特許 5984958 電子／フォトニック集積回路アーキテクチャおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5984958

(24)【登録日】2016年8月12日

(45)【発行日】2016年9月6日

(54)【発明の名称】電子／フォトニック集積回路アーキテクチャおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20160823BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20160823BHJP

   H01L 31/0232 20140101ALI20160823BHJP

   G02F 1/025 20060101ALI20160823BHJP

   G02B 6/13 20060101ALI20160823BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/12 301

   H01S5/026 618

   H01S5/026 650

   H01L31/02 D

   G02F1/025

   G02B6/13

【請求項の数】13

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-547314(P2014-547314)

(86)(22)【出願日】2012年12月7日

(65)【公表番号】特表2015-505067(P2015-505067A)

(43)【公表日】2015年2月16日

(86)【国際出願番号】US2012068437

(87)【国際公開番号】WO2013090140

(87)【国際公開日】20130620

【審査請求日】2014年8月4日

(31)【優先権主張番号】13/326,583

(32)【優先日】2011年12月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】391030332

【氏名又は名称】アルカテル−ルーセント

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100106183

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 弘司

(74)【代理人】

【識別番号】100170601

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 孝

(72)【発明者】

【氏名】チェン，ロン

(72)【発明者】

【氏名】ベルナスコーニ，ピエトロ

(72)【発明者】

【氏名】ドン，ポー

(72)【発明者】

【氏名】チャン，リミン

(72)【発明者】

【氏名】チェン，ヨン−カイ

【審査官】 林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００５３３１９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１７６８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００７８９６３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０３−１６８７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０８２６４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１−１／３１５

Ｈ０１Ｓ ５／０２６

Ｈ０１Ｌ ３１／０２３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の上に配置され、内部で光信号を伝播させるように構成された少なくとも１つのシリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子を含む受動フォトニック層と、
前記基板と前記受動フォトニック層との間に配置され、内部で電気信号を伝播させるように構成された少なくとも１つの電子デバイスを含む電子層と、
前記受動フォトニック層の上に配置される能動フォトニック層であって、前記シリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子に光学的に結合され、前記電気信号と前記光信号との間で変換を実行するように構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック・デバイスを含む能動フォトニック層と
を備え、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック・デバイスが、前記シリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子の上に少なくとも部分的に位置し、または、前記シリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子にオーバーラップするシリコン・ベースの半導体光学遷移素子の上に少なくとも部分的に位置するデバイス。

【請求項2】

前記能動フォトニック層が、前記電気信号に応答して前記光信号を生成するように構成されたレーザを含む請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記能動フォトニック層が、前記光信号に応答して前記電気信号を生成するように構成されたダイオードを含む請求項１に記載のデバイス。

【請求項4】

前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック・デバイスが、前記電気信号に応答して前記光信号を変調するように構成された変調器を含む請求項１に記載のデバイス。

【請求項5】

前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック・デバイスと前記電子デバイスとの間で前記電気信号を伝導するように配置されたビア構造をさらに含む請求項１に記載のデバイス。

【請求項6】

前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック・デバイスと前記シリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子との間に光学的に結合されたシリコン・ベースの半導体光学遷移素子をさらに含む請求項１に記載のデバイス。

【請求項7】

前記電子層および前記シリコン・ベースの半導体光学遷移素子内にビア構造を形成することをさらに含み、前記ビア構造が、前記光学遷移素子にバイアスをかけるように構成されている請求項６に記載のデバイス。

【請求項8】

デバイス基板の上に受動フォトニック層を形成するステップであって、前記受動フォトニック層が、内部で光信号を伝播させるように構成された少なくとも１つのシリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子を含む、ステップと、
前記デバイス基板と前記受動フォトニック層との間に配置された電子層を形成するステップであって、前記電子層が、内部で電気信号を伝播させるように構成された少なくとも１つの電子デバイスを含む、ステップと、
前記受動フォトニック層の上に能動フォトニック層を形成するステップであって、前記能動フォトニック層が、前記シリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子に光学的に結合され、前記電気信号と前記光信号との間で変換を実行するように構成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック・デバイスを含む、ステップと
を含み、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック・デバイスが、前記シリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子の上に少なくとも部分的に位置し、または、前記シリコン・ベースの誘電体受動フォトニック素子にオーバーラップするシリコン・ベースの光学遷移素子の上に少なくとも部分的に位置する方法。

【請求項9】

前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック層を形成するステップが、ハンドル基板から前記デバイス基板に半導体層を移すステップを含む請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記受動フォトニック層を形成するステップが、まずハンドル基板の上に前記受動フォトニック層を形成し、次いで前記受動フォトニック層を前記電子層に接合するステップを含む請求項８に記載の方法。

【請求項11】

前記フォトニック層が、波長約１２００ｎｍから約２０００ｎｍの範囲内で動作するように構成されている請求項１に記載のデバイス。

【請求項12】

シリコン・ベースの能動光学素子を含む請求項１に記載のデバイス。

【請求項13】

前記フォトニック層が、波長約１２００ｎｍから約２０００ｎｍの範囲内で動作するように構成されている請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、一般には集積回路（ＩＣ）に関し、より詳細には、電子／フォトニックＩＣアーキテクチャおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

