專利名稱：電子光學(xué)結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電子光學(xué)結(jié)構(gòu)和器件及其制造方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種改進型電子光學(xué)結(jié)構(gòu)以及一種用于以單片方式將電子光學(xué)結(jié)構(gòu)與硅器件和電路集成在一起的方法。
背景技術(shù)：
通常，通信系統(tǒng)將信息從一個地方發(fā)送到另一個地方。信息通常由其頻率可以在幾兆赫茲(MHz)至幾百太赫茲(THz)之間變化的電磁載波承載。通常，光通信系統(tǒng)采用處于可見或近紅外電磁波頻譜內(nèi)的高載頻(例如100THz)。
波導(dǎo)用于控制諸如光波或電磁波的波的方向。在最簡單的方式中，波導(dǎo)包括至少被其折射率比纖心的折射率低的包層部分包圍的纖心。波通過纖心傳播時被包層反射。如果包層的折射率比纖心的折射率高，則波容易被包層吸收，而且不能通過纖心傳輸。
鈮酸鍶鋇(SBN)是一種強光折射材料，而且，在最近幾年，因為其在電子光學(xué)、全息存儲、空間光線調(diào)制器、熱電檢測器、表面聲波器件以及射束控制方面的潛在應(yīng)用，所以得到廣泛關(guān)注。SBN波導(dǎo)顯示與集成光學(xué)系統(tǒng)和其它小型化器件具有高兼容性。
極大多數(shù)半導(dǎo)體分立器件和集成電路至少部分地均由硅制成，因為單晶硅襯底廉價、實用、質(zhì)量高。
而且，最好將SBN的實用性與半導(dǎo)體電路組合在一起。如果可以將SBN導(dǎo)波膜(waveguiding film)制造在硅襯底上，將有助于將集成光學(xué)與微電子學(xué)聯(lián)系起來。如果可以在諸如硅晶片的大的晶片(bulk wafer)上制造高質(zhì)量單晶硅材料的導(dǎo)波膜，則可以實現(xiàn)利用了硅和導(dǎo)波材料的最佳特性的集成器件結(jié)構(gòu)。此外，進行組合會產(chǎn)生新型電子光學(xué)和微電子器件，改進現(xiàn)有器件而且降低它們的制造成本。
已經(jīng)建議了許多方式將SBN膜集成到大的襯底上。例如，將SBN膜組合到MgO(氧化鎂)襯底上顯示出某種優(yōu)勢，因為MgO的折射率低，所以存在0.5的折射率差。然而，硅襯底更適合應(yīng)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中建議了另一種方式，它描述了一種在p型硅晶片上制造SBN/MgO雙層膜的方法。雙層膜顯示SBN膜的多晶生長和MgO緩沖層的強紋理生長。然而，正如X LGuo等人自己承認的那樣，得到的多晶結(jié)構(gòu)不如單晶結(jié)構(gòu)理想，因此，還需要做其它努力以改善SBN膜的結(jié)晶性。
因此，需要一種具有高質(zhì)量單晶特性的電子光學(xué)結(jié)構(gòu)。尤其需要一種以單片方式與基于硅的電路系統(tǒng)集成在一起的電子光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中該結(jié)構(gòu)是高質(zhì)量的單晶材料。


利用例子說明本發(fā)明，而且本發(fā)明并不局限于附圖，在附圖中，類似的參考編號代表類似的單元，附圖包括圖1、3和5示出根據(jù)本發(fā)明各種實施例的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的原理剖視圖；圖2示出最大可獲得薄膜厚度與基質(zhì)晶體與生長的結(jié)晶表層之間的晶格失配之間的關(guān)系的示意圖；圖4和6示出根據(jù)本發(fā)明各種實施例的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的俯視圖的原理剖視圖。
熟練技術(shù)人員明白，附圖中的各單元是為了簡化說明問題示出的，所以不一定按比例示出。例如，附圖中某些單元的大小相對于其它單元被放大，從而有助于理解本發(fā)明的實施例。
發(fā)明詳述圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)20的一部分的原理剖視圖。結(jié)構(gòu)20包括單晶襯底22、含有單晶材料的調(diào)節(jié)緩沖層(accommodating buffer layer)24、單晶材料的底包層26、單晶材料的纖心28以及單晶材料的頂包層30。在此上下文中，術(shù)語“單晶”應(yīng)該具有半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域采用的普通意義。該術(shù)語指單晶體材料，或者大致單晶體材料，而且應(yīng)該包括具有較少瑕疵的材料，例如，在硅襯底或鍺襯底或者硅和鍺混合物襯底內(nèi)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的晶格位移，以及在半導(dǎo)體工業(yè)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的這種材料的外延層。