CN101772867B

CN101772867B - 微谐振器系统及其制造方法

Info

Publication number: CN101772867B
Application number: CN2008801015435A
Authority: CN
Inventors: M·谭; S·-Y·王; D·斯图尔特; D·法塔勒
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: KR20100051833A; US7764852B2; WO2009017770A2; DE112008002059T5; JP2010535356A; DE112008002059B4; US20090034905A1; CN101772867A; KR101516690B1; WO2009017770A3

Abstract

本发明的各个实施例涉及微谐振器系统和制造谐振器系统的方法。在一个实施例中，一种微谐振器系统(200)包括具有顶表面层(204)的衬底(206)以及埋入该衬底中且毗邻该衬底的顶表面层定位的至少一个波导(214，216)。该微谐振器系统还包括微谐振器(202，402)，这些微谐振器具有顶层(218)、中间层(222)、底层(220)、外围区以及外围涂层(224)。该微谐振器的底层(220)附连至衬底的顶表面层(204)并与之电连接。该微谐振器被定位成使该外围区的至少一部分位于至少一个波导(214，216)之上。该外围涂层(224)覆盖外围表面的至少一部分，且具有相对微谐振器的顶层、中间层以及底层而言更低的折射率。

Description

微谐振器系统及其制造方法

技术领域

本发明的实施例涉及微谐振器系统，具体涉及可用作激光器、调制器以及光检测器的微谐振器系统以及制造这些系统的方法。

背景

近年来，集成电路上微电子器件的密度增大已经导致可用于互连这些器件的金属信号线的密度的技术瓶颈。此外，使用金属信号线导致功耗显著增大以及难以使定位于多数电路的顶部的最长链路同步。除了经由信号线发送作为电信号的信息之外，可将相同的信息编码在电磁辐射(“ER”)中并经由诸如光纤、脊波导以及光子晶体波导之类的波导发送。经由波导发送编码在ER中的信息具有优于经由信号线发送电信号的多个优点。首先，经由波导发送的ER的降级或损耗比经由信号线发送的电信号少得多。其次，可将波导制造成支持比信号线宽得多的带宽。例如，单根铜或铝线仅能发射单个电信号，而单根光纤可被配置成发送约100或不同地编码的更多ER。

近来，材料科学和半导体制造技术的进步已使得开发可与诸如CMOS电路之类的电子器件集成的光器件以形成光集成电路(“PIC”)成为可能。术语“光器件”指的是能在其频率跨越电磁光谱的具有经典特性的ER或量子化ER下工作的器件。PIC是电子集成电路的光学等价物，而且可在半导体材料的晶片上实现。为高效地实现PIC，需要无源和有源光子组件。波导和衰减器是通常能利用常规的外延和光刻方法制造、且可用于引导微电子器件之间的ER传播的无源光子组件的示例。然而，这些制造方法通常在光器件组件中产生缺陷，这些缺陷会导致显著的信道损耗。一个常见的损耗源是由表面粗糙引起的散射。

图1示出了示例微盘102的俯视图。一般而言，因为微盘的折射率大于其包围物的折射率，所以信道由于微盘的圆周附近的全内反射而被俘获，从而可被俘获在微盘内。被俘获在微盘圆周附近ER模式被称为“耳语廊模式(’WGM’)”。位于微盘102的圆周附近的方向箭头104代表在微盘102的圆周附近传播的假想WGM。强度标绘图106示出了沿微盘102的直线A-A的WGM的强度与距离的关系。虚线强度曲线108和110示出被实质限制于微盘102的外围区的WGM。曲线108和110延伸超过微盘102的直径的部分表示WGM沿微盘102的圆周的渐逝(evanescence)。然而，微盘102的边缘的放大图112示出用于形成微盘102的蚀刻工艺引起的表面粗糙度。该表面粗糙度增大了散射损耗，从而降低了微盘102的Q因子。物理学家和工程师已经认识到对能降低散射损耗并提高与光组件相关联的Q因子的光组件设计和制造方法的需求。

