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TWI871651B - 光子器件、積體晶片及形成光子器件的方法 - Google Patents

光子器件、積體晶片及形成光子器件的方法 Download PDF

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TWI871651B
TWI871651B TW112120766A TW112120766A TWI871651B TW I871651 B TWI871651 B TW I871651B TW 112120766 A TW112120766 A TW 112120766A TW 112120766 A TW112120766 A TW 112120766A TW I871651 B TWI871651 B TW I871651B
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cooler
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劉維綱
盧皓彥
徐英傑
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

本揭露內容的各種實施例是針對包括溫度調節元件的光 子器件。第一波導覆蓋絕緣層。第二波導覆蓋絕緣層。溫度調節元件包括與第一波導的區段對齊的加熱器結構及與第二波導的區段對齊的冷卻器結構。加熱器結構被配置為將第一波導的區段的溫度升高到第一溫度。冷卻器結構被配置為將第二波導的區段的溫度降低到低於第一溫度的第二溫度。

Description

光子器件、積體晶片及形成光子器件的方法
本發明的實施例是有關於一種光子器件、積體晶片及形成光子器件的方法。
光電路可以包括多種光子功能/器件以及光波導。光波導被配置為以最小的衰減將光從積體晶片(IC)上的第一點侷限引導至IC上的第二點。光子器件可以被配置為選擇性地改變通過光波導的光的相位、波長、頻率及/或其他特性。
本發明實施例的一種光子器件，所述光子器件包括：絕緣層；覆蓋絕緣層的第一波導；覆蓋絕緣層的第二波導；以及包括與第一波導的區段對齊的加熱器結構及與第二波導的區段對齊的冷卻器結構的溫度調節元件，其中加熱器結構被配置為將第一波導的區段的溫度升高到第一溫度，冷卻器結構被配置為將第二波導的區段的溫度降低到低於第一溫度的第二溫度。
本發明實施例的一種積體晶片，所述積體晶片包括：覆 蓋絕緣層的第一波導區段；覆蓋絕緣層的第二波導區段，其中第一波導區段與第二波導區段橫向分開相隔橫向距離；覆蓋第一波導區段的第一傳導加熱器結構；覆蓋第一波導區段且從第一傳導加熱器結構橫向偏移的第二傳導加熱器結構；覆蓋第二波導區段的第一傳導冷卻器結構；至少部分位於第一傳導冷卻器結構之下的第一熱電結構；以及從第一熱電結構橫向偏移且至少部分位於第一傳導冷卻器結構之下的第二熱電結構。
本發明實施例的一種形成光子器件的方法，所述方法包括：在基底上或基底內形成第一波導；在基底上或基底內形成第二波導，其中第二波導的區段從第一波導的區段橫向偏移；在基底上或基底內形成第一熱電結構，其中第一熱電結構具有第一摻雜類型；在基底上或基底內形成第二熱電結構，其中第二熱電結構具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型；在第一波導的區段之上形成加熱器結構；以及在第二波導的區段之上形成冷卻器結構，其中第一熱電結構及第二熱電結構電耦接在加熱器結構與冷卻器結構之間。
100:示意圖
101:輸入端
102:溫度調節元件
102a:第一溫度調節元件
102b:第二溫度調節元件
103:輸出端
104:加熱器結構
105:分束器
106:冷卻器結構
107:輸入光信號
109:輸出光信號
111:組束器
112:第一波導
112i:第一輸入區
112m:第一調變區
112o:第一輸出區
114:第二波導
114i:第二輸入區
114m:第二調變區
114o:第二輸出區
200a,300a,400a,500,600c,700c,800c,900c,1000c:俯視圖200b,200c,300b,300c,400b,400c,600a,600b,700a,700b,800a,800b,900a,900b,1000a,1000b:剖視圖
202:溫度調節電路
204:第一傳導加熱器結構
206:第二傳導加熱器結構
208:第一熱電結構
210:第二熱電結構
211:傳導冷卻器結構
212:接觸件
213:基底
214:下基底
216:絕緣層
218:主動層
220:介電結構
302:隔離結構
402:介電層
502:第一區段
504:第二區段
1002:上介電層
1100:方法
1102,1104,1106,1108,1110:動作
藉由結合附圖閱讀以下詳細說明，會最佳地理解本揭露的態樣。應注意，根據本行業中的標準慣例，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為使論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。
圖1圖示包括位於第一波導及第二波導之上的溫度調節元件 的光子器件的一些實施例的示意圖。
圖2A至圖2C圖示包括溫度調節元件的光子器件的一些附加實施例的各種視圖。
圖3A至圖3C圖示包括溫度調節元件的光子器件的一些其他實施例的各種視圖。
圖4A至圖4C圖示包括溫度調節元件的光子器件的一些附加實施例的各種視圖。
圖5圖示包括在第一波導的第一區之上的第一溫度調節元件以及在第一波導的第二區之上的第二溫度調節元件的光子器件的一些實施例的俯視圖。
