平滑波导结构和制造方法技术

本公开涉及平滑波导结构和制造方法。在被实现在绝缘体上半导体衬底中的集成光学结构(例如，硅‑氮化硅模式转换器)中，其侧壁基本上由与晶面一致的部分组成并且未横向延伸超过线波导的顶表面的线波导在性能和/或制造需要方面提供益处。这种线波导可以通过以下被制造：例如使用将半导体器件层向下干式蚀刻到绝缘体层以形成具有暴露侧壁的线波导，跟随有平滑结晶湿式蚀刻。

Smooth waveguide structure and fabrication method

The present disclosure relates to a smooth waveguide structure and a manufacturing method. In integrated optical structures (e.g., silicon nitride mode converters) implemented in insulator semiconductor substrates, the sidewalls of these waveguides are essentially composed of components consistent with the crystal plane and do not extend transversely beyond the top surface of the line waveguide to provide benefits in terms of performance and/or manufacturing requirements. Such waveguides can be fabricated by, for example, dry etching of the semiconductor device layer down to the insulator layer to form a line waveguide with an exposed sidewall followed by a smooth crystalline wet etching.

【技术实现步骤摘要】
平滑波导结构和制造方法
本公开涉及集成光学结构以及用于制造集成光学结构的方法。一些实施例特别地涉及光模转换器。
技术介绍
许多光子集成电路(PIC)包括将不同的器件层之间的光从一个波导传送到另一个波导的模式转换器。例如，以其他方式被实现在硅中的PIC可以在PIC的(一个或多个)输入和/或(一个或多个)输出处利用基于氮化硅的光栅耦合器，因为其可以跨比基于硅的耦合器更宽的温度范围进行操作。在这种情况下，模式转换器用于将光从硅器件层中的硅波导耦合到被布置在硅波导上面并且耦合到氮化硅光栅耦合器的氮化硅波导中(或者反之亦然)。在耦合区域中，硅波导被向下渐小到小截面。在锥形的大部分之上，光因此高度限于小截面面积，其使光对任何表面粗糙度更灵敏。利用传统制造技术实现的相对高表面粗糙度倾向于导致来自锥形的该部分的对应高散射损耗。高散射损耗进而有助于用于器件的较高的插入损耗，并且散射光的反向散射部分有助于较高的回损。
技术实现思路
在此公开了导致具有用于例如在低损耗模式转换器中使用的平滑侧壁的波导的半导体结构和制造方法。根据各个实施例，通过将绝缘体上半导体衬底的半导体器件层(例如，绝缘体上硅(SOI)衬底的硅器件层)向下蚀刻到绝缘体(例如，氧化硅)层所创建的半导体线波导通过附加的结晶蚀刻而被平滑，其导致与线波导的结晶平面一致的平滑侧壁部分。结晶平滑蚀刻可以被固定在衬底的绝缘体层与被布置在半导体器件层之上的蚀刻掩模层之间，其将截面三角形底切形成为线波导，其中侧壁部分从波导的顶表面和底表面的边缘向内延伸以在中间水平面处相接。在形状方面粗略地类似于“沙漏”的线波导的对应的截面中，(对应于中间平面处的“腰部”的)最小宽度小于线波导的顶表面处的宽度(在此还被称为“定义宽度”)，其是经由在线波导形成蚀刻中所使用的蚀刻掩模化的光刻图案化而定义的宽度。有益地，该形状减少波导的截面面积，与具有基本上直垂直侧壁的相同定义宽度的波导相比(其中“基本上”允许与完美地垂直侧壁的小制造偏差，例如具有多达5°的角度)，这允许较小的截面被实现，而不需要较小的图案化特征。由于任何给定半导体制造过程(常常还被称为“过程节点”或者“技术节点”)由其能够实现的最小可图案化特征来限制，并且由于制造成本通常随着较小的特征大小显著地增加，因此在未减少定义宽度的情况下减少波导的截面的能力能够需要其中小波导截面是期望的应用中的成本节省。这样的应用包括例如模式转换器，其中(例如，由硅制成的)线波导的小截面可以用于将线波导的有效折射率与由具有较低的折射率的材料(诸如例如氮化硅)制成的第二波导的有效折射率进行匹配。重要地，由于减少的散射损耗和改进的相位相干性，与平滑波导侧壁同时地实现小波导截面改进器件性能。