標(biāo)準(zhǔn)制造工藝的光調(diào)制器的制造方法
【專利說明】標(biāo)準(zhǔn)制造工藝的光調(diào)制器
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù)35 U.S.C.§119(e)要求2013年6月12日提交的名稱為〃Depletion-Mode Carrier-Plasma Optical Modulator In Zero-Change Advanced CMOS" 的美國(guó)臨時(shí) 申請(qǐng)No.61/834,362的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)全文(包括附圖）通過引用并入本文。
[0003] 政府支持
[0004] 本發(fā)明至少部分地利用美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA)授予的合同號(hào) W911NF-10-1-0412和HR0011-11-C-0100的政府支持完成的。政府在本發(fā)明中具有某些權(quán) 利。
【背景技術(shù)】
[0005] 硅光子學(xué)可以用于促進(jìn)能量高效的光子連接和互連，其可以在互補(bǔ)金屬氧化物半 導(dǎo)體(CMOS)的連續(xù)縮放和計(jì)算能力中發(fā)揮作用。為與CMOS技術(shù)(包括CPU和DRAM)相容，娃光 子學(xué)應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)有技術(shù)的CMOS工藝相容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明人理解設(shè)計(jì)可以使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)或其它類型的半導(dǎo) 體制造技術(shù)構(gòu)建的光子器件的益處。根據(jù)本文描述的原理的光子器件可以配置為例如零變 化先進(jìn)CMOS (zero-change advanced CMOS)中的被動(dòng)光子器件或零變化先進(jìn)工藝中的主動(dòng) 光子器件。主動(dòng)光子器件的非限制性實(shí)例包括調(diào)制器和檢測(cè)器。
[0007] 有鑒于此，本文描述的各種實(shí)例一般地涉及用于使用半導(dǎo)體制造設(shè)備制造光子器 件的系統(tǒng)、裝置和方法。根據(jù)本文描述的原理的示例光子器件可以配置為耗盡模式調(diào)制器 (depletion-mode modulator)。不例光子器件可以在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中制造。
[0008] 本文描述的各種示例系統(tǒng)、裝置和方法一般地涉及包括光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)的示例光 調(diào)制器。該光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)非線性部分，該至少一個(gè)非線性部分包含至少一 個(gè)徑向結(jié)區(qū)(radial junction region)。至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)在分別具有不同電子電導(dǎo)特性 的至少第一和第二材料之間形成。至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)的主軸沿至少一個(gè)非線性部分的曲率 半徑定向。光調(diào)制器包括與光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)非線性部分耦合的光波導(dǎo)。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)可以具有沿主軸的鋸齒構(gòu)造。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)非線性部分由至少包括分別具有不同摻雜特性的第一 區(qū)域和第二區(qū)域的半導(dǎo)體材料形成，其中至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)布置于第一區(qū)域和第二區(qū)域之 間的交叉處。在一個(gè)方面中，不同摻雜特性包括不同類型的摻雜劑和至少一種摻雜劑的不 同濃度中的至少一種。在一個(gè)方面中，至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)可以是p-n結(jié)區(qū)、p-i-n結(jié)區(qū)、p+-n 結(jié)區(qū)、P+-P結(jié)區(qū)、P+-P_n+結(jié)區(qū)、p+-p_n-n+結(jié)區(qū)、金屬氧化物半導(dǎo)體電容器結(jié)構(gòu)、金屬-絕緣 體-金屬結(jié)區(qū)和肖特基結(jié)中的至少一種。
[0011]示例光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)可以具有基本上圓形的構(gòu)造，其中光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)包含具有 光學(xué)限制（optical confinement)的微環(huán)諧振器，所述光學(xué)限制由微環(huán)諧振器的外徑處的 階躍折射率邊界(step index boundary)提供。
