电光器件制造技术

本发明专利技术涉及电光器件，包括‑具有正面和背面的半导体衬底；‑布置在半导体衬底的正面上的至少一个光子组件，该光子组件包括由非线性光学材料构成的有源层；其中‑至少一个腔，延伸穿过半导体衬底，并且将半导体衬底的正面上的有源层与半导体衬底的背面连接。

Electro-optic Devices

【技术实现步骤摘要】
电光器件
本专利技术涉及电光器件以及制造电光器件的方法。
技术介绍
一般而言，本说明书的意义中的电光器件是包括集成在半导体衬底上的电学组件和光子组件的器件。US8081851B2描述了包括与电子组件一起集成在常用硅衬底上的电光调制器的电光器件。高折射率对比的波导组件是基于通过施加电压或者通过压印电流快速改变光波导的传输性质。在US8081851B2中所公开的波导由用低折射率的围绕材料包围的高折射率的波导芯构成，该波导至少按区域具有电光性质。通过将电压施加到完整或部分光学透明的电极，产生具有以与其相互作用的光学模式强烈重叠的电场，因此改变了波导的传输性质。这样，应当实现具有小开关电压的快速电光调制器。诸如在US8081851B2中公开的电光调制器使用从标准CMOS制造已知的微电子的制造方法来典型地集成。然而，由于微电子的制造技术中许多非线性光学材料对于工艺条件的灵敏度，将这样的敏感材料集成在电光器件仍是挑战。这阻碍了在电光器件中使用受欢迎的非线性光学材料的道路，例如该电光器件允许特别地实现调制速率并且由此在传输数据时的高比特率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供改进的电光器件。根据本专利技术的第一方面，提供根据权利要求1的电光器件。根据本专利技术的第一方面，电光器件包括-具有正面和背面的半导体衬底；-布置在半导体衬底的正面上的至少一个光子组件，该光子组件包括由非线性光学材料构成的有源层；其中-至少一个腔延伸穿过半导体衬底，并且将半导体衬底的正面上的有源层与半导体衬底的背面连接。根据本专利技术的第一方面的电光器件包括延伸穿过半导体衬底的腔。腔将布置在半导体衬底的正面上的至少有源层与半导体衬底的背面连接。本专利技术的器件构思是基于已知的非线性光学材料对于微电子的制造技术中的典型的处理条件敏感的认知，该典型的处理条件包括侵略性气体氛围和高处理温度。特别地，这严重限制了在非线性光学材料的顶部上逐层制造微电子器件结构的可能性。本专利技术的器件构思允许通过提供所描述的腔体，在任何期望的时间制造由非线性光学材料构成的有源层，与半导体衬底的正面上的器件结构制造的约束无关。特别地，考虑到电光器件的所提出的结构，非线性光学材料可以是在微电子正面器件结构的制造之后(例如通过使用CMOS处理)从背面引入，这因此避免了将非线性光学材料暴露于侵略性的处理条件。事实上，在器件制造的工艺期间，可以在所选择的时间进行将非线性光学材料插入到腔中并且因此制造具有非线性光学材料的光子组件的有源层。因此，特别地，非线性光学材料是适合地从半导体衬底的背面穿过腔可插入的材料，以形成有源层。这样，本专利技术的电光器件中，电子组件还可以布置在光子组件上方的正面上，如下面将通过若干实施例示出。最终，因此所提出的器件构思允许使用现有技术不允许在半导体光子学的已知器件构思中集成的非线性光学材料，该半导体光子学的已知器件构思在不同级别上包含例如具有集成光子、电光、光电和电子组件的复杂器件结构。在下文中，将描述本专利技术的第一方面的电光器件的实施例。如提到的，光子组件包括由非线性光学材料构成的有源层。在优选的实施例中，非线性光学材料是有机材料。有些有机材料还展示出允许彼此独立地操纵相位和振幅的电光性质。与基于硅的光学调制器相比，有机材料展示出更高的调制速率和更小的电带宽，并且由此允许在传输数据时实现特别高的比特率。通过使用有机材料实现特别高的稳健性，归因于施加电场足以改变折射率而不会引入电荷载流子传输的事实。因此，形式为热能的电能的耗散不会发生，这是目前数据传输系统的高能消耗的主要原因。然而，在本专利技术的器件构思的框架内，使用无机材料(除了硅)作为非线性光学材料也是可能的。材料选择相对于制造问题仅受限制于以下需求：制造期间将非线性光学材料插入到腔中的工艺步骤必须不会需要可能负面影响了已经出现在这个处理步骤处的器件结构的处理条件。这将在下面本专利技术的工艺方面的上下文中进一步更详细讨论。关于器件应用，优选的是，非线性光学材料具有用于展示出强空间电子限制的光子组件的有源层的电子系统，该强空间电子限制是有利于大的光学非线性的性质。特别优选的电光器件中，非线性光学材料展示出电光效应。简而言之，电光效应可以描述为响应于非线性光学材料中的出现的施加电场的材料的光学性质的变化。然而，其它实施例的非线性光学材料不能用于提供电光效应。由诸如波混频、二次或三次谐波生成的非线性光学材料提供的其它效应还可以用于电光器件中。可以采用甚至更高阶的(即四阶或更高的)非线性光学效应。本文中所用的术语电光器件因此不会隐含：必须在器件的操作中使用电光效应。它仅指代将电子组件和光学组件集成在半导体衬底上的集成器件。可以形成有源层的合适的非线性光学材料是，例如优选为晶体形式的聚二乙炔，并且优选地沿着行进光波的电场矢量的极化方向与其聚合物链的一维共轭电子系统的轴线对准。可以使用的其它非线性光学材料是共轭偶氮苯聚合物。原则上，还可以使用另外短的共轭低聚物和相应的发色团，例如贝塔胡萝卜素、低聚亚烷基亚乙烯基、低聚氰化物、以及如低聚烯烃或梯型聚对苯撑的更稳定的梯型聚合物。在优先的实施例中，非线性光学材料是有机材料或无机材料，其展示了二阶或三阶的非线性光学效应。例如，非线性光学材料是聚合物或无定形碳/金刚石碳。另外可以施加聚合物和由例如碳片构成的无定形碳的混合物。另一种选择是使用复合材料，该复合材料由用合适的浓度的一维导电的或半导的纳米域填充的透明介电基质构成，该一维导电的或半导的纳米域在一些变型中还有利地展示出有源层中电子系统的空间限制。一些这类的非线性光学材料形成包含隔离的量子点的复合物。用于导电的或半导的纳米域中的合适材料的其它示例是金、银、钨、铝、金属或半导的纳米线，也由彼此直接接触的对准的纳米点形成。基质材料可以是介电聚合物、例如二氧化硅的玻璃或各种介电氧化物、或者例如铪氧化物的其它合适的氧化物。非线性光学材料还可以由无机材料构成。合适的示例是类似硫化物、磷酸盐或硝酸盐的盐。在使用无机材料的情况下，具有最高线性和超极化率的晶轴应该在充足的程度上与用于通过电光调制器调制光载波信号的电场的极化方向对准。非线性光学材料的其它示例是有机-无机混合材料(诸如由包含共轭和/或芳香族和/或杂环部分的有机双磷酸形成的双磷酸多层，其用期望的宏观性质组合在与像是氯化氧锆或氯氧化钛稳定的多层结构的合适的反应物反应之后形成。应该注意的是，在本专利技术的第一方面的电光器件的上下文中不需要必须将腔用非线性光学材料完整填充。当在一些实施例中，腔当然用非线性光学材料完整地填充，具有腔的其它实施例仅用非线性光学材料部分地填充。在实施例的后者组中，由非线性光学材料的部分填充的程度可以考虑到特别应用情况的需求进行选择并且例如可以经受制造工艺的边界条件。其中实现足够精确的工艺控制，非线性材料可以受限于光子组件的有源层，并且完全不会延伸到腔中。本专利技术的优点是，在提供非线性光学材料中这样的精确的制造控制不是对光子组件的制造的需求。万一将比实际上用于提供有源层所需更多的材料插入到腔中，不需要其它处理来移除这样的附加材料，只要腔的体积足够容纳这样的附加材料。优选地，半导体衬底由硅构成。这开启了使用确立的工业微电子处理技术制造电光器件的可能性。在根据第一方面的电光器件的优选实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电光器件(10)，包括：‑具有正面(14)和背面(16)的半导体衬底(12)；‑布置在所述半导体衬底(12)的正面(14)上的至少一个光子组件(18)，所述光子组件(18)包括由非线性光学材料构成的有源层(20)；其中‑至少一个腔(22)延伸穿过所述半导体衬底(12)，并且将所述半导体衬底(12)的正面(14)上的所述有源层(20)与所述半导体衬底(12)的背面(16)连接。

