具有波导的集成光电子器件和系统以及其制造方法技术方案

提供了一种具有波导的集成光电子器件和系统以及其制造方法。集成电子器件由第一表面和第二表面界定，并且包括：由半导体材料制成的本体，在本体内部形成在探测器和发射器之间选择的至少一个光电子部件；以及光学路径，该光学路径至少部分地为引导类型的并且在第一表面和第二表面之间延伸，光学路径穿过本体。光电子部件通过光学路径光学耦合到自由空间的第一部分和自由空间的第二部分，该自由空间的第一部分和第二部分被分别布置在第一表面上方和第二表面下方。

【技术实现步骤摘要】
具有波导的集成光电子器件和系统以及其制造方法优先权声明本申请是2013年7月2日提交的共同拥有、共同未决的第13/933858号美国专利申请的部分继续申请，其要求2012年7月2日提交的第TO2012A000583号意大利专利申请的优先权；所有上述申请通过引用方式将其整体并入于此。
本公开涉及具有波导的集成光电子器件以及其制造方法。
技术介绍
众所周知，如今有许多设计为借助于电磁辐射与其它器件通信的可用器件，这种器件在本文中总体上称为“光电子器件”。例如，通过引用方式将其整体并入于此的第7,352,066号美国专利描述了包括光电子发射器、无电子电路的层(被称为“中介层”)以及水平波导的结构。具体而言，中介层被布置在光电子发射器和水平波导之间。此外在中介层内形成穿通孔洞(throughhole)，还称为过孔，其起竖直波导的作用。在使用中，由光电子发射器发射的电磁辐射首先耦合到竖直波导并且随后耦合到水平波导。从水平波导输出的电磁辐射接着可以例如由设置有光电探测器的其它器件接收，从而获得了光学电路，通过该光学电路可以光学地传输数据。由此，在第7,352,066号美国专利中所描述的结构使光电子发射器能够耦合到在与光电子发射器的发射方向垂直的方向上定向的波导。然而，该结构不能获得三维(3D)系统，在该三维系统中，两个或者更多集成电子器件被布置在彼此的顶部上并且光学通信。而通过引用方式将其整体并入于此的第6,090,636号美国专利描述了包括半导体材料的第一基板的器件，在该基板内形成两个功能电子电路。此外在第一基板内形成光学过孔，该光学过孔完全穿过第一基板。形成在第二基板中的光学发送器键合在第一基板的顶部上，该第二基板由与形成第一基板的半导体材料不同的半导体材料制成。形成在第三基板中的光学接收器键合在第一基板下方，该第三基板由与形成第一基板的半导体材料不同的半导体材料制成。因此，光学发送器和光学接收器都未与两个功能电子电路集成。由此，在第6,090,636号美国专利中描述的器件形成了由不多于两个光电子器件和不多于三个基板形成的三维系统。因此，在第6,090,636号美国专利中描述的器件不能形成基于光学通信并且包括更多器件的三维系统。
技术实现思路
本公开的实施例提供将至少部分克服现有技术缺点的光电子器件。附图说明为了更好地理解本公开，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本专利技术的优选实施例，其中：图1、图2、图4、图6至图10、图13至图16、图18以及图21至图24、图29、图30、图31a、图34、图35是本光电子器件的实施例的截面图的示意性图示；图3示出沿着图2中所示的截面线III-III所取的图2所示的实施例的截面图；图5是图4中图示的实施例的部分的截面图的示意性图示；图11是本光电子器件的另一实施例的部分的顶视图的示意性图示；图12、图32以及图33是本光电子器件的实施例的部分的截面图的示意性图示；图17示出本光电子器件的另一实施例的部分的透视图；图19a至图19c是本光电子器件的实施例的部分的截面图的示意性图示；图20示出沿图19a中所示的截面线XX-XX所取的图19a图示的部分的顶视图；图25在原理层面上示出包括两个光电子器件的光电子系统的框图；图26a至图26h示出同一实施例在连续制造方法步骤期间的截面图；图27a至图27l示出同一实施例在连续制造方法步骤期间的截面图；图28a至图28h示出同一实施例在连续制造方法步骤期间的截面图。图31b示出图31a所示的实施例的部分的具有移除部分的俯视平面图的示意性图示；并且图36示出本光电子器件的另一实施例的部分的具有移除部分的俯视平面图的示意性图示。具体实施方式图1示出了第一光电子器件1，该第一光电子器件在顶部和底部分别由顶表面和底表面界定。第一光电子器件1包括形成底表面的半导体材料本体2，以及布置在半导体本体2的顶部上并且形成顶表面的顶部区域4。以已知方式，半导体本体2包括半导体材料的基板40(图2)，并且可能包括一个或者多个外延层(未图示)。此外，顶部区域4包括可能被布置在多个层面(level)上并且通过过孔连接的一个或者多个金属化(metallization)(未图示)，以及一个或者多个电介质层(未图示)。更具体地，半导体本体2在顶部处由中间表面界定；而且，半导体本体2在底部处由底表面界定。第一光电子器件1具有穿通光学过孔8，即穿通类型的孔洞，在该孔洞内可以出现电磁辐射的引导传播。穿通光学过孔8在顶表面S1和底表面S2之间延伸，并且因此穿过顶部区域4和半导体本体2两者。穿通光学过孔8完全被由对操作波长λ透明的材料制成的芯10填充。