本節では、本発明のより良い理解を促進する助けとなる諸態様を紹介する。したがって、本節の記載は、この観点から読まれるべきであり、何が従来技術に含まれ、何が従来技術に含まれないのかについての承認として理解されるべきではない。

【0003】

光学構成要素および電子機器回路が、単一のデバイス内に集積されることがある。そのような集積デバイスは通常、導波路や電気光学変調器などの光学構成要素に限定され、デバイスとは別個に配置されたレーザに光学的に結合するように構成される。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

一態様は、基板の上に配置され、内部で光信号を伝播させるように構成された少なくとも１つの受動フォトニック素子を含む受動フォトニック層を含むデバイスを提供する。前記基板と前記受動フォトニック層との間に配置された電子層が、内部で電気信号を伝播させるように構成された少なくとも１つの電子デバイスを含む。前記受動フォトニック層の上に配置された能動フォトニック層が、前記受動フォトニック素子に光学的に結合され、前記電気信号と前記光信号との間で変換を実行するように構成された能動フォトニック・デバイスを含む。

【0005】

別の態様は、デバイス基板の上に受動フォトニック層を形成することを含む方法を提供する。受動フォトニック層は、内部で光信号を伝播させるように構成された少なくとも１つの受動フォトニック素子を含む。前記デバイス基板と前記受動フォトニック層との間に配置される電子層が形成され、電子層は、内部で電気信号を伝播させるように構成された少なくとも１つの電子デバイスを含む。前記受動フォトニック層の上に配置される能動フォトニック層が形成される。能動フォトニック層は、前記受動フォトニック素子に光学的に結合され、前記電気信号と前記光信号との間で変換を実行するように構成された能動フォトニック・デバイスを含む。

【0006】

次に、添付の図面と共に行われる以下の説明を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】能動フォトニック・デバイス１６０、受動光学素子１５０、光学遷移素子１８０、電子デバイス層１２０、およびフォトニック・デバイス層１３０を含む、一実施形態による集積フォトニック／電子デバイス１００の断面を概略的に示す図である。

【図2A】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図2B】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図2C】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図2D】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図2E】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図2F】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図2G】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図2H】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図2I】一実施形態によるデバイス１００の形成の際のステップを示す図である。

【図3】一実施形態による、ハンドル・ウェハ上の、部分的に形成されたフォトニック電子デバイス１００に後で接合される能動フォトニック・デバイス層を含むサブアセンブリの形成を示す図である。

【図4A】図１のフォトニック・デバイス内の遷移素子１８０が省略され、受動光学素子１５０に対する直接的光学的結合が増大するように能動フォトニック・デバイス１６０が構成される一実施形態を示す図である。

【図4B】図１のフォトニック・デバイス内の遷移素子１８０が省略され、受動光学素子１５０に対する直接的光学的結合が増大するように能動フォトニック・デバイス１６０が構成される一実施形態を示す図である。

【図5A】遷移素子１８０および受動光学素子１５０を含むサブアセンブリ５００を形成し、部分的に形成されたデバイス１００にサブアセンブリ５００を接合することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図5B】遷移素子１８０および受動光学素子１５０を含むサブアセンブリ５００を形成し、部分的に形成されたデバイス１００にサブアセンブリ５００を接合することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図5C】遷移素子１８０および受動光学素子１５０を含むサブアセンブリ５００を形成し、部分的に形成されたデバイス１００にサブアセンブリ５００を接合することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図5D】遷移素子１８０および受動光学素子１５０を含むサブアセンブリ５００を形成し、部分的に形成されたデバイス１００にサブアセンブリ５００を接合することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図5E】遷移素子１８０および受動光学素子１５０を含むサブアセンブリ５００を形成し、部分的に形成されたデバイス１００にサブアセンブリ５００を接合することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図5F】遷移素子１８０および受動光学素子１５０を含むサブアセンブリ５００を形成し、部分的に形成されたデバイス１００にサブアセンブリ５００を接合することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図5G】遷移素子１８０および受動光学素子１５０を含むサブアセンブリ５００を形成し、部分的に形成されたデバイス１００にサブアセンブリ５００を接合することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図6A】誘電体層の上に配置された結晶半導体層を有するＳＯＩ基板を含むサブアセンブリ６００を形成することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図6B】誘電体層の上に配置された結晶半導体層を有するＳＯＩ基板を含むサブアセンブリ６００を形成することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図6C】誘電体層の上に配置された結晶半導体層を有するＳＯＩ基板を含むサブアセンブリ６００を形成することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図6D】誘電体層の上に配置された結晶半導体層を有するＳＯＩ基板を含むサブアセンブリ６００を形成することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図6E】誘電体層の上に配置された結晶半導体層を有するＳＯＩ基板を含むサブアセンブリ６００を形成することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【図6F】誘電体層の上に配置された結晶半導体層を有するＳＯＩ基板を含むサブアセンブリ６００を形成することによるフォトニック電子デバイス１００の形成を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

