JP2022509947A - 集積レーザーを備えるフォトニクス構造 - Google Patents

集積レーザーを備えるフォトニクス構造 Download PDF

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Abstract

本明細書には、基板と、基板（１００）上に配設された誘電体スタック（２００）と、誘電体スタック（２００）内に集積された１つ以上のフォトニクスデバイスと、スタック（５１０）に配置された複数の構造を含むレーザースタック（５１０）を有するレーザー光源（５００）と、を含み、複数の構造の構造は、誘電体スタック（２００）内に集積されており、レーザースタック（５１０）は、レーザースタック（５１５）への電気エネルギの印加に応答して光を放出するように構成された活性領域（５１５）を含む、方法が記載されている。【選択図】図１

Description

本開示は、概して、フォトニクスに関し、具体的には、フォトニクス構造の製造に関する。
［関連出願の相互参照］
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１８年１１月２１日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ」という名称の米国仮出願第６２／７７０，６２３号の優先権の利益を主張する。本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１９年９月１９日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ」という名称の米国非仮出願第１６／５７５，８２０号の優先権の利益を主張する。本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１９年９月１９日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ」という名称の台湾出願第１０８１３３７４７号の優先権の利益を主張する。その全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１９年９月１９日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ」という名称の前述の米国非仮出願第１６／５７５，８２０号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１８年１１月２１日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ」という名称の米国仮出願第６２／７７０，６２３号の優先権の利益を主張する。その全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１９年９月１９日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ」という名称の前述の台湾出願第１０８１３３７４７号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１８年１１月２１日に出願された「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ」という名称の米国仮出願第６２／７７０，６２３号の優先権の利益を主張する。
［政府の権利に関する声明］
本発明は、実施許諾契約番号ＦＡ８６５０－１５－２－５２２０、ＡＲＰＡ－Ｅ、ＤＥ－ＡＲ００００６７２、およびＤＡＲＰＡ ＤＯＤＯＳ ＨＲ００１１－１５－Ｃ－００５５の下で（米国）政府の支援を受けてなされた。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
市販のフォトニクス集積回路は、バルクシリコンまたはシリコン・オン・インシュレータウェハなどのウェハ上に製造される。
一態様では、フォトニクス集積回路は、フォトニクス集積回路チップの異なる領域間、ならびにチップのオンとオフとの間で光信号を伝送するための導波管を含むことができる。市販の導波管は、矩形またはリッジ形状であり、シリコン（単一または多結晶）または窒化シリコンで製造されている。
市販のフォトニクス集積回路は、光検出器および他の光学部品を含み得る。フォトニクス集積回路は、通信帯域（約１．３μｍ～約１．５５μｍ）における光の放出、変調、および検出に依拠する。ゲルマニウムのバンドギャップ吸収端は、ほぼ１．５８μｍである。ゲルマニウムは、１．３μｍおよび１．５５μｍのキャリア波長を使用する光電子用途に十分な光応答を提供することが観察されている。
市販のフォトニクス集積回路チップは、プリント回路基板上に配設されたフォトニクス集積回路チップを有するシステムで利用することができる。
一態様では、フォトニクス構造の提供により、従来技術の欠点が克服され、追加の利点が提供される。
