JP2007519049A

JP2007519049A - 半導体光源によって生成される光を導光するシームレス集積された導波路

Info

Publication number: JP2007519049A
Application number: JP2006550437A
Authority: JP
Inventors: クロートウェイク，ヨハン; ローゼボーム，フレッド
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2005-01-22
Publication date: 2007-07-12
Also published as: WO2005071452A1; CN1910487A; EP1711850A1; KR20060132658A

Abstract

シームレスに集積されたハイブリッド光ネットワーク素子。素子は：シリコン基板(11)中のキャビティに設けられている半導体光源(10)及び、半導体光源(10)によって放出される光子の光導波路として機能する、シームレスに半導体光源(10)と集積されたフォトニックバンドギャップ(PBG)構造(22)を有する。半導体光源(10)は非シリコン材料で作製され、PGB構造(22)はシリコン基板を直接エッチングすることで形成される。

Description

本発明は一般にはシリコンレベルでのデータ伝送に関する。より詳細には、これまでとは異なる技術で半導体光源によって生成される光を導光する、半導体光源とシームレス集積した導波路に関する。

コンピュータチップ技術は進化し続けているので、シリコンレベルでのデータ処理及びデータ伝送能力をさらに高めることは現在においても挑戦的である。従来、情報はたとえばトランジスタ及び/又は他の電気構成素子のようなシリコンベースの素子と相互接続する小さな金属細線上で電気的に処理及び伝送されている。しかし、細線上で電気を伝送するのは、ある制限を受けることになる。その制限には、伝送速度の限界や電磁波干渉などが含まれる。

電気的伝送の限界の一部を克服する一の有力な解決法は光ネットワークでの情報を伝送するのにパルス光を利用することである。しかし、しかしそのような光ネットワークを実装するには、(1)シリコンレベルで光を生成すること、及び(2)一の素子から他の素子へ光を伝送すること、がシステムに求められる。

当技術分野では、バイアスが印加されることでバイポーラトランジスタが電子なだれを起こすとき、逆バイアスコレクタ-ベースダイオードで光が生成される。発光量は、コレクタ-ベース電圧と素子（電子なだれを起こすダイオードと違って、ここでの素子は一般的に使用されているものである）を流れる電流の両方での調節が可能である。これによって、非常に低い電流密度で光を生成することが可能となる。基板電流は生成された光の量の指標となりうる。生成された光の典型的な波長は、λ<1μm（つまり少量ドープシリコンにおける近赤外発光）である。図1はバイポーラトランジスタから光を生成するモデル例を図示している。ここで、Eはエミッタ、Cはコレクタ、Bはベース、そしてSUBは基板電流の指標である。そのような実施例の詳細については非特許文献1に説明がある。

加えて、他の半導体光源も既知である。そのような例の一にはレーザーダイオードが含まれる。
米国特許第5987208号明細書クルットウィジク、スロットブーム、ピーター(J.H.Klootwijk, J.W.Slotboom and M.S.Peter)、電子素子に関するIEEE報告書、第49巻、第9号、pp.1628、2002年、米国、電気電子学会(IEEE)

残念なことに、半導体光源からシリコンの他の場所へ光を導光する有効な解決法は存在しない。しかも、放出光波長を特定する制御は半導体光源の作製に使用される材料で制限される。従って、使用可能な材料及び生成可能な波長の種類に対して制限は存在する。従って、半導体光源からシリコン中の他の素子へ選択された波長の光を導光する系及び方法が必要となる。

本発明は上述の問題を解決し、同様に半導体光源によって生成される光を導光する集積された導波路を提供することで他の問題をも解決する。第1態様では、本発明はシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子を提供する。当該光ネットワーク素子はシリコン基板中のキャビティに設けられている半導体光源及び、半導体光源(10)によって放出される光子の光導波路として機能する、半導体光源とシームレスに集積されたフォトニックバンドギャップ(PBG)構造(22)を有する。半導体光源は非シリコン材料で作製され、バイアス印加によって電子なだれ条件で光子を放出することが可能である。PGB構造(22)はシリコン基板で直接エッチングされる。

第2態様では、本発明はシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子の製造方法を提供する。当該方法は、シリコン基板を提供する段階；シリコン基板をエッチングしてキャビティを形成する段階；シリコン基板のキャビティ横部分をエッチングしてフォトニックバンドギャップ(PBG)構造を形成する段階；及び、キャビティに非シリコン半導体光源を設置する段階を有する。半導体光源はバイアス印加による電子なだれ条件で光子を放出することが可能である。