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，結(jié)構(gòu)20還包括位于襯底22與調(diào)節(jié)緩沖層24之間的非晶中間層32。非晶中間層有助于消除調(diào)節(jié)緩沖層內(nèi)的應(yīng)變，通過這樣做，還有助于生長高晶格質(zhì)量的調(diào)節(jié)緩沖層。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，襯底22是單晶半導(dǎo)體晶片，最好具有較大直徑。該晶片的材料可以是周期表中的IV組中的材料，而且最好是IVA組中的材料。例如，IV組半導(dǎo)體材料包括硅、鍺、硅和鍺的混合物、硅和碳的混合物、硅、鍺以及碳的混合物等。襯底22最好是含有硅或鍺的晶片，最最好是半導(dǎo)體工業(yè)中使用的、直徑約為200-300mm的高質(zhì)量單晶硅襯底。
調(diào)節(jié)緩沖層24最好是為了使其結(jié)晶性與底層襯底兼容而且與上層化合物半導(dǎo)體材料兼容選擇的單晶氧化物材料。例如，該材料可以是其晶格結(jié)構(gòu)與襯底以及后續(xù)噴涂的包層材料基本匹配的氧化物。適合用于調(diào)節(jié)緩沖層的材料包括諸如堿土金屬鈦酸鹽的金屬氧化物，而且通常至少還可以包括兩種不同的金屬元素。在某些特殊應(yīng)用中，金屬氧化物可以包括3個或更多個不同金屬元素。
可以根據(jù)特定波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的需要，選擇層26、28和30的的包層和纖心材料。為了獲得總內(nèi)反射，或者至少為了大致獲得總內(nèi)反射，纖心28由其折射率與構(gòu)成頂部包層30和底部包層26的材料的折射率不同的材料構(gòu)成。更具體地說，纖心28的折射率大于頂部包層30和底部包層26的折射率，頂部包層30和底部包層26適于由同一種材料構(gòu)成。根據(jù)典型實施例，選擇用于纖心28的材料的折射率為n1，而選擇用于頂部包層30和底部包層26的材料的折射率分別為n2和n3，其中n1＞n2，而且n1＞n3。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，纖心層28以及包層26和30是強光照活化反應(yīng)材料，例如，鈮酸鍶鋇(SBN)。每個SBN層的厚度依賴于傳輸能量的特定波導(dǎo)。通常，光波導(dǎo)在電磁頻譜的可見至近紅外區(qū)內(nèi)工作。在該實施例中，折射率為n3的底部包層26沉積在緩沖層24之上。包層26可以是SBN60，其中60代表鍶與鋇的比例，而n3可以等于2.33。纖心層28沉積在底部包層之上，而且最好具有比n3高的折射率n1。纖心層28可以是SBN75，而且n1可以等于2.35。頂部包層30可以沉積在纖心層28之上。根據(jù)此實施例的一個方面，頂部包層30與底部包層26為同一種材料(即SBN60，n1＝2.33)。然而，如果周圍介質(zhì)的折射率低于纖心的折射率(例如折射率等于1的空氣)，則不必在纖心上沉積附加包層，以下將做更詳細說明。
在本發(fā)明的又一個實施例中，包層26和30是折射率為1.78的氧化鎂(MgO)(n2和n3等于1.78)。纖心層28在SBN50至SBN75之間，而且最好為SBN75，因為SBN75的折射率高。然而，SBN50至SBN75適于該實施例以及以上討論的實施例。
本實施例以及上述討論的實施例描述了一種包層相對于纖心“對稱”的對稱配置。然而，應(yīng)該理解，所有配置、對稱、非對稱均被認為屬于本發(fā)明范圍。非對稱配置包括折射率不相同的包層材料，以下將做更詳細說明。例如，底部包層的折射率低于或小于頂部包層的折射率，然而，無論如何，纖心的折射率通常大于兩個包層的折射率。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在襯底22與生長的調(diào)節(jié)緩沖層之間的接合處，非晶中間層32生長在襯底22上。非晶中間層32最好是由襯底22的氧化作用產(chǎn)生的氧化物，非晶中間層32更最好是由生長層24期間的氧化硅(SiOx)構(gòu)成。層32的厚度足以消除導(dǎo)致襯底22與調(diào)節(jié)緩沖層24的晶格常數(shù)失配的應(yīng)變(通常在約0.5至5.0nm范圍內(nèi))。在此，晶格常數(shù)指在表面平面上測量的單元的原子之間的距離。如果不利用非晶中間層消除這種應(yīng)變，則這種應(yīng)變會在調(diào)節(jié)緩沖層的晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷。調(diào)節(jié)緩沖層晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷反過來又使得難以在單晶層26、28和30內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，調(diào)節(jié)緩沖層24是SrzBa1-zTiO3的單晶層，其中z在0至1之間，而非晶中間層32是在硅襯底與調(diào)節(jié)緩沖層的接合處產(chǎn)生的氧化硅(SiOx)層。