圖6A至圖6C至圖10A至圖10C圖示在第一波導及第二波導之上形成包括溫度調節元件的光子器件的方法的一些實施例的各種視圖。
圖11圖示在第一波導及第二波導之上形成包括溫度調節元件的光子器件的方法的一些實施例的流程圖。
以下揭露內容提供用於實施所提供標的物的不同特徵的許多不同實施例或實例。下文闡述組件及佈置的具體實例以簡化本揭露內容。當然，這些僅是實例且不旨在進行限制。舉例而言，在以下說明中將第一特徵形成於第二特徵之上或第二特徵上可包括其中第一特徵與第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且亦可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成有附加特徵進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可不直接接觸的實施例。另外， 本揭露內容可能在各種實例中重複使用參考編號及/或字母。此種重複使用是出於簡潔及清晰的目的，而並非自身指示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，為了易於說明，本文中可使用例如「位於......之下(beneath)」、「位於......下方(below)」、「下部的(lower)」、「位於......上方(above)」、「上部的(upper)」等空間相對性用語來闡述圖中所示的一個元件或特徵與另一元件或特徵的關係。除圖中所繪示的取向以外，所述空間相對性用語還旨在囊括器件在使用或操作中的不同取向。可以其他方式對設備取向(旋轉90度或處於其他取向)，且同樣地可據此對本文中所使用的空間相對性描述語加以解釋。
光子器件可用於許多應用的積體晶片中，包括通信、信息處理、光學計算等。光子器件可以使用光波(例如，由激光器或光源產生)來進行數據處理、數據存儲及/或數據通信。光子器件可以包括被配置為調變輸入光信號的馬赫-曾德爾調變器(MZM)結構。MZM結構包括被配置為分別從分束器接收第一光信號及第二光信號的第一波導及第二波導。在光子器件的操作過程中，具有初始相位的輸入光信號在輸入端被接收，然後在分束器分離以沿第一波導及第二波導傳遞，然後在組束器重組，且在輸出端被作為輸出光信號提供。由於沿第一波導及/或第二波導引入的相移，輸出光信號可能會發生相移。
加熱器結構可以配置在第一波導之上，以產生熱並將熱施加於第一波導。此種熱會引起第一波導的溫度變化，進而改變折射率、載子遷移率及/或第一波導相對於第二波導的其他特性。 因此，通過第一波導傳播的第一光信號的相位可以相對於通過第二波導傳播的第二光信號的相位偏移。因此，加熱器結構產生的熱可以控制在輸出端賦予輸出光信號的相移。加熱器結構可以調整第一波導的性能，以減輕由於製造製程變化、溫度敏感性引起的性能變化等所導致的光輸出功率上的變化。然而，加熱器結構產生的熱被配置為調節MZM中單個波導的溫度，從而降低了調整第二波導的性能的能力。此外，為了增加第一波導與第二波導之間的溫度差(並因此增加第一波導與第二波導之間的相移差)，可以將相對高的電流施加於加熱器結構，以在第一波導處產生更多的熱。這會增加MZM結構的功耗，而且較多的熱會降低光子器件的穩定性及/或耐久性(例如，通過器件擊穿、層分層等)。
本申請的各種實施例是針對一種包括溫度調節元件的光子器件，溫度調節元件具有與第一波導的區段對齊的加熱器結構及與第二波導對齊的冷卻器結構。在一些實施例中，第一波導及第二波導分別被配置為從分束器接收第一光信號及第二光信號。加熱器結構被配置為將第一波導的區段的溫度增加到第一溫度。冷卻器結構被配置為將第二波導的區段的溫度降到低於第一溫度的第二溫度。因此，加熱器結構及冷卻器結構被配置為藉由分別升高或降低第一波導及第二波導的溫度來選擇性地將相移引入第一波導及第二波導的區段。因為溫度調節元件包括冷卻器結構及加熱器結構兩者，所以可以增加及/或更精確地控制第一波導與第二波導之間的溫度差。這有助於增加對輸出光信號的相移的控制，且提高光子器件的調變效率。
圖1圖示包括位於第一波導及第二波導之上的溫度調節元件的光子器件的一些實施例的示意圖100。
光子器件包括具有輸入端101、輸出端103、以及位於輸入端101與輸出端103之間的第一波導112及第二波導114的馬赫-曾德爾調變器(MZM)結構。第一波導112及第二波導114在分束器105從輸入端101分支出來，然後在輸出端103之前的組束器111處重組。在一些實施例中，第一波導112及第二波導114在輸入端101與輸出端103之間對稱地分支。第一波導112可以緊鄰第二波導114或與第二波導114直接接觸，使得第一波導112與第二波導114彼此光耦合。在一些實施例中，第一波導112具有耦接到輸入端101的第一輸入區112i及耦接到輸出端103的第一輸出區112o。此外，第二波導114具有耦接到輸入端101的第二輸入區114i及耦接到輸出端103的第二輸出區114o。在各種實施例中，第一波導112具有位於輸入端101與輸出端103之間的第一調變區112m，且第二波導114具有位於輸入端101與輸出端103之間的第二調變區114m。輸入端101被配置為接收輸入光信號107。在一些實施例中，分束器105被配置為將輸入光信號107分成提供給第一波導112的第一光信號及提供給第二波導114的第二光信號。