第3態様では、本発明はシームレス集積ハイブリッド光ネットワークを提供する。当該ネットワークは、シリコン基板中のキャビティに設けられている、バイアス印加による電子なだれ条件で光子パルスを放出することが可能な非シリコン半導体光源；シリコン基板をエッチングしてキャビティを形成する段階；シリコン基板に形成され、半導体光源によって生成される光子パルスの光導波路として機能するシームレスに集積されたフォトニックバンドギャップ(PBG)構造；及び、光導波路の終端部近くに設置される、半導体光源によって生成される光子パルスを受光する素子、を有する。

本発明のこれら及び他の特徴は、添付の図とともに紹介される様々な態様に関する以下の詳細な説明から十分に理解される。

本発明はシームレス集積光ネットワークを提供する。当該ネットワークは半導体光源と組み合わされた光導波路構造を有する。その結果、シームレスに集積された光導波路による低電流密度光源が実現する。特に、光ネットワークはシリコン基板をエッチングすることで得られる光導波路構造及び、光導波路構造の横部分をエッチングして形成されたキャビティ内に設けられた半導体材料で作製される発光素子を有する。よって、半導体光源で生成される光はシリコンウエハを通過して伝送可能であり、発光素子及び導波路は光ネットワーク中の基本素子/構造としての役割を果たす。

本発明は“フォトニックバンドギャップ”(PBG)構造を、半導体光源によって生成された光の導波路として機能するように利用する。PBG構造はコラゲートチャネル-ケージ(channel-cage)構造を有する。チャネル-ケージ構造はたとえばシリコン基板をドライエッチングすることで得ることが可能である。典型的な実施例では、PBG構造は、すでにサブミクロン長で実現されている平行シリンダ（又は素子）からなる2次元(2D)結晶として実装される。あるいはその代わりに、技術の進歩に伴って、3次元(3D)周期を有するフォトニック結晶も利用可能となるだろう。PBG構造に関するより完全な議論はたとえば特許文献1で見いだすことができる。

図2及び図3は光ネットワーク素子20を実装する典型的方法を図示している。図2に図示されている第1工程では、シリコン（たとえばBICMOS又はCMOS）基板11にキャビティ41とPBG構造22の両方を形成する複合エッチングが行われる。既知の技術を使用いてたとえば高オーム性シリコンウエハをエッチングすることで、コラゲートチャネル-ケージ素子、つまりフォトニックバンドギャップ(PBG)構造をすぐに得ることができる。

図3に図示されている第2工程では、これまでとは異なる（たとえば非シリコンベースの）技術で形成された半導体光源10-この場合バイポーラ素子-はキャビティ41内に設置される。たとえばトランジスタ、レーザーダイオードなどのような如何なる種類の半導体光源も利用可能であり、キャビティ41内に設置可能であることは理解できるだろう。半導体光源は純粋なシリコン(Si)ではない材料、すなわち“非シリコン”材料で作製されるのが好ましい。非シリコン光源の典型的な材料にはたとえばSiGe,SiGeC,InP,GaAsなどが含まれる。（従って、ここで使用される“非シリコン”という語はシリコン化合物を含むものと解釈されるべきである。）
上述の製造工程の結果が、ハイブリッド光ネットワーク素子20である。当該素子では、半導体光源10を形成する化合物材料はシリコンベースの光導波路22とシームレスに集積している。バイポーラ半導体光源10用に選択された材料に依存して、PBG構造22によって導光される特定の波長（又は材料によって異なる波長）が実現可能となる。よって、素子設計者は、所望の光波長を実現する特性を有する材料の使用により所望の光波長を選択して良い。シリコン基板11内のキャビティ41に半導体光源10を加えた後、相互接続層46を加えて良い。

よって、たとえばλ<1μmの波長を有する赤外光の光源は半導体光源とPBG構造との組み合わせによって提供される。この組み合わせは継ぎ目なく集積されることで、たとえば少量ドープシリコン中に光ネットワーク素子20を形成する。