依赖于好的相位相干性的应用包括例如有限脉冲响应(FIR)滤波器，其包括具有其之间的固定和确定性相位偏移的两个或两个以上波导。在一个方面中，本公开提供了一种集成光学结构，其包括绝缘体上半导体衬底，其包括半导体器件层和被形成在半导体器件层中的线波导。线波导可以在宽度方面被渐小。线波导具有顶表面和侧壁，并且沿着其长度的至少一部分，侧壁未横向延伸(这意味着沿着由波导截面与衬底的平面的交叉所定义的方向)超过线波导的顶表面(对应于定义宽度的)，并且基本上由与线波导的结晶平面一致的侧壁部分组成。(在该上下文中，术语“基本上”允许侧壁部分之间或者侧壁部分与不必与结晶平面一致的波导的顶表面或者底表面之间的小过渡区。这样的过渡区(如果确实存在的话)总计达总体侧壁区域的仅小部分(例如，小于1％))。侧壁部分可以沿着线波导的长度的至少部分包括以相对于线波导的顶表面的锐角(即，小于90°的角度)从线波导的顶边缘延伸的一个或多个平面上部以及以相对于线波导的底表面的锐角从线波导的底边缘延伸的一个或多个平面下部，上部和下部在线波导的中间水平面处相接。多平面上部和下部可以沿着波导的长度发生(例如，作为在宽度方面减小的波导的结果)。与结晶平面一致的个体侧壁部分可以各自是原子级平滑的。波导壁的表面粗糙度(例如，在根均方粗糙度方面所测量的，其是表面位置的标准偏差)可以是亚纳米，这提供在标准操作波长处的光学平滑的侧壁(其大约一微米)。在一个实施例中，线波导沿着具有小于0.5μm的宽度的波导的至少部分具有跨操作波长范围(例如，从1200nm到1400nm的范围)的小于-40dB/mm的回损。集成光学结构还可以包括被形成在线波导之上并且平行于线波导的半导体器件层中的脊形波导，并且脊形波导可以在沿着脊形波导的长度(或者轴)的与线波导相同方向上在宽度和/或高度方面被渐小。此外，在渐小的线波导的窄端处，由不同的材料制成的第二波导可以被布置在线波导上面或者下面(可选地利用线波导与第二波导之间的覆盖层)，线波导和第二波导一起形成波导模式转换器。在各个实施例中，线波导材料的折射率大于第二波导的材料的折射率。例如，线波导可以由硅制成，并且第二波导由氮化硅制成。在另一方面中，可以提供一种包括光模转换器的PIC。光模转换器可以包括由第一材料制成并且朝向一端渐小的第一波导以及由第二材料制成的第二波导，第二波导在渐小端处被布置在第一波导上面或者下面，第一材料的折射率大于第二材料的折射率。第一波导是具有顶表面和侧壁的线波导，侧壁沿着线波导的长度的至少部分未横向延伸超过线波导的顶表面并且基本上由与线波导的结晶平面一致的侧壁部分组成。线波导可以被形成在绝缘体上硅衬底的硅器件层中，并且第二波导可以被形成在被布置在硅器件层上面的氮化硅层中(硅和氮化硅层可选地由覆盖层分离)。PIC还可以包括耦合到第二波导的氮化硅光栅耦合器以及耦合到线波导的一个或多个硅器件。在又一方面中，本公开涉及一种制造集成光学结构的方法。方法包含在绝缘体上半导体衬底的半导体器件层上面创建线波导蚀刻掩模，将掩模化的半导体器件层向下干式蚀刻到衬底的绝缘体层以形成具有暴露侧壁的半导体线波导，并且结晶地湿式蚀刻半导体线波导以使暴露侧壁平滑，蚀刻被固定在衬底的绝缘体层与线波导掩模之间。对于结晶湿式蚀刻而言，可以使用具有至少20的蚀刻速率比的各向异性蚀刻剂。蚀刻剂可以例如包括四甲基氢氧化铵。方法还可以包括在创建线波导蚀刻掩模之前，在半导体器件层上面创建脊形波导蚀刻掩模并且部分地蚀刻半导体器件层以形成半导体脊形波导，其中半导体线波导被形成至少部分在脊形波导下面运行。脊形波导蚀刻掩模和线波导蚀刻掩模可以二者被渐小以便导致半导体脊形波导和半导体线波导在共同方向上的渐小。在一些实施例中，半导体脊形波导被垂直地向下减小到消失。半导体器件层和半导体线波导可以由硅制成，并且氮化硅波导还可以被创建在硅线波导上面，将氮化硅层沉积在顶硅层上面，并且图案化和蚀刻氮化硅层。附图说明特别地，当结合附图理解时，将从各个示例实施例的以下详细描述更容易地理解前述内容，其中：图1A是根据各个实施例的被实现在绝缘体上半导体衬底中的示例线波导的示意性横截面图。图1B是图1A的线波导的放大详细视图。图2A示出了硅晶体晶格的单位晶胞。图2B图示了根据各个实施例的示例(100)SOI晶圆的俯视图中的各个晶体方向。图2C图示了根据各个实施例的在[110]方向上定向的示例线波导的横截面图中的各个晶体方向。图3A和图3B分别地是根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成光学结构，包括：绝缘体上半导体衬底，其包括半导体器件层；以及线波导，其被形成在所述半导体器件层中，所述线波导具有顶表面和侧壁，其中所述侧壁沿着所述线波导的长度的至少部分未横向延伸超过所述线波导的所述顶表面，并且所述侧壁基本上由与所述线波导的晶面一致的侧壁部分组成。