単一の集積フォトニック電子回路上での、電子（例えばＣＭＯＳ）回路と、能動フォトニック回路、例えば電力供給されたフォトニック回路の集積に対する必要性がますます高まっている。そのような集積は、例えば従来型システム・ソリューションのパッケージングに関連する多くの寄生効果を低減することにより、フォトニック電子システムの著しい性能改善を可能にすることができ、デバイス・フットプリント、電力消費、および製造コストを低減することもできる。

【0009】

本開示は、半導体（例えばシリコン）ベースの電子機器回路、受動フォトニック要素、およびＩＩＩ−Ｖ族化合物ベースの能動フォトニック素子を単一の基板の上で接合し、ウェハ・スケールでこれらの構成要素のモノリシック集積を可能にする集積方式を提供し、説明する。そのような集積は、半導体製造ツール・セット上の集積フォトニック／電子デバイスの製造を可能にし、規模の経済および高スループットを実現し、その結果、コストを大幅に削減し、そのようなデバイスの市場浸透を向上させる。

【0010】

フォトニック電子集積のいくつかの態様が過去に研究されてきたが、それぞれの手法には、大規模集積および／または実用的なデバイスにとってその手法が不適切となるような欠点を有していた。例えば、アモルファス・シリコン導波路を集積電子機器回路と集積する試みは、光導波路の過剰な損失を生じさせ、デバイスのサイズが制限され、かつ／または減衰した光信号を増幅するための光中継器が必要となる。さらに、集積電子機器回路の形成後の熱履歴が制限されることにより、より良好な光学的特性、例えばより低い損失を達成するために高処理温度を必要とするような光導波路材料の形成が制限される。

【0011】

本発明の実施形態は、電子デバイスとフォトニック・デバイスの処理を分離すること、構造的特徴を利用して光学的特徴間の結合を改善すること、またはその両方により、フォトニック回路と電子回路の集積を可能にする。いくつかの実施形態では、特徴の新規な構成が、十分な光学的結合および低損失を実現し、実用的なフォトニック電子回路を可能にする。

【0012】

本明細書に記載の実施形態は、シリコン・ベースのＣＭＯＳ電子機器回路、受動フォトニック回路（例えば、相互接続光導波路、スプリッタ、フィルタ、およびマルチプレクサ／デマルチプレクサ）、ならびに能動フォトニック素子（例えば、レーザ、光増幅器、変調器、および検出器）を含むことができる。能動光学素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ベースの材料を含むことができる。これらのデバイスは、共通の半導体基板の上にシリコン・ベースの電子機器回路と集積されるレーザ、増幅器、変調器などを含むことができる。

【0013】

図１を参照すると、デバイス１００、例えば集積フォトニック／電子デバイスが、概略断面図で示されている。デバイス１００は、以下で説明する様々な構造がその上に配置される基板１１０を含む。いくつかの実施形態では、基板１１０は、シリコン、ゲルマニウム、ＧａＡｓなどの半導体基板である。本明細書に別段に明記されていない限り、半導体材料が説明されるとき、材料は、ドープ形態または真性形態の半導体を含むことができる。いくつかの他の実施形態では、基板１１０は、石英やサファイアなどの誘電体材料である。いくつかの実施形態では、基板は、絶縁体上半導体基板、例えば絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）である。材料タイプの如何に関わらず、様々な実施形態では、基板１１０が半導体製造ツールでの大量生産に適したより大きい基板の一部であることが好ましい。そのような形態は、例えば直径１５０ｍｍ、２００ｍｍ、または３００ｍｍのウェハでよい。

【0014】

基板１１０の上には、電子デバイス層１２０が配置される。電子デバイス層１２０は、従来の集積電子回路で使用することのできる様々な素子、例えばトランジスタ１２２などの能動電子デバイス、接点、ビア、相互接続部１２４などの受動電子素子、ならびに様々な拡散障壁および誘電体層１２６を含む。様々な電気的機能、例えばドライバ、電気的増幅器、およびデジタル信号処理を電子デバイス層１２０によって設けることができる。当業者は、そのようなデバイスを製作する方法に通じている。

【0015】

電子デバイス層１２０の上には、集積フォトニック・デバイス層１３０がある。フォトニック・デバイス層１３０は、クラッディング層１４０、受動フォトニック層１３０ｐ、および能動フォトニック層１３０ａを含む。クラッディング層１４０は、導波路内、およびクラッディング層１４０と接触するフォトニック要素内の光信号伝播モードをサポートするのに適した屈折率を有する誘電媒体、例えば酸化シリコン（シリカ）で構成されている。受動フォトニック層１３０ｐおよび能動フォトニック層１３０ａは、それぞれ、以下で説明するクラッディング媒体および光導波媒体を含む。クラッディング層１４０ならびにフォトニック層１３０ａおよび１３０ｐはまた、その光学的役割とは無関係の層、例えば障壁層、エッチ・ストップ層なども含むことができる。

