具有不同的折射率。本公開認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體材料從一種形態(tài)類型轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)類型也可以通過使用具有適當(dāng)特性的電刺激加熱要轉(zhuǎn)化的半導(dǎo)體材料部分來實(shí)現(xiàn)。刺激可以是例如具有臨時(shí)曲線的電流，被設(shè)置用于將所需量的能量在需要的時(shí)間段內(nèi)注入需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)。因此，例如轉(zhuǎn)至圖2A，可以通過可控地將半導(dǎo)體材料的折射率從較高的第一值改變?yōu)檩^低的第二值，從而由連續(xù)的半導(dǎo)體材料層形成覆層區(qū)域220a、220b。除了在'976申請(qǐng)中介紹的光照加熱以外，在某些實(shí)施例中，可以通過電刺激(例如被設(shè)置用于加熱部分材料的電流)改變半導(dǎo)體材料的光特性。圖4示出了電熔絲410。電熔絲410被暴露給通常是充電器件模型(CDM)靜電放電(ESD)事件中的電脈沖。例如，這樣的事件的特征可以是在大約Ins的時(shí)間段內(nèi)以IO6A/ cm2數(shù)量級(jí)的電流密度施加的500V電壓。電熔絲410并不顯示出明顯的設(shè)計(jì)證據(jù)，但是電氣性質(zhì)例如電阻的增加與設(shè)計(jì)相一致。由此，電熔絲410可以被物理地和電力地加以改變而不會(huì)對(duì)其或周圍的結(jié)構(gòu)造成明顯破壞。圖5A和5B給出了結(jié)構(gòu)類似于電熔絲410的電熔絲510如上所述經(jīng)受電應(yīng)力之后的TEM顯微照片500A (低倍放大)和500B (高倍放大)。氧化物層520被設(shè)置在電熔絲510 上。最初由P-Si構(gòu)成的電熔絲510現(xiàn)在包括p-Si部分530和a-Si部分M0。盡管a_Si 部分MO的形態(tài)從晶體改變?yōu)榉蔷?，但是電熔絲510顯然只有很小的或者根本沒有尺寸的改變。值得注意的是對(duì)氧化物層520沒有明顯的損壞。觀測(cè)到的性質(zhì)改變例如是電阻改變且對(duì)于電熔絲410或周圍材料層只有很少或沒有可觀測(cè)到的損傷，這樣的觀測(cè)到的性質(zhì)改變?cè)诓煌膶?shí)施例中可以由很多種設(shè)計(jì)的脈沖特性獲得。例如，脈沖電壓可以具有落在幾十伏到幾千伏之間的范圍內(nèi)的值。類似地，脈沖可以具有處于亞納秒到微秒之間的范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間。電壓和脈沖持續(xù)時(shí)間的有效組合應(yīng)該取決于可由所屬領(lǐng)域技術(shù)人員確定的被施加脈沖的結(jié)構(gòu)的具體布局。在不同的實(shí)施例中，考慮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的電阻、電容和電感可能是有利的?？梢灶A(yù)見的是設(shè)計(jì)電熔絲的最終性質(zhì)會(huì)與加入電熔絲內(nèi)的總能量相關(guān)。因此可以預(yù)見的是通常隨著設(shè)計(jì)脈沖的電壓增大，脈沖持續(xù)時(shí)間將會(huì)減小，反之亦然。在不同的實(shí)施例中，圖6A和6B中表現(xiàn)出來的電力感應(yīng)的形態(tài)變化可以被應(yīng)用于半導(dǎo)體光子器件和網(wǎng)絡(luò)中。電極可以被安置在光學(xué)元件內(nèi)以施加適當(dāng)調(diào)節(jié)的電脈沖從而將全部或部分光學(xué)元件從晶體或多晶形態(tài)轉(zhuǎn)化為非晶形態(tài)，或者是從非晶形態(tài)轉(zhuǎn)化為多晶形態(tài)。這種轉(zhuǎn)化被期望提供一種按所需方式改變半導(dǎo)體光子元件的光學(xué)和電氣性質(zhì)的手段， 提供了一種用于電路設(shè)計(jì)、再加工或修整的手段。