张应变半导体光子发射和检测装置和集成的光子学系统制造方法及图纸

提供了张应变锗，其被充分张应变，以提供近乎直接带隙材料或完全直接带隙材料。与锗区域接触的承受压应力或拉伸应力的应力源材料在锗区域中引起单轴或双轴张应变。应力源材料可以包括氮化硅或硅锗。所产生的应变锗结构可被用于发射或检测光子，包括例如在谐振腔中产生光子以提供出激光器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及光学系统，其包括半导体发光装置或半导体光探测器。更具体地讲，本专利技术涉及在有源区域(active region)中采用了具有应变的第四族半导体材料的半导体发光或检测装置。
技术介绍
人们总是感兴趣在光子学系统中使用第四族半导体材料，因为这样的系统容易制造，并且容易将第四族光子学器件与电路集成在一起。硅、锗和它们的合金是光子学系统中最常被考虑的第四族半导体。例如，最感兴趣的是从硅发射的或位于硅中的光。硅和锗呈现有间接带隙，在整个成分范围内它们的合金也是这样。传统上它们并不是用于光发射的高·效材料，因为直接光跃迁中涉及的导带未被占据，因此，在不额外地导致产生其它性质例如晶格震荡或不纯的情况下，就基本上没有可以重新组合并且直接产生光子的电子空穴对。一种将光子功能与硅基ULSI芯片例如多核处理器或前沿存储器集成在一起的低成本措施为现代计算技术打开了意义深远的结构改变和性能改进的大门。这些光子功能的一个被建议的应用是代替现代ULSI芯片中的一些芯片内铜互连，例如用于从一个CPU内核向另一 CPU内核导通数据，其中两个内核位于相同的物理硅芯片上。与此同时，一种现实的第四族光子学解决方案在制造更传统的光子系统时能够提供极好的成本节约益处。将光子学与已有的CMOS工艺流程相组合的主要途径包括下列在拓扑学上截然不同的选项i)先于晶体管制造光学部件；ii)在晶体管集成之后制造光学部件，也就是在金属互连层之前、之中或直接之后利用第四族半导体制造可光通的层(optically-enabled layer),所述第四族半导体可通过各种机构之一被附连于ULSI芯片。连接机构可包括晶圆接合，彼此前后相继地共同封装若干裸晶，以将它们引线接合或通过封装体中的特征连接，以及堆叠裸晶并连接它们，例如利用硅通孔(TSV)。利用单独的光层使得能够将晶体管和ULSI电互连制造中遇到的制造方面的挑战和关键集成步骤与光层所需的这些分开。另一方面，有利的是芯片上发射光，以避免在其它情况下需要解决的耦合和对正问题。当第四族半导体在光层中被用作光学活性的光发射材料时，芯片上光发射非常具有挑战性。据文献记载，在硅中利用喇曼效应进行光发射以将具有特定波长的外部供应光转化为不同波长的光。利用喇曼效应的光发射是一种低效率工艺。光学系统或光层典型地具有若干功能部件。光层通常包括光源，或许具有集成带宽滤波器，以便从宽频谱波长进行选择，也就是被使用的光的“颜色”。光源可以是发射相干光的激光器或发光二极管。光源既可以直接调制，例如，通过调制流经光源的电流，类似于将灯泡开和关(高和低)，也可以通过位于光源之外的单独的部件调制“光束”上的信息，也就是说，利用调制器。外部调制器在现有技术中是已知的，包括环形调制器和Mach-Zehnder调制器。光层通常包括至少一个波导，其能够以连续波的形式或以调制形式、也就是作为信号从一个点至另一点导通光。波导性能方面的考虑包括衰减，每单位长度光的损失程度，例如，由于光散射或由于光被吸收到波导或相邻材料中。另一重要性能优势是波导能够将被引导的光转向另一方向的能力，其转弯半径很小，又没有明显的光损失。紧凑的转弯半径可被实现，例如，通过使用高约束波导，其中波导的折射率显著高于周围体积中的值，从而光波强度大部分被承载于波导体积中。转弯半径和波导外光强度的消散波尾部(evanescent tail)的泄露之间的相互影响是设计环形调制器或导通开关中的一项重要参数。紧凑的转弯还可以借助于反射镜而便于实现，其中入射光方向和反射镜表面法向之间的角度基本上与出射光方向和反射镜法向之间的角度相同。还有一个方面是波导维持给定光偏振的程度。光层通常包括导通或开关元件，其从入射波导接收光，并且从多个出射波导选择一个或若干将要携带出射光的波导。反射镜可被认为是一种具有一个入射波导和一个出射波导的导通元件。这些元件的其它例子包括阵列分布的波导耦合器，多模式 干涉耦合器和环形耦合器。光层通常包括检测器，其精确且以高速度测量入射光的强度。检测器常常是反向偏压的光电二极管。对于将被检测的光的波长而言，光电二极管的响应率以及外部和内部量子效率应当优选高些。它们的速度常受限于RC值，即检测器电容(结电容和寄生电容)与通向反向偏压结的导体的电阻值和电容之间的产物。利用RC值可测量检测器结处产生的电荷载体传输在电检测器终端可检测到的电流的时间，也就是检测器的外部速度。光层通常包括驱动电子器件，它们位于相同光层或分开的层中，例如，位于CMOS芯片中，其中光子学层提供一部分互连。未来的数据传输带宽的各种需求，例如，服务器场轨架之间，从一个电路板至另一电路板，从处理器至电路板或至存储器，将持续增长成若干Tbps的数据带宽范围。用于光源、调制器甚至检测器的当前光学部件不能以这些频率操作。更具体地讲，将信息置于承载光束上的能力，要么通过直接调制光源，要么借助于调制器，目前还没有超过几十Gbps的频率。因此，需要有将多重光束(等价于多个总线)用于并行传输数据的措施来实现Tbps系统带宽。如果携带信息的光束具有不同波长，多载体信号可通过单一的波导和耦合器被传输。这样的方案称作波分复用(WDM)，在电信领域是众所周知的。利用相同或类似波长的多个点至点连接可以设想出来，并且波导甚至可以彼此交叉，因为光束彼此之间不会相互作用。希望在单一的光层中建立这样一种WDM系统或点至点连接的网络，以降低成本。若干在光层中产生光的方法是已知的。一个方法是混合型激光器，其通过使在硅波导中引导的一些光能到达或延伸到光学活性InP基多重量子阱材料中而获得光放大，其中光放大是通过在直接带隙InP基材料电泵浦光学活性跃迁而实现的。另一现有技术方法利用了锗的直接带隙的减小，这是通过锗的双轴应变实现的。应变发生是因为锗和基板之间热膨胀系数失配，其中锗在一个工艺步骤中以升高的温度沉积在基板上。随着温度降低，锗在很小长度上发生双轴张应变，典型地小于0.3%。在这种情况下，应变不够强，因而不能将锗充分转化为直接带隙材料，并且从导带至锗的价带的能量最小跃迁持续保持为光学上不允许的跃迁(也就是说，是间接的并且涉及另一准粒子例如声子或晶格振动)。由于掺杂了非常强的η型发光装置有源区域，间接带跃迁的优势被抵消，从而位于最低位置的导带谷的状态越来越密集。在向η+区域中高级别地电喷射载体的情况下，载流子(电子)从禁止光跃迁的导带谷(间接带隙)溢出到能量略高的允许光跃迁的导带谷(直接带隙)。禁止跃迁变得饱和，并且载流子溢出到更为有效的直接带隙跃迁状态。在光被产生于芯片上，也就是产生于光层中的情况下，光层可使用均质材料或异质材料系统。在均质材料系统中，光在对于系统的所有部件例如光源、波导、调制器、开关或检测器而言在化学上基本相同的材料中被发射和检测。在异质材料系统中，光在化学上不同于波导或检测器材料的材料中被发射。
技术实现思路
本专利技术的一个方面是提供一种光学装置，其具有与多个应力源区域接触的锗区域。多个应力源区域在锗区域中引起张应变。锗区域至少一部分中的张应变足以导致锗区域的一部分中具有直接带隙。结定位于锗区域中或相邻的部分中，所述结具有第一多数载流子型的第一侧和第二多数载流子型的第二侧。第一和第二触头分别耦合到结的第一侧和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学装置，包括：第一和第二锗区域，所述第一锗区域与第一应力源相接触从而所述第一锗区域至少在所述第一锗区域的第一部分中具有双轴张应变，所述第二锗区域与第二应力源相接触从而所述第二锗区域至少在所述第二锗区域的第二部分中具有双轴张应变；光学元件，其限定出穿过所述第一和第二锗区域的光学路径；定位在所述第一锗区域的第一部分内或附近的结，所述结具有第一多数载流子型的第一侧和第二多数载流子型的第二侧；以及第一和第二触头，分别耦合到所述结的第一侧和所述结的第二侧。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：P·A·克利夫顿，A·格贝尔，R·S·盖恩斯，
申请(专利权)人：阿科恩科技公司，
类型：发明
国别省市：