[发明专利]通过选择性生长来制造Ge或SiGe/Si波导或光子晶体结构的方法

说明书

优先权信息

本申请要求2005年8月1日提交的发明申请11/194,805的优先权，其全部内容引用在此作为参考。

背景技术

本发明涉及用于集成光路和远红外应用的Ge或SiGe波导的领域，尤其涉及制造低损晶体高级波导和光子晶体结构，其中没有因蚀刻而导致的侧壁散射损耗。

在制造Ge或SiGe/Si波导时常常提及的波导结构是两种结构：通道波导和脊形波导。这些波导也采用曲形、环形、微片或锥形等形状。一种制造它们的典型方式包括：沉积一种折射率较高的材料(芯)，其折射率高于周围的材料；然后，将该材料蚀刻成通道(深蚀刻)或脊(浅蚀刻)结构，之后再沉积周围的材料。例如，半导体激光器通常具有脊形波导结构。

蚀刻过程通常定义波导的尺寸。蚀刻中的诸多挑战之一是粗糙的侧壁的形成，这会引起散射损耗。对于其尺寸接近于或小于芯材料中的传播波长的那些高折射率对比波导而言，有很大的散射损耗(＞10dB/cm)，并且随着波导中所用尺寸的减小这变得越来越是一个挑战。

对于基于Ge的波导而言，这变为一个非常严重的问题，因为Ge的折射率是属于最高的那一类(～4.0)，它们需要比常规材料(比如Si)波导小很多的尺寸。在任何平滑处理之前，高折射率对比Si波导在其RMS粗糙度大于5nm的情况下具有约10dB/cm的损耗。在光线穿过它时，这种粗糙度不可避免地引入了更多的损耗。对于Ge含量很高的SiGe而言，已显示出，通过标准干法蚀刻工艺而产生的侧壁是非常粗糙的(约10nm RMS粗糙度)，从而导致约20dB/cm的损耗。另一挑战是集成光电子回路中复杂的分层状况，在这种回路中电路和光路在不同的层中一起工作。若能减少层数或尝试在同一层上实现这两种电路功能，则是非常方便的。

对于光子晶体结构，高折射率对比系统也是理想的。最近，光子晶体结构因其独特的性质而吸引越来越多人的兴趣。然而，到目前为止，验证过的光子晶体结构仍然有损耗很大这一问题，虽然理论上应该没有损耗。同样，这又是因光子晶体结构的侧壁粗糙度而导致的，而这是干法蚀刻工艺所导致的。因此，若可以解决上述侧壁粗糙度的问题，则光子晶体结构的性能就可以得到显著地提高。

Ge/Si材料也是重要的远红外光学材料之一(波长为8-12μm和3-5μm)，因为当波长大于2μm时根本没有吸收；Ge/Si材料还是红外透镜的主要材料。鉴于集成光学系统正移向红外应用，所以也需要制造用于红外应用的低损波导。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种低损晶体高级波导。该波导包括基片以及形成于该基片上的电介质层。通过蚀刻该电介质层的一部分，便形成一通道。在限定该通道的区域中，执行Si、Ge或SiGe层的选择性生长。在限定的温度范围中对该波导进行退火，以改善晶体性质。

根据本发明的另一方面，提供了一种光子晶体结构。该光子晶体结构包括基片以及形成于该基片上的电介质层。通过蚀刻该电介质层的一部分，便形成了多个孔构成的阵列。在这些孔中，执行Si、Ge或SiGe层的选择性生长。在限定的温度范围中对该光子晶体结构进行退火，以改善晶体性质。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于形成低损晶体高级波导的方法。该方法包括：提供一基片；以及在该基片上形成电介质层。通过蚀刻该电介质层的一部分，便形成一通道。在限定该通道的区域中，执行Si、Ge或SiGe层的选择性生长。此外，该方法包括：在限定的温度范围中对该波导进行热退火，以改善晶体性质。如有必要，可以提供化学机械抛光(CMP)工艺，以使SiGe的过度生长平整化。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于形成光子晶体结构的方法。该方法包括：提供一基片；以及在该基片上形成电介质层。通过蚀刻该电介质层的一部分，便形成了多个孔构成的阵列。在这些孔中，执行Si、Ge或SiGe层的选择性生长。在限定的温度范围中，对该光子晶体结构进行退火，以改善晶体性质。

附图说明

图1是一波导结构的模式分布图，该波导结构的芯尺寸小于芯材料中的传播波长；

图2A-2D是示出了根据本发明的诸多步骤的示意图；

图3A-3B是示出了根据本发明而形成的微片型/微环形谐振器的示意图；

图4A-4B是示出了根据本发明而形成的带有缺陷模式的光子晶体结构的示意图；以及

图5是根据本发明在二氧化硅中打开的沟道中生长的SiGe波导的横截面SEM照片。

具体实施方式