例如，圖6示出了通常標(biāo)記為600的曲線，將c-Si、a-Si和p_Si的折射率之間的關(guān)系作為用于光子應(yīng)用的半導(dǎo)體材料形態(tài)的非限制性的示例示出。折射率被表示為通過材料傳播的光的波長的函數(shù)。這些數(shù)據(jù)是由公開文獻(xiàn)中的折射率數(shù)據(jù)推斷得出，并且被非限制性地表示為硅的這些形態(tài)的光學(xué)特性的示例。在圖6中，可以看出對(duì)于顯示的波長范圍中的所有波長，c-Si都具有比a-Si和P-Si更大的折射率。而且，可以看出a-Si在小于約1. 58 μ m時(shí)具有比ρ-Si更大的折射率， 超過1.58 μ m時(shí)則順序相反。圖6中示出的關(guān)系可以用幾種方式加以利用。例如可以通過將一部分C-Si部分轉(zhuǎn)化為a-Si和/或p_Si而將最初包括c_Si部分的光路改變?yōu)榫哂休^短的光路長度?？梢酝ㄟ^將一部分a-Si部分轉(zhuǎn)化為p-Si而將最初包括a-Si部分的光路改變?yōu)閷?duì)于小于約1.58 μ m的波長具有較短的光路長度。大于約1.58 μ m時(shí)，該部分應(yīng)該具有較長的光路長度?？梢酝ㄟ^將一部分p-Si部分轉(zhuǎn)化為a-Si而將最初包括ρ-Si部分的光路改變?yōu)閷?duì)于小于約1. 58 μ m的波長具有較長的光路長度。大于約1. 58 μ m時(shí)，該部分應(yīng)該具有較短的光路長度。最初為塊狀晶體的硅層(例如埋置氧化物層上的外延層)可以通過將靠近目標(biāo)芯層區(qū)域的一部分晶體層轉(zhuǎn)化為a-Si和/或p-Si而具有在其中界定出的光路。以下的表I利用得自圖6的數(shù)值比較了 a-Si相對(duì)于c_Si、p-Si相對(duì)于c_Si以及 a-Si相對(duì)于p-Si的折射率比較差異。對(duì)于a-Si和ρ-Si來說，相對(duì)于c_Si的折射率差異對(duì)于示出的所有波長都超過了 1%，并且對(duì)于1.58μπι及以上的波長都超過了 10%。這種折射率的相對(duì)差異被認(rèn)為在用這些材料構(gòu)造的波導(dǎo)中造成了對(duì)光學(xué)信號(hào)的魯棒性約束。表 I
波長
(a-c)/c(p-c)/c(a-p)/p
(μιη)
1.3-1.7%-5.2%3.7%1.4-5.0%-7.3%2.5%1.5-8.5%-9.5%1.1%1.55-10.2%-10.6%0.4%1.6-12.0%-11.7%-0.3%1.65-13.8%-12.9%-1.0%以下的實(shí)施例示出了可以利用本文中公開的用于將半導(dǎo)體層的形態(tài)從第一形態(tài)轉(zhuǎn)化為第二形態(tài)的實(shí)施例來改變光學(xué)性質(zhì)的各種方式。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到其他的光學(xué)器件也可以類似地從半導(dǎo)體形態(tài)的轉(zhuǎn)化中受益，并且這些其他的光學(xué)器件也落在本公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。而且，盡管以下的實(shí)施例可能是參照硅的各種形態(tài)加以介紹的，但是采用可選半導(dǎo)體材料的其他實(shí)施例也都落在本公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。圖7示出了通常標(biāo)記為700的諧振器，其包括諧振環(huán)710和鄰近的波導(dǎo)720，它們最初通常都可以由P-Si構(gòu)成。波導(dǎo)720被設(shè)置為使得光能可以從波導(dǎo)720被耦合至環(huán)710， 并且可以從環(huán)710被耦合至波導(dǎo)720。在各個(gè)實(shí)施例中，諧振器700可以被應(yīng)用作為邏輯電路元件的一部分，例如邏輯與門和邏輯與非門。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員熟知這些以及類似器件使用光學(xué)諧振器的常規(guī)實(shí)施方式。