【0016】

受動フォトニック層１３０ｐは受動光学素子１５０を含む。素子１５０は電気的領域と光学的領域の間で変換しないので、本明細書では素子１５０を受動素子と呼ぶ。素子１５０は、例えば熱光学移相器や熱光学スイッチなどの中の光路長を制御するために、電極などの様々な特徴を含むことができるが、それでも受動素子とみなされる。受動光学素子１５０は、フォトニック・デバイス層１３０の同一の層で形成された任意の数の導波路構造または他の受動フォトニック素子を代表するものである。例えば、フォトニック・デバイス層１３０は、限定はしないが、導波路１５０、スプリッタ、フィルタ、およびマルチプレクサ／デマルチプレクサの複数の例を含むことができる。この説明を簡単にするために、限定はしないが、本明細書では受動光学素子を誘電体導波路１５０と呼ぶ。誘電体導波路１５０および任意のそのような他の受動フォトニック素子は、クラッディング層１４０よりも大きい屈折率を有し、その結果、光信号は誘電体導波路１５０の周りに閉じ込められ、その中を伝播する。例えば、窒化シリコン、シリコン酸窒化物、または非ドープシリカよりも高い屈折率を有するようにドープされたシリカから誘電体導波路１５０を形成することができる。

【0017】

クラッディング層１５５が、誘電体導波路１５０に隣接して配置されている。クラッディング層１５５は、誘電体導波路１５０の屈折率未満の屈折率を有する誘電体材料でよい。この態様を以下でより詳細に論じる。

【0018】

能動フォトニック層１３０ａが受動フォトニック層１３０ｐの上に配置されている。層１３０ａは能動フォトニック・デバイス１６０を含む。能動フォトニック・デバイス１６０は、例えば、光信号を生成、増幅、変調、または検出することができる。ビア構造１７０が、電子デバイス層１２０内の非参照電気デバイスに能動フォトニック・デバイス１６０を導電的に結合している。能動フォトニック・デバイス１６０は、電気デバイスから受信した電気信号を光信号に変換し、または誘電体導波路１５０から受信した光信号を電気信号に変換するように構成された電気光学変換器と考えることができる。非限定的な例では、いくつかの実施形態では、能動フォトニック・デバイス１６０は、ビア構造１７０によって受信された電気信号に応答して狭スペクトル光信号を生成し、誘電体導波路１５０に信号を結合するように構成されたレーザでよい。本明細書では、「電気信号」という用語は、能動フォトニック・デバイス１６０に連続波（ＣＷ）光信号を放射させることのできる非変調電流、または能動フォトニック・デバイス１６０に変調光信号を放射させることのできる変調電流を含む。別の非限定的実施形態では、能動フォトニック・デバイス１６０は、誘電体導波路１５０から受信した変調光信号またはＣＷ光信号をそれぞれ変調電気信号または非変調電気信号に変換するように構成されたダイオード、例えばフォトダイオードでよい。

【0019】

様々な実施形態では、能動フォトニック・デバイス１６０は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物に基づく半導体を含む。様々な実施形態では、能動フォトニック・デバイス１６０は、それらの間に関連する空乏領域を有するドープ領域を含む。いくつかのケースでは、能動フォトニック・デバイス１６０はまた、１つまたは複数の真性半導体領域をも含むことができる。いくつかの実施形態では、能動フォトニック・デバイス１６０は、互い違いの化学量論的組成を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙの層を含むサンドイッチ構造を含む。

【0020】

図示する実施形態では、受動フォトニック層１３０ｐはまた、光学遷移素子１８０をも含む。遷移素子１８０は、誘電体導波路１５０と能動フォトニック・デバイス１６０との間の結合を促進するように構成される。誘電体導波路１５０は、遷移素子１８０がない場合よりも、誘電体導波路１５０と能動フォトニック・デバイス１６０との間で光をより効果的に結合する効果を有する光学モード結合器または他の構造的特徴を含むことができる。いくつかの実施形態では、遷移素子１８０は半導体を含む。いくつかの実施形態では、半導体は、ドープシリコンまたは非ドープシリコンであり、それはさらに単結晶または多結晶でよい。「単結晶」とは、遷移素子１８０が形成される半導体層の原子が、単一の結晶格子の格子位置にほぼ配置されることを意味する。ビア構造１９０は、電子デバイス層１２０内のバイアス電圧源に遷移素子１８０を導電的に結合することができる。バイアス電圧は、例えば、遷移素子１８０から多数電荷キャリア、例えば電子を除去して空乏化させることなどにより、遷移素子１００の光学的特性を変更することができる。

【0021】

図１の実施形態は、能動フォトニック・デバイス１６０が遷移素子１８０の上に配置され、遷移素子１８０が誘電体導波路１５０にオーバーラップしていることを示す。遷移素子１８０が存在しない実施形態では、能動フォトニック・デバイス１６０を少なくとも部分的に誘電体導波路１５０の上に配置することができる。