選擇Z的值以獲得一個或多個與后續(xù)產(chǎn)生的包層26的相應(yīng)晶格常數(shù)接近匹配的晶格常數(shù)。調(diào)節(jié)緩沖層的厚度可以是幾個單層至幾百埃(100)。通常，最好使調(diào)節(jié)緩沖層的厚度足以將單晶氧化物層與襯底隔離，從而獲得要求的電特性和光學(xué)特性。通常，厚度大于100nm的各層幾乎不能提供其它好處，反而會增加不必要的成本，然而，在需要時，可以產(chǎn)生較厚的層。在此實施例中，氧化硅非晶中間層的厚度可以為約0.5-5nm，而且最好為約1.5-2.5nm。
襯底22是諸如單晶硅襯底的單晶襯底。單晶襯底晶體結(jié)構(gòu)的特征在于晶格常數(shù)和晶格取向。同樣，調(diào)節(jié)緩沖層24也是單晶材料，該單晶材料晶格的特征在于晶格常數(shù)和晶體取向。調(diào)節(jié)緩沖層與單晶襯底的晶格常數(shù)必須接近匹配，或者必須為相對于一個晶體取向轉(zhuǎn)動另一個晶體取向，實現(xiàn)晶格常數(shù)基本匹配。在此上下文中，術(shù)語“基本大于”和“基本匹配”意味著晶格常數(shù)足夠接近以允許在底層生長高質(zhì)量結(jié)晶層。
圖2示出作為基質(zhì)晶體與生長晶體的晶格常數(shù)之間失配的函數(shù)，高結(jié)晶質(zhì)量的生長晶體層的可實現(xiàn)厚度與失配的關(guān)系的示意圖。曲線42示出高結(jié)晶質(zhì)量材料的范圍。曲線42的右側(cè)區(qū)域表示具有大量缺陷的層。如果沒有晶格失配，則從理論上說，可以在基質(zhì)晶體上生長無限厚的、高質(zhì)量外延層。隨著晶格常數(shù)失配的提高，高質(zhì)量結(jié)晶層的可實現(xiàn)厚度迅速降低。作為基準(zhǔn)點，如果基質(zhì)晶體與生長層之間的晶格常數(shù)失配大于約2％，則不可能實現(xiàn)超過約20nm的單晶外延層。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，襯底22是(100)或(111)取向單晶硅晶片，而且調(diào)節(jié)緩沖層24是鈦酸鍶鋇層。通過將鈦酸材料的晶體取向相對于硅襯底晶片的晶體取向轉(zhuǎn)動45°，可以使這兩種材料的晶格常數(shù)基本實現(xiàn)匹配。在此例中，非晶中間層32的結(jié)構(gòu)中包括氧化硅層，如果它足夠厚，則可以用于降低鈦酸單晶層內(nèi)的應(yīng)變，鈦酸單晶層內(nèi)的應(yīng)變是由于基質(zhì)硅晶片與生長鈦酸層之間的晶格常數(shù)失配產(chǎn)生的。因此，根據(jù)本發(fā)明實施例，可以實現(xiàn)高質(zhì)量、厚單晶鈦酸層。
再參考圖1，包層26是外延生長單晶材料層，而且該單晶材料的特征也在于晶體晶格常數(shù)和晶體取向。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，層26的晶格常數(shù)不同于層22的晶格常數(shù)。為了使此外延生長單晶層26內(nèi)實現(xiàn)高結(jié)晶質(zhì)量，調(diào)節(jié)緩沖層24必須具有高結(jié)晶質(zhì)量。此外，為了使層26實現(xiàn)高結(jié)晶質(zhì)量，要求基質(zhì)晶體(在此例中為單晶調(diào)節(jié)緩沖層)與生長晶體的晶體晶格常數(shù)基本匹配。由于選擇的材料適當(dāng)，所以通過相對于基質(zhì)晶體的取向轉(zhuǎn)動生長晶體的晶體取向，可以使晶格常數(shù)基本匹配。
下面的例子說明了一種根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，制造諸如圖1所示結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法。該方法首先提供包括硅或鍺的單晶半導(dǎo)體襯底。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，半導(dǎo)體襯底是具有(100)取向的硅晶片。襯底最好取向為軸向，最多偏軸約0.5°。至少部分半導(dǎo)體襯底具有裸面，但是襯底的其它部分可以包括其它結(jié)構(gòu)，如下所述。在此上下文中，術(shù)語“裸”指清洗襯底上該部分的表面以去除任何氧化物、污物或其它異物。眾所周知，裸硅極易發(fā)生反應(yīng)，而且容易產(chǎn)生純凈氧化物。術(shù)語“裸”的本意包括這種純凈氧化物。還有意使薄膜氧化硅生長在半導(dǎo)體襯底上，但是這種生長的氧化物對于本發(fā)明的方法并不是必需的。為了在單晶襯底上外延生長單晶氧化物層，必須首先去除純凈氧化物層，以露出底層襯底的晶體結(jié)構(gòu)。最好利用分子束外延(MBE)執(zhí)行如下過程，但是根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它外延方法。首先，通過在MBE設(shè)備內(nèi)熱沉積鍶、鋇、鍶和鋇的組合，或者其它堿土金屬或堿土金屬的組合的薄膜層，去除純凈氧化物。在使用鍶的情況下，將襯底加熱到約750℃的溫度，以使鍶與純凈氧化硅氧化物層發(fā)生反應(yīng)。鍶用于還原氧化硅以保留無氧化硅的表面。顯示2×1有序結(jié)構(gòu)的得到的表面包括鍶、氧和硅。該2×1有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個模板(template)用于有序生長單晶氧化物底層。該模板提供必要化學(xué)特性和物理特性以對上層的結(jié)晶生長過程產(chǎn)生成核作用(nucleate)。