【技术特征摘要】
2017.12.29 EP 17211169.2;2018.03.16 EP 18162310.91.一种电光器件(10)，包括：-具有正面(14)和背面(16)的半导体衬底(12)；-布置在所述半导体衬底(12)的正面(14)上的至少一个光子组件(18)，所述光子组件(18)包括由非线性光学材料构成的有源层(20)；其中-至少一个腔(22)延伸穿过所述半导体衬底(12)，并且将所述半导体衬底(12)的正面(14)上的所述有源层(20)与所述半导体衬底(12)的背面(16)连接。2.根据权利要求1所述的电光器件，包括-距所述半导体衬底的正面第一距离处的光子器件平面上的所述光子组件，以及-互连堆叠体，所述互连堆叠体布置在所述半导体衬底的正面上并且包括所述互连堆叠体内相应级别处的至少两个金属平面上的导体道，所述互连堆叠体距所述半导体衬底的正面的距离比所述第一距离更大，其中-所述金属平面中的不同平面上的所述导体道由相应的介电材料层彼此分离开，并且其中-一个或多个导电通孔连接布置在所述金属平面中的不同平面上的所述导体道中的至少两个。3.根据权利要求2所述的电光器件，其中所述光子平面上的所述光子组件的有源层被介电材料覆盖，所述介电材料与所述非线性光学材料不同并且布置在距所述半导体表面比所述互连堆叠体的金属平面的最底层距所述半导体表面更小的距离处，并且由所述导电通孔中的至少一个横穿。4.根据前述权利要求中的至少一项所述的电光器件，还包括在所述半导体衬底的背面上用于将所述至少一个腔从环境氛围密封的背面封装。5.根据权利要求4所述的电光器件，其中所述背面封装是接合到所述半导体衬底的封装晶片。6.根据前述权利要求中的至少一项所述的电光器件，其中所述非线性光学材料是有机材料或无机材料，其展示了二阶或三阶的非线性光学效应。7.根据权利要求2所述的电光器件，其中所述光子组件是电光调制器，其中-所述有源层的非线性光学材料展示了对施加到所述非线性光学材料的电场的非线性光学响应，并且将所述非线性光学材料光学地连接以接收光载波信号，并且其中-所述电光调制器包括经由所述互连堆叠体电连接的场电极，以接收时间相关的电调制输入信号并且布置为取决于所述电调制输入信号在所述有源层中产生电场，并且其中-所述有源层，根据其非线性光学响...

【专利技术属性】
技术研发人员：P斯特格利希，A梅，C梅，S施拉德，
申请(专利权)人：IHP有限责任公司莱布尼茨创新微电子研究所，维尔道技术大学，
类型：发明
国别省市：德国,DE