[发明专利]平滑波导结构和制造方法

说明书

本公开涉及平滑波导结构和制造方法。在被实现在绝缘体上半导体衬底中的集成光学结构(例如，硅‑氮化硅模式转换器)中，其侧壁基本上由与晶面一致的部分组成并且未横向延伸超过线波导的顶表面的线波导在性能和/或制造需要方面提供益处。这种线波导可以通过以下被制造：例如使用将半导体器件层向下干式蚀刻到绝缘体层以形成具有暴露侧壁的线波导，跟随有平滑结晶湿式蚀刻。

相关申请的引用

本申请是于2018年8月14日提交的申请号为201810922621.3、发明名称为“平滑波导结构和制造方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及集成光学结构以及用于制造集成光学结构的方法。一些实施例特别地涉及光模转换器。

背景技术

许多光子集成电路(PIC)包括将不同的器件层之间的光从一个波导传送到另一个波导的模式转换器。例如，以其他方式被实现在硅中的PIC可以在PIC的(一个或多个)输入和/或(一个或多个)输出处利用基于氮化硅的光栅耦合器，因为其可以跨比基于硅的耦合器更宽的温度范围进行操作。在这种情况下，模式转换器用于将光从硅器件层中的硅波导耦合到被布置在硅波导上面并且耦合到氮化硅光栅耦合器的氮化硅波导中(或者反之亦然)。在耦合区域中，硅波导被向下渐小到小截面。在锥形的大部分之上，光因此高度限于小截面面积，其使光对任何表面粗糙度更灵敏。利用传统制造技术实现的相对高表面粗糙度倾向于导致来自锥形的该部分的对应高散射损耗。高散射损耗进而有助于用于器件的较高的插入损耗，并且散射光的反向散射部分有助于较高的回损。

发明内容

在此公开了导致具有用于例如在低损耗模式转换器中使用的平滑侧壁的波导的半导体结构和制造方法。根据各个实施例，通过将绝缘体上半导体衬底的半导体器件层(例如，绝缘体上硅(SOI)衬底的硅器件层)向下蚀刻到绝缘体(例如，氧化硅)层所创建的半导体线波导通过附加的结晶蚀刻而被平滑，其导致与线波导的结晶平面一致的平滑侧壁部分。结晶平滑蚀刻可以被固定在衬底的绝缘体层与被布置在半导体器件层之上的蚀刻掩模层之间，其将截面三角形底切形成为线波导，其中侧壁部分从波导的顶表面和底表面的边缘向内延伸以在中间水平面处相接。在形状方面粗略地类似于“沙漏”的线波导的对应的截面中，(对应于中间平面处的“腰部”的)最小宽度小于线波导的顶表面处的宽度(在此还被称为“定义宽度”)，其是经由在线波导形成蚀刻中所使用的蚀刻掩模化的光刻图案化而定义的宽度。有益地，该形状减少波导的截面面积，与具有基本上直垂直侧壁的相同定义宽度的波导相比(其中“基本上”允许与完美地垂直侧壁的小制造偏差，例如具有多达5°的角度)，这允许较小的截面被实现，而不需要较小的图案化特征。

由于任何给定半导体制造过程(常常还被称为“过程节点”或者“技术节点”)由其能够实现的最小可图案化特征来限制，并且由于制造成本通常随着较小的特征大小显著地增加，因此在未减少定义宽度的情况下减少波导的截面的能力能够需要其中小波导截面是期望的应用中的成本节省。这样的应用包括例如模式转换器，其中(例如，由硅制成的)线波导的小截面可以用于将线波导的有效折射率与由具有较低的折射率的材料(诸如例如氮化硅)制成的第二波导的有效折射率进行匹配。重要地，由于减少的散射损耗和改进的相位相干性，与平滑波导侧壁同时地实现小波导截面改进器件性能。依赖于好的相位相干性的应用包括例如有限脉冲响应(FIR)滤波器，其包括具有其之间的固定和确定性相位偏移的两个或两个以上波导。