【0022】

次に、図２Ａ〜２Ｉを参照して、特定の方法に限定することなく、デバイス１００を形成する方法を説明する。デバイス１００の追加の態様を以下の説明の文脈で説明する。図２Ａ〜２Ｉの同様の参照番号は、図１の同様の特徴を指す。

【0023】

図２Ａでは、方法は、基板１１０を用意することから始まる。本明細書および特許請求の範囲では、「用意する」および類似の用語は、開示される方法を実施する個人または企業体によってデバイス、基板、構造的素子などを製造することができ、またはその個人または企業体以外の別の個人または企業体を含む供給源から得ることができることを意味する。基板１１０は、前述の材料のいずれか１つでよく、好ましくはウェハでよい。

【0024】

図２Ａは、基板１１０の上に電子デバイス層１２０を形成した後のデバイス１００を示す。誘電体層１２６および相互接続部１２４の形成は、通常はクリーン・ルーム環境で実施される多数のプロセス・ステップを含むことがあることを当業者は理解されよう。電子デバイス層１２０の形成は、従来の、または新規なプロセスおよび／またはプロセスのシーケンスを含むことがある。電子デバイス層１２０が完成したとき、電子デバイス層１２０は通常、トランジスタ１２２および相互接続部１２４の構成によって部分的に決定される機能電子デバイスを含む。相互接続部１２４は、例えばタングステン・プラグ、銅またはアルミニウム・ビア、銅またはアルミニウム配線、ならびに障壁層およびストップ層を含むことができる。電子デバイス層１２０は、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）によって平坦化することができる。

【0025】

クラッディング層１４０が電子デバイス層１２０の上に形成される。クラッディング媒体は、部分的に、重なる能動フォトニック層１３０ａおよび受動フォトニック層１３０ｐをその上に形成するためのベースを設けるように動作する。クラッディング層１４０は、任意の従来の、または新規なプロセス、例えばプラズマ強化化学気相蒸着（ＰＥ−ＣＶＤ）などのプラズマ蒸着プロセスによって形成することができる。非限定的な例では、クラッディング層１４０は、酸化シリコン、窒化シリコン、またはシリコン酸窒化物を含む。いくつかの実施形態では、例えば屈折率ｎ_{ｃｌａｄｄｉｎｇ}を下げるために、クラッディング層１４０が蒸着中にドープされる。例えば、クラッディング層１４０は、例えばカーボンまたはフッ素でドープすることができる。非限定的な例では、クラッディング媒体は、カーボン・ドープ、またはフッ素ドープの酸化シリコン・タイプの材料である。いくつかのケースでは、クラッディング媒体は、フッ素添加酸化シリコンやブラック・ダイヤモンド（商標）などの低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）誘電体材料である。いくつかのケースでは、クラッディング媒体はＢＣＢなどの有機材料である。

【0026】

図２Ｂに、誘電体導波路１５０がクラッディング層１４０の上に形成された後のデバイス１００を示す。後で参照するために、形成のこの段階でのデバイス１００をサブアセンブリ２００と呼ぶ。誘電体導波路１５０は、まずブランケット誘電体層がクラッディング層１４０の上に形成され、次いで誘電体導波路１５０の横方向範囲を画定するようにパターン形成される、任意の従来の、または新規なプロセスによって形成される。フォトニック・デバイス層１３０が近赤外線光（例えば、波長約１２００ｎｍから約２０００ｎｍの範囲内）と共に動作するように構成されるとき、ブランケット層は、例えば約２００ｎｍから約２０００ｎｍの範囲内の厚さを有することができる。誘電体導波路１５０は、屈折率ｎ_ｃｏｒｅ＞ｎ_{ｃｌａｄｄｉｎｇ}を有する材料から形成される。クラッディング層１４０が酸化シリコンよりも低い屈折率を有するようにドープされるとき、例えば非ドープ酸化シリコンから誘電体導波路１５０の層を形成することができる。いくつかの実施形態では、誘電体導波路１５０の層がシリコン酸窒化物から形成される。いくつかの実施形態では、クラッディング層１４０と誘電体導波路１５０の層は共にシリコン酸窒化物であり、クラッディング層１４０は誘電体導波路１５０よりも低い窒素濃度を有する。いくつかの実施形態では、誘電体導波路１５０が窒化シリコンから形成される。

【0027】

クラッディング層１５５が、誘電体導波路１５０の上および周囲に形成される。クラッディング層１５５は、クラッディング層１４０に関して説明した材料のいずれかでよい。いくつかの実施形態では、クラッディング層１４０および１５５は同一の材料タイプから形成され、例えば、どちらも酸化シリコンを含み、同一の屈折率を有する。しかし、デバイス１００はそのような実施形態に限定されない。クラッディング層１５５は、その上に追加の材料層を形成する前に、例えばＣＭＰによって平坦化することができる。