根據(jù)本發(fā)明的變換實施例，可以轉(zhuǎn)換純凈氧化硅，而且可以制備襯底表面，以通過利用低溫MBE方法以及通過后續(xù)將結(jié)構(gòu)加熱到約750℃的溫度，在襯底表面上沉積諸如氧化鍶、氧化鍶鋇、或者氧化鋇的堿土金屬氧化物，來生長單晶氧化物層。在此溫度，在氧化鍶與純凈氧化硅之間發(fā)生固態(tài)反應(yīng)以還原沉積氧化硅，而且留下在襯底表面上具有鍶、氧和硅的2×1有序結(jié)構(gòu)。此外，這樣還可以產(chǎn)生用于后續(xù)生長有序單晶氧化物層的模板。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，從襯底表面上去除氧化硅后，將襯底冷卻到約200-800℃的溫度，然后，利用分子束外延，在模板層上生長鈦酸鍶層。通過打開MBE設(shè)備內(nèi)的開關(guān)以輻照鍶源、鈦源和氧源，開始執(zhí)行MBE過程。鍶和鈦的比例為1∶1。首先，將部分氧壓力設(shè)置為最小值，從而以每分鐘約0.3-0.5nm的生長速率，生長理想配比的鈦酸鍶。在首先生長了鈦酸鍶后，部分氧壓力升高到高于初始最小值。剩余氧壓使得在底層襯底與生長的鈦酸鍶層之間的接合處生長非晶氧化硅層。在底層襯底表面上，氧通過生長鈦酸鍶層擴散到氧與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的接合處，導(dǎo)致生長氧化硅層。通過相對于底層襯底的2×1有序結(jié)構(gòu)將結(jié)晶取向轉(zhuǎn)動45°，生長鈦酸鍶作為有序單晶體。在非晶氧化硅中間層內(nèi)消除了因為硅襯底與生長晶體之間的稍許失配而在鈦酸鍶層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變。
在鈦酸鍶層生長到要求厚度時，單晶鈦酸鍶被模板層覆蓋，模板層有助于后續(xù)生長要求的包層材料的外延層。為了后續(xù)生長SBN層，通過沉積材料的1-2原子層以形成Sr-O鍵來終止生長，完成鈦酸鍶單晶層的MBE生長。作為一種選擇，如果調(diào)節(jié)緩沖層是鈦酸鋇，則還可以形成Ba-O鍵。
一旦形成了單晶調(diào)節(jié)緩沖層24，就能夠形成單晶波導(dǎo)。在一個實施例中，利用金屬有機化合物的化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法，將SBN60層沉積在層24上，而且為了實現(xiàn)晶格匹配，最好是軸向取向。利用同樣的方法，將最好為SBN75的纖心層28沉積在底部包層26上。在對稱配置中，纖心被同樣的包層材料包圍，在這種情況下，SBN60的包層30被沉積在纖心層上。纖心層和包層的厚度均根據(jù)引入波導(dǎo)(纖心)的光的波長發(fā)生變化。
圖3以剖視圖示出根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)40。除了省略了頂部包層之外，結(jié)構(gòu)40與上述說明的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)20相同。如上所述，最好利用其折射率比纖心的折射率低的材料或襯底包圍纖心。結(jié)構(gòu)40包括折射率為n1的纖心28和折射率為n3的底部包層26，其中n1＞n3。在非對稱系統(tǒng)中，頂部包層和底部包層具有不同折射率，或者完全省略其中一個包層。只要外圍包層或者介質(zhì)具有比纖心的折射率低的折射率，波，例如光波就可以通過纖心連續(xù)傳播，而且損耗小。
根據(jù)本實施例的一個方面，底部包層26的折射率為n3，纖心層28的折射率為n1，而且空氣接入纖心28，其中空氣的折射率通常為1，而且1＜n1＞n3。
應(yīng)該明白，可以使上述描述的結(jié)構(gòu)20和40以及以下的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生圖形，而且可以蝕刻它們。具體地說，可以以半導(dǎo)體工業(yè)內(nèi)眾所周知的方式，圖形化或者蝕刻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的纖心和/或包層。更具體地說，可以圖形化或者蝕刻結(jié)構(gòu)中的感興趣的層以加強波的傳播、確定波的輸入和輸出等。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)45的部分俯視圖的原理剖視圖。除了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)45包括用于形成調(diào)制器的附加單元外，結(jié)構(gòu)45與上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)20和40相同。具體地說，結(jié)構(gòu)45包括結(jié)構(gòu)46，結(jié)構(gòu)46包括纖心層和包層以及電極47。