環(huán)710具有諧振頻率，包括有諧振器700的電路的工作頻率部分地取決于該諧振頻率。諧振頻率應(yīng)該由多種因素決定，包括環(huán)710的尺寸、環(huán)710的介質(zhì)例如p-Si的折射率、介質(zhì)內(nèi)的載流子濃度以及入射光學(xué)信號(hào)730的強(qiáng)度或功率。本文中的各個(gè)實(shí)施例提供了調(diào)節(jié)環(huán)710的諧振波長的手段。在某些實(shí)施例中，使用如'976申請(qǐng)中所述的相干光源或非相干的強(qiáng)光源來實(shí)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)。環(huán)710最初具有的光路長度(OPL)約等于周長C(本示例中為π *直徑)和折射率的乘積，或者是OPL = nCOPL可以通過將分段740從p_Si轉(zhuǎn)化為a_Si進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此情況下，環(huán)710的 OPL將會(huì)增加，導(dǎo)致環(huán)710的諧振波長從X1變?yōu)楦蟮摩?。在另一個(gè)示例中，諧振器700 最初由c-Si層(例如外延層)構(gòu)成。分段740可以從c-Si被轉(zhuǎn)化為p-Si以減小環(huán)710 的0PL，由此將諧振器700的諧振波長從初始值λ 3減小為第二值λ 4。分段740的一部分可以隨后被轉(zhuǎn)化為a-Si，由此增加OPL并將諧振波長從λ 4增大為另一個(gè)中間數(shù)值λ 5。用這種方式，環(huán)710的諧振波長可以被調(diào)整(調(diào)節(jié))為特定的期望值。這樣的調(diào)整可以在諧振器是其一部分的光路工作時(shí)進(jìn)行?？梢灶A(yù)見到在某些情況下半導(dǎo)體材料中的載流子濃度和遷移率將會(huì)受到材料從一種形態(tài)向另一種形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響。實(shí)際情況下，可能難以預(yù)測(cè)可以由這些材料性質(zhì)的相互作用導(dǎo)致的精確的諧振頻率。調(diào)節(jié)諧振器700的能力提供了一種對(duì)這樣的材料特性變化進(jìn)行補(bǔ)償從而得到諧振波長的準(zhǔn)確的期望值的手段。圖8示出了被設(shè)置為利用電熔絲結(jié)構(gòu)作為加熱元件進(jìn)行調(diào)節(jié)的諧振器800的一個(gè)實(shí)施例。諧振環(huán)810包括若干個(gè)電熔絲結(jié)構(gòu)820。電熔絲結(jié)構(gòu)820被設(shè)置用于加熱環(huán)810 的一部分，由此引發(fā)被加熱部分的形態(tài)改變。在圖8的實(shí)施例中，環(huán)810包括八個(gè)未改變的電熔絲結(jié)構(gòu)820a以及三個(gè)改變的電熔絲結(jié)構(gòu)820b。每一個(gè)改變的電熔絲結(jié)構(gòu)820b都在環(huán)810的光路中具有已經(jīng)從環(huán)810 形成時(shí)的第一形態(tài)改變?yōu)榫哂胁煌凵渎实牡诙螒B(tài)的相關(guān)聯(lián)部分830。正如參照諧振環(huán) 710所述的那樣，環(huán)810和部分830的形態(tài)可以被設(shè)置為不同的組合以提供環(huán)810諧振波長的可調(diào)節(jié)能力。圖9示出了一個(gè)實(shí)施例，其中電熔絲910與具有相交區(qū)域930的諧振結(jié)構(gòu)920相交。諧振結(jié)構(gòu)920可以是例如諧振環(huán)。在圖示的實(shí)施例中，電熔絲910和諧振結(jié)構(gòu)920被形成在相同的半導(dǎo)體層(例如多晶硅)內(nèi)。與包括區(qū)域930的諧振結(jié)構(gòu)920相比，以更大的摻雜劑濃度摻雜電熔絲910在區(qū)域930以外的部分。更大的摻雜為區(qū)域930以外的電熔絲 910提供了比諧振結(jié)構(gòu)920更高的電導(dǎo)率。