概述

本发明的多个实施例设计微谐振器系统和制造谐振器系统的方法。在本发明的一个实施例中，一种微谐振器系统包括具有顶表面层的衬底、以及埋入该衬底中且毗邻该衬底的顶表面层定位的至少一个波导。该微谐振器系统还包括微谐振器，该微谐振器具有顶层、中间层、底层、外围区以及外围涂层。该微谐振器的底层附连至衬底的顶表面层并与之电连接。该微谐振器被定位成使该外围区的至少一部分位于至少一个波导之上。该外围涂层覆盖外围表面的至少一部分，且具有相对微谐振器的顶层、中间层以及底层而言更低的折射率。

附图简述

图1示出了示例微盘的俯视图。

图2A示出根据本发明实施例的第一微谐振器系统的立体图。

图2B示出根据本发明实施例的图2A中所示的第一微谐振器系统沿直线2B-2B的截面图。

图3A示出根据本发明实施例的构成示例性微盘的多个层的截面图。

图3B示出根据本发明实施例的位于微盘的外围区中的耳语廊模式的截面图。

图4A示出根据本发明实施例的第二微谐振器系统的立体图。

图4B示出根据本发明实施例的图4A中所示的第二微谐振器系统沿直线4B-4B的截面图。

图5A-5J示出根据本发明实施例的与制造图2中所示的微谐振器系统的方法相关联的视图。

图6A示出与量子阱增益介质的电子状态相关联的能级图。

图6B示出根据本发明实施例的作为激光器工作的图2中所示的微谐振器系统的示意图。

图7A示出根据本发明实施例的作为调制器工作的图2中所示的微谐振器系统的示意图。

图7B示出从与图7A的微谐振器系统光连接的源中发射的电磁辐射的强度与时间的关系图。

图7C示出图2中所示的微谐振器系统产生的经调制电磁辐射的强度与时间的关系。

图8示出根据本发明实施例的作为光检测器工作的图2中所示的微谐振器系统的示意图。

详细描述

本发明的多个实施例涉及微尺度谐振器(“微谐振器”)系统和制造谐振器系统的方法。这些微谐振器系统可用作激光器、调制器以及光检测器，而且可与CMOS电路系统结合。在下述多个微谐振器和制造实施例中，包括相同材料的多个结构相似的组件设置了相同的附图标记，而且为了简洁起见，不重复对它们的结构和功能的说明。

图2A示出根据本发明实施例的微谐振器系统200的立体图。微谐振器系统200包括附连至衬底206的顶表面层204的微盘202、附连至微盘202的顶面210的第一电极208、以及附连至顶表面层204且毗邻微盘202定位的第二电极212。微盘202是微谐振器系统200的微谐振器，而且可被配置成支持某些WGM。衬底206包括穿过衬底206延伸并毗邻顶表面层204定位的两个波导214和216。波导214和216位于微盘202的外围区之下。微盘202包括顶层218、底层220以及夹在顶层218与底层220之间的中间层222。如以下参照图2B所描述的那样，底层220可由与顶表面层204相同的材料构成。下文参照图3更详细地描述了微盘202的层218、220以及222。微谐振器系统200包括覆盖微盘202的外围表面的至少一部分的相对较薄的外围涂层224。

图2B示出根据本发明实施例的图2A中所示的微谐振器系统200沿直线2B-2B的截面图。如图2B所示，波导214和216位于微盘202的外围区的各个部分之下。第二电极212经由顶表面层204与底层220电连接。虽然仅单个第二电极212位于顶表面层204上，但在本发明的其它实施例中，可在顶表面层204上定位两个或两个以上电极。