仅通过示例的方式，穿通光学过孔8可以具有圆形形状(在顶视图中)。穿通光学过孔8穿过顶部区域4的部分涂覆有第一涂覆层12，该第一涂覆层因此涂覆芯10的对应顶部部分11a，该第一涂覆层与该顶部部分直接接触。而且第一涂覆层12与顶部区域4直接接触。如图1所示，第一涂覆层12可以在顶表面S1和中间表面S3之间延伸。穿通光学过孔8穿过半导体本体2的部分被部分地涂覆有第二涂覆层14，该涂覆层因此涂覆芯10的对应底部部分11b，该第二涂覆层与该底部部分直接接触。而且第二涂覆层14与半导体本体2直接接触，但是与第一涂覆层12物理分离，使得芯10包括即未被第一涂覆层12涂覆又未被第二涂覆层14涂覆的部分，该部分被布置在顶部部分11a和底部部分11b之间，并且在下文中该部分将称为“非涂覆部分”11c(图2)。由例如同一材料形成第一涂覆层12和第二涂覆层14，该材料具有如下折射率：使得第一涂覆层12和第二涂覆层14与芯10的顶部部分11a和底部部分11b一起分别形成第一竖直波导22和第二竖直波导24，在波导内电磁辐射的引导传播可以在操作波长λ处出现。换句话说，假设将在操作波长λ处的辐射耦合到第一竖直波导22并且耦合到第二竖直波导24，在下文中将被称为“光学信号”的该辐射在第一竖直波导22和第二竖直波导24内以所谓的引导方式传播，从而经历全反射现象。为此目的，如果将形成芯10的材料的折射率指定为n1并且将形成第一涂覆层12和第二涂覆层14的材料的折射率指定为n2，则有n1>n2。仅通过示例的方式，半导体本体2可以由单晶硅制成，对于红外波长(即，近似在1.1微米和1.6微米之间)，单晶硅具有近似等于3.5的折射率并且呈现出大约近似0.1dB/cm的泄漏。在任何情形下，可以采用不同的半导体材料。具体而言，根据操作波长λ做出对形成芯10的材料的选择。再次仅通过示例的方式，对于红外区域内的波长，芯10不仅可以由单晶硅形成，还可以由多晶硅或者非晶硅形成，或者还可以由诸如所谓的SU-8之类的聚合物形成。再次通过示例的方式，在可见光和红外区域内的波长的情形下，芯10可以由氧化铝Al2O3或者氮氧化硅SiON，或者还可以由诸如所谓的SU-8之类的聚合物制成。仅通过示例的方式，对于红外区域内的波长，第一涂覆层12和第二涂覆层14可以由二氧化硅SiO2、或者氧化铝Al2O3、或者氮氧化硅SiON制成。再次通过示例的方式，对于可见光波长和红外波长，第一涂覆层12和第二涂覆层14可以由二氧化硅SiO2制成。在半导体本体2内形成光电子部件。具体而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成光电子器件，由第一表面和第二表面界定，并且包括：半导体材料的本体，在所述本体内部形成来自探测器和发射器的至少第一光电子部件；以及光学路径，所述光学路径至少部分地是引导类型的并且在所述第一表面和所述第二表面之间延伸，所述光学路径穿过所述本体；其中所述第一光电子部件通过所述光学路径光学耦合到自由空间的第一部分以及自由空间的第二部分，所述自由空间的第一部分和第二部分分别被布置在所述第一表面上方和所述第二表面下方。

【技术特征摘要】
2013.12.31 US 14/145,8071.一种集成光电子器件，由第一表面和第二表面界定，并且包括：半导体材料的本体，在所述本体内部形成至少第一光电子部件，所述第一光电子部件选自探测器和发射器；以及光学路径，所述光学路径至少部分地是引导类型的并且在所述第一表面和所述第二表面之间延伸，所述光学路径穿过所述本体；其中所述第一光电子部件通过所述光学路径光学耦合到自由空间的第一部分以及自由空间的第二部分，所述自由空间的第一部分和第二部分分别被布置在所述第一表面上方和所述第二表面下方，其中所述第一光电子部件包括光学分束器，其中所述光学分束器由电光材料制成。2.根据权利要求1所述的集成光电子器件，还包括布置在所述本体的顶部上并且形成所述第一表面的顶部区域，所述本体由所述第二表面以及主表面界定，所述主表面被布置在所述第一表面和所述第二表面之间；以及其中所述光学路径由第一限制区域以及第二限制区域形成，所述第一限制区域从所述第一表面开始在所述顶部区域内延伸，所述第二限制区域从所述第二表面开始在所述本体内延伸；以及其中所述第一限制区域由第一侧向区域侧向包围，所述第一侧向区域具有小于所述第一限制区域的折射率的折射率，使得所述第一限制区域和所述第一侧向区域形成第一耦合波导；以及其中所述第二限制区域由第二侧向区域侧向包围，所述第二侧向区域具有小于所述第二限制区域的折射率的折射率，使得所述第二限制区域和所述第二侧向区域形成第二耦合波导。3.根据权利要求2所述的集成光电子器件，还包括第一涂覆层，所述第一涂覆层侧向包围所述第一限制区域并且形成所述第一侧向区域。4.根据权利要求2所述的集成光电子器件，还包括第二涂覆层，所述第二涂覆层侧向包围所述第二限制区域并且形成所述第二侧向区域。5.根据权利要求2所述的集成光电子器件，其中所述第一和第二限制区域在所述第一表面和所述第二表面之间延伸。6.根据权利要求5所述的集成光电子器件，还包括插入在所述第一和第二限制区域之间的干涉滤波器。7.