光子器件進一步包括溫度調節元件102，溫度調節元件102具有與第一波導112的第一調變區112m對齊的加熱器結構104以及與第二波導114的第二調變區114m對齊的冷卻器結構106。溫度調節元件102被配置為基於溫度控制信號選擇性地調節第一調變區112m及第二調變區114m的溫度。例如，加熱器 結構104被配置為將第一調變區112m的溫度升高到第一溫度，且冷卻器結構106被配置為將第二調變區114m的溫度降低到低於第一溫度的第二溫度。因此，加熱器結構104及冷卻器結構106被配置為藉由增加或降低第一調變區112m及第二調變區114m的溫度來選擇性地將相移引入第一波導112及第二波導114m的第一調變區112m及第二調變區114m。在各種實施例中，溫度調節元件102被配置為帕耳帖(Peltier)器件或一些其他合適的溫度調節器件，且可將溫度(或熱)從冷卻器結構106傳遞到加熱器結構104。如此一來，冷卻器結構106的溫度可以低於環境溫度(例如，室溫)，且加熱器結構104的溫度可以高於環境溫度(例如，室溫)。
在一些實施例中，在光子器件的操作過程中，具有初始相位的輸入光信號107在輸入端101處被接收，然後在分束器105處被分成分別沿著第一波導112及第二波導114傳遞的第一光信號及第二光信號。第一光信號及第二光信號在組束器111處重組，並在輸出端103處被作為輸出光信號109提供。因為溫度調節元件102包括加熱器結構104及冷卻器結構106，所以可以增加及/或更精確地控制第一波導112與第二波導114之間的溫度差。這有助於準確地沿第一波導112在第一光信號中引入第一相移，且準確地沿第二波導114在第二光信號中引入第二相移。沿第一波導112及第二波導114的第一相移及第二相移的集體效應促使輸出光信號109具有不同於輸入光信號107的初始相位的輸出相位。憑藉促進加熱及冷卻的溫度調節元件102，與僅包括加熱器的裝置相比，可以增加橫跨MZM結構引入的相移值的範 圍。如此一來，可以更精確地控制輸出光信號109的輸出相位。因此，可以減少由於製造製程變化及/或溫度敏感性引起的性能變化所導致的輸出光信號109的不期望變化。因此，可以改進對於通過第一波導112及第二波導114的光信號的相位及/或波長的控制，且提高光子器件的調變效率。
圖2A至圖2C圖示包括位於第一波導及第二波導之上的溫度調節元件的光子器件的一些實施例的各種視圖。圖2A圖示光子器件的一些實施例的俯視圖200a。圖2B圖示沿圖2A的線A-A'截取的光子器件的一些實施例的剖視圖200b。圖2C圖示沿圖2A的線B-B'截取的光子器件的一些實施例的剖視圖200c。
如圖2A的俯視圖200a所示，溫度調節元件102包括加熱器結構104、冷卻器結構106、第一熱電結構208、第二熱電結構210以及多個接觸件212。在一些實施例中，加熱器結構104包括直接覆蓋第一波導112的第一調變區112m的第一側的第一傳導加熱器結構204以及直接覆蓋第一調變區112m的第二側的第二傳導加熱器結構206。第一傳導加熱器結構204與第二傳導加熱器結構206橫向偏移非零的距離。在各種實施例中，冷卻器結構106包括直接覆蓋第二波導114的第二調變區114m的傳導冷卻器結構211。
第一波導112及第二波導114的第一調變區112m及第二調變區114m分別在第一方向(例如，沿著x軸)伸長。在一些實施例中，第一熱電結構208及第二熱電結構210分別在不同於第一方向的第二方向(例如，沿著y軸)伸長。第一熱電結構208及第二熱電結構210在第一波導112及第二波導114的第一 調變區112m及第二調變區114m之間橫向間隔開。多個接觸件212位於第一熱電結構208及第二熱電結構210與加熱器結構104及冷卻器結構106之間。多個接觸件212被配置為將第一熱電結構208及第二熱電結構210與加熱器結構104及冷卻器結構106彼此電耦接及/或熱耦接(例如，參見圖2B及圖2C)。在各種實施例中，第一熱電結構208被串聯電耦接於第一傳導加熱器結構204與傳導冷卻器結構211之間。在又進一步的實施例中，第二熱電結構210被串聯電耦接於第二傳導加熱器結構206與傳導冷卻器結構211之間。
在一些實施例中，第一熱電結構208包括具有第一摻雜類型(例如n型)的半導體材料(例如矽)，且第二熱電結構210包括具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型(例如p型)的半導體材料。在某些情況下，第一摻雜類型是n型，第二摻雜類型是p型，反之亦然。憑藉具有相反摻雜類型的第一熱電結構208及第二熱電結構210，第一熱電結構208包括高密度的第一電荷載子(例如，電子)，且第二熱電結構210包括高密度的、不同於第一電荷載子的第二電荷載子(例如，電洞)。
在一些實施例中，溫度調節元件102還包括溫度調節電路202。溫度調節元件102電耦接到第一傳導加熱器結構204及第二傳導加熱器結構206。在各種實施例中，在光子器件的操作過程中，溫度調節電路202被配置為橫跨第一傳導加熱器結構204及第二傳導加熱器結構206施加溫度調節信號(例如，電壓)。響應於施加的溫度調節信號，溫度調節元件102被配置為將熱或溫度從傳導冷卻器結構211傳遞到第一傳導加熱器結構 204及/或第二傳導加熱器結構206。如此一來，至少第一波導112的第一調變區112m被加熱到第一溫度，且至少第二波導114的第二調變區114m被冷卻到低於第一溫度的第二溫度。在各種實施例中，溫度調節元件102被配置為在第一調變區112m與第二調變區114m之間產生在約攝氏1度至攝氏14度的範圍內、至少攝氏13度、大於攝氏13度或一些其他合適值的溫度差。