顶层218可以是用能产生比空穴浓度更大的电子浓度的电子供体杂质掺杂的III-V半导体。这些半导体可称为“n型半导体”底层220可以是用能产生比电子浓度更大的空穴浓度的元素受体杂质掺杂的III-V半导体。这些半导体可称为“p型半导体”。注意罗马数字III和V指的是元素周期表中第三列和第五列中的元素。中间层222包括一个或多个量子阱。每个量子阱可以是夹在两个不同类型的III-V族半导体层之间的相对较薄的III-V族半导体层。图3A示出根据本发明实施例的构成示例性微盘202的多个层的截面图。在图3A中，顶层218可以是其中将Zn用作掺杂剂的p型InP，而底层220可以是其中将Si用作掺杂剂的n型InP。中间层222包括In_xGa_1-xAs_yP_1-y的三个量子阱301-303，其中x和y的范围在0与1之间。中间层222还包括In_xGa_1-xAs_yP_1-y的势垒层305-308，其中x和y的范围在0与1之间。组分x和y的选择在本领域是众所周知的。例如，对于与InP层218和220晶格匹配的层，x值被选为0.47。y的选择决定量子阱的带隙能量。以下参照图6A描述量子阱的工作。量子阱301-303可被配置成发射期望波长λ的ER，而势垒层305-308可被配置成具有相对更大的带隙，以限制注入量子阱的载流子(即电子和空穴)。层306和307将量子阱301-303分离，而层305和308是分别将量子阱301和303从层218和220分离的相对较厚的层。外围涂层224可以是诸如InP之类的未掺杂的磷基半导体。衬底206可由SiO₂、Si₃N₄或另一合适的介电隔离材料构成。波导214和216可由诸如Si和Ge之类的IV族元素构成。在本发明的其它实施例中，可使用诸如GaAs、GaP或GaN之类的其它合适的III-V半导体。

外围涂层224的厚度可为从约5到约25nm，或为从约10到约20nm，而且其折射率相对与微盘202的层218、220以及222相关联的折射率而言较低。此外，外围涂层224的外表面比层218、220以及222的外表面更光滑。因此，外围涂层224用作包覆层，它还能降低由于沿微盘202的圆周的散射引起的损耗量，这又导致更高的相关Q因子。图3B示出根据本发明实施例的位于微盘202的外围区中的WGM的截面图。如图3B所示，虚线椭圆310和312标识微盘202的外围区被WGM占据的部分，且示出了WGM向波导214和216中的渐逝耦合。

本发明的微谐振器系统实施例的微谐振器不限于诸如微盘202之类的圆形微盘。在本发明的其它实施例中，谐振器可以是微环或其它合适的微谐振器，而微谐振器可以是圆形、椭圆形、或具有适合于产生谐振ER的任何其它形状。图4A示出根据本发明实施例的第二微谐振器系统400的立体图。微谐振器系统400包括附连至衬底206的顶表面层204的微环402，该微环402被定位成使微环402的各个部分在波导214和216之上。微环电极404位于微环402的顶面上，而且微环402包括组分与微盘202的层218、220以及222相同的顶层、中间层以及底层。微环402的底层可由与顶表面层204相同的材料构成。微谐振器系统400还包括覆盖微环402的外围表面的相对较薄的外围涂层406。

图4B示出根据本发明实施例的图4A中所示的第二微谐振器系统400沿直线4B-4B的截面图。如图4B所示，波导214和216位于微环402的各部分之下。第二电极212经由顶表面层204与微环402的底层电连接。在本发明的其它实施例中，可在顶表面层204上定位两个或两个以上电极。

图5A-5J示出与根据本发明实施例的制造图2所示的光系统200的方法相关联的立体图和截面图。图5A示出第一结构500的立体图，其包括由磷基晶片520支承的顶层502、中间层504、底层506以及蚀刻停止层508。层502和506可分别由诸如用Si和Zn掺杂的InP或GaP之类的n型和p型III-V族半导体构成。如以上参照图3所描述的那样，中间层504包括至少一个量子阱。蚀刻停止层508可以是晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As薄层。可使用分子束外延(“MBE”)、液相外延(“LPE”)、氢化物汽相外延(“HVPE”)、金属有机物汽相外延(“MOVPE”)或任一合适的外延法来沉积层502、504以及506。图5B示出层502、504、506、508以及晶片510的截面图。