[0012] 在一個(gè)方面中，微環(huán)諧振器的尺寸可以使得僅與微環(huán)諧振器的內(nèi)腔的一階模式耦 合。
[0013] 在一個(gè)方面中，微環(huán)諧振器的內(nèi)腔邊界可以包含多個(gè)獨(dú)立觸點(diǎn)。在根據(jù)這一方面 的一個(gè)實(shí)施例中，微環(huán)諧振器的環(huán)的寬度可以足夠?qū)捯燥@著地降低由于微環(huán)諧振器的光模 (optical mode)與多個(gè)獨(dú)立觸點(diǎn)的相互作用導(dǎo)致的光損失。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)可以包括繞微環(huán)諧振器的一部分分布的交替 的橫向p-n結(jié)。
[0015] 微環(huán)諧振器的內(nèi)腔邊界可以包括多個(gè)獨(dú)立觸點(diǎn)，且其中多個(gè)獨(dú)立觸點(diǎn)與p-n結(jié)電 連通。
[0016] 第一光波導(dǎo)可以包括輸入端口和通過端口（through port)，輸入端口配置為接收 輸入信號(hào)。
[0017] 光調(diào)制器的至少一部分的尺寸可以使得，當(dāng)輸入信號(hào)存在于輸入端口處時(shí)，p-n結(jié) 的兩個(gè)偏置態(tài)之間的耗盡寬度(depletion width)的變化提供光學(xué)諧振頻率偏移以調(diào)節(jié)通 過端口處的電磁福射輸出。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一光波導(dǎo)和光學(xué)諧振器之間的耦合相互作用排除光學(xué)諧振器 中高階模式的激發(fā)，所述高階模式的存在是由于光學(xué)諧振器的微環(huán)諧振器的環(huán)寬度。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中，第二光波導(dǎo)可以與光調(diào)制器以相位匹配構(gòu)型耦合以用作光調(diào)制 器的通過端口或下行端口（drop port)。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施例中，第二光波導(dǎo)可以作為耦合器與光調(diào)制器以非相位匹配構(gòu)型耦合 以用作下行端口，且其尺寸可以使得僅接收來自光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)內(nèi)腔的一階模式的電磁輻 射。
[0021] 至少一個(gè)非線性部分可以由半導(dǎo)體材料形成，且其中半導(dǎo)體材料是硅、非晶硅、多 晶硅、III-V半導(dǎo)體材料、鍺、石墨烯或這些半導(dǎo)體材料的兩種或更多種的任意組合中的至 少一種。
[0022] 本文描述的各種示例系統(tǒng)、裝置和方法一般地涉及包括多個(gè)光調(diào)制器的示例波分 復(fù)用系統(tǒng)，各光調(diào)制器與通過總線波導(dǎo)（through bus waveguide)親合并對(duì)準(zhǔn)指定的諧振 波長(zhǎng)。多個(gè)光調(diào)制器的至少一個(gè)光調(diào)制器包括光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)，其包含至少一個(gè)非線性部 分，該至少一個(gè)非線性部分包含至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)。至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)形成在分別具有不 同的電子電導(dǎo)特性的至少第一和第二材料之間。至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)的主軸沿至少一個(gè)非線 性部分的曲率半徑定向。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施例中，各光調(diào)制器的微環(huán)諧振器的一部分被摻雜以降低電阻，使得施 加于微環(huán)諧振器的光諧振腔的一部分的電流產(chǎn)生用于熱調(diào)諧光諧振腔的光諧振的焦耳加 熱。
[0024] 本文描述的各種示例系統(tǒng)、裝置和方法一般地涉及使用半導(dǎo)體制造設(shè)備基于所述 半導(dǎo)體制造設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(design rule check)形成的示例光調(diào)制器裝置。光調(diào)制 器裝置包括光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)，其包含至少一個(gè)非線性部分。至少一個(gè)非線性部分包含至少 一個(gè)徑向結(jié)區(qū)。至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)在分別具有不同的電子電導(dǎo)特性的至少第一和第二材料 之間形成，且至少一個(gè)徑向結(jié)區(qū)的主軸沿至少一個(gè)非線性部分的曲率半徑定向。示例光調(diào) 制器裝置還包括接近于光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)布置的晶體管層。
