具有加热器的集成光电器件制造技术

本公开的各实施例涉及具有加热器的集成光电器件。公开了集成光电器件的结构以及制造和操作方法，其促进直接加热二极管或波导结构以调节器件的温度，同时允许电触点靠近器件放置以减小电阻。实施例尤其包括异质电吸收调制器，异质电吸收调制器包括放置在形成于SOI基板的器件层中的波导上方的化合物半导体二极管结构。

【技术实现步骤摘要】
具有加热器的集成光电器件
本公开总体涉及具有用于有源温度稳定的加热器的集成光电器件。一些实施例尤其涉及在硅光子平台中实现的异质电吸收器件。
技术介绍
电信应用中的强度调制通常利用电吸收调制器(EAM)来实现，其提供小尺寸和低功率并且可以以高速进行操作。EAM通常基于Franz-Keldysh效应操作，即，经由由施加的电场所引起的带隙能量的变化来改变半导体的吸收光谱。集成EAM通常被构造为垂直二极管台面，其在顶部上具有用于一个极性的电触点，并且在台面的一侧或两侧上具有用于另一极性的电触点；在两侧上都有电触点降低了器件的串联电阻，这对高速调制器是重要的。在许多实现中，二极管台面的本征型层包括量子阱结构，以利用量子限制斯塔克效应来获得高消光比。诸如Franz-Keldysh效应和量子限制斯塔克效应之类的带边效应具有强烈的温度和波长依赖性。因此，通常希望将使用这些效应的器件(诸如EAM)的操作温度保持在比环境温度更窄的范围内。在各种光子电路设计中，利用放置在二极管台面附近的局部加热器来实现这种温度稳定。然而，在一些光子学制造平台中，不可能使加热器和电触点二者沿二极管台面的同一侧延伸，使得难以将串联电阻最小化以及局部调节器件的操作温度。因此，器件设计者可能必须在快速器件和热调节器件之间进行选择。附图说明图1A和图1B分别是示例光电器件的示意性横截面侧视图和俯视图，其中加热器被放置在器件的异质波导旁边。图2A和图2B分别是根据各种实施例的示例三触点光电器件的示意性横截面侧视图和俯视图，该三触点光电器件被配置为通过其中的电流直接加热器件的二极管结构。图3是根据各种实施例的用于操作图2A和图2B的光电器件的示例电路的电路图。图4A和图4B分别是根据各种实施例的示例四触点光电器件的示意性横截面侧视图和俯视图，该四触点光电器件被配置为通过波导的电流直接加热器件的异质波导结构的二极管下方的波导。图5是根据各种实施例的用于操作图4A和图4B的光电器件的示例电路配置的电路图。图6是图示了根据各种实施例的电吸收调制器的操作方法的流程图。图7是图示了根据各种实施例的制造电吸收调制器的方法的流程图。具体实施方式本文公开了用于温度调节的光电器件(包括EAM)的器件结构，其通过直接电阻加热器件的各部分来避免与放置在器件旁边的单独加热器相关联的困难。还描述了制造和操作所公开的器件结构的方法。除了避免器件速度和温度稳定性之间的折衷之外，所公开的结构还可以简化制造并提高温度调节的热效率。根据各种(非限制性)实施例的光电器件可以包括在半导体基板上的异质光波导结构，其中在基板的器件层中形成波导，并且在波导上方形成层叠的化合物-半导体二极管结构。例如，异质波导结构可以包括在硅波导上方的III-V二极管，但是其他材料组合也是可能的。二极管结构可以包括掺杂底部条带，并且在掺杂底部条带的顶部上形成层叠的台面，该层叠的台面包括本征型层和掺杂顶层，其中导电通孔(或其他类型的电连接)接触顶层和底层以施加直流(DC)偏置电压和/或射频(RF)电压作为二极管上的调制信号。为了加热二极管结构，可以在两个导电通孔之间施加DC加热器偏置电压，所述两个导电通孔都接触掺杂底层，但是在二极管的相对侧上，使电流流过并电阻加热掺杂底层，所产生的热量然后从中扩散到相邻的本征型层中。假设接触底层的两个通孔为对称配置，二极管结构上的有效电压在这种情况下是两个通孔的平均电势与接触台面的掺杂顶层的通孔的电势之间的电势差。可替代地，可以通过在异质波导的相对的对应侧上接触基板的器件层的两个导电通孔之间施加加热器偏置电压来加热二极管结构，从而使电流流过并电阻加热波导，其继而加热其上方二极管的底层和本征型层。有利地，在该替代配置中，分别且独立操作的电子电路可以被分别用于加热和调制。从以下对附图的详细描述中，将更容易理解上述结构以及各种益处。为了与所公开的主题的各种实施例的比较和上下文，图1A和图1B以横截面侧视图和俯视图图示出了示例光电器件100，其具有与器件100的异质波导并排放置的加热器。器件100形成在绝缘体上半导体(SOI)基板102上，其包括手柄104、电绝缘(电介质)层106和顶部半导体器件层108。在标准SOI基板中，手柄104和器件层108通常都由硅制成，而绝缘层106是埋入氧化物(BOX)层。然而，其他材料组合也是可能的。代替硅，器件层108例如可以是金刚石或锗层。器件100包括由在器件层108中创建的波导110(例如，肋波导)形成的异质波导结构，其与安置在其上方的半导体化合物p-i-n二极管结构112结合，该二极管结构112例如由薄的电介质(例如，氧化物)层114而与波导110和器件层108分开。如图1B中所看到的，二极管结构112可以沿着波导110的轴线(在波导110中的光传播方向上，其是进入图1A的平面的方向)延伸，并且其在该方向上的长度可以比它的宽度显著更大。在操作中，光在重叠区域的一端附近从波导110耦合到二极管结构112中，并且在另一端附近从二极管结构112返回到波导110中。二极管结构112可以由一种或多种III-V材料(诸如例如，磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs))、II-VI材料(诸如例如，硒化镉)(CdSe)或氧化锌(ZnO))制成，或由两种或更多种元素制成的其他半导体材料来制成。二极管结构112是垂直分层的，包括夹在两个掺杂底层和顶层118、120之间的本征型(或简称“本征”)半导体层116。底层118通常是n掺杂的并且顶层120p是p掺杂的，但是底层和顶层118、120作为p-i-n二极管结构112的n型和p型层的角色也可以颠倒。本征层116可以由与底层118和顶层120不同的半导体化合物制成；例如，二极管结构112可以包括掺杂InP层之间的本征InAlGaAs层。此外，本征层116可以是体半导体层，或者可以可替代地由量子阱、量子点或量子线组成。如图所示，底层118可以形成在底层118下方平行于波导110延伸的材料条带(参见图1B)，而本征和掺杂顶层116、120可以在底层顶部(下文中也称为“底部条带”)118上形成窄得多的台面(平坦的-示出顶部台状结构。虽然示出宽度相等，但是本征层和掺杂顶层116、120可以替代地在宽度上不同，本征层116稍宽或稍窄。器件100还包括导电通孔，其提供到底层118和顶层120的电连接，用于在二极管结构112上施加电压。通孔通常被实现为形成在封装二极管结构112的顶部包层中的垂直沟道，填充有合适的金属(例如，金(Au)、铂(Pt)、钛(Ti)、铝(Al)或锌(Zn))或其他导电材料。顶层120可以通过对应的通孔122(“S1”)而直接接触。另一方面，底部条带118在图1A中所示的实现中，经由安置在围绕二极管台面的底部条带118的顶部上的薄金属层126而通过对应的通孔124(“S2”)间接接触。这种添加的金属层126可以非常靠近台面，促进低电阻二极管结构112，同时提供用于放置通孔124的灵活性。可以使用图1B中示出的相应金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成光电器件，包括：/n半导体基板；/n二极管结构，形成在所述基板上方，所述二极管结构包括底部二极管条带，和形成在所述底部二极管条带的顶部上的层叠的二极管台面，所述层叠的二极管台面包括本征型层和顶部二极管层；/n第一电连接，接触所述二极管台面的所述顶部二极管层，所述第一电连接连接到电子电路的第一电节点；和/n第二电连接和第三电连接，接触所述二极管台面的相对的对应侧上的所述底部二极管条带，所述第二电连接连接到所述电子电路的第二电节点并且所述第三电连接连接到所述电子电路的第三电节点。/n