【技术特征摘要】
2017.08.29 US 15/689,2961.一种集成光学结构，包括：绝缘体上半导体衬底，其包括半导体器件层；以及线波导，其被形成在所述半导体器件层中，所述线波导具有顶表面和侧壁，其中所述侧壁沿着所述线波导的长度的至少部分未横向延伸超过所述线波导的所述顶表面，并且所述侧壁基本上由与所述线波导的晶面一致的侧壁部分组成。2.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述侧壁部分沿着所述线波导的所述长度的至少所述部分包括一个或多个基本上平面上部以及一个或多个基本上平面下部，所述一个或多个基本上平面上部以相对于所述线波导的所述顶表面的锐角从所述线波导的顶边缘延伸，所述一个或多个基本上平面下部以相对于所述线波导的底表面的锐角从所述线波导的底边缘延伸，所述上部和所述下部在所述线波导的中间水平面处相接。3.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述侧壁具有亚纳米表面粗糙度。4.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述衬底是绝缘体上硅衬底。5.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中所述线波导在宽度方面被渐小。6.根据权利要求5所述的集成光学结构，还包括脊形波导，所述脊形波导被形成在所述线波导之上并且平行于所述线波导的所述半导体器件层中，所述脊形波导沿着所述脊形波导的长度在与所述线波导相同的方向上在宽度和高度中的至少一个方面被渐小。7.根据权利要求5所述的集成光学结构，还包括被布置在渐小的所述线波导上面或者下面、至少在渐小的所述线波导的窄端处的第二波导，所述第二波导由与所述线波导不同的材料制成，所述线波导和所述第二波导一起形成波导模式转换器。8.根据权利要求7所述的集成光学结构，其中所述线波导的材料的折射率大于所述第二波导的所述材料的折射率。9.根据权利要求8所述的集成光学结构，其中所述线波导由硅制成，并且所述第二波导由氮化硅制成。10.根据权利要求1所述的集成光学结构，其中沿着所述线波导的、具有小于0.5μm的宽度的一部分，回损跨操作波长范围小于-40dB/mm。11.一种光子集成电路(PIC)，包括：光模转换器...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·费沙利，J·哈钦森，J·鲍特斯，
申请(专利权)人：瞻博网络公司，
类型：发明
国别省市：美国,US