在電熔絲910的設(shè)計(jì)(例如改變相交部分930 的形態(tài))期間，這種結(jié)構(gòu)被期望將電熔絲910的熱量部分地向區(qū)域930局部化，由此將區(qū)域 930確定為用于從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種的目標(biāo)。局部化加熱可以有利地增加期望目標(biāo)層從一種形態(tài)被轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)的可能性，并且還可以減少送入器件100內(nèi)的總功率，由此降低對(duì)其造成損壞的可能性。在一個(gè)可選實(shí)施例中，加熱元件例如區(qū)域930可以包括一個(gè)或多個(gè)跳線，例如被設(shè)置用于向其分路電流的導(dǎo)電跡線。在這樣的實(shí)施例中，跳線替代了區(qū)域930以外的電熔絲910。跳線的厚度和/或?qū)挾群?或組成可以被選擇用于將跳線的電阻限制在會(huì)對(duì)跳線進(jìn)行明顯加熱的數(shù)值以下。跳線可以由非金屬化或金屬化的半導(dǎo)體構(gòu)成，例如硅、例如硅化的多晶硅或者適量的耐火金屬材料例如W、Ti、TiN、Ta或TaN。限制對(duì)跳線的加熱將會(huì)使得跳線任何的化學(xué)反應(yīng)或由此發(fā)出的外擴(kuò)散限制為可忽略的水平。在此，可忽略的反應(yīng)或擴(kuò)散是指不會(huì)從設(shè)計(jì)過程中得到對(duì)設(shè)備性質(zhì)不可接受的不利影響。跳線可以從側(cè)面(例如在與目標(biāo)區(qū)域相同的高度處)連接至待加熱區(qū)域(例如區(qū)域930)，或者可以被設(shè)置為高于或低于目標(biāo)區(qū)域并通過低阻連接(例如一個(gè)或多個(gè)觸點(diǎn)或通路)連接。圖10示出了干涉儀1010，非限制性地表示為Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)。干涉儀1010 接收輸入光學(xué)信號(hào)1020，該信號(hào)在第一路徑1030和第二路徑1040之間被分開。通過路徑 1030、1040的信號(hào)部分被重新組合以生成輸出信號(hào)1050。通常，輸出信號(hào)1050的強(qiáng)度和相位特性取決于傳輸通過路徑1030、1040的信號(hào)部分的相對(duì)相位延遲。依次通過每一條路徑 1030、1040的相位延遲部分地取決于構(gòu)成路徑1030、1040的介質(zhì)的折射率。根據(jù)本文中介紹的不同實(shí)施例，第一路徑1030中的分段1060可以從初始的第一折射率被改變?yōu)榈诙凵渎?。這種改變可以導(dǎo)致例如暴露于相干或高強(qiáng)光的結(jié)果。在一個(gè)實(shí)施例中，分段1060被從p-Si轉(zhuǎn)化為a-Si，由此減小了分段1060的折射率。第一路徑 1030的OPL因此被減小，相應(yīng)地就減小了加到傳播通過其中的輸入光學(xué)信號(hào)1020部分上的相位延遲。因此，輸出信號(hào)1050的相位和強(qiáng)度特性也將會(huì)改變。圖11示出了被設(shè)置為通過電力電熔絲結(jié)構(gòu)1120調(diào)節(jié)的干涉儀1110的一個(gè)實(shí)施例。干涉儀包括兩個(gè)未改變的電熔絲1120a。三個(gè)改變過的電熔絲1120b已經(jīng)被操作用于改變第一路徑1030中的分段1130的形態(tài)。例如，形態(tài)可以從晶體被改變?yōu)榉蔷?。如前所述，改變將改變輸出信?hào)1050的相位和強(qiáng)度特性。盡管本文中介紹的不同實(shí)施例包括了具有不同折射率的兩個(gè)區(qū)域，但是本公開的實(shí)施例并非局限于此。可以設(shè)想到的實(shí)施例包括那些具有三個(gè)或更多個(gè)不同折射率區(qū)域的情況。晶體、非晶或多晶區(qū)域可以被形成為具有確定用于為每一個(gè)區(qū)域提供所需平均折射率的厚度。因此，例如一個(gè)或多個(gè)區(qū)域可以被形成為具有的折射率是C-Si和a-Si的折射率的加權(quán)平均值。