接着，如图5C的截面图所示，可使用溅射来在顶层502上沉积氧化物层512。如以下参照图5G所描述的那样，可使用氧化物层512来便于顶层502向衬底206上的晶片键合。层512可以是SiO₂，Si₃N₄、或显著增强向衬底206的晶片键合的另一合适的介电材料。

图5D示出在氧化衬底层518上具有Si层516的绝缘体上硅衬底(“SOI”)晶片514。可如下地在Si层516中制造硅波导214和216。可在Si层516上沉积光致抗蚀剂，并使用UV光刻技术在该光致抗蚀剂中形成波导214和216的光致抗蚀剂掩模。然后可使用诸如感应耦合等离子体蚀刻机(“ICP”)之类合适的蚀刻系统和低压高密度蚀刻系统利用基于Cl₂/HBr/He/O₂的化学试剂在Si层514中形成波导214和216。在Si层516中形成波导214和216之后，可使用溶剂来去除光致抗蚀剂掩模，从而留下波导214和216，如图5E所示。可使用液相、化学汽相沉积在波导214和216上沉积由与衬底518相同的氧化物材料构成的氧化物层。化学机械抛光(“CMP”)工艺可用于使沉积的氧化物平坦化，以形成具有埋入波导214和216的衬底206，如图5F中的衬底206的截面图所示。

接着，如图5G中所示，将第一结构500倒转，并利用晶片键合使氧化物层512附连至衬底206的顶面。可使用选择性湿法蚀刻来去除层510，以获得如图5H所示的第二结构520。可包括蚀刻停止层508以使蚀刻工艺在到达层506时停止。还可使用盐酸去除InP基晶片510，因为在蚀刻停止层508的InP与InGaAs之间存在蚀刻选择性。

接着，可使用反应离子蚀刻(“RIE”)、化学辅助离子束蚀刻(“CAIBE”)或感应耦合等离子体(“ICP”)蚀刻来将层502、504以及506蚀刻成微盘202的形状，如图5I所示。注意，还可使用RIE、CAIBE以及ICP来形成如图4所示的微环或另一合适的微谐振器形状。层502毗邻衬底206的部分被保留以形成顶表面层204。所得的微盘202结构具有因蚀刻工艺造成的粗糙外表面。干法蚀刻工艺由于利用活性元素轰击微盘202的表面，因此在微盘202的表面上产生薄的受损区。层218、220以及222的受损和粗糙外表面引起受限于这些层的ER的过度损耗和更低的Q。质量传递工艺用于使该粗糙表面平滑，同时使损伤退火。

在通过蚀刻形成微盘202之后，将微盘202和衬底206置于用合适的磷烷气体(PH₃)和氢气H₂分压填充的反应室中，而且将该室加热至范围为从约400℃到约700℃的温度。层218、220以及222中的铟原子变得离解，并通过质量传递能在微盘202的外表面处与磷烷气体中的磷反应，从而形成覆盖微盘202的外表面的相对较薄的InP外围涂层224。质量传递由于表面能最小化和扩散引起尖锐凸面的侵蚀和凹面的填充。

图5J示出根据本发明实施例的覆盖微盘202的外围涂层224。外围涂层224可具有范围为从约5nm到约25nm或从约10nm到约20nm的厚度，而且可用作包覆层，因为外围涂层224的折射率相对构成微盘202的层的折射率而言较低。此外，如微盘202的外表面的放大图524所示，外围涂层224提供更光滑的外表面526，该表面减少了粗糙外表面528产生的散射量，并提高了与微盘202相关联的Q因子。外围涂层224中经质量传递的InP具有比量子阱层222的量子阱更宽的带隙，从而减少了由于载流子在微盘202的经蚀刻表面上的缺陷处的表面复合引起的损耗。“异质界面”引入内建场，该内建场阻止所注入的载流子到达微盘202的表面。