外部調(diào)制器通常通過在纖心區(qū)內(nèi)引入電荷或電場來改變行波的特性。例如，在將電壓施加到電極47上時，產(chǎn)生受控電場。在此例中，利用外圍包層或空氣的內(nèi)反射，光波(如hv所示)可以通過纖心傳播。對電極47施加的電壓在行波路徑上產(chǎn)生某個電場或電荷。在電場的作用下，波特性發(fā)生變化(調(diào)制)，因此改變(調(diào)制)了行波的傳播方式、相位等(如hv’所示)。
根據(jù)本實施例的一個方面，利用半導(dǎo)體工業(yè)通常采用的硅器件加工技術(shù)，至少在部分硅襯底上成型利用虛線48簡略示出的電子元件。電子元件48與電極47實現(xiàn)電連接，如線49所示。元件48可以是被適當(dāng)配置以將電信號送到電極47的有源半導(dǎo)體元件，例如，諸如CMOS集成電路的集成電路。此外，或者作為一種選擇，元件48還可以包括一個或多個無源元件?？梢詫﹄娮釉?8覆蓋適當(dāng)絕緣材料(未示出)以防止發(fā)生短路等。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)50的原理剖視圖。結(jié)構(gòu)50與上述結(jié)構(gòu)20和45相同。結(jié)構(gòu)50包括適于傳播波的纖心54。如上所述，結(jié)構(gòu)50包括其折射率最好比纖心54的折射率低的頂部包層。然而，應(yīng)該明白，可以省略頂部包層(如圖3所示)，而且可以將其折射率比纖心54的折射率低的、諸如空氣的適當(dāng)介質(zhì)接入纖心。
結(jié)構(gòu)50進一步包括一個或多個位于介質(zhì)材料52之上的電極56。根據(jù)本實施例的一個方面，可以將結(jié)構(gòu)50成型為上述結(jié)構(gòu)20、40和45那樣。然后，深蝕刻構(gòu)成結(jié)構(gòu)45的各層以露出各區(qū)域內(nèi)的襯底。例如，深蝕刻結(jié)構(gòu)50以成型“臺面(mesa)”，該臺面在其它層之間包括纖心和包層。然后，在剩余臺面的附近區(qū)域內(nèi)沉積介質(zhì)物質(zhì)52。合適的介質(zhì)材料包括諸如SiO2和SiN3的材料。然后，可以將電極56設(shè)置在介質(zhì)層52之上，并與臺面實現(xiàn)電連接。根據(jù)本實施例的又一個方面，電子元件58與電極56實現(xiàn)電連接以提供電荷或電場。因此，可以使基于氧化物的電子光學(xué)器件與硅電路系統(tǒng)完全實現(xiàn)單片集成。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)60的原理剖視圖。利用上述描述的任何一種方法制造結(jié)構(gòu)60，而且還可以利用Mach-Zehnder等配置制造結(jié)構(gòu)60。Mach-Zehnder干涉儀設(shè)計62包括兩個臂，這兩個臂使行波(如hv所示)分裂，并繼續(xù)沿著兩個相同的、但是隔離開的路徑傳播。如果沒有外部電壓，則Mach-Zehnder干涉儀的兩個臂上的光場承受同樣的相位偏移和相長干涉。在該干涉儀的一個臂上，可以將電壓施加到一個或多個電極64上，這樣可以相移相應(yīng)的波(通常是所示的“調(diào)制”光波hv’)。附加相移會破壞相長干涉的性質(zhì)而且降低傳送強度。具體地說，在兩個臂之間的相差等于π時，不傳送光，因為在這種情況下，發(fā)生破壞性干涉。因此，調(diào)制器的電“開關(guān)”特性可以控制光的數(shù)量或者無光。至少部分成型在結(jié)構(gòu)60的襯底(例如硅半導(dǎo)體襯底)上的電子元件66可以正確連接到電極64上以提供調(diào)制所需的電信號。
上述方法說明了一種利用傳統(tǒng)MBE和MOCVD方法描述的、用于形成包括硅襯底、上層氧化物層、單晶纖心層以及單晶包層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法。然而，應(yīng)該明白，還可以利用化學(xué)汽相沉積(CVD)、物理汽相沉積(PVD)、脈沖激光沉積(PLD)等實現(xiàn)上述方法。
在以上的說明中，參考特定實施例對本發(fā)明進行了說明。然而，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員明白，可以在以下的權(quán)利要求所述的本發(fā)明范圍內(nèi)，對其做各種修改和變化。因此，說明書和附圖具有說明性意義，而沒有限制意義，而且所有這些修改和變化均屬于本發(fā)明范圍。