【技术特征摘要】
20181228 US 16/235,1971.一种集成光电器件，包括：
半导体基板；
二极管结构，形成在所述基板上方，所述二极管结构包括底部二极管条带，和形成在所述底部二极管条带的顶部上的层叠的二极管台面，所述层叠的二极管台面包括本征型层和顶部二极管层；
第一电连接，接触所述二极管台面的所述顶部二极管层，所述第一电连接连接到电子电路的第一电节点；和
第二电连接和第三电连接，接触所述二极管台面的相对的对应侧上的所述底部二极管条带，所述第二电连接连接到所述电子电路的第二电节点并且所述第三电连接连接到所述电子电路的第三电节点。


2.根据权利要求1所述的器件，其中所述电子电路操作地在所述第二节点和所述第三节点之间施加加热器偏置电压并且在所述二极管结构两端施加反向偏置电压，所述反向偏置电压与所述第一节点和所述第二节点之间的电压和所述第一节点和所述第三节点之间的电压的非零平均值相对应。


3.根据权利要求1所述的器件，其中所述电子电路操作地进一步在所述第一节点处施加RF信号电压。


4.根据权利要求1所述的器件，其中所述基板是绝缘体上半导体(SOI)基板，所述器件还包括形成在所述二极管结构下方的所述SOI基板的器件层中的波导。


5.根据权利要求4所述的器件，其中所述二极管结构由化合物半导体材料制成，所述波导和所述二极管台面共同形成异质光学波导结构。


6.根据权利要求5所述的器件，其中所述波导由硅制成，并且所述二极管结构由III-V材料制成。


7.根据权利要求4所述的器件，进一步包括在所述二极管结构下方的所述SOI基板的手柄中形成的热隔离蚀刻区域或在所述二极管台面的两侧上的所述器件层中形成的一个或多个热隔离沟道中的至少一个。


8.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件是电吸收调制器。


9.一种集成光电器件，包括：
绝缘体上半导体(SOI)基板；
异质光波导结构，包括形成在所述SOI基板的器件层中的波导和形成在所述波导上方的层叠的化合物半导体结构，所述化合物半导体结构包括掺杂底部条带，和形成在所述掺杂底部条带的顶部的层叠的台面，所述层叠的台面包括本征型层和掺杂顶层；
第一电连接，接触所述层叠的台面的所述掺杂顶层，所述第一电连接连接到第一电节点；
一个或多个第二电连接，接触所述掺杂底部条带，所述一个或多个第二电连接连接到第二电节点；和
第三电连接和第四电连接，接触所述波导的相对的相应侧上的所述SOI基板的所述器件层，所述第三电连接和所述第四电连接分别被连接到第三电节点和第四电节点。


10.根据权利要求9所述的器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·E·罗斯，E·J·诺伯格，
申请(专利权)人：瞻博网络公司，
类型：发明
国别省市：美国;US