[发明专利]光学器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明概念涉及光学器件和方法，更具体地，涉及用于实现光通信的光波导和光耦合器、以及制造光波导和光耦合器的方法。

背景技术

诸如光学纤维、光波导和光耦合器的光学器件在各种器件和系统中用于高速、低功率通信。光学互连已经在半导体存储器件、模块和系统中用于实现大容量、高速和低功率通信。在这些系统中，光学纤维能用于模块之间的通信。光学纤维能通过光耦合器耦合到存储模块和存储器件，光信号能通过光波导在模块和存储器件内传输。

由于小尺寸要求，存储模块、器件和系统中的光学互连通常要求将光波导和光耦合器集成到半导体晶片中。常规地，集成的光波导和光耦合器形成在绝缘体上硅(SOI)衬底上，绝缘体上硅衬底包括形成在单晶硅衬底或晶片上的绝缘材料层，诸如硅氧化物(SiO₂)。绝缘材料层用作波导的底包层。具有比下包层的折射率更大的折射率的波导芯材料诸如非晶硅形成在下包层上。上包层诸如具有比芯层的折射率更低的折射率的材料层可形成在芯层上和/或围绕芯层以完成波导包覆。上包层可以是另一硅氧化物层、多晶硅层、或者折射率小于芯的另一材料。例如，在一些情况下，空气可用作上包层。

其中形成常规器件的SOI晶片比常规半导体晶片昂贵很多。此外，由于常规的集成光学器件形成在SOI衬底中，所以不能实现光学器件与其他电路诸如存储器件电路的完全集成，因为这些器件通常不形成在SOI衬底上。结果，光学器件通常形成为在单独芯片上和/或单独封装中的单独器件。这导致大尺寸和复杂的器件、模块和系统，还导致更高的相关成本。

随着对小尺寸、高速、低功率和省成本的存储器件、模块和系统的需求不断增大，对能以更低成本制造，具有更小尺寸，能以高速和低功耗工作且能在单个芯片或晶片上与其他电路有效集成的光学互连器件和系统的需求也在增大。

发明内容

本发明概念的一个特征在于提供一种集成到体半导体衬底中的光波导，其它电路也集成在该体半导体衬底上。

本发明概念的另一特征在于提供一种集成到体半导体衬底中的光耦合器，其它电路也集成在该体半导体衬底上。

本发明概念的另一特征在于提供一种具有集成的光互连器件诸如光波导和光耦合器的集成半导体器件，诸如存储器件。

本发明概念的另一特征在于提供一种具有光学互连系统的模块，诸如存储器模块，该光学互连系统具有集成的光学互连器件，诸如光波导和光耦合器。

本发明概念的另一特征在于提供一种光学互连系统，诸如用于存储器系统的光学互连系统，其中在存储器模块上的存储器件包括集成的光学互连器件，诸如光波导和光耦合器。

本发明概念的另一特征在于提供制造存储器件、存储器模块、存储器系统和互连系统的方法，其中存储器模块上的存储器件包括集成的光学互连器件，诸如光波导和光耦合器。

根据一方面，本发明概念涉及一种光学器件，包括：设置在半导体衬底中的沟槽、设置在沟槽中的第一包层、以及设置在第一包层上方的至少一个芯区。

在一实施方式中，半导体衬底包括体单晶硅，沟槽的侧壁基本垂直于半导体衬底的表面。

在一实施方式中，光学器件包括至少一个波导结构和至少一个光耦合器结构，芯区的第一侧壁离沟槽的第一侧壁距离d1，芯区的第二侧壁离沟槽的第二侧壁距离d2。在一实施方式中，距离d1和d2大于约0.27μm，波导中的泄漏损失小于1dB/mm。在一实施方式中，第一包层的顶表面低于半导体衬底的顶表面，距离d1和d2大于约0.35μm，波导中的泄漏损失小于1dB/mm。

在一实施方式中，波导结构耦合到光耦合器结构，该光耦合器结构包括以下中的至少一个：设置在第一包层的一部分顶表面中的光栅、垂直光栅耦合器、光束方向改变器件、光收发器和光-电转换器件；该光耦合器结构包括与该波导结构的顶表面基本共平面地设置的顶表面。

在一实施方式中，光学器件还包括反射元件，该反射元件是以下情况中的至少一种：邻近第一包层设置；和设置在第一包层中，该反射元件包括以下中的至少一种：金属反射器、布拉格反射器、分布式布拉格反射器、以及其中至少包括第一材料层和第二材料层且第一和第二材料层都接触第三材料层的结构，该第三材料层具有不同于第一和第二材料层的折射率。

在一实施方式中，光学器件还包括第二包层，设置来覆盖芯区的顶表面和侧壁的至少一部分。

在一实施方式中，芯区包括有缺陷单晶硅、单晶硅、大晶粒多晶硅和晶化非晶硅中的至少一种。