本明細書には、構造であって、基板と、基板上に配設された誘電体スタックと、誘電体スタック内に集積された１つ以上のフォトニクスデバイスと、スタックに配置された複数の構造を含むレーザースタックを有するレーザー光源と、を含み、複数の構造の構造は、誘電体スタック内に集積されており、レーザースタックは、レーザースタックへの電気エネルギの印加に応答して光を放出するように構成された活性領域を含む、構造が記載されている。
本明細書には、方法であって、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの絶縁体によって画定される誘電体スタックを有するフォトニクス構造のＳＯＩウェハのシリコン層に導波管をパターン化することと、フォトニクス構造内に、誘電体スタックの誘電体層を貫通するトレンチを形成することと、トレンチ内にレーザースタックをエピタキシャル成長させることと、を含み、レーザースタックは、スタックに配置された複数の構造を含み、複数の構造の構造は、誘電体スタック内に配設され、レーザースタックへの電気エネルギの印加に応答して光を放出するように構成された活性領域を含む、方法が記載されている。
追加の特徴および利点は、本開示の技法を通じて実現される。
本開示の１つ以上の態様は、本明細書の終結で、特許請求の範囲における実施例として、特に指摘され、かつ明確に特許請求されている。本開示の前述および他の目的、特徴、および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかとなる。
オプトエレクトロニクスシステムの切り取り側面図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態による図１に示すオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 一実施形態によるオプトエレクトロニクスシステムの切り取り側面図である。 図３によるオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 図３によるオプトエレクトロニクスシステムの製造方法を示す製造段階図である。 レーザースタックの活性領域からの光を１つ以上の導波管に結合するために製造されたフォトニクス構造を示す、Ｚ－Ｙ平面における製造段階図である。 レーザースタックの活性領域からの光を１つ以上の導波管に結合するために製造されたフォトニクス構造を示す、Ｚ－Ｙ平面における製造段階図である。 レーザースタックの活性領域からの光を１つ以上の導波管に結合するために製造されたフォトニクス構造を示す、Ｚ－Ｙ平面における製造段階図である。 レーザースタックの活性領域からの光を１つ以上の導波管に結合するために製造されたフォトニクス構造を示す、Ｚ－Ｙ平面における製造段階図である。 エバネッセントに結合された第１および第２の導波管のＹ－Ｘ平面における平面図である。
本開示の態様およびその特定の特徴、利点、および詳細は、添付の図面に示される非限定的な実施例を参照しながら以下により完全に説明される。周知の材料、製造ツール、処理技術などの説明は、本開示を詳細に不必要に不明瞭にしないために省略されている。しかしながら、詳細な説明および特定の実施例は、本開示の態様を示しているが、限定としてではなく例示としてのみ与えられていることを理解されたい。基礎となる発明概念の趣旨および／または範囲内の様々な置換、修正、追加、および／または並べ替えは、本開示から当業者には明らかであろう。
図１は、フォトニクス誘電体スタック２００を有するフォトニクス構造１０を示しており、フォトニクス誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造された１つ以上のフォトニクスデバイスなどの、一体的に形成および製造された１つ以上のフォトニクスデバイスと、誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造されたレーザースタックを有する１つ以上のレーザー光源と、が存在し得る。
誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造された１つ以上のフォトニクスデバイスは、例えば、シリコン（Ｓｉ）リッジ導波管によって提供された導波管４０２を含むことができ、シリコン矩形導波管によって提供された導波管４０４を含むことができる。矩形窒化シリコン導波管によって提供された導波管４１１、矩形窒化シリコン導波管によって提供された導波管４１２、矩形シリコン導波管によって提供された導波管４２１、および矩形窒化シリコン導波管によって提供された導波管４２２。
フォトニクス構造１０は、フォトニクス構造１０内に集積された、誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造された他のタイプの導波管を有することができる。フォトニクス構造１０は、誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造された、例えば、導波性材料フォーメーション４０１、感光性材料フォーメーション４０７、上部コンタクトＣ１、および下部コンタクトＣ２を有する光検出器４０６を含むことができる。