這些區(qū)域的折射率的加權(quán)可以由區(qū)域中C-Si和a-Si的相對(duì)比例確定。轉(zhuǎn)至圖12A-12，示出了通過控制半導(dǎo)體層1220各部分的形態(tài)以在基板1210上界定出光路的方法1200的實(shí)施例?！?976申請(qǐng)中介紹了更多的工藝信息。層1220是半導(dǎo)體的第一形態(tài)例如p-Si，而基板1210可以是例如氧化硅。圖12A示出了最初形成時(shí)在其中沒有界定出波導(dǎo)的層1220。圖12B示出了在層1220內(nèi)形成芯層區(qū)域1230。光源1240例如激光器在層1220 上掃描。強(qiáng)度、焦點(diǎn)、占空比和照射時(shí)間段可以被控制用于將層1220中的被照射部分轉(zhuǎn)化為構(gòu)成層1220的半導(dǎo)體第二種不同的同素異形體。因此，例如被照射部分可以被轉(zhuǎn)化為 a-Si。被照射部分由此就具有比未照射層1220更高的折射率。被照射部分因此即可用作波導(dǎo)的芯層區(qū)域1230，而附近的未改變區(qū)域1220則用作覆層區(qū)域。圖12D示出了通過隨后用光源1240照射來改變芯層區(qū)域1230。光源1240可以用被確定用于將芯層區(qū)域1230的被照射部分轉(zhuǎn)化為p-Si的強(qiáng)度、焦點(diǎn)、占空比和照射時(shí)間段進(jìn)行操作。因?yàn)閷?220也是p-Si，所以芯層區(qū)域1230的被照射部分就具有與層1220大體相同的折射率并停止用于限定光路1250。換句話說，芯層區(qū)域1230的被照射部分被實(shí)質(zhì)上清除。圖12E示出了額外照射層1220之后的芯層區(qū)域1230，由此形成了一部分新的芯層區(qū)域1230。芯層區(qū)域1230因此被改變或再加工為具有不同的路徑。這樣的在光子器件內(nèi)改變光路方向的能力提供了特有的和創(chuàng)造性的光子器件再加工能力，以用于例如定制功能、改正布局錯(cuò)誤或修復(fù)器件中被損壞的部分。圖13A-13C示出了光學(xué)器件1300的一個(gè)實(shí)施例，包括有形成在基板1310上的光路。首先考慮圖13A，在圖示的實(shí)施例中，半導(dǎo)體層1320被設(shè)置在基板1310上，并且介電層1330被可選地設(shè)置在兩者之間。半導(dǎo)體層1320具有初始折射率。介電層1340也被設(shè)置在半導(dǎo)體層1320上。在某些實(shí)施例中，優(yōu)選的可以在半導(dǎo)體層1320上設(shè)置氧化物層以保護(hù)半導(dǎo)體層1320以免在受熱引發(fā)形態(tài)改變時(shí)氧化。例如，半導(dǎo)體層1320可以用c-Si作為外延層，其中介電層1330是埋置的氧化物層。介電層1340可以是一層或多層互連的電介質(zhì)堆疊，或者可以是形成在半導(dǎo)體層1320上的具體用于保護(hù)半導(dǎo)體層1320的氧化物層。圖1 示出了通過將半導(dǎo)體層1320的一部分轉(zhuǎn)化為具有低于初始折射率的改變的折射率的形態(tài)而形成光路。光源1350加熱半導(dǎo)體層1320的一部分，由此將被加熱部分轉(zhuǎn)化為具有較低折射率的形態(tài)。如圖所示，已經(jīng)形成有一個(gè)覆層區(qū)域1360a，并且正在形成另一個(gè)覆層區(qū)域1360b。覆層區(qū)域1360a和1360b可以用于將光學(xué)信號(hào)限定在兩者之間的芯層區(qū)域。圖13C示出了在部分1360b已經(jīng)形成后的光學(xué)器件1300。部分1360a和1360b限定出芯層區(qū)域1370，其中可以通過用作覆層區(qū)域的折射率較低的1360a和1360b部分來引導(dǎo)光學(xué)信號(hào)1380。盡管已經(jīng)參照通常為復(fù)數(shù)折射率的實(shí)數(shù)部分η介紹了上述實(shí)施例，但是應(yīng)該注意到復(fù)數(shù)折射率的虛數(shù)部分或消光系數(shù)k通常對(duì)于特定半導(dǎo)體的不同形態(tài)也會(huì)有所不同。