根据权利要求5所述的集成光电子器件，还包括插入在所述第一和第二限制区域之间的电光滤波器。8.根据权利要求5所述的集成光电子器件，包括形成所述第一和第二限制区域的芯。9.根据权利要求8所述的集成光电子器件，其中所述第一和第二限制区域被布置在彼此的顶部上；以及其中所述第一和第二侧向区域被布置在彼此的顶部上并且与彼此分离，使得所述芯包括布置在所述第一限制区域和所述第二限制区域之间的非涂覆区域；以及其中所述第一光电子部件被光学耦合到所述非涂覆区域。10.根据权利要求9所述的集成光电子器件，其中所述第一光电子部件由半导体材料的第一区域和第二区域形成，所述第一区域和所述第二区域具有不同的导电类型并且通过界面表面分离，所述界面表面与所述芯的所述非涂覆区域直接接触。11.根据权利要求2所述的集成光电子器件，其中所述第一和第二限制区域被布置在彼此的顶部上；以及其中所述第一光电子部件被布置在所述第一和第二限制区域之间。12.根据权利要求8所述的集成光电子器件，还包括横向于所述芯延伸、与所述芯直接接触并且在顶部和底部处由第三侧向区域包围的第一横向通道，所述第三侧向区域具有小于所述第一横向通道的折射率的折射率，使得所述第一横向通道和所述第三侧向区域形成第一横向波导，所述第一横向波导被光学耦合到所述第一和第二耦合波导。13.根据权利要求12所述的集成光电子器件，还包括第一光学分束器，设计为将所述第一横向波导光学耦合到所述第一和第二耦合波导之中的至少一个。14.根据权利要求13所述的集成光电子器件，其中所述第一和第二耦合波导平行于第一方向延伸，以及其中所述第一横向波导平行于第二方向延伸；以及其中所述第一光学分束器包括第一层状元件，所述第一层状元件布置在所述芯内横向于所述第一方向和所述第二方向并且具有小于所述芯的折射率的折射率。15.根据权利要求14所述的集成光电子器件，还包括横向于所述芯延伸并且在顶部和底部处由第四侧向区域包围的第二横向通道，所述第二横向通道的折射率大于所述第四侧向区域的折射率，使得所述第二横向通道和所述第四侧向区域形成第二横向波导。16.根据权利要求15所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件使所述第一限制区域与所述第二限制区域分离，并且使所述第一横向通道与所述第二横向通道分离，所述第一层状元件还被设计为以便于将光学信号二者择一地耦合到所述第一横向波导或者所述第二横向波导，在所述光学信号从所述第一表面开始在所述第一耦合波导中传播的情形下，将所述光学信号耦合到所述第一横向波导，或者在所述光学信号从所述第二表面开始在所述第二耦合波导中传播的情形下，将所述光学信号耦合到所述第二横向波导。17.根据权利要求16所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件由氧化物制成。18.根据权利要求16所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件由半导体制成。19.根据权利要求16所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件由聚合物制成。20.根据权利要求16所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件由超材料制成。21.根据权利要求16所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件由金属薄膜制成。22.根据权利要求16所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件由线性或者非线性电光材料制成。23.根据权利要求16所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件由空气制成。24.根据权利要求16所述的集成光电子器件，其中所述第一层状元件由流体制成。25.根据权利要求17-24中任一项所述的集成光电子器件，其中所述氧化物、半导体、聚合物、超材料、金属薄膜、线性或者非线性电光材料为均匀的。26.根据权利要求17-24中任一项所述的集成光电子器件，其中所述氧化物、半导体、聚合物、超材料、金属薄膜、线性或者非线性电光材料为图案化的。27.根据权利要求17-24中任一项所述的集成光电子器件，其中所述氧化物、半导体、聚合物、超材料、金属薄膜、线性或者非线性电光材料为纳米结构的。28.根据权利要求22所述的集成光电子器件，其中所述线性或者非线性电光材料在电学或者电磁学或者热学上可控制、为半导体或者聚合物或者超材料。29.根据权利要求21所述的集成光电子器件，其中所述金属薄膜在电学上可控制。30.根据权利要求15所述的集成光电子器件，其中所述第二横向波导平行于所述第二方向延伸，以及其中所述第一光学分束器包括被布置为与所述第一层状元件关于平行于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·帕加尼，A·莫塔，S·洛伊，G·基亚雷蒂，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT