电子/光子集成电路架构及其制造方法技术

一种装置(100)包含无源光子层(130p)，所述无源光子层(130p)位于衬底(110)上方且包含至少一个无源光子元件(150)，所述至少一个无源光子元件(150)经配置以在其中传播光学信号。位于所述衬底(110)与所述无源光子层(130p)之间的电子层(120)包含至少一个电子装置(122，123，126)，所述至少一个电子装置(122，123，126)经配置以在其中传播电信号。位于所述无源光子层(130p)上方的有源光子层(130a)包含有源光子装置(160)，所述有源光子装置(160)光学地耦合到所述无源光子元件(150)且经配置以在所述电信号与所述光学信号之间转换。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电子/光子集成电路架构及其制造方法
本申请案一般来说涉及一种集成电路(IC)且，更具体来说，涉及电子/光子IC架构及其制造方法。
技术介绍
此章节介绍可有助于促进对本专利技术的较好理解的方面。因此，应照此来阅读此章节的陈述，且不应将此章节的陈述理解为承认含于现有技术中的内容或未含于现有技术中的内容。光学组件及电子装置有时集成在单个装置中。此类集成装置通常限于例如波导及电-光调制器等光学组件，且经配置以光学地耦合到与所述装置分离定位的激光。
技术实现思路
一个方面提供一种装置，其包含无源光子层，所述无源光子层位于衬底上方且包含至少一个无源光子元件，所述至少一个无源光子元件经配置以在其中传播光学信号。位于所述衬底与所述无源光子层之间的电子层包含至少一个电子装置，所述至少一个电子装置经配置以在其中传播电信号。位于所述无源光子层上方的有源光子层包含有源光子装置，所述有源光子装置光学地耦合到所述无源光子元件且经配置以在所述电信号与所述光学信号之间转换。另一方面提供一种方法，所述方法包含在装置衬底上方形成无源光子层。所述无源光子层包含至少一个无源光子元件，所述至少一个无源光子元件经配置以在其中传播光学信号。形成位于所述装置衬底与所述无源光子层之间的电子层，其中所述电子层包含至少一个电子装置，所述至少一个电子装置经配置以在其中传播电信号。形成位于所述无源光子层上方的有源光子层。所述有源光子层包含有源光子装置，所述有源光子装置光学地耦合到所述无源光子元件且经配置以在所述电信号与所述光学信号之间转换。附图说明现在参考结合随附图式进行的以下描述，其中：图1示意性地说明根据一个实施例的集成光子-电子装置100的剖面图，所述集成光子-电子装置100包含有源光子装置160、无源光学元件150、光学过渡元件180、电子装置层120及光子装置层130；图2A到2I说明根据一个实施例的形成装置100中的步骤；图3说明根据一个实施例的在处置晶片上的包含有源光子装置层的子组合件的形成，所述有源光子装置层稍后接合到部分形成的光子-电子装置100；图4A和4B说明一实施例，其中省略了图1的光子装置中的过渡元件180且有源光子装置160经配置以增加到无源光学元件150的直接光学耦合；图5A到5G示意性地说明通过形成包含过渡元件180及无源光学元件150的子组合件500且将子组合件500接合到部分形成的装置100进行的光子-电子装置100的形成；以及图6A到6F示意性地说明通过形成包含具有位于介电层上方的结晶半导体层的SOI衬底的子组合件600进行的光子-电子装置100的形成。具体实施方式越来越需要将电子(例如，CMOS)与有源(例如，供电的)光子电路集成在单个集成光子-电子电路上。此集成可通过(例如)减少与常规系统解决方案的封装相关联的许多寄生效应来进行光子-电子系统的可能的显著性能改进，且还可减小装置占据面积、功率消耗及制造成本。本专利技术提供及描述用以将以半导体(例如，硅)为基础的电子装置、无源光子装置及以III-V为基础的有源光子元件聚集在单个衬底上方从而允许在晶片尺度上单片集成这些组件的集成方案。此集成允许在半导体制造工具箱上制造集成光子-电子装置，从而提供规模经济及高产量以显著地减小成本且增大此类装置的市场渗透。虽然在过去已探索光子-电子集成的一些方面，但每一做法已遭受致使所述做法不适于大尺度集成及/或实际装置的缺陷。举例来说，将非晶硅波导与集成电子装置集成的尝试已遭受光学波导中的过度损失，从而限制装置的大小及/或需要光学中继器放大经衰减的光学信号。此外，在形成集成电子装置之后对热预算的限制会约束光学波导材料的形成，光学波导材料的形成可能需要高处理温度以实现较好光学性质，例如较低损失。本专利技术的实施例通过使电子与光子装置的处理解耦、使用结构特征以改进光学特征之间的耦合或前述两者来实现光子与电子电路的集成。在一些实施例中，特征的新颖布置提供充分光学耦合及低损失以实现实际光子-电子电路。本文所描述的实施例可包含以硅为基础的CMOS电子装置、无源光子电路(例如，互连光学波导、分裂器、滤波器及多路复用器/多路分用器)，及有源光子元件(例如，激光、光学放大器、调制器及检测器)。有源光学元件可包括以III-V化合物半导体为基础的材料。这些装置可包含在共同半导体衬底上与以硅为基础的电子装置集成的激光、放大器、调制器等等。转向图1，以剖面图示意性地说明装置100，例如集成光子-电子装置。装置100包含衬底110，下文所描述的各种结构位于衬底110上。在一些实施例中，衬底110为例如硅、锗或GaAs等半导体衬底。除非本文另有陈述，否则当描述半导体材料时，所述材料可包含半导体的经掺杂或本征形式。在一些其它实施例中，衬底110为例如石英或蓝宝石等介电材料。在一些实施例中，衬底为绝缘体上半导体衬底，例如绝缘体上硅(SOI)。无关于材料类型，在各种实施例中，优选地，衬底110为适于在半导体制造工具中大量生产的较大衬底的部分。此形式可为(例如)150毫米、200毫米或300毫米直径的晶片。电子装置层120位于衬底110上方。电子装置层120包含可用于常规集成电子电路中的各种元件，例如，例如晶体管122等有源电子装置；例如接点、导通孔及互连件124等无源电子元件；及各种扩散势垒及介电层126。可通过电子装置层120(例如，驱动器、电放大器及数字信号处理)来提供各种电功能。所属领域的技术人员熟悉制造此类装置的方法。集成光子装置层130在电子装置层120上方。光子装置层130包含包层140、无源光子层130p及有源光子层130a。包层140包括具有适于支持波导及与包层140接触的其它光子元件中的光学信号传播模式的折射率的介电介质，例如氧化硅(硅石)。无源光子层130p及有源光子层130a各自包含包覆介质及光学导引介质，如下文所描述。包层140以及光子层130a及130p还可包含与其光学作用不相关的层，例如势垒层、终止蚀刻层及其类似者。无源光子层130p包含无源光学元件150。元件150在本文被称作“无源的”，这是因为其不会在电域与光学域之间转换。元件150可包含各种特征，例如(例如)用以控制(例如)在热-光学移相器或热-光学开关中的光学路径长度且仍被视为被动的电极。无源光学元件150表示任何数目个波导结构或形成于光子装置层130的相同层的其它无源光子元件。举例来说，光子装置层130可包含(但不限于)波导150、分裂器、滤波器及多路复用器/多路分用器的多个实例。为了此描述的简单起见，无源光学元件在本文中可被称作(但不限于)介电波导150。介电波导150及任何此类其它无源光子元件具有比包层140的折射率大的折射率，使得光学信号被限制在介电波导150周围且在其中传播。举例来说，介电波导150可由氮化硅、氮氧化硅或经掺杂以具有比未经掺杂硅石的折射率大的折射率的硅石形成。包层155位于邻近于介电波导150处。包层155可为折射率小于介电波导150的折射率的介电材料。下文更详细地论述此方面。有源光子层130a位于无源光子层130p上方。层130a包含有源光子装置160。有源光子装置160可(例如)产生、放大、调制或检测光学信号。导通孔结构170将有源光子装置160导电地耦合到电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，其包括：衬底；无源光子层，其位于所述衬底上方且包含至少一个无源光子元件，所述至少一个无源光子元件经配置以在其中传播光学信号；电子层，其位于所述衬底与所述无源光子层之间且包含至少一个电子装置，所述至少一个电子装置经配置以在其中传播电信号；有源光子层，其位于所述无源光子层上方且包含有源光子装置，所述有源光子装置光学地耦合到所述无源光子元件且经配置以在所述电信号与所述光学信号之间转换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.15 US 13/326,5831.一种装置，其包括：衬底；无源光子层，其位于所述衬底上方且包含至少一个以硅为基础的介电无源光子元件，所述至少一个无源光子元件经配置以在其中传播光学信号；电子层，其位于所述衬底与所述无源光子层之间且包含至少一个电子装置，所述至少一个电子装置经配置以在其中传播电信号；及有源光子层，其位于所述无源光子层上方且包含以III-V为基础的有源光子装置，所述有源光子装置光学地耦合到所述以硅为基础的介电无源光子元件且经配置以在所述电信号与所述光学信号之间转换，并且其中以III-V为基础的有源光子装置至少部分地位于所述以硅为基础的介电无源光子元件的上方，或至少部分地位于以硅为基础的半导体光学过渡元件的上方，所述以硅为基础的半导体光学过渡元件与所述以硅为基础的介电无源光子元件重叠。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述有源光子层包含激光，所述激光经配置以响应于所述电信号而产生所述光学信号。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述有源光子层包含二极管，所述二极管经配置以响应于所述光学信号而产生所述电信号。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述以III-V为基础的有源光子装置包含调制器，所述调制器经配置以响应于所述电信号而调制所述光学信号。5.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括导通孔结构，所述导通孔结构经定位以在所述以III-V为基础的有源光子装置与所述电子装置之间传导所述电信号。6.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括以硅为基础的半导体光学过渡元件，所述以硅为基础的半导体光学过渡元件光学地耦合于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，彼得罗·贝尔纳斯科尼，董甫，章力明，陈扬凯，
申请(专利权)人：阿尔卡特朗讯，
类型：发明
国别省市：法国;FR