【0028】

図２Ｃでは、任意選択の半導体層２１０がクラッディング層１５５の上に形成されている。半導体層２１０は、例えばアモルファスまたは多結晶シリコン層でよい。フォトニック・デバイス層１３０が近赤外線光で動作するように構成されるとき、半導体層２１０は、例えば約２００ｎｍから約５００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。好ましくは、半導体層２１０は、電子デバイス層１２０の熱履歴を超えないプロセスによって形成される。電子技術分野の当業者は理解するように、電子デバイス層１２０は通常、その中に配置された電子デバイスの所望の電子性能を生み出すように注意深く調整されたドーパント・プロファイル、ならびに様々なビアおよび配線を有するメタライゼーションを含む。電子デバイス層１２０が過度に高い温度にさらされ、または上昇した温度に過度に長期にさらされた場合、電子デバイス層１２０内のドーパント・プロファイルおよびメタライゼーションは変化することがあり、それによって電子デバイスの性能が変化する。

【0029】

したがって、比較的低温の、例えば４５０℃を超えないプロセスを使用して、半導体層２１０を形成することができる。非限定的な実施形態では、半導体層２１０が、ＰＥＣＶＤプロセスを使用して約４００℃以下で形成される。当業者はそのようなプロセスに通じている。

【0030】

図２Ｄでは、例えば従来のプロセスを使用して半導体層２１０がパターン形成され、遷移素子１８０が形成される。遷移素子１８０は、誘電体導波路１５０に光学的に結合するように配置され、したがって長さＬ_１だけ誘電体導波路１５０と重複する。遷移素子１８０がアモルファス・シリコン（ｎ_ｉ≒３．５）を含み、誘電体導波路１５０がｎ_ｉ≒２．０の窒化シリコンを含むとき、オーバーラップ長Ｌ_１は、例えば約５０μｍでよい。さらに、遷移素子１８０は、遷移素子１８０内の光損失を最大値に制限する長さＬ_２に制限されることがある。例えば、いくつかのケースでは、アモルファス・シリコンは、その中を伝播する光信号に１０〜２０ｄＢ／ｃｍの損失を課すことがある。いくつかの実施形態では、長さＬ_２は、光損失を約０．５ｄＢ以下に制限するように制限される。したがって、好ましくは、長さＬ_２は約２５０μｍ未満でよく、より好ましくは、約２００μｍ未満でよい。

【0031】

図２Ｅに、遷移素子１８０の上にクラッディング層１８５を形成した後のデバイスを示す。クラッディング層１８５は、遷移素子１８０および誘電体導波路１５０よりも小さい屈折率を有する材料を含むことができる。二酸化シリコン、シリコン酸窒化物、または適切な屈折率を有する別の誘電体材料を含む材料からクラッディング層１８５を選択することができる。クラッディング層１８５を図示するように平坦化することもできる。

【0032】

図２Ｅには、電子デバイス層１２０に遷移素子１８０を接続するビア構造１９０も示されている。ビア構造１９０は、必要に応じて遷移素子１８０にバイアスを印加するための導電経路を与える。バイアスを使用して、例えば遷移素子１８０の光伝送特性を変更することができる。そのような変更は静的なもの、例えばＤＣバイアスでよく、または動的なもの、例えば切り換えることができる。いくつかの実施形態では、半導体層２１０からヒータ素子（図示せず）を形成することができる。ヒータ素子を配置して、受動フォトニック素子の一部を加熱することができ、それによって、素子が熱光学移相器であるときなどに素子の光伝送特性を変更する。電子デバイス層１２０内の電子デバイスによって、ビア構造１９０に類似の２つ以上のビア構造を介してヒータ素子に電源供給することができる。

【0033】

図２Ｆに、サブアセンブリ３００がクラッディング層１８５に接合された後のデバイス１００を示す。サブアセンブリ３００は、ハンドル・ウェハ３１０、およびそれに接続された能動フォトニック層３２０を含む。図が見やすいように、図３はサブアセンブリ３００を分離して示す。ハンドル・ウェハ３１０は、能動フォトニック層３２０をその上に形成することのできる任意の基板でよい。例示的かつ非限定的な例では、ハンドル・ウェハ３１０はＩｎＰを含む。例えばエピタキシャル・プロセスを使用して、ハンドル・ウェハの上に能動フォトニック層３２０を形成し、能動フォトニック・デバイス１６０のための光学的機能に適した層を形成することができる。例えば、能動フォトニック・デバイス１６０がレーザであるとき、能動フォトニック層３２０は、互い違いの化学量論的組成を有する層が互い違いになったＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙの層を含む。そのような層状構造は、当業者にはなじみのあるものである。あるいは、能動フォトニック層３２０は、能動フォトニック・デバイス１６０のためのダイオードを形成するのに適していることがある。この場合、能動フォトニック層３２０はＩｎＧａＡｓを含むことができる。能動フォトニック層３２０はまた、異なるデバイスのための別々の層、例えば位相変調、電界吸収変調、および利得／吸収のための層をも含むことができる。任意選択で、能動フォトニック層３２０上に誘電体層３３０、例えば酸化シリコンを形成し、クラッディング層１８５にサブアセンブリ３００を接合するプロセスを援助することができる。