フォトニクス構造１０は、誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造された、導波性材料フォーメーション４０３を有する変調器４０８、コンタクトＣ３、およびコンタクトＣ４を含むことができる。フォトニクス構造１０は、誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造された、その他のタイプのフォトニクスデバイス、例えば、１つ以上の回折格子、１つ以上の偏光子、および／または１つ以上の共振器を含むことができる。図１を参照して記載される説明される実施形態では、誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造された導波管は、例えば、単結晶シリコン導波管または窒化物、例えば、ＳｉＮから形成された導波管、多結晶シリコン導波管、非晶質シリコン導波管、および／または窒化シリコンもしくはオキシ窒化シリコン導波管であり得る。
一実施形態によれば、フォトニクス構造１０は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハを使用して製造することができる。図１を参照すると、基板１００は、ＳＯＩウェハの基板とすることができ、層２０２は、ＳＯＩウェハの絶縁層とすることができ、層３０２は、ＳＯＩウェハのシリコン層とすることができる。層３０２は、層３０２にパターン化された、導波フォーメーション４０１、リッジ導波管４０２、導波性材料フォーメーション４０３（変調器４０８を画定する）、および導波管４０４を有することができる。基板１００は、高さ２０００において下部高さを有することができる。一実施形態による基板１００は、約１０μｍ～約１０００μｍの範囲の厚さを有することができる。一実施形態による基板１００は、約１００μｍ～１０００μｍの範囲の厚さを有することができる。一実施形態による層２０２は、約１００ｎｍ～約１０μｍの厚さを有することができる。一実施形態による層２０２は、約１μｍ～５μｍの厚さを有することができる。一実施形態による層３０２は、約１０ｎｍ～約１０００ｎｍの厚さを有することができる。一実施形態による層３０２は、単結晶シリコンから形成することができる。
フォトニクス構造１０は、フォトニクス構造１０に一体的に形成および製造された、集積レーザー光源５００を有することができる。各集積レーザー光源は、バッファ材料フォーメーション５０２と、コンタクト層５０５と、アルミニウムチューニング層５１１Ａと、クラッディング層５１２Ａと、アルミニウムチューニング層５１３Ａと、スペーサー層５１４と、活性領域５１５と、パターン化された層５１６と、アルミニウムチューニング層５１３Ｂと、クラッディング層５１２Ｂと、アルミニウムチューニング層５１１Ｂと、コンタクト層５０６とによって画定されたレーザースタック５１０を含むことができる。一実施形態によれば、レーザースタック５１０の各連続層は、先行する層の上に堆積させることができる。先行する層上への各層の堆積は、先行する層上に層をエピタキシャル成長させることにより行うことができる。
各集積レーザー光源５００はまた、１つの層によって画定された誘電体ライナー５０３、位置Ａにおける集積のための１つ以上の下部コンタクト（Ｃ５およびＣ６）、位置Ｂにおける集積レーザー光源５００のためのＣ８およびＣ９、ならびに位置Ｃにおける集積レーザー光源のためのＣ１１およびＣ１２を含むことができる。各集積レーザー光源５００は、上部コンタクト（位置Ａにおける集積レーザー光源５００のためのＣ７、位置Ｂにおける集積レーザー光源５００のためのＣ１０、および位置Ｃにおける集積レーザー光源５００のためのＣ１３）を含むことができる。
フォトニクス構造１０は、フォトニクス構造１０に形成および製造された、１つ以上のメタライゼーション層および１つ以上のビア層をさらに有することができる。図１に示された集積されたフォトニクス構造１０は、メタライゼーションフォーメーションＭ１を画定するようにパターン化することができるメタライゼーション層６０２を含むことができ、ビア層７０２は、ビアＶ１を画定するようにパターン化することができ、メタライゼーション層６１２は、メタライゼーション層フォーメーションＭ２を画定するようにパターン化することができる。メタライゼーション層６０２および６１２は、水平方向に延在するワイヤを画定することができる。メタライゼーション層６０２および６１２によって画定されたワイヤは、フォトニクス誘電体スタック２００の領域を通って水平方向に延在することができる。
