电子光学结构及其制造方法技术

通过在硅晶片上首先生长调节缓冲层（２６），可以覆盖大的硅晶片（２２）生长高质量外延层。调节缓冲层是单晶氧化物层，氧化硅非晶接合层（２４）将非晶氧化物层与硅晶片分离。非晶中间层消除应变并使得能够生长高质量单晶氧化物调节缓冲层。利用非晶中间层，可以处理调节缓冲层与底层硅衬底之间的任何晶格失配问题。波导（４５）可以由单晶缓冲层之上的高质量单晶材料构成。所形成的波导适于调制波。可以使利用Ⅲ－Ⅴ光子的、基于氧化物的电子光学器件与Ｓｉ电路系统完全实现单片集成。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及电子光学结构和器件及其制造方法，更具体地说，本专利技术涉及一种改进型电子光学结构以及一种用于以单片方式将电子光学结构与硅器件和电路集成在一起的方法。
技术介绍
通常，通信系统将信息从一个地方发送到另一个地方。信息通常由其频率可以在几兆赫兹(MHz)至几百太赫兹(THz)之间变化的电磁载波承载。通常，光通信系统采用处于可见或近红外电磁波频谱内的高载频(例如100THz)。波导用于控制诸如光波或电磁波的波的方向。在最简单的方式中，波导包括至少被其折射率比纤心的折射率低的包层部分包围的纤心。波通过纤心传播时被包层反射。如果包层的折射率比纤心的折射率高，则波容易被包层吸收，而且不能通过纤心传输。铌酸锶钡(SBN)是一种强光折射材料，而且，在最近几年，因为其在电子光学、全息存储、空间光线调制器、热电检测器、表面声波器件以及射束控制方面的潜在应用，所以得到广泛关注。SBN波导显示与集成光学系统和其它小型化器件具有高兼容性。极大多数半导体分立器件和集成电路至少部分地均由硅制成，因为单晶硅衬底廉价、实用、质量高。而且，最好将SBN的实用性与半导体电路组合在一起。如果可以将SBN导波膜(waveguiding film)制造在硅衬底上，将有助于将集成光学与微电子学联系起来。如果可以在诸如硅晶片的大的晶片(bulk wafer)上制造高质量单晶硅材料的导波膜，则可以实现利用了硅和导波材料的最佳特性的集成器件结构。此外，进行组合会产生新型电子光学和微电子器件，改进现有器件而且降低它们的制造成本。已经建议了许多方式将SBN膜集成到大的衬底上。例如，将SBN膜组合到MgO(氧化镁)衬底上显示出某种优势，因为MgO的折射率低，所以存在0.5的折射率差。然而，硅衬底更适合应用集成用途。X L Guo等人在“Pulsed Laser Deposition ofSrxBa1-xNb2O6/MgO Bilayered Films on Si wafer in Waveguilde Form”J.Phys.DAppl. Phys.29，1996，pp.1632-35中建议了另一种方式，它描述了一种在p型硅晶片上制造SBN/MgO双层膜的方法。双层膜显示SBN膜的多晶生长和MgO缓冲层的强纹理生长。然而，正如X LGuo等人自己承认的那样，得到的多晶结构不如单晶结构理想，因此，还需要做其它努力以改善SBN膜的结晶性。因此，需要一种具有高质量单晶特性的电子光学结构。尤其需要一种以单片方式与基于硅的电路系统集成在一起的电子光学结构，其中该结构是高质量的单晶材料。附图说明利用例子说明本专利技术，而且本专利技术并不局限于附图，在附图中，类似的参考编号代表类似的单元，附图包括图1、3和5示出根据本专利技术各种实施例的波导结构的原理剖视图；图2示出最大可获得薄膜厚度与基质晶体与生长的结晶表层之间的晶格失配之间的关系的示意图；图4和6示出根据本专利技术各种实施例的波导结构的俯视图的原理剖视图。熟练技术人员明白，附图中的各单元是为了简化说明问题示出的，所以不一定按比例示出。例如，附图中某些单元的大小相对于其它单元被放大，从而有助于理解本专利技术的实施例。专利技术详述图1示出根据本专利技术实施例的波导结构20的一部分的原理剖视图。结构20包括单晶衬底22、含有单晶材料的调节缓冲层(accommodating buffer layer)24、单晶材料的底包层26、单晶材料的纤心28以及单晶材料的顶包层30。在此上下文中，术语“单晶”应该具有半导体工业领域采用的普通意义。