[發明專利]張應變半導體光子發射和檢測裝置和集成的光子學系統

有效

• 申請號: 201210285225.7
• 申請日: 2012-08-10
• 公開（公告）號: CN102957091A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: P·A·克利夫頓;A·格貝爾;R·S·蓋恩斯
• 申請（專利權）人: 阿科恩科技公司
• 主分類號: H01S5/30
• 分類號: H01S5/30
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 蔡勝利

技術領域

本發明總體上涉及光學系統，其包括半導體發光裝置或半導體光探測器。更具體地講，本發明涉及在有源區域（active?region）中采用了具有應變的第四族半導體材料的半導體發光或檢測裝置。

背景技術

人們總是感興趣在光子學系統中使用第四族半導體材料，因為這樣的系統容易制造，并且容易將第四族光子學器件與電路集成在一起。硅、鍺和它們的合金是光子學系統中最常被考慮的第四族半導體。例如，最感興趣的是從硅發射的或位于硅中的光。硅和鍺呈現有間接帶隙，在整個成分范圍內它們的合金也是這樣。傳統上它們并不是用于光發射的高效材料，因為直接光躍遷中涉及的導帶未被占據，因此，在不額外地導致產生其它性質例如晶格震蕩或不純的情況下，就基本上沒有可以重新組合并且直接產生光子的電子空穴對。

一種將光子功能與硅基ULSI芯片例如多核處理器或前沿存儲器集成在一起的低成本措施為現代計算技術打開了意義深遠的結構改變和性能改進的大門。這些光子功能的一個被建議的應用是代替現代ULSI芯片中的一些芯片內銅互連，例如用于從一個CPU內核向另一CPU內核導通數據，其中兩個內核位于相同的物理硅芯片上。與此同時，一種現實的第四族光子學解決方案在制造更傳統的光子系統時能夠提供極好的成本節約益處。

將光子學與已有的CMOS工藝流程相組合的主要途徑包括下列在拓撲學上截然不同的選項：i）先于晶體管制造光學部件；ii）在晶體管集成之后制造光學部件，也就是在金屬互連層之前、之中或直接之后；或iii）利用第四族半導體制造可光通的層（optically-enabled?layer），所述第四族半導體可通過各種機構之一被附連于ULSI芯片。連接機構可包括晶圓接合，彼此前后相繼地共同封裝若干裸晶，以將它們引線接合或通過封裝體中的特征連接，以及堆疊裸晶并連接它們，例如利用硅通孔（TSV）。利用單獨的光層使得能夠將晶體管和ULSI電互連制造中遇到的制造方面的挑戰和關鍵集成步驟與光層所需的這些分開。

另一方面，有利的是芯片上發射光，以避免在其它情況下需要解決的耦合和對正問題。當第四族半導體在光層中被用作光學活性的光發射材料時，芯片上光發射非常具有挑戰性。據文獻記載，在硅中利用喇曼效應進行光發射以將具有特定波長的外部供應光轉化為不同波長的光。利用喇曼效應的光發射是一種低效率工藝。

光學系統或光層典型地具有若干功能部件。光層通常包括光源，或許具有集成帶寬濾波器，以便從寬頻譜波長進行選擇，也就是被使用的光的“顏色”。光源可以是發射相干光的激光器或發光二極管。光源既可以直接調制，例如，通過調制流經光源的電流，類似于將燈泡開和關（高和低），也可以通過位于光源之外的單獨的部件調制“光束”上的信息，也就是說，利用調制器。外部調制器在現有技術中是已知的，包括環形調制器和Mach-Zehnder調制器。

光層通常包括至少一個波導，其能夠以連續波的形式或以調制形式、也就是作為信號從一個點至另一點導通光。波導性能方面的考慮包括衰減，每單位長度光的損失程度，例如，由于光散射或由于光被吸收到波導或相鄰材料中。另一重要性能優勢是波導能夠將被引導的光轉向另一方向的能力，其轉彎半徑很小，又沒有明顯的光損失。緊湊的轉彎半徑可被實現，例如，通過使用高約束波導，其中波導的折射率顯著高于周圍體積中的值，從而光波強度大部分被承載于波導體積中。轉彎半徑和波導外光強度的消散波尾部（evanescent?tail）的泄露之間的相互影響是設計環形調制器或導通開關中的一項重要參數。緊湊的轉彎還可以借助于反射鏡而便于實現，其中入射光方向和反射鏡表面法向之間的角度基本上與出射光方向和反射鏡法向之間的角度相同。還有一個方面是波導維持給定光偏振的程度。

光層通常包括導通或開關元件，其從入射波導接收光，并且從多個出射波導選擇一個或若干將要攜帶出射光的波導。反射鏡可被認為是一種具有一個入射波導和一個出射波導的導通元件。這些元件的其它例子包括陣列分布的波導耦合器，多模式干涉耦合器和環形耦合器。

光層通常包括檢測器，其精確且以高速度測量入射光的強度。檢測器常常是反向偏壓的光電二極管。對于將被檢測的光的波長而言，光電二極管的響應率以及外部和內部量子效率應當優選高些。它們的速度常受限于RC值，即檢測器電容（結電容和寄生電容）與通向反向偏壓結的導體的電阻值和電容之間的產物。利用RC值可測量檢測器結處產生的電荷載體傳輸在電檢測器終端可檢測到的電流的時間，也就是檢測器的外部速度。

光層通常包括驅動電子器件，它們位于相同光層或分開的層中，例如，位于CMOS芯片中，其中光子學層提供一部分互連。