在各種實施例中，溫度調節元件102可以通過Peltier效應實現第一調變區112m的加熱及第二調變區114m的冷卻。舉例而言，在施加合適的溫度調節信號(例如，電壓)時，電流可以從第一傳導加熱器結構204通過第一熱電結構208、傳導冷卻器結構211及第二熱電結構210流到第二傳導加熱器結構206。在各種實施例中，第一電荷載子可以從傳導冷卻器結構211及/或第一熱電結構208行進到第一傳導加熱器結構204，且第二電荷載子可以從傳導冷卻器結構211及/或第二熱電結構210行進到第二傳導加熱器結構206。隨著第一電荷載子及/或第二電荷載子行進到第一傳導加熱器結構204及/或第二傳導加熱器結構206，熱可以與電荷載子一起傳遞。因此，熱可被從傳導冷卻器結構211傳遞到第一傳導加熱器結構204及/或第二傳導加熱器結構206。在第一調變區112m及第二調變區114m或附近的溫度變化可以改變第一波導112及第二波導114的折射率，從而沿第一波導112引入第一相變及沿第二波導114引入第二相變。在各種實施例中，藉由加熱第一調變區112m，第一相變可以是正的，且藉由冷卻第二調變區114m，第二相變可以是負的。因此，因為溫度調節元件102包括加熱器結構104、冷卻器結構106以及第一 熱電結構208及第二熱電結構210，所以可以更精確地控制橫跨第一波導112及第二波導114的相移。此在部分上有助於增加對輸出光信號的相移的控制及提高光子器件的調變效率。
如圖2B的剖視圖200b所示，第一波導112及第二波導114設置在基底213上及/或基底213內。在一些實施例中，基底213被配置為絕緣體上半導體(SOI)基底。在這樣的實施例中，基底213包括藉由絕緣層216與主動層218隔開的下基底214。舉例而言，絕緣層216可以是或包括氧化物(例如，二氧化矽)、另一種介電材料或類似物。主動層218例如可以是或包括矽、單晶矽、本質矽、塊材矽、另一種合適的半導體材料或類似物。第一波導112及第二波導114分別包括從主動層218的上表面向上延伸的突出或鰭片。在此類實施例中，第一波導112及第二波導114分別包括半導體材料(例如，矽)。在各種實施例中，第一波導112及第二波導114可分別被配置為條帶加載波導(strip loaded waveguide)、脊波導(ridge waveguide)、肋波導(rib waveguide)等。
介電結構220覆蓋基底213。介電結構220包括一或多個介電層。在一些實施例中，介電結構220包括二氧化矽、磷酸硼矽酸鹽玻璃(BSG)、磷矽酸鹽玻璃(PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)、氟矽酸鹽玻璃(FSG)、未摻雜的矽酸鹽玻璃(USG)、一些其他合適的介電材料、或前述材料的任何組合。在又進一步的實施例中，介電結構220是或包括設置在第一波導112及第二波導114的頂部上或第一波導112及第二波導114的周圍的包覆層，其中所述包覆層包括折射率比第一波導112及第 二波導114的折射率更低的材料(例如，二氧化矽)。
在一些實施例中，第一熱電結構208設置在基底213內且在第一波導112及第二波導114之間橫向間隔開。在進一步的實施例中，第二熱電結構210設置在基底213內且在第一波導112及第二波導114之間橫向間隔開(例如，參見圖2C)。在各種實施例中，第一熱電結構208及第二熱電結構210是主動層218的摻雜區域且分別包括具有相反摻雜類型的半導體材料(例如，矽)。此外，接觸件212設置在介電結構220內且被配置為將第一熱電結構208電耦接到第一傳導加熱器結構204及傳導冷卻器結構211。在各種實施例中，第一傳導加熱器結構204的至少一部分直接覆蓋第一熱電結構208的第一側，且傳導冷卻器結構211的至少一部分直接覆蓋第一熱電結構208的第二側。因此，在一些實施例中，傳導冷卻器結構211處或周圍的熱可以被從第二波導114周圍的區或區域通過接觸件212及第一熱電結構208傳遞到第一傳導加熱器結構204。
如圖2C的剖視圖200c所示，接觸件212設置在介電結構220內，且被配置為將第二熱電結構210電耦接到第二傳導加熱器結構206及傳導冷卻器結構211。在各種實施例中，第二傳導加熱器結構206的至少一部分直接覆蓋第二熱電結構210的第一側，且傳導冷卻器結構211的至少一部分直接覆蓋第二熱電結構210的第二側。因此，在一些實施例中，傳導冷卻器結構211處或周圍的熱可以被從第二波導114周圍的區或區域通過接觸件及第二熱電結構210傳遞到第二傳導加熱器結構206。
接觸件212例如可以是或包括銅、鋁、鎢、一些其他導 電材料。第一傳導加熱器結構204、第二傳導加熱器結構206及傳導冷卻器結構211例如可以是或包括銅、鋁、鎢、一些其他導電材料或類似物。在一些實施例中，第一熱電結構208及/或第二熱電結構210可以分別是或包括熱電材料，例如矽、碲化鉍(Bi2Te3)、碲化鈀(PdTe)、一些其他合適的材料或類似物。
圖3A至圖3C圖示對應於圖2A至圖2C的光子器件的一些其他實施例的光子器件的一些實施例的各種視圖，其中隔離結構302橫向包圍第一熱電結構208及第二熱電結構210中的每一者。圖3A圖示光子器件的一些實施例的俯視圖300a。圖3B圖示沿圖3A的線A-A’截取的光子器件的一些實施例的剖視圖300b。圖3C圖示沿圖3A的線B-B’截取的光子器件的一些實施例的剖視圖300c。
在各種實施例中，隔離結構302被配置為淺溝槽隔離(STI)結構，上述STI結構被配置為將第一熱電結構208及第二熱電結構210與設置在基底213內及/或上的其他器件或結構(例如，第一波導112及第二波導114)電隔離。隔離結構302例如可以是或包括二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳氧化矽、一些其他合適的材料或前述材料的任何組合。在進一步的實施例中，隔離結構302可以從主動層218的上表面連續垂直地延伸到主動層218的底面。
圖4A至圖4C圖示對應於圖2A至圖2C的光子器件的一些其他實施例的光子器件的一些實施例的各種視圖，其中第一熱電結構208及第二熱電結構210直接覆蓋基底213的上表面。圖4A圖示光子器件的一些實施例的俯視圖400a。圖4B圖示沿 圖4A的線A-A’截取的光子器件的一些實施例的剖視圖400b。圖4C圖示沿圖4A的線B-B’截取的光子器件的一些實施例的剖視圖400c。