以上參考特定實施例對本發(fā)明的益處、其它優(yōu)勢以及解決問題的方案進行了說明。然而，不將本發(fā)明的益處、優(yōu)勢、解決問題的方案以及可以使任意益處、優(yōu)勢或者解決方案變得更明確的任何元素理解為是任何一項或所有權(quán)利要求的一種決定性的、必需的、或者本質(zhì)特征或要素。在此，使用的術(shù)語“包括”或其其它變形試圖覆蓋不排除在外的內(nèi)容，以致包括一系列元素的過程、方法、物品或設(shè)備不僅包括這些元素，而且還可以包括未明確列出的，或者這些過程、方法或設(shè)備固有的其它元素。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括單晶半導(dǎo)體襯底；單晶氧化物層，其覆蓋該襯底成型；纖心層，其成型在該氧化物層上；以及包層，其靠近纖心層成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中單晶半導(dǎo)體襯底包括硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中氧化物層包括從由包含鈦酸堿土金屬的組中選擇的氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中氧化物層包括Sr2Ba1-zTiO3，其中z在0至1之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中纖心層包括單晶鈮酸鍶鋇(SBN)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中纖心層包括SBN75。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中包層包括單晶鈮酸鍶鋇(SBN)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中纖心層包括SBN60。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中包層包括單晶氧化鎂(MgO)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中包層包括第二包層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，包括對稱配置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，包括非對稱配置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)進一步包括成型在襯底與氧化物層之間的非晶層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其中非晶層包括氧化物。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，其中非晶層包括氧化硅。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)進一步包括波調(diào)制器。
17.一種波調(diào)制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括單晶半導(dǎo)體襯底；單晶氧化物層，其覆蓋該襯底成型；單晶纖心層，其成型在該氧化物層上；單晶包層，其靠近纖心層成型；以及電極，其與纖心進行電通信。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)，其中襯底包括硅。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)，其中氧化物層包括從包含鈦酸堿土金屬的組中選擇的氧化物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)，其中氧化物層包括Sr2Ba1-zTiO3，其中z在0至1之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)，包括對稱配置。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)，包括非對稱配置。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)進一步包括至少部分位于襯底上的電子器件，其中該器件與電極電連接。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)，其中該器件包括基于硅的器件。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的結(jié)構(gòu)，其中該器件包括CMOS。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)進一步包括位于單晶襯底與單晶氧化物層之間的接合處的非晶氧化物層。
