[发明专利]光子芯片及其制造方法

说明书

提供了一种硅光子芯片，包括顶部硅设备层；在顶部硅设备层下方的绝缘层；在绝缘层下方的中间硅设备层；在中间硅设备层下方的进一步绝缘层；在进一步绝缘层下方的硅衬底；以及第一硅波导，所述第一硅波导部分地由中间硅设备层的一部分形成。

技术领域

本发明涉及光子芯片和制造光子芯片的方法，并且特别地涉及硅光子芯片和制造硅光子芯片的方法，在硅光子芯片中可以形成多个高度的波导。

背景技术

在硅光子领域中，常见的平台是绝缘体上硅（SOI）晶片，其中硅设备层提供在氧化物层（例如SiO₂）的顶部上，所述氧化物层（例如SiO₂）继而提供在硅衬底的顶部上。然后，通过蚀刻到设备层中或通过从设备层外延生长硅，可以在硅设备层中形成无源波导和光学有源设备。波导的最佳高度将取决于其功能，并且因此具有存在于单个光子芯片上的不同高度的波导可能是合期望的。

发明内容

在第一方面中，本发明提供了一种硅光子芯片，包括顶部硅设备层；在顶部硅设备层下方的绝缘层；在绝缘层下方的中间硅设备层；在中间硅设备层下方的进一步绝缘层；在进一步绝缘层下方的硅衬底；以及第一硅波导，所述第一硅波导由中间硅设备层的一部分部分地形成。替代地，硅光子芯片可以包括：顶部硅设备层；在顶部硅设备层下方的绝缘层；在顶部硅设备层下方并且在绝缘层下方和/或从绝缘层横向偏移的中间硅设备层；在绝缘层和中间硅设备层下方的进一步绝缘层；在进一步绝缘层下方的硅衬底；以及第一硅波导，所述第一硅波导由中间硅设备层的一部分部分地形成。下面所有可选特征和优点都适用于这两种替代解决方案。

该结构意味着在任何波导的处理开始之前，在晶片内存在两个硅层，所述处理允许构造具有以某种方式彼此对准的两个不同高度的波导的光子芯片。

例如，波导可以形成有共面的顶表面。当与具有在相同设备层中形成的多个高度的波导的芯片相比时，这允许更简单的处理，因为两个不同高度的波导的顶表面将在相同平面中，这允许在它们已经全部形成之后，使用CMP来抛光设备上所有波导的顶表面。

替代地，波导可以具有对准的中心高度。波导的中心高度是与波导的顶表面和底表面等距的高度。多个波导可以形成有对准的光学模式或对准的芯。在第一波导中形成多个模式的情况下，这些模式中的一个或多个的高度可以与光子芯片上不同高度的波导对准。当光在不同高度的波导之间通过时，以这种方式通过波导的中心、光学模式和/或芯来对准波导减少了损耗。

第一波导可以从中间硅设备层延伸，经过绝缘层，并到顶部硅设备层。因此，第一硅波导的底部分由中间硅设备层形成。注意，绝缘层可以仅在第二波导下方的区域中延伸。第一波导不需要被绝缘层横向包围。

绝缘层可以具有圆形底表面，使得在其中心的其高度大于在其边缘处的其高度。绝缘层可以具有小于硅设备层高度的高度，使得中间硅设备层直接在绝缘层的一部分下方延伸。中间硅设备层可以直接在所有绝缘层下方延伸，由此将绝缘层与进一步绝缘层分离。替代地，绝缘层可以例如在绝缘层底表面的中心区域处接触进一步绝缘层。绝缘层的整个底表面可以接触进一步绝缘层，使得中间硅设备层不直接在绝缘层的任何部分下方延伸。在这种情况下，所有的中间硅设备层都从绝缘层横向偏移。

顶部硅设备层的高度可以小于一微米，并且优选地小于550nm并且更优选地220nm。中间硅设备层的高度可以在10nm和1500nm之间，并且优选地在10nm和1000nm之间。

硅光子芯片可以进一步包括在顶部硅设备层内的第二波导，第一硅波导具有第一高度，并且第二波导具有第二高度，第二高度小于第一高度。

由于第二波导形成在顶部设备层内，因此它具有比第一硅波导更小的高度。第二波导从第一波导横向偏移。

在远离衬底的方向上测量层或波导的高度。层或波导的顶表面是距衬底最远的表面，并且层或波导的底表面是距衬底最近的表面。例如，第一硅波导的高度是在垂直于衬底表面的方向上从第一硅波导的底表面到第一硅波导的顶表面测量的。