図4を参照すると、に光ネットワーク13の上面図が図示されている。光ネットワーク13は素子10、素子27a、素子27b、素子27c及び素子27dを含み、これらの素子は互いにシリコン基板11内で光学的に通信する。光通信は図3で説明されたシリコン基板11に形成された光ネットワーク素子20によって実現される。素子20は：(1)ベース-エミッタ接合から光ビーム12、つまり光子ビームを放出する能力を有する非シリコン半導体光源10、この場合バイポーラトランジスタ、及び(2)導波路チャネル16を画定する複数のPGB素子14を有するPBG構造22、を含む。明らかなように、光ビーム12は導波路チャネル16を通過することで“曲げられ”及び分配される。それによって光をシリコン基板11中の如何なる点へも導光することが可能となる。従って、所望の導波路の構成をシリコン基板11全体に作製する必要があるので、導波路構成が巧く行くようにPBG素子14を設置することが可能である。可能な構成には多分岐を実現するビームスプリッタを有する導波チャネル、偏光及び/又はフィルタリングを実現する構成、シリコン基板11内部で素子を相互接続するチャネル、外部の素子と相互接続するチャネルなどを含んで良い。

図4に図示された典型的な実施例では、導波路は半導体光源10からの光パルスを受光する1組の受光素子27a、受光素子27b、受光素子27c及び受光素子27d（たとえばフォトダイオード）と接続する。ネットワーク13の制御は制御系によって可能となる。制御系29は、たとえばマイクロプロセッサ又は半導体光源からの光を透過させるときに働く他の論理（回路）を有して良い。制御系29はシリコン基板11内部及び/又は基板外部に設置されて良い。

放出光の効率を向上させるため、半導体光源10は1つ以上の面に設置することで光子の放出を遮断する反射材25（たとえば半波長板コーティング）とともに作製されて良い。反射材25の設置によって光ビーム12は単一面からのみ射出される。さらに反射材料25を選択的に設置することで光が集光される光学窓24を画定して良い。
[PBG構造]
図5はマスクを使用したドライエッチング後におけるシリコンウエハ内の典型的なフォトニックバンドギャップ構造の断面顕微鏡図を示す。各シリンダ素子は本質的にはシリコンを突き抜ける“細孔”を有する。これら4つの実施例では、マスク穴直径及びピッチはそれぞれ、(a)2μm及び10μm、(b)1.5μm及び3.5μm、(c)及び(d)3μm及び5μm、である。明らかに、PBG構造における特定の直径及びピッチを特定の用途に従って変化させることが可能である。加えて、PBG構造22はウエットエッチング処理によって作製可能であることも理解されるべきである。

典型的には、PBG構造22の細孔は円形の断面を有し、正方形又は六角形アレイで整列している。正方形アレイでの整列によって、PBG構造22は偏光の導光に適するようになり、六角形アレイでの整列によって、無偏光の導光に適するようになる。典型的な細孔の直径は1μmのオーダーで、細孔間のピッチはほんのわずかだが直径よりも大きい。波長λはピッチaを設定することで調節可能である。なおa/λ=0.2又は0.5の関係が存在する。このことは、完全にカバーできる波長範囲は近赤外から遠赤外、たとえば0.8μm（GaAsのバンドギャップ）及び1.1μm（Siのバンドギャップ）から100μmであることを示唆する。例は、λ=5μmから6μm、ピッチa=1.5μmから2.5μmである。典型的な特性を有するPBG構造の細孔直径及びピッチの値は、導光される光の波長に依存するが、300nm（可視光の導光）から数μm（赤外光の導光）のオーダーである。

PBG構造を実現するには如何なる方法を採用しても良い。PBG構造を製造する一の方法は、電気化学エッチングである。たとえば少量のnドープシリコンの光電気化学エッチングであり、その際シリコンウエハはアノードとして接続される。電気化学エッチング中にウエハ背面の光照射強度、つまり電流密度を変化させることで、細孔半径を周期的に変化させることが可能である。

PBG構造22を構成する細孔のアレイはまた、ドライエッチング、つまり反応性イオンエッチング(RIE)によっても実現可能である。加えて、PBG構造22はコラゲートしたピラーを残すことで実現可能である。ピラーを残すことで、細孔の代わりにピラーアレイの逆構造が作製される。

必要なコラゲート細孔アレイ構造を作製する一のドライエッチング技術は所謂“ボッシュ法”を含む。この方法は、高アスペクト比の溝及び細孔の作製を可能にするドライエッチング処理方法である。エッチングはSF₆の化学的性質を利用して行われる一方、パッシベーションはC₄F₈の化学的性質を利用して行われる。プロセスパラメータを異方性エッチングから等方性エッチングへ変化させることで、これらのコラゲート構造を作製することが可能である。そのプロセスパラメータは、開発者がある特定のプロセス条件での処理を行うか否かに影響するようなものである。シリコンエッチング処理はプラズマエッチングに基づく。この処理では、エッチング及びパッシベーションの化学的性質を急激に切り替えることで細孔、溝などの形成が可能になる。