27.一種制造波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟提供單晶半導(dǎo)體襯底；覆蓋該襯底成型單晶氧化物層；在該氧化物層上成型纖心層；以及至少圍繞部分纖心層成型包層。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中成型單晶氧化物層的步驟包括利用從包含分子束外延、化學(xué)汽相沉積、物理汽相沉積以及脈沖激光沉積的組中選擇的方法，外延生長氧化物層。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中成型單晶氧化物層的方法包括外延生長包括含有SrzBa1-zTiO3的層的層，其中z在0至1范圍內(nèi)。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，該方法進一步包括成型對稱波導(dǎo)的步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，該方法進一步包括成型非對稱波導(dǎo)的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中成型纖心層的步驟包括沉積鈮酸鍶鋇(SBN)層。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中利用從包含金屬有機化合物的化學(xué)汽相沉積、脈沖激光沉積、化學(xué)汽相沉積以及分子束外延的組中選擇的方法執(zhí)行沉積步驟。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中成型纖心層的步驟進一步包括進行軸向取向以使纖心層與底層晶格匹配。
35.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中成型包層的步驟包括沉積鈮酸鍶鋇(SBN)層。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中成型包層的步驟包括成型單晶包層。
37.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中成型包層的步驟包括在氧化物層上成型底部包層；以及在纖心層上成型頂部包層，其中該包層基本上圍繞該纖心層。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中成型頂部包層的步驟包括形成對稱結(jié)構(gòu)。
39.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，該方法進一步包括成型與纖心層實現(xiàn)電通信的波調(diào)制器。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中成型波調(diào)制器的步驟包括成型Mach-Zehnder干涉儀。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中成型波調(diào)制器的步驟包括深蝕刻各層以露出襯底從而成型平臺，其中該平臺包括纖心層和包層；在深蝕刻區(qū)域內(nèi)沉積介質(zhì)材料；以及在介質(zhì)材料上成型電極。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中沉積介質(zhì)材料的步驟包括沉積氧化硅或氮化硅之一。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，該方法進一步包括步驟至少在部分襯底上成型電子器件；以及將該器件電連接到電極。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中成型步驟包括至少在部分襯底上成型基于硅的集成電路。
45.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中成型纖心層的步驟包括成型單晶纖心層。
全文摘要
通過在硅晶片上首先生長調(diào)節(jié)緩沖層(26)，可以覆蓋大的硅晶片(22)生長高質(zhì)量外延層。調(diào)節(jié)緩沖層是單晶氧化物層，氧化硅非晶接合層(24)將非晶氧化物層與硅晶片分離。非晶中間層消除應(yīng)變并使得能夠生長高質(zhì)量單晶氧化物調(diào)節(jié)緩沖層。利用非晶中間層，可以處理調(diào)節(jié)緩沖層與底層硅襯底之間的任何晶格失配問題。波導(dǎo)(45)可以由單晶緩沖層之上的高質(zhì)量單晶材料構(gòu)成。所形成的波導(dǎo)適于調(diào)制波?？梢允估肐II－V光子的、基于氧化物的電子光學(xué)器件與Si電路系統(tǒng)完全實現(xiàn)單片集成。
文檔編號G02B6/13GK1543580SQ01816363
公開日2004年11月3日 申請日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月26日
發(fā)明者加馬爾·拉姆達尼, 林德·希爾特, 拉溫德拉納斯·德羅帕德, 威廉·J·奧姆斯, J 奧姆斯, 加馬爾 拉姆達尼, 希爾特, 拉納斯 德羅帕德 申請人:自由度半導(dǎo)體公司