在一些實施例中，介電層402設置在基底213的上表面與第一熱電結構208及第二熱電結構210之間。在一些實施例中，第一熱電結構208及第二熱電結構210分別包括熱電材料，例如矽、碲化鉍(Bi2Te3)、碲化鈀(PdTe)、一些其他合適的材料或類似物。在又進一步的實施例中，第一熱電結構208具有第一摻雜類型(例如，n型)，且第二熱電結構210具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型(例如，p型)。憑藉設置在基底213的上表面之上的第一熱電結構208及第二熱電結構210，可以增加第一熱電結構208及第二熱電結構210與第一波導112及/或第二波導114之間的隔離。如此一來，提高了光子器件的整體性能。在又進一步的實施例中，可以省略介電層402(圖未示)，使得第一熱電結構208及第二熱電結構210直接接觸基底213的上表面。
圖5圖示包括在第一波導112的第一區段502之上的第一溫度調節元件102a以及在第一波導112的第二區段504之上的第二溫度調節元件102b的光子器件的一些實施例的俯視圖500。
在一些實施例中，當從上方觀看時，第一波導112具有環狀形狀，且第二波導114具有矩形形狀。在又進一步的實施例中，第二波導114包括一些彎曲部分(圖未示)。第二波導114被配置為限制從輸入端101到輸出端103的光信號。第二波導114被佈置得足夠靠近第一波導112，使得第一波導112及第二 波導114彼此光耦合。在各種實施例中，在輸入端101接收到的輸入光信號可以被攜帶穿過第二波導114且可以被傳送到第一波導112。當輸入光信號行進通過第一波導112時，輸入光信號可以被調變(例如，藉由橫跨第一波導112引入的相移進行調變)，且隨後被傳回第二波導114，以在輸出端103作為輸出光信號被輸出。在各種實施例中，第一波導112及第二波導114可以分別被配置為條帶加載波導、脊波導、肋波導等。
光子器件包括第一溫度調節元件102a及第二溫度調節元件102b。第一溫度調節元件102a及第二溫度調節元件102b分別包括加熱器結構104、冷卻器結構106、第一熱電結構208、第二熱電結構210、多個接觸件212以及溫度調節電路202。第一溫度調節元件102a及第二溫度調節元件102b可以分別如圖2A至圖2C、圖3A至圖3C或圖4A至圖4C所示及/或闡述的那樣配置。在各種實施例中，第一溫度調節元件102a的冷卻器結構106覆蓋第一波導112的第一區段502，且第二溫度調節元件102b的加熱器結構104覆蓋第一波導112的第二區段504。在一些實施例中，第一溫度調節元件102a及/或第二溫度調節元件102b被配置為在通過第一波導112的光信號中引入一或多個相移。
第一溫度調節元件102a被配置為選擇性地降低第一波導112的第一區段502的溫度，且第二溫度調節元件102b被配置為選擇性地升高第一波導112的第二區段504的溫度。例如，通過由第一溫度調節元件102a的溫度調節電路202適當地施加第一溫度控制信號，第一溫度調節元件102a的冷卻器結構106 處或周圍的熱可以被傳遞到第一溫度調節元件102a的加熱器結構104。因此，可以選擇性地冷卻第一波導112的第一區段502。另外，在此類實施例中，第一溫度調節元件102a的加熱器結構104從第一波導112及第二波導114橫向偏移，使得在第一溫度調節元件102a的加熱器結構104處積聚的熱對第一波導112及第二波導114具有最小的加熱效果或沒有加熱效果。此外，通過由第二溫度調節元件102b的溫度調節電路202適當地施加第二溫度控制信號，在第二溫度調節元件102b的冷卻器結構106處或周圍的熱可以被傳遞到第二溫度調整元件102b的加熱器結構104。因此，可以選擇性地加熱第一波導112的第二區段504。在此類實施例中，第二溫度調節元件102b的冷卻器結構106從第一波導112及第二波導114橫向偏移，使得在第二溫度調節元件102b的冷卻器結構106處的溫度降低對第一波導112及第二波導114具有最小的加熱效果或沒有加熱效果。
環形第一波導112及第二波導114具有光(例如，光信號)在第一波導112中共振的共振頻率。在共振頻率的光具有建設性干涉並傳遞到第二波導114的輸出，而在輸出端103處被提供。然而，偏離共振頻率的光可能會受到破壞性干涉，因此不會傳遞或僅最低限度地傳遞到第二波導114的輸出。由於處理工具的限制(例如，由於光微影的限制)及/或由於溫度敏感性，第一波導112的共振頻率可能在第一波導112的製造及/或操作過程中偏離期望的共振頻率。在各種實施例中，將第一波導112的區段降溫(或冷卻)會降低第一波導112的共振頻率，且將第一波導112的區段增溫(或加熱)會提高第一波導112的共振頻率。因 為第一溫度調節元件102a的冷卻器結構106及第二溫度調節元件102b的加熱器結構104分別設置在第一波導112的第一區段502及第二區段504之上，因此可以選擇性地調節第一波導112的共振頻率以滿足預定義的設計參數。舉例而言，第一溫度調節元件102a及第二溫度調節元件102b被配置為彼此結合地工作來加熱及/或冷卻第一波導112的相應區段，以獲得期望的共振頻率。如此一來，可以準確地補償由於製造變化及/或溫度敏感性引起的第一波導112的共振頻率偏移。因此，提高了光子器件的調變效率及整體性能。
圖6A至圖6C至圖10A至圖10C圖示用於在第一波導及第二波導之上形成包括溫度調節元件的光子器件的方法的一些實施例的各種視圖。帶有後綴「A」及「B」的圖圖示光子器件在各種形成製程的過程中的剖視圖。帶有後綴「C」的圖圖示光子器件在各種形成製程的過程中的俯視圖。舉例而言，帶有後綴「A」的圖圖示沿帶有後綴「C」的圖的線A-A’截取的剖視圖，且帶有後綴「B」的圖圖示沿帶有後綴「C」的圖的線B-B'截取的剖視圖。儘管圖6A至圖6C至圖10A至圖10C中所示的各種視圖是參照形成光子器件的方法進行闡述的，但是應當理解，圖6A至圖6C至圖10A至圖10C中所示的結構不限於形成方法，而是可以作為獨立於方法的結構單獨存在。