消光系數(shù)表示光學(xué)信號(hào)的損失部分。因此，光學(xué)信號(hào)在光路中的損失或衰減程度可以通過將一部分光路從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)而加以改變。改變由光路提供的衰減可以用至少兩種方式實(shí)施。在第一種方法中，將一部分光路例如芯層區(qū)域120(圖1)從具有第一消光系數(shù)kl的一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為具有不同的第二消光系數(shù)k2的另一種形態(tài)。在第二種方法中，改變了一部分半導(dǎo)體(例如靠近光路的覆層區(qū)域220b (圖幻，譬如波導(dǎo)210)。上述改變使得將光學(xué)信號(hào)限定在波導(dǎo)內(nèi)的程度發(fā)生了變化。 例如，如果波導(dǎo)210是c-Si而覆層區(qū)域220a、220b是p-Si，那么光學(xué)信號(hào)130將良好地限定在波導(dǎo)210內(nèi)。如果覆層區(qū)域220b的子部分被轉(zhuǎn)化為a-Si，那么子部分和波導(dǎo)210的折射率將只有約2%的差異(參見表I)。因此，光學(xué)信號(hào)130將被較差地限定，并且一部分信號(hào)將會(huì)損失在覆層區(qū)域220中。這第二種方法與第一種方法相比在某些情況下提供的優(yōu)點(diǎn)是，波導(dǎo)210波長相關(guān)的傳播特性的預(yù)期波動(dòng)要小于芯層區(qū)域120。本文中介紹的實(shí)施例并非本公開保護(hù)范圍內(nèi)光學(xué)元件和器件的實(shí)施例的窮舉。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到通過所述實(shí)施例說明的原理可以應(yīng)用于其他的半導(dǎo)體光子器件中。光學(xué)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模塊例如衰減器、波導(dǎo)和電光調(diào)制器可以通過將半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為更高或更低折射率的同素異形體或形態(tài)而構(gòu)成。具體而非限制性地，電光調(diào)制器將被實(shí)現(xiàn)為明顯地受益于利用同素異形或形態(tài)轉(zhuǎn)換來調(diào)節(jié)或改變其各個(gè)部分的能力，原因在于這樣的器件經(jīng)常要使用類似于Fabry-Perot微腔的精確調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工。所述領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到Fabry-Perot微腔的諧振波長以及因此微腔的透射率都強(qiáng)烈地依賴于腔室介質(zhì)的折射率。腔室的諧振頻率可以通過將一部分腔室從一種Si的同素異形體轉(zhuǎn)化為另一種而被調(diào)整為與特定波長的入射輻射相匹配。
轉(zhuǎn)至圖14，示出了通常標(biāo)記為1400的一種構(gòu)造光學(xué)器件的方法。在步驟1410，提供基板，基板具有設(shè)置在其上的半導(dǎo)體材料層。在此以及在權(quán)利要求中，“提供”是指器件、 基板、結(jié)構(gòu)元件等可以由實(shí)現(xiàn)所公開方法的個(gè)人或商業(yè)實(shí)體制造，或者因此從不同于個(gè)人或商業(yè)實(shí)體的來源獲得，包括另外的個(gè)人或商業(yè)實(shí)體。材料層可設(shè)置用于接收輸入光學(xué)信號(hào)，并且包括具有第一類型形態(tài)的半導(dǎo)體材料區(qū)域。在步驟1420，半導(dǎo)體材料區(qū)域被轉(zhuǎn)化為不同于第一類型的第二類型形態(tài)。轉(zhuǎn)化例如可以通過用電磁輻射照射或者電加熱完成。轉(zhuǎn)化改變了包括所述區(qū)域的光路的傳播特性。