[0025]示例光調(diào)制器裝置可以包括布置在晶體管層的一部分中的微環(huán)諧振器。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)諧振器顯示出由微環(huán)諧振器的外徑處的階躍折射率邊界提 供的光學(xué)限制。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施例中，微環(huán)諧振器的內(nèi)腔邊界可以包括多個(gè)獨(dú)立觸點(diǎn)。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施例中，通過金屬和/或通過通道層(via layer)對(duì)多個(gè)獨(dú)立觸點(diǎn)中的每 一個(gè)形成電接觸。
[0029] 在一個(gè)實(shí)施例中，微環(huán)諧振器的一部分被摻雜以降低電阻，從而允許電流通過內(nèi) 腔以產(chǎn)生足以用于熱調(diào)諧內(nèi)腔的光諧振的焦耳加熱。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施例中，靠近光調(diào)制器的一部分晶體管體硅或者SOI CMOS晶體管制造工 藝中存在的一部分金屬或沉積硅用于產(chǎn)生焦耳加熱。
[0031] 在一個(gè)實(shí)施例中，微環(huán)諧振器的環(huán)寬度足夠?qū)捯栽试S充分低的由于光模與多個(gè)獨(dú) 立觸點(diǎn)的相互作用導(dǎo)致的光損失。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施例中，光調(diào)制器裝置包括接近于微環(huán)諧振器的內(nèi)腔的一部分布置的微 加熱器。
[0033] 在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體制造設(shè)備可以是0.35μηι互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制 造設(shè)備、0.25μπι CMOS制造設(shè)備、0.18μπι CMOS制造設(shè)備、0.13μπι CMOS制造設(shè)備、65nm CMOS 制造設(shè)備、45nm CMOS制造設(shè)備、32nm CMOS制造設(shè)備、22nm CMOS制造設(shè)備、65nm絕緣體上硅 (S0I)制造設(shè)備、45nm S0I制造設(shè)備、32nm S0I制造設(shè)備、22nm S0I制造設(shè)備、14nm FinFET 制造設(shè)備、22nm FinFET制造設(shè)備或III-V半導(dǎo)體制造設(shè)備。
[0034]應(yīng)當(dāng)理解，前述概念和下面更詳細(xì)地討論的其它概念(條件是這些概念不相互矛 盾)的所有組合設(shè)想是本文公開的本發(fā)明主題的部分。特別地，在本公開末尾出現(xiàn)的所要求 主題的所有組合設(shè)想是本文描述的本發(fā)明主題的部分。也應(yīng)當(dāng)理解，本文中明確采用的術(shù) 語(其也可能出現(xiàn)在通過引用并入的任何公開中）應(yīng)當(dāng)符合與本文中公開的特定概念最一 致的含義。
【附圖說明】
[0035] 本專利或申請(qǐng)包含至少一個(gè)彩色繪制的圖形。本專利或?qū)＠暾?qǐng)公開的帶彩圖的 拷貝在提出要求和支付必要費(fèi)用后由專利局提供。
[0036] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，附圖主要用于圖示說明的目的而不旨在限制本文描述 的本發(fā)明主題的范圍。附圖不必然是按比例的；在一些情況下，本文公開的本發(fā)明主題的各 個(gè)方面可以在圖中擴(kuò)展地或放大地顯示以幫助理解不同的特征。在附圖中，類似的參考字 符一般指類似的特征(例如，功能上相似和/或結(jié)構(gòu)上相似的元件）。
[0037]圖1A-1B顯示按照本文描述的原理的示例光學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)的一部分。
[0038]圖1C-1E顯示按照本文描述的原理的調(diào)制器的實(shí)例。
[0039]圖2A顯示按照本文描述的原理的示例集成調(diào)制器的布局。
[0040]圖2B顯示按照本文描述的原理的示例集成調(diào)制器的觸點(diǎn)和橫向結(jié)（lateral junction)的示例細(xì)節(jié)。
[0041]圖2C顯示按照本文描述的原理的示例集成調(diào)制器的頂視圖，示出了中心加熱器。
[0042] 圖2D顯示按照本文描述的原理的示例集成調(diào)制器的放大視圖。
[0043] 圖3A顯示按照本文描述的原理的光傳輸譜響應(yīng)（optical transmission spectral response)的實(shí)例。
[0044] 圖3B顯示按照本文描述的原理的示例裝置的電流-電壓（I-V)曲線的實(shí)例。
[0045]圖3C顯示按照本文描述的原理，DC偏置電壓下的諧振光學(xué)響應(yīng)（resonant optical response)的實(shí)例。
[0046] 圖3D顯示按照本文描述的原理，計(jì)算的截面模式分布（cross-sectional