微盘202可用作产生在波导214和216中传输的相干ER的激光器。激光器包括三个基本组件：增益介质或放大器；泵浦；以及光学腔内部的ER反馈。中间层222的量子阱构成增益介质，外部施加给电极208和212的电流或电压是泵浦，以及当通过泵浦中间层222的量子阱产生的WGM在微盘202的圆周附近传播时通过全内反射产生反馈。

增益介质可由具有合适带隙的至少一个量子阱构成。量子阱大小和包围量子阱的体材料确定量子阱中电子状态的能级间距。通常，量子阱被配置成在价带中具有相对小数量的量子化电子能级，而在导带中具有几个量子化空穴能级。从导带中的最低能级跃迁到价带中的能级的电子确定增益介质的发射波长λ。图6A示出与基于量子阱的宽度为a的增益介质的量子化电子能量状态相关联的能级图600。带隙能量为E_g的较窄区602对应于量子阱，而带隙能量为E_g的较宽区604和606对应于包围该量子阱的体材料。如图7A所示，该量子阱在导带中具有空穴能级608，而在价带中具有三个电子能级610-612。因为增益介质包括半导体材料，所以诸如电泵浦之类的适当的电刺激促使电子从价带进入导带中的量子化能级，诸如空穴能级608。导带中的电子与价带中的空穴的自发复合产生光子发射，该光子具有由hc/λ给出的能量，其中h是普朗克常数，而c是ER在真空中的速度。由于在WGM中光子刺激增益介质而产生相同能量或波长的更多光子，所以产生受激发射。在自发和受激发光中，所发出的ER的能量为：

E_{2} - E_{1} = \frac{hc}{λ}

其中E₂是已经被泵浦到导带中的电子的能级608，而E₁是与价带中与来自导带的电子复合的空穴相关联的能级610。只要对增益介质施加电泵浦，微盘202内的全内反射所引起的反馈就使WGM的强度增强。当微盘202内部的增益等于损耗时，出现激射。微盘202形成具有增益的光腔，而波导214和216将ER耦合出微盘202。

图6B示出根据本发明实施例的作为激光器工作的图2中所示的微谐振器系统200的示意图。如图6B所示，第一和第二电极208和212连接至电流源614。如以上参照图6A所描述的那样，通过利用电流源614提供的适当大小的电流来泵浦微盘202，微盘202的量子阱层可作为增益介质工作。因此，在微盘202内产生具有波长λ的WGM，而当WGM的强度增加时，全内反射使WGM在微盘202的圆周附近传播。WGM渐逝耦合到波导214和216中，从而产生在波导214和216中传播的波长为λ的ER。

图7A示出根据本发明实施例的作为调制器工作的图2中所示的微谐振器系统200的示意图。电流源614连接至数据源702，该数据源702可以是中央处理单元、存储器或另一数据产生设备。ER源704耦合至波导216，并发射强度随时间基本恒定的ER，如图7B所示。返回图7A，耦合到微盘202中的ER的量取决于微盘202内的失谐、耦合系数以及损耗。当源704发射的ER的波长λ与微盘202的谐振失谐时，ER不会从波导216耦合到微盘202中。当ER的波长λ与微盘202谐振时，在波导216中传播的ER的传输减弱，因为ER被渐逝耦合到微盘202中而产生WGM。在波导216中传输的ER的一部分渐逝耦合到位于波导216上的微盘202的外围区中，并作为波长为λ的WGM在该外围区中传播。数据源702通过调制电流源614产生的电流的大小以将数据编码在WGM中。调制电极208与212之间传输的电流的大小使微盘202的折射率相应地变化。当微盘202的折射率变化时，微盘202的谐振波长变化，从而引起与波导216中传输的ER的谐振波长失谐。这又调制了ER从波导216向微盘202中的传输，并随之调制了在波导216中传输的ER的强度。当波导214存在时，ER可从输入波导216经由微盘202转移至波导214。转移至波导214的ER量取决于耦合强度。调制微盘202的折射率导致传输至波导214的ER的强度降低。技术人员通过调节微环202内部的损耗也可调制波导216中ER的强度。这可通过利用量子限制斯塔克效应来实现，该效应通过施加电压调制量子阱的带隙。增大微盘202中的损耗调制通过微盘102传输到波导214和216中的强度。