メタライゼーション層６０２によって画定された水平方向に延在するワイヤは、フォトニクス誘電体スタック２００の異なる領域へ、垂直方向および水平方向に１つ以上の制御ロジックおよび／または電力信号を分配するために、１つ以上の垂直方向に延在するコンタクト導電性材料フォーメーションＣ１～Ｃ１２と、ビア層７０２によって画定されたビアＶ１とに電気的に接続することができる。メタライゼーション層６１２によって画定された水平方向に延在するワイヤは、フォトニクス誘電体スタック２００の異なる領域の間で垂直方向および水平方向に１つ以上の電気制御ロジックおよび／または電力信号を分配するために、ビア層７０２によって画定された垂直方向に延在するビアＶ１のうちの１つ以上に電気的に接続することができる。
フォトニクス構造１０は、１つ以上のフォトニクスデバイスを含むことができ、例えば、レーザー光源５００の（図１の図面の紙面から外へおよび／または紙面の中へ延在する）フォアグラウンドおよび／またはバックグラウンドにおける１つ以上の導波管は、本明細書で図５Ａ～図５Ｅに関してさらに説明されるように、位置Ａ、Ｂ、およびＣにおける集積レーザー光源５００のそれぞれの活性領域５１５と整列させることができる。フォトニクス構造１０は、例えば、数十、数百、もしくは数千のフォトニクスデバイスおよび／または集積レーザー光源５００を含むことができ、そのうち代表的なフォトニクスデバイスおよび集積レーザー光源５００が、図１を参照して説明される。
一実施形態による図１に示すフォトニクス構造１０は、集積回路チップを画定するためにダイシングする前の、ウェハベースのフォトニクス構造を指すことができる。一実施形態によるフォトニクス構造１０は、ウェハベースの構造全体を指す。
一実施形態による図１に示すフォトニクス構造１０は、フォトニクスウェハベースの構造のダイシングを含む製造プロセスによって形成されたフォトニクス集積回路チップを指すことができる。一実施形態によるフォトニクス構造１０は、ウェハベースの構造全体のダイシングにより画定されるフォトニクス構造集積回路チップを指すことができる。
集積レーザー光源５００の活性領域５１５が、その中へ活性領域５１５が光を放出する導波管とともに、誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造されるように、フォトニクス構造１０を提供することで、集積レーザー光源５００の活性領域と導波管との正確な整列を容易にすることができる。活性領域５１５は、集積レーザー光源５００のフォアグラウンドおよび／またはバックグラウンドにおいてこのような整列した導波管内へ光を放出することができる。集積レーザー光源の活性領域におけるフォトニクスデバイスが、共通の誘電体スタック内で、通常、製造および配設されるように、フォトニクスデバイスおよびレーザー光源を共通のフォトニクス構造に一体的に製造することは、このようなフォトニクスデバイスと、集積レーザー光源５００との正確な整列を容易にし、整列を容易にするためのパッケージング技術の必要性を軽減する。
フォトニクス構造１０は、メタライゼーション層上に形成された１つ以上の末端６００２を含むことができる。末端６００２は、例えば、（ａ）メタライゼーション層６１２へ開口した、誘電体スタック２００に形成された開口部、（ｂ）メタライゼーション層６１２上に形成されたパッドおよびパッドへの開口部、（ｃ）アンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）層への、誘電体スタック２００に形成された開口部を備える、メタライゼーション層６１２上に形成されたＵＢＭ層、（ｄ）メタライゼーション層６１２に形成されたＵＢＭおよび誘電体スタック２００から外へ突出した、ＵＢＭに形成されたはんだバンプ、のうちの１つ以上を含むことができる。
フォトニクス構造１０の製造方法が、図２Ａ～図２Ｊの製造段階図を参照して説明される。図２Ａには、フォトニクス構造１０の中間段階図が示されている。一実施形態によるフォトニクス構造１０は、シリコン（Ｓｉ）から形成された基板１００、絶縁層２０２、およびシリコン層３０２を有するＳＯＩウェハを使用して製造することができる。層３０２内には、光検出器４０６を画定するパターン化された導波性材料フォーメーション４０１、リッジ導波管によって提供される導波管４０２、変調器を画定する導波性材料フォーメーション４０３、および矩形導波管によって提供される導波管４０４が存在し得る。フォーメーション４０１～４０４のパターニングにおいて、誘電体材料、例えば、ＳｉＯ２の層をフォーメーション４０１～４０４上に堆積させることができ、高さ２０２０において水平面が画定されるように化学機械平坦化（ＣＭＰ）を行うことができる。ＣＭＰが説明されている本明細書の各場合において、ＣＭＰは、化学機械研磨を伴うことができ、そのため、ＣＭＰの実行の結果として原子的に滑らかな表面が得られる。
図２Ｂには、導波管４１１および導波管４１２を画定するためにさらなるプロセスを実行した後の、製造の中間段階における図２Ａに示されたフォトニクス構造１０が示されている。導波管４１１および４１２は、窒化シリコンから形成することができる。導波管４１１および４１２の形成のために、窒化シリコンから形成された層３１２を高さ２０２０において堆積させることができ、導波管４１１および４１２を画定するためにパターニングを行うことができる。導波管４１１および４１２の画定後、層３１２のパターニングによって、誘電層を導波管４１１および４１２上に堆積させることができ、次にＣＭＰを行って、形成されたフォトニクス誘電体スタック２００の高さを高さ２０２２まで減じ、誘電体材料、例えば、ＳｉＯ２ならびに導波管４１１および４１２によって部分的に画定されて示された、製造の中間段階における高さ２０２２におけるフォトニクス構造１０の水平方向に延在する上面を画定することができる。
図２Ｃには、導波管４２１および導波管４２２を画定するためのさらなるパターニング後の、製造の中間段階における図２Ｂに示されたフォトニクス構造１０が示されている。窒化物から形成された導波管４２１および４２２の製造のために、高さ２０２２に延在する平坦な水平面に誘電体層を堆積させることができ、その後、高さ２０２３に延在する水平面を画定するためにさらなるＣＭＰプロセスを行うことができる。高さ２０２３において、層３２２を堆積させ、次いで、導波管４２１および４２２を画定するためにパターニングを行うことができる。導波管４２１および４２２の側壁を画定する前に、層３２２にＣＭＰを行うことができる。導波管４２１および４２２のパターニングにおいて、誘電体材料の層を導波管上に堆積させることができ、次いで、高さ２０２４において水平に延在する平坦面を画定するためにＣＭＰを行うことができる。誘電体材料の追加的な層を、高さ２０２４における水平に延在する平坦面上に堆積させることができ、高さ２０２５において水平に延在する平坦面を画定するためにＣＭＰを行うことができる。
図２Ｄは、光検出器４０６を画定する感光性材料フォーメーション４０７を画定するためのさらなるパターニング後の、製造の中間段階における図２Ｃに示されたフォトニクス構造１０を示している。感光性材料フォーメーション４０７を提供するために、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成された、垂直方向に延びる平面７００１と垂直方向に延びる平面７００３との間に形成することができるトレンチに、ゲルマニウムの複数の層をエピタキシャル成長させ、アニーリングすることができる。形成されたトレンチは、垂直に延びる中心軸線７００２を含むことができる。描かれた高さの範囲において形成されたトレンチは、垂直に延びる平面７００１および垂直に延びる平面７００３と交差する外周部を含むことができる。一実施形態では、減圧化学気相堆積（ＲＰＣＶＤ）を使用してゲルマニウムを選択的に成長させることができる。感光性材料フォーメーション４０７の形成のために、複数のエピタキシャル成長段階およびアニーリング段階を使用することができる。例えば、ゲルマニウムから形成された感光性材料フォーメーション４０７の複数の堆積およびアニーリングサイクルは最初、画定されたトレンチから溢れさせることができ、次いで、高さ２０２５において平坦な水平面が画定されるようにＣＭＰを行うことができる。
図２Ｅは、フォトニクス誘電体スタック２００の高さを増大するための追加的な処理後の製造の中間段階における図２Ｄに示されたフォトニクス構造１０を示す。感光性材料フォーメーション４０７の形成に続いて図２Ｅに示されるように、誘電体材料、例えば、ＳｉＯ２の追加層を堆積させ、次いで、図２Ｅの中間製造段階図に示されるように高さ２０３０にフォトニクス誘電体スタック２００の水平な平坦な上面を画定するためにＣＭＰを行うことができる。
図２Ｆにおいて、レーザースタック５１０および集積レーザー光源５００を画定するバッファ材料フォーメーション５０２を画定するための初期製造後の製造の中間段階における図２Ｅに示されたフォトニクス構造１０が示されている。概して、それぞれ位置Ａ、Ｂ、およびＣにおいてバッファ材料フォーメーション５０２を提供するために、第１、第２、および第３のトレンチを位置Ａ、Ｂ、およびＣにおいて生成することができる。
第１のトレンチは、垂直に延びる中心軸線７０１２を有することができ、垂直に延びる平面７０１１および垂直に延びる平面７０１３と交差するフォトニクス誘電体スタック２００内に側壁を含むことができる。第２のトレンチは、垂直に延びる中心軸線７０２２を有することができ、垂直に延びる平面７０２１および垂直に延びる平面７０２３と交差する垂直に延びる側壁を有することができる。第３のトレンチは、垂直に延びる中心軸線７０３２を有することができ、垂直に延びる平面７０３１および垂直に延びる平面７０３３と交差する側壁を有することができる。形成された第１、第２、および第３のトレンチは、下部高さ２００２から上部高さ２０３０まで延在することができる。
概して、位置Ａ、Ｂ、およびＣにおける第１、第２、および第３のトレンチのそれぞれの形成は、２段階ＲＩＥプロセスを含むことができる。材料を高さ２０１０までエッチングすることができる第１のＲＩＥ段階において、酸化物に対して選択的なエッチングを実行することができ、これにより、フォトニクス