如圖6A至圖6B的剖視圖600a及600b以及圖6C的俯視圖600c所示，提供了基底213。在各種實施例中，基底213例如可以是或包括本質矽、塊材矽、半導體晶圓、一或多個磊晶層、一些其他半導體主體或類似物。在一些實施例中，基底213 是SOI基底，其包括下基底214、主動層218以及設置在下基底214與主動層218之間的絕緣層216。主動層218例如可以是或包括矽、單晶矽、磊晶矽、一些其他合適的半導體或類似物。
如圖7A至圖7B的剖視圖700a及700b以及圖7C的俯視圖700c所示，對主動層218進行圖案化製程，從而形成從基底213的上表面突出的第一波導112及第二波導114。在一些實施例中，圖案化製程包括在主動層218之上形成罩幕層(圖未示)，並根據罩幕層對主動層218進行蝕刻製程。蝕刻製程包括例如乾蝕刻製程(例如，電漿蝕刻製程、離子束蝕刻製程等)、濕蝕刻製程、一些其他合適的蝕刻製程或前述製程的任何組合。在一些實施例中，罩幕層在蝕刻製程之後及/或過程中被去除。在各種實施例中，圖案化製程在主動層218中形成馬赫-曾德爾調變器(MZM)結構，其中第一波導112及第二波導114是MZM結構的一部分(例如，參見圖7C)。
如圖8A至圖8B的剖視圖800a及800b以及圖8C的俯視圖800c所示，第一熱電結構208及第二熱電結構210形成在基底213之上及/或基底213上。在各種實施例中，用於形成第一熱電結構208及第二熱電結構210的製程包括：進行第一離子植入製程，以在主動層218內植入具有第一摻雜類型(例如，n型)的第一摻雜劑(例如，磷、銻、砷、一些其他n型摻雜劑、或前述摻雜劑的任何組合)(從而形成第一熱電結構208)；且進行第二離子植入製程，以在主動層218內植入具有第二摻雜類型(例如，p型)的第二摻雜劑(例如，硼、鎵、一些其他p型摻雜劑、或前述摻雜劑的任何組合)(從而形成第二熱電結構 210)。在一些實施例中，第一離子植入製程及第二離子植入製程可以分別包括在基底213之上形成罩幕層(圖未示)以及將相應的摻雜劑植入到主動層218中。在一些實施例中，第一熱電結構208包括第一摻雜類型(例如，n型)，且第二熱電結構210包括第二摻雜類型(例如，p型)。在進一步的實施例中，隔離結構(圖未示)可以形成在第一熱電結構208及第二熱電結構210周圍(例如，如圖3A至圖3C所示及/或闡述的)。在各種實施例中，第一熱電結構208中的第一摻雜劑的第一摻雜濃度在約1015cm-3至1021cm-3或一些其他合適值的範圍內。在又進一步的實施例中，第二熱電結構210中的第二摻雜劑的第二摻雜濃度在約1015cm-3至1021cm-3或一些其他合適值的範圍內。
在又進一步的實施例中，用於形成第一熱電結構208及第二熱電結構210的製程包括：在基底213的上表面之上沉積(例如，藉由化學氣相沉積(CVD)製程、物理氣相沉積(PVD)製程、原子層沉積(ALD)製程、或一些其他合適的生長或沉積製程)一或多種熱電材料；對上述一或多種熱電材料進行一或多種離子植入製程；以及對上述一或多種熱電材料進行圖案化製程。在此類實施例中，第一熱電結構208及第二熱電結構210可以如圖4A至圖4C所示及/或闡述的那樣配置。
如圖9A至圖9B的剖視圖900a及900b以及圖9C的俯視圖900c所示，在基底213之上形成介電結構220及多個接觸件212。在一些實施例中，用於形成介電結構220的製程包括進行一或多種沉積製程(例如，CVD製程、PVD製程、ALD製程或一些其他合適的生長或沉積製程)，以在基底213之上沉積一 或多個介電層。介電結構220的一或多個介電層例如可以分別是或包括二氧化矽、BSG、PSG、BPSG、FSG、USG、一些其他合適的介電材料或前述材料的任何組合。在又進一步的實施例中，用於形成多個接觸件212的製程包括：在介電結構220之上形成罩幕層(圖未示)；根據罩幕層對介電結構220進行蝕刻製程(例如，乾蝕刻製程、濕蝕刻製程等)，從而在介電結構220中形成多個接觸開口；在多個接觸開口內沉積(例如，藉由CVD製程、PVD製程、濺射、電鍍等)導電材料(例如，鎢、鋁、銅等)。在進一步的實施例中，對導電材料進行平坦化製程(例如，化學機械平坦化(CMP)製程)。
如圖10A至圖10B的剖視圖1000a及1000b以及圖10C的俯視圖1000c所示，在第一波導112的區段之上形成加熱器結構104，且在第二波導114的區段之上形成冷卻器結構106，從而形成溫度調節元件102。在一些實施例中，加熱器結構104包括第一傳導加熱器結構204及第二傳導加熱器結構206，且冷卻器結構106包括傳導冷卻器結構211。在各種實施例中，用於形成加熱器結構104及冷卻器結構106的製程包括：在介電結構220之上沉積(例如，藉由CVD製程、PVD製程、ALD製程等)上介電層1002；圖案化上介電層1002以在上介電層1002中形成多個開口；以及在多個開口內沉積(例如，藉由CVD製程、PVD製程、濺射、電鍍等)導電材料(例如，鎢、鋁、銅等)。在進一步的實施例中，對上述導電材料進行平坦化製程(例如，CMP製程)。上介電層1002例如可以是或包括二氧化矽、BSG、PSG、BPSG、FSG、USG、一些其他合適的介電材料 或前述材料的任何組合。
圖11圖示用於在第一波導及第二波導之上形成包括溫度調節元件的光子器件的方法1100的一些實施例的流程圖。儘管方法1100被圖示及/或闡述為一系列的動作或事件，但是應當理解，方法不限於圖示的動作順序。因此，在一些實施例中，動作可以以與所圖示的順序不同的順序進行、及/或可以同時進行。另外，在一些實施例中，圖示的動作或事件可以被細分為多個動作或事件，此等動作或事件可以在與其他動作或子動作不同的時間進行或與其他動作或子動作同時進行。在一些實施例中，可以省略一些圖示的動作或事件，且可以包括其他未圖示的動作或事件。