典型的な処理方法は以下の工程を使用して良い：
(1)第1コラゲーションが所望の深さになるまでボッシュ法でのエッチング及びパッシベーションを行う。

(2)工程1はエッチング周期で終了する。このことは、次の等方性エッチング工程を可能にするために細孔底部のパッシベーションポリマーが除去されなくてはならないから、必要となる。

(3)SF₆/O₂の化学的性質を利用した等方性エッチングを行う。等方性エッチングの間、イオン支援エッチングを減少させ、ラジカル及び中性原子による化学支援エッチングを最大化するため、圧盤パワー（ウエハを支えるつかみ具へのバイアス電圧）はオフ状態になる。よって、シリコンの等方性エッチングは改善される。

(4)等方エッチング工程後、処理は次に移って、パッシベーションが始まる。エッチングによって形成された完全な構造にパッシベーション層を被覆し、それを保護する。次に、プロセスは再度工程1を再開し、それを数回繰り返して良い。

一般的には、光導波路は低屈折率クラッド層を有する高屈折率コアで構成されて良い。使用可能な組み合わせの典型は：TiO₂コア及びSiO₂クラッド層；Si₃N₄コア及びSiO₂クラッド層；SiONコア及びSiO₂クラッド層；PMMAコア及びCrクラッド層；多結晶Siコア及びSiO₂クラッド層；及びInGaAsPコア及びInPクラッド層である。
[半導体光源]
上述のように、半導体光源10は所望波長を与えるのに適した非シリコン材料から作製することが可能である。例としてはSiGe、SiGeC、InP及びGaAsが含まれる。

非シリコン材料は、CMOS、高速SiGe、SiGeC、BiCMOSなどのようなアクティブ基板のように如何なる適切な種類のシリコン基板に設置することも可能である。このハイブリッド集積を実現するのに如何なる技術を利用して良い。一の典型的方法は、たとえば1μmの熱酸化物層を有する高抵抗ウエハで開始される。厚い（たとえば10μm）レジストマスクを成膜して、“キャビティ”を画定する。酸化物をエッチングした後、シリコンは発光素子を設置するキャビティの深さまでエッチングされる。完全に近い側壁の傾斜を有するキャビティのドライエッチングは販売されているエッチング剤によるボッシュ法（登録商標）を使用することで可能である。次の工程はキャビティ中にバイポーラ素子を設置して、たとえばベンゾシクロブタン(BCB)のような有機ポリマー結合剤を使用することで接合する工程である。次に、レジストマスクを成膜し、BCB層のエッチングによって凹部形状を有する発光素子の接合パッドへのコンタクトを形成する。続いて金属層を堆積させ、発光素子が異なるIC素子と相互接続するような構造を形成することが可能となる。

光子を放出するため、電子なだれ条件になるように逆バイアスが印加された、本発明に従ったバイポーラトランジスタを図示している。本発明に従った、光ネットワークを形成する第1工程を図示している。本発明に従った光ネットワーク素子側面を図示している。本発明に従ったシリコンベースの光ネットワークを図示している。マスクを使用したドライエッチング後におけるシリコンウエハ内の典型的なフォトニックバンドギャップ構造の断面顕微鏡図を図示する。マスクを使用したドライエッチング後におけるシリコンウエハ内の典型的なフォトニックバンドギャップ構造の断面顕微鏡図を図示する。マスクを使用したドライエッチング後におけるシリコンウエハ内の典型的なフォトニックバンドギャップ構造の断面顕微鏡図を図示する。マスクを使用したドライエッチング後におけるシリコンウエハ内の典型的なフォトニックバンドギャップ構造の断面顕微鏡図を図示する。