该术语指单晶体材料，或者大致单晶体材料，而且应该包括具有较少瑕疵的材料，例如，在硅衬底或锗衬底或者硅和锗混合物衬底内经常发现的晶格位移，以及在半导体工业中经常发现的这种材料的外延层。根据本专利技术的一个实施例，结构20还包括位于衬底22与调节缓冲层24之间的非晶中间层32。非晶中间层有助于消除调节缓冲层内的应变，通过这样做，还有助于生长高晶格质量的调节缓冲层。根据本专利技术的实施例，衬底22是单晶半导体晶片，最好具有较大直径。该晶片的材料可以是周期表中的IV组中的材料，而且最好是IVA组中的材料。例如，IV组半导体材料包括硅、锗、硅和锗的混合物、硅和碳的混合物、硅、锗以及碳的混合物等。衬底22最好是含有硅或锗的晶片，最最好是半导体工业中使用的、直径约为200-300mm的高质量单晶硅衬底。调节缓冲层24最好是为了使其结晶性与底层衬底兼容而且与上层化合物半导体材料兼容选择的单晶氧化物材料。例如，该材料可以是其晶格结构与衬底以及后续喷涂的包层材料基本匹配的氧化物。适合用于调节缓冲层的材料包括诸如碱土金属钛酸盐的金属氧化物，而且通常至少还可以包括两种不同的金属元素。在某些特殊应用中，金属氧化物可以包括3个或更多个不同金属元素。可以根据特定波导结构的需要，选择层26、28和30的的包层和纤心材料。为了获得总内反射，或者至少为了大致获得总内反射，纤心28由其折射率与构成顶部包层30和底部包层26的材料的折射率不同的材料构成。更具体地说，纤心28的折射率大于顶部包层30和底部包层26的折射率，顶部包层30和底部包层26适于由同一种材料构成。根据典型实施例，选择用于纤心28的材料的折射率为n1，而选择用于顶部包层30和底部包层26的材料的折射率分别为n2和n3，其中n1＞n2，而且n1＞n3。根据本专利技术的一个实施例，纤心层28以及包层26和30是强光照活化反应材料，例如，铌酸锶钡(SBN)。每个SBN层的厚度依赖于传输能量的特定波导。通常，光波导在电磁频谱的可见至近红外区内工作。在该实施例中，折射率为n3的底部包层26沉积在缓冲层24之上。包层26可以是SBN60，其中60代表锶与钡的比例，而n3可以等于2.33。纤心层28沉积在底部包层之上，而且最好具有比n3高的折射率n1。纤心层28可以是SBN75，而且n1可以等于2.35。顶部包层30可以沉积在纤心层28之上。根据此实施例的一个方面，顶部包层30与底部包层26为同一种材料(即SBN60，n1＝2.33)。然而，如果周围介质的折射率低于纤心的折射率(例如折射率等于1的空气)，则不必在纤心上沉积附加包层，以下将做更详细说明。在本专利技术的又一个实施例中，包层26和30是折射率为1.78的氧化镁(MgO)(n2和n3等于1.78)。纤心层28在SBN50至SBN75之间，而且最好为SBN75，因为SBN75的折射率高。然而，SBN50至SBN75适于该实施例以及以上讨论的实施例。本实施例以及上述讨论的实施例描述了一种包层相对于纤心“对称”的对称配置。然而，应该理解，所有配置、对称、非对称均被认为属于本专利技术范围。非对称配置包括折射率不相同的包层材料，以下将做更详细说明。例如，底部包层的折射率低于或小于顶部包层的折射率，然而，无论如何，纤心的折射率通常大于两个包层的折射率。根据本专利技术的一个实施例，在衬底22与生长的调节缓冲层之间的接合处，非晶中间层32生长在衬底22上。非晶中间层32最好是由衬底22的氧化作用产生的氧化物，非晶中间层32更最好是由生长层24期间的氧化硅(SiOx)构成。层32的厚度足以消除导致衬底22与调节缓冲层24的晶格常数失配的应变(通常在约0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导结构，该结构包括：　　　　单晶半导体衬底；　　　　单晶氧化物层，其覆盖该衬底成型；　　　　纤心层，其成型在该氧化物层上；以及　　　　包层，其靠近纤心层成型。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：加马尔拉姆达尼，林德希尔特，拉温德拉纳斯德罗帕德，威廉J奥姆斯，
申请(专利权)人：自由度半导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]