在動作1102，在基底上及/或基底內形成第一波導及第二波導，其中第一波導的區段從第二波導的區段橫向偏移。圖7A至圖7C圖示對應於動作1102的一些實施例的各種視圖。
在動作1104，在基底內及/或基底上形成第一熱電結構及第二熱電結構。圖8A至圖8C圖示對應於動作1104的一些實施例的各種視圖。
在動作1106，在基底之上形成介電結構。圖9A至圖9C圖示對應於動作1106的一些實施例的各種視圖。
在動作1108，在介電結構內以及在第一熱電結構及第二熱電結構之上形成多個接觸件。圖9A至圖9C圖示對應於動作1106的一些實施例的各種視圖。
在動作1110，在第一波導的區段之上形成加熱器結構，且在第二波導的區段之上形成冷卻器結構，從而界定溫度調節結 構。加熱器結構包括耦接到第一熱電結構的第一傳導加熱器結構及耦接到第二熱電結構的第二傳導加熱器結構。另外，冷卻器結構包括耦接到第一熱電結構及第二熱電結構的傳導冷卻器結構。圖10A至圖10C圖示對應於動作1110的一些實施例的各種視圖。
因此，在一些實施例中，本揭露內容是關於一種溫度調節元件，其包括在第一波導之上的加熱器結構以及在第二波導之上的冷卻器結構，其中配置溫度調節元件以升高第一波導的溫度及降低第二波導的溫度。
在一些實施例中，本申請提供一種光子器件，所述光子器件包括：絕緣層；覆蓋絕緣層的第一波導；覆蓋絕緣層的第二波導；以及包括與第一波導的區段對齊的加熱器結構及與第二波導的區段對齊的冷卻器結構的溫度調節元件，其中加熱器結構被配置為將第一波導的區段的溫度升高到第一溫度，其中冷卻器結構被配置為將第二波導的區段的溫度降低到低於第一溫度的第二溫度。
在一些實施例中，溫度調節元件被配置為基於施加到加熱器結構的溫度控制信號將熱從冷卻器結構傳遞到加熱器結構。在一些實施例中，溫度調節元件包括設置在基底內的第一熱電結構及與第一熱電結構相鄰的第二熱電結構，其中第一熱電結構及第二熱電結構橫向設置在第一波導與第二波導之間。在一些實施例中，加熱器結構包括覆蓋第一波導的區段的第一側的第一傳導加熱器結構及覆蓋第一波導的區段的第二側的第二傳導加熱器結構，其中冷卻器結構包括覆蓋第二波導的傳導冷卻器結構，其中 第一熱電結構耦接在第一傳導加熱器結構與傳導冷卻器結構之間，且其中第二熱電結構電耦接在第二傳導加熱器結構與傳導冷卻器結構之間。在一些實施例中，第一熱電結構包括第一摻雜類型，且第二熱電結構包括與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。在一些實施例中，第一熱電結構及第二熱電結構的底面在第一波導及第二波導的垂直下方，且其中第一傳導加熱器結構及第二傳導加熱器結構以及傳導冷卻器結構的底面在第一波導及第二波導的頂面的垂直上方。在一些實施例中，傳導冷卻器結構的面積大於第一傳導加熱器結構的面積及第二傳導加熱器結構的面積。在一些實施例中，第一熱電結構及第二熱電結構分別包括半導體材料。在一些實施例中，第一波導及第二波導分別包括半導體材料。
在一些實施例中，本申請提供一種積體晶片，所述積體晶片包括：覆蓋絕緣層的第一波導區段；覆蓋絕緣層的第二波導區段，其中第一波導區段與第二波導區段橫向分開相隔橫向距離；覆蓋第一波導區段的第一傳導加熱器結構；覆蓋第一波導區段且從第一傳導加熱器結構橫向偏移的第二傳導加熱器結構；覆蓋第二波導區段的第一傳導冷卻器結構；至少部分位於第一傳導冷卻器結構之下的第一熱電結構；以及從第一熱電結構橫向偏移且至少部分位於第一傳導冷卻器結構之下的第二熱電結構。
在一些實施例中，第一熱電結構包括第一摻雜類型，第二熱電結構包括與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。在一些實施例中，第一波導區段及第二波導區段是環形波導的一部分，其中第一傳導冷卻器結構是第一溫度調節元件的一部分，第一溫度 調節元件包括從環形波導橫向偏移的第三傳導加熱器結構及第四傳導加熱器結構，其中第一熱電結構及第二熱電結構從第一傳導冷卻器結構橫向延伸到第三傳導加熱器結構或第四傳導加熱器結構。在一些實施例中，第一傳導加熱器結構及第二傳導加熱器結構是第二溫度調節元件的一部分，第二溫度調節元件包括從環形波導橫向偏移的第二傳導冷卻器結構，其中第二溫度調節元件還包括至少部分在第二傳導冷卻器結構正下方的第三熱電結構及第四熱電結構。在一些實施例中，從上方觀看，第一傳導冷卻器結構的形狀不同於第三傳導加熱器結構的形狀。在一些實施例中，第一熱電結構及第二熱電結構分別包括矽、碲化鉍或碲化鈀。
在一些實施例中，本申請提供一種用於形成光子器件的方法，所述方法包括：在基底上或基底內形成第一波導；在基底上或基底內形成第二波導，其中第二波導的區段從第一波導的區段橫向偏移；在基底上或基底內形成第一熱電結構，其中第一熱電結構具有第一摻雜類型；在基底上或基底內形成第二熱電結構，其中第二熱電結構具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型；在第一波導的區段之上形成加熱器結構；以及在第二波導的區段之上形成冷卻器結構，其中第一熱電結構及第二熱電結構電耦接在加熱器結構與冷卻器結構之間。
在一些實施例中，形成第一熱電結構及第二熱電結構包括：進行第一離子植入製程，以在基底內形成第一熱電結構；以及進行第二離子植入製程，以在基底內形成第二熱電結構，其中第一熱電結構及第二熱電結構橫向設置在第一波導的區段與第二波導的區段之間。在一些實施例中，形成第一熱電結構及第二熱 電結構包括：在基底的上表面之上沉積一或多種熱電材料；對一或多種熱電材料進行一或多次離子植入製程；以及對一或多種熱電材料進行圖案化製程。在一些實施例中，上述方法還包括：在第一熱電結構及第二熱電結構之上形成多個接觸件，其中多個接觸件垂直設置在第一熱電結構及第二熱電結構與加熱器結構及冷卻器結構之間。在一些實施例中，加熱器結構及冷卻器結構彼此同時形成。