Claims

シリコン基板中のキャビティに設けられている半導体光源、及び、
前記半導体光源によって放出される光子の光導波路として機能する、前記半導体光源とシームレス集積するフォトニックバンドギャップ(PBG)構造、
を有し、
前記半導体光源は非シリコン材料で作製され、前記PGB構造は前記シリコン基板を直接エッチングすることで形成される、
ことを特徴とするシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
前記半導体光源は反射材で被覆された表面を有し、
前記反射材は前記表面を通過する光子の放出を遮断する、
ことを特徴とする、請求項1に記載のシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
前記表面は光学窓を有し、
前記光学窓は、光子が前記半導体光源から前記の光源周囲のシリコン基板へ通過することを可能にする、
ことを特徴とする、請求項2に記載のシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
前記PBG構造は複数の細孔柱を有し、
前記細孔柱は前記光学窓に隣接する前記シリコン基板部分で形成され、
前記窓は前記半導体光源の表面で画定される、
ことを特徴とする、請求項3に記載のシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
前記複数の細孔柱は前記の光学窓を通過して放出される光子の前記導波路を提供するチャネルを画定するように整列していることを特徴とする、請求項4に記載のシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
前記の半導体光源から放出される光は制御系によって制御されることを特徴とする、請求項1に記載のシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
前記半導体光源は、SiGe、SiGeC、InP及びGaAsからなるグループから選択される材料で作製されることを特徴とする、請求項1に記載のシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
前記シリコン基板はCMOS、高速SiGe、SiGeC及びBiCMOSからなるグループから選択される材料で作製されることを特徴とする、請求項1に記載のシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
前記半導体光源はバイアス電圧印加による電子なだれ条件によって光子を放出することが可能なバイポーラトランジスタを有することを特徴とする、請求項1に記載のシームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子。
シリコン基板を提供する段階；
前記シリコン基板をエッチングしてキャビティを形成する段階；
前記のシリコン基板のキャビティ横部分をエッチングしてフォトニックバンドギャップ(PBG)構造を形成する段階；及び、
前記キャビティに非シリコン半導体光源を設置する段階；
を有する、シームレス集積ハイブリッド光ネットワーク素子の製造方法。
前記シリコン基板はCMOS、高速SiGe、SiGeC及びBiCMOSからなるグループから選択される材料で作製されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
前記半導体光源はSiGe、SiGeC、InP及びGaAsからなるグループから選択される材料で作製されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
前記PBG構造は複数の細孔柱を有し、
前記複数の細孔柱はチャネルを画定するように整列し、
前記チャネルは前記の半導体光源から放出される光の導波路を提供する、
ことを特徴とする、請求項10に記載の方法。
前記半導体光源はバイアス電圧印加による電子なだれ条件によって光子を放出することが可能なバイポーラトランジスタを有することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
シリコン基板中に設けられている非シリコン半導体光源；
前記シリコン基板中に形成され、前記半導体光源によって生成される光子パルスの光導波路として機能するシームレス集積されたフォトニックバンドギャップ(PBG)構造；及び、
前記光導波路の終端部近くに設置される、前記の半導体光源によって生成される光子パルスを受光する素子；
を有するシームレス集積光ネットワーク。
さらに前記の半導体光源からの光子パルスの放出を調節する制御系を有する、請求項15に記載のシームレス集積光ネットワーク。
前記受光素子はフォトダイオードを有することを特徴とする、請求項15に記載のシームレス集積光ネットワーク。
前記半導体光源は反射材料で被覆された表面を有し、
前記反射材料は前記表面を通過する光子パルスの放出を遮断する、
ことを特徴とする、請求項15に記載のシームレス集積光ネットワーク。
前記表面は光学窓を有し、
前記光学窓は、光子が前記半導体光源から前記の光源周囲のシリコン基板へ通過することを可能にする、
ことを特徴とする、請求項18に記載のシームレス集積光ネットワーク。
前記PBG構造は複数の細孔柱を有し、
前記細孔柱は前記光学窓に隣接する前記シリコン基板中で実現され、
前記窓は前記半導体光源の表面上で画定される、
ことを特徴とする、請求項19に記載のシームレス集積光ネットワーク。
前記半導体光源は、SiGe、SiGeC、InP及びGaAsからなるグループから選択される材料で作製されることを特徴とする、請求項15に記載のシームレス集積光ネットワーク。
前記半導体光源は、SiGe、SiGeC、InP及びGaAsからなるグループから選択される材料で作製されることを特徴とする、請求項15に記載のシームレス集積光ネットワーク。
前記半導体光源は、バイアス電圧印加による電子なだれ条件によって光子を放出することが可能なバイポーラトランジスタを有することを特徴とする、請求項15に記載のシームレス集積光ネットワーク。