图7C示出经调制ER的强度与时间的关系，其中相对较低的强度区706和708对应于微盘202上引入的相对较高的折射率。通过将二进制数字分配给相对强度，可使用这些相对强度来编码信息。例如，二进制数字“0”在光信号中可通过诸如强度区706和708之类的低强度表示，而二进制数字“1”可在同一光信号中通过诸如强度区710和712之类的相对高强度表示。

图8示出根据本发明实施例的作为光检测器工作的图2中所示的微谐振器系统200的示意图。经调制的ERλ编码信息在波导216中传输。该ER渐逝耦合到微盘202的外围区中，从而产生相应的经调制WGM。WGM强度中的波动在第一和第二电极208与212之间感生相应的波动电流。该波动电流是编码了经调制ER中编码的相同数据的电信号，该电信号由计算设备802处理。

为了进行说明，上述描述使用特定的术语来提供对本发明的透彻理解。然而对本领域普通技术人员显而易见的是，不需要这些特定细节来实施本发明。本发明的特定实施例的上述描述是为了说明和描述而给出。它们不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据上述示教，许多修改和变体显然是可能的。示出和描述了实施例以最清楚地说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域普通技术人员能最好地利用本发明和多个实施例以及适合所构想的特定用途的多种修改。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等价技术方案限定。

Claims

1.一种微谐振器系统(200)，包括：

具有顶表面层(204)的衬底(206)；

埋入所述衬底(206)并毗邻所述衬底的所述顶表面层定位的至少一个波导(214，216)；以及

具有顶层(218)、中间层(222)、底层(220)、外围区以及外围涂层(224)的微谐振器，其中所述微谐振器的所述底层附连至所述衬底的所述顶表面层并与之电连接，所述谐振器被定位成使所述外围区的至少一部分位于所述至少一个波导之上，而且所述外围涂层覆盖所述顶层的顶表面并覆盖所述顶层、所述底层以及所述中间层的外围表面，且具有相对所述微谐振器的所述顶层、中间层以及底层而言更低的折射率，并且所述外围涂层具有相对所述顶层、所述底层以及所述中间层的外表面而言更光滑的外表面，并且其中所述外围涂层的厚度从5到25nm。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

位于所述微谐振器的所述顶表面层上的第一电极(208)；以及

位于所述衬底的所述顶表面层之上且毗邻所述微谐振器的至少一个第二电极(212)。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中间层还包括至少一个量子阱(301-303)。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述顶层(218)还包括p型半导体，而所述底层(220)还包括n型半导体。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外围涂层(224)还包括磷基半导体，而且所述外围涂层用作为所述微谐振器的包覆层。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微谐振器还包括以下之一：

微盘(102)；以及

微环(402)。

7.一种微谐振器，包括：

顶层(218)；

底层(220)；

具有一个或多个量子阱(301-303)的中间层(222)，所述中间层被夹在所述顶层与所述底层之间并与所述顶层和所述底层接触；以及

覆盖所述顶层的顶表面并覆盖所述顶层、所述底层以及所述中间层的外围表面的外围涂层(224)，所述外围涂层具有相对所述顶层、所述底层以及所述中间层而言更低的折射率，并且所述外围涂层具有相对所述顶层、所述底层以及所述中间层的外表面而言更光滑的外表面，并且其中所述外围涂层的厚度从5到25nm。

8.如权利要求7所述的微谐振器，其特征在于，所述顶层(218)还包括p型半导体，而所述底层(220)还包括n型半导体。

9.如权利要求7所述的微谐振器，其特征在于，所述外围涂层(224)还包括磷基半导体，而且所述外围涂层用作为包覆层。

10.如权利要求7所述的微谐振器，其特征在于，还包括以下之一：

微盘(202)；以及

微环(402)。