前述內容概述了若干實施例的特徵，以使熟習此項技術者可更佳地理解本揭露的各態樣。熟習此項技術者應理解，他們可容易地使用本揭露作為設計或修改其他製程及結構的基礎來施行與本文中所介紹的實施例相同的目的及/或達成與本文中所介紹的實施例相同的優點。熟習此項技術者亦應認識到，此種等效構造並不背離本揭露的精神及範圍，而且他們可在不背離本揭露的精神及範圍的條件下對其作出各種改變、代替及變更。
100:示意圖
101:輸入端
102:溫度調節元件
103:輸出端
104:加熱器結構
105:分束器
106:冷卻器結構
107:輸入光信號
109:輸出光信號
111:組束器
112:第一波導
112i:第一輸入區
112m:第一調變區
112o:第一輸出區
114:第二波導
114i:第二輸入區
114m:第二調變區
114o:第二輸出區

Claims (9)

  1. 一種光子器件，包括：絕緣層；第一波導，覆蓋所述絕緣層；第二波導，覆蓋所述絕緣層；以及溫度調節元件，包括與所述第一波導的區段對齊的加熱器結構及與所述第二波導的區段對齊的冷卻器結構，其中所述加熱器結構被配置為將所述第一波導的所述區段的溫度升高到第一溫度，其中所述冷卻器結構被配置為將所述第二波導的所述區段的溫度降低到低於所述第一溫度的第二溫度，其中所述溫度調節元件包括第一熱電結構及與所述第一熱電結構相鄰的第二熱電結構，其中所述第一熱電結構及所述第二熱電結構橫向設置在所述第一波導與所述第二波導之間。
  2. 如請求項1所述的光子器件，其中所述溫度調節元件被配置為基於施加到所述加熱器結構的溫度控制信號將熱從所述冷卻器結構傳遞到所述加熱器結構。
  3. 如請求項1所述的光子器件，其中所述加熱器結構包括覆蓋所述第一波導的所述區段的第一側的第一傳導加熱器結構及覆蓋所述第一波導的所述區段的第二側的第二傳導加熱器結構，其中所述冷卻器結構包括覆蓋所述第二波導的傳導冷卻器結構，其中所述第一熱電結構耦接在所述第一傳導加熱器結構與所述傳導冷卻器結構之間，且其中所述第二熱電結構電耦接在所述第二傳導加熱器結構與所述傳導冷卻器結構之間。
  4. 一種積體晶片，包括： 第一波導區段，覆蓋絕緣層；第二波導區段，覆蓋所述絕緣層，其中所述第一波導區段與所述第二波導區段橫向分開相隔橫向距離；第一傳導加熱器結構，覆蓋所述第一波導區段；第二傳導加熱器結構，覆蓋所述第一波導區段且從所述第一傳導加熱器結構橫向偏移；第一傳導冷卻器結構，覆蓋所述第二波導區段；第一熱電結構，至少部分位於所述第一傳導冷卻器結構之下；以及第二熱電結構，從所述第一熱電結構橫向偏移且至少部分位於所述第一傳導冷卻器結構之下。
  5. 如請求項4所述的積體晶片，其中所述第一波導區段及所述第二波導區段是環形波導的一部分，其中所述第一傳導冷卻器結構是第一溫度調節元件的一部分，所述第一溫度調節元件包括從所述環形波導橫向偏移的第三傳導加熱器結構及第四傳導加熱器結構，其中所述第一熱電結構及所述第二熱電結構從所述第一傳導冷卻器結構橫向延伸到所述第三傳導加熱器結構或所述第四傳導加熱器結構。
  6. 如請求項5所述的積體晶片，其中所述第一傳導加熱器結構及所述第二傳導加熱器結構是第二溫度調節元件的一部分，所述第二溫度調節元件包括從所述環形波導橫向偏移的第二傳導冷卻器結構，其中所述第二溫度調節元件還包括至少部分在所述第二傳導冷卻器結構正下方的第三熱電結構及第四熱電結構。
  7. 一種形成光子器件的方法，包括：在基底上或所述基底內形成第一波導；在所述基底上或所述基底內形成第二波導，其中所述第二波導的區段從所述第一波導的區段橫向偏移；在所述基底上或所述基底內形成第一熱電結構，其中所述第一熱電結構具有第一摻雜類型；在所述基底上或所述基底內形成第二熱電結構，其中所述第二熱電結構具有與所述第一摻雜類型相反的第二摻雜類型；在所述第一波導的所述區段之上形成加熱器結構；以及在所述第二波導的所述區段之上形成冷卻器結構，其中所述第一熱電結構及所述第二熱電結構電耦接在所述加熱器結構與所述冷卻器結構之間。
  8. 如請求項7所述的方法，其中形成所述第一熱電結構及所述第二熱電結構包括：進行第一離子植入製程，以在所述基底內形成所述第一熱電結構；以及進行第二離子植入製程，以在所述基底內形成所述第二熱電結構，其中所述第一熱電結構及所述第二熱電結構橫向設置在所述第一波導的所述區段與所述第二波導的所述區段之間。
  9. 如請求項7所述的方法，其中形成所述第一熱電結構及所述第二熱電結構包括：在所述基底的上表面之上沉積一或多種熱電材料；對所述一或多種熱電材料進行一或多次離子植入製程；以及對所述一或多種熱電材料進行圖案化製程。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1345421A (zh) * 1999-03-22 2002-04-17 杰姆法尔公司 光电子器件和光子器件
US20170045689A1 (en) * 2014-11-05 2017-02-16 Coriant Advanced Technology, LLC Photonic integrated circuit incorporating a bandgap temperature sensor
TW202245282A (zh) * 2021-04-23 2022-11-16 台灣積體電路製造股份有限公司 半導體結構

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