【0034】

図２Ｆに戻ると、サブアセンブリ３００がクラッディング層１８５に接触して配置され、直接ウェハ・ボンディングによって接合される。次いで、ハンドル・ウェハ３１０が、従来の方法、例えば裏面研磨および／または化学的ウェット・エッチングによって除去される。得られるアセンブリが図２Ｇに示されている。誘電体層３３０は、使用される場合、機能的にクラッディング層１８５の部分となる。

【0035】

図２Ｈに、能動フォトニック層３２０が例えば通常通りパターン形成され、能動フォトニック・デバイス１６０が生成された後のデバイス１００を示す。いくつかの実施形態では、能動フォトニック・デバイス１６０は、遷移素子１８０の上に、それらの間で所望の光学的結合が得られるように、少なくとも部分的に配置することができる。いくつかの実施形態では、遷移素子１８０が能動フォトニック・デバイス１６０内の導波路構造の部分となるように、能動フォトニック・デバイス１６０を完全に遷移素子１８０の上に配置することができる。能動フォトニック・デバイス１６０の寸法は、所望の光学的機能を生み出す必要に応じて任意の値でよい。例示的かつ非限定的な例では、レーザとして構成されるときの能動フォトニック・デバイス１６０は、約２μｍの厚さＴ_１、約２００μｍの長さＬ_３、約５μｍの、Ｔ_１およびＬ_３に垂直な幅Ｗを有することができる。ダイオードとして構成されるとき、Ｔ_１、Ｌ_３、およびＷは、それぞれ約２μｍ、約２０μｍ、および約５μｍでよい。

【0036】

能動フォトニック・デバイス１６０は、オーバーラップ長Ｌ_４で遷移素子１８０とオーバーラップする。低速かつ断熱の光学モードを発生させて、結合効率の最大化を可能にするように、長さＬ_４を選択することができる。いくつかの実施形態では、図示するように、遷移素子１８０を迂回する光信号を回避するのに遷移素子１８０が使用されるとき、能動フォトニック・デバイス１６０は、誘電体導波路１５０とオーバーラップしない。

【0037】

図２Ｉでは、電子デバイス層１２０と能動フォトニック・デバイス１６０との間の導電経路を設けるために、従来の処理によってビア構造１７０が形成されている。能動フォトニック・デバイス１６０が受信素子、例えばフォトダイオードであるとき、ビア構造１７０は、能動フォトニック・デバイス１６０によって生成された電気信号を、電気的処理のために電子デバイス層１２０に伝導することができる。一方、能動フォトニック・デバイス１６０がレーザなどの放射素子であるとき、ビア構造１７０は、電子デバイス層１２０から能動フォトニック・デバイス１６０に変調信号またはＣＷ信号を伝導することができる。

【0038】

図４Ａおよび４Ｂは、能動フォトニック・デバイス４１０と誘電体導波路１５０が直接的に光学的結合するようにデバイス１００から遷移素子１８０が省略される実施形態の断面図および平面図をそれぞれ示す。この実施形態では、能動フォトニック・デバイス４１０の半導体材料と誘電体導波路１５０の誘電体材料との間の屈折率コントラストの結果、著しい結合損失が生じることがある。そのような損失を低減するために、図示するステップ状の高さの遷移を含むように能動フォトニック・デバイス４１０のプロファイルを形成することができる。

【0039】

能動フォトニック・デバイス４１０は、任意の数のステップ、例えば図示する例では４つのステップを含むことができる。能動フォトニック・デバイス４１０の厚さは、能動フォトニック・デバイス４１０から誘電体導波路１５０への信号伝播方向で減少し、誘電体導波路１５０から能動フォトニック・デバイス４１０への信号伝播方向で増加する。能動フォトニック・デバイス４１０の最も薄い部分は、最も厚い部分の厚さの１０分の１でよい。したがって、例えば、能動フォトニック・デバイス４１０の一部４２０は、約２μｍの厚さでよく、一部４３０は約０．２μｍの厚さでよい。厚さの減少は、能動フォトニック・デバイス４１０のモード・インデックスが誘電体導波路１５０のモード・インデックスに匹敵するように十分に低減することができると考えられ、したがって、能動フォトニック・デバイス４１０と誘電体導波路１５０との間の光学的結合を改善する。

【0040】

図５Ａ〜５Ｌで例示される別の実施形態では、電子デバイス層１２０を支持する基板１１０とは別個に受動フォトニック層１３０ｐを形成することができる。そのような実施形態は、誘電体導波路１５０、能動フォトニック層３２０、半導体層２１０、または様々なクラッディング層を形成することに関連する高温に電子デバイス層１２０がさらされないことを保証する。図５Ａ〜５Ｌでは、同様の参照番号は、図１、２Ａ〜２Ｉ、および３の同様の特徴を指す。