如本文中的各個(gè)實(shí)施例所述，形態(tài)的轉(zhuǎn)化可以相對(duì)于波導(dǎo)芯層區(qū)域中或者是相對(duì)于靠近芯層區(qū)域的波導(dǎo)覆層區(qū)域中的一部分半導(dǎo)體材料進(jìn)行。本申請(qǐng)所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到可以對(duì)所述實(shí)施例進(jìn)行其他和更多的增加、刪除、替換和改變。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包括 基板；位于所述基板上的光路，所述光路包括半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層包括波導(dǎo)芯層區(qū)域，所述芯層區(qū)域具有第一半導(dǎo)體區(qū)域，所述第一半導(dǎo)體區(qū)域具有第一類型形態(tài)和第一折射率， 所述第一半導(dǎo)體區(qū)域鄰近所述半導(dǎo)體層的第二半導(dǎo)體區(qū)域，所述第二半導(dǎo)體區(qū)域具有第二類型形態(tài)和不同于所述第一折射率的不同的第二折射率。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述第一半導(dǎo)體區(qū)域具有第一同素異形狀態(tài)， 并且所述第二半導(dǎo)體區(qū)域具有不同于所述第一同素異形狀態(tài)的第二同素異形狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述第一類型形態(tài)是非晶并且所述第二類型形態(tài)是多晶。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述波導(dǎo)芯層區(qū)域是諧振光路的一部分。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，進(jìn)一步包括被設(shè)置用于加熱所述波導(dǎo)芯層區(qū)域的加熱元件。
6.一種形成光學(xué)器件的方法，包括提供基板，所述基板具有位于其上的、能夠設(shè)置用于接收輸入光學(xué)信號(hào)的半導(dǎo)體材料層，所述半導(dǎo)體材料層包括具有第一類型形態(tài)的所述半導(dǎo)體材料的區(qū)域；將所述區(qū)域轉(zhuǎn)化為不同于所述第一類型的第二類型形態(tài)，由此改變包括所述區(qū)域的光路的傳播特性。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一類型形態(tài)是所述半導(dǎo)體材料的第一同素異形體，并且所述第二類型形態(tài)是所述半導(dǎo)體材料的不同于所述第一同素異形體的第二同素異形體。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一類型形態(tài)是非晶并且所述第二類型形態(tài)是多晶。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述區(qū)域位于波導(dǎo)環(huán)的光路中。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)化是光照所述區(qū)域的結(jié)果。
全文摘要
一種光學(xué)器件包括基板和位于基板上的半導(dǎo)體層。光路包括半導(dǎo)體層，半導(dǎo)體層進(jìn)一步包括波導(dǎo)芯層區(qū)域。芯層區(qū)域具有第一半導(dǎo)體區(qū)域，第一半導(dǎo)體區(qū)域具有第一類型形態(tài)和第一折射率。第一半導(dǎo)體區(qū)域位于半導(dǎo)體層的第二半導(dǎo)體區(qū)域附近，第二半導(dǎo)體區(qū)域具有第二類型形態(tài)和不同于第一折射率的第二折射率。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102375178SQ20111021894
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者J·卡戈, J·德盧卡 申請(qǐng)人:Lsi公司