【0041】

図５Ａに、その上に能動フォトニック層３２０および誘電体層３３０が配置されたハンドル・ウェハ３１０を含むサブアセンブリ５００を示す。半導体層５１０が誘電体層３３０の上に形成されている。電子デバイス層１２０がないことにより、半導体層２１０を形成するのに使用される温度よりも高温のプロセスを使用して半導体層５１０を形成することができる。必要に応じて、アニーリング・プロセスを使用して半導体層５１０を再結晶することができる。アニーリング・プロセスは、約４００℃から約６００℃の範囲の温度までサブアセンブリ５００を加熱することを含むことができる。そのような温度は、完成した集積回路、例えば電子デバイス層１２０の許容温度範囲外にある。遷移素子１８０が層５１０から形成されるとき、遷移素子の光学単位損失は、少なくとも約５０％、例えば５ｄＢ／ｃｍ以下に低減されると予想される。

【0042】

図５Ｂに、半導体層５１０をパターン形成し、遷移素子１８０を形成した後のサブアセンブリ５００を示す。この場合も、パターニング・プロセスは従来のものでよい。クラッディング層１８５が遷移素子１８０の上に形成され、平坦な面を形成するように研磨されている。

【0043】

図５Ｃに、誘電体導波路１５０およびクラッディング層１５５の形成後のサブアセンブリを示す。前と同様に、ブランケット誘電体層をパターン形成することによって誘電体導波路１５０を形成することができる。ブランケット誘電体層を形成するのに使用されるプロセス温度は、図２Ｂの誘電体層を形成するのに使用される温度よりも高くてよく、誘電体導波路１５０の誘電体材料を形成する際により高い自由度が得られる。クラッディング層１５５が誘電体導波路１５０の上に形成され、平坦な面を形成するように研磨されている。

【0044】

図５Ｄでは、例えば直接ウェハ・ボンディングにより、サブアセンブリ５００がサブアセンブリ２００（図２Ｂ）に接合されており、クラッディング層１５５がクラッディング層１４０にボンディングされる。組み合わされたアセンブリを前述のように処理し、ハンドル・ウェハ３１０を除去し（図５Ｅ）、能動フォトニック・デバイス１６０を形成し（図５Ｆ）、ビア構造１７０を形成する（図５Ｇ）ことができる。図５Ｇのデバイス１００は、ビア構造１９０が省略されて示されている。この場合、遷移素子１８０をバイアスすることなくデバイス１００を操作することができる。

【0045】

図６Ａ〜６Ｇに、遷移素子１８０が形成される結晶半導体層を設けるためにＳＯＩウェハが使用されるデバイス１００を形成する方法の別の実施形態を示す。図６Ａは、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）基板６０５を含む、形成の初期の段階でのアセンブリ６００を示す。ＳＯＩ基板は、シリコン基板６１０（第１のハンドル・ウェハ）、例えばシリコン・ウェハ、その上に配置された結晶シリコン層６２０、およびそれらの間に配置される誘電体（絶縁体）層６３０、例えば酸化シリコンを含む。

【0046】

図６Ｂに、結晶半導体層６２０がパターン形成され、光学遷移素子１８０が形成された後のアセンブリ６００を示す。前述のように、受動光学素子１５０およびクラッディング層１５５および１８５も形成されている。この実施形態の遷移素子１８０は、結晶半導体層６２０から形成されることにより、単結晶である。

【0047】

図６Ｃでは、例えば直接ウェハ・ボンディングにより、アセンブリ６００がアセンブリ２００に接合されている。この構成は、図５Ｄに示す構成と類似しているが、図６Ｃの実施形態には能動フォトニック層がない。裏面研磨および／または化学的ウェット・エッチングによって半導体基板６１０を除去することができ、図６Ｄに示すように誘電体層６３０上で停止する。

【0048】

図６Ｅでは、直接ウェハ・ボンディングによってアセンブリ６４０が誘電体層６３０に接合されている。アセンブリ６４０は、ウェハ・ボンディング・プロセスを容易にするために半導体基板６５０（第２のハンドル・ウェハ）、能動フォトニック層６６０、および任意選択の誘電体層６７０を含む。

【0049】

図６Ｆでは、やはり裏面研磨および／または化学的ウェット・エッチングによって半導体基板６５０が除去され、能動フォトニック層６６０が露出している。次いで、図５Ｆから始めて説明したように処理を続行し、デバイス１００の形成を完了することができる。

【0050】

半導体層６２０は結晶であるので、結晶半導体層６２０から形成される光学遷移素子１８０によって課される光損失は、例えばアモルファスまたは多結晶シリコンによって課される損失よりも著しく低くなると予想される。例えば、このようにして形成された光学遷移素子１８０からの光損失は、アモルファスまたは多結晶シリコンの場合の約１０〜２０ｄＢ／ｃｍと比べて、約２ｄＢ／ｃｍ未満となると予想される。さらに、受動光学素子の処理中においてＩＩＩ−Ｖ族能動フォトニック層および電子層がないので、例えば最大１２００℃のかなり高い温度を使用して、受動素子における損失をさらに低減することができる。より低い損失により、例えばフォトニック電子デバイス設計が必要とする利得ステージをより少なくすることが可能となり、著しく改善された性能が実現されると予想される。

【0051】

他の、およびさらなる追加、削除、置換、および変更を記載の実施形態に行えることを本願が関連する技術分野における当業者は理解されよう。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図2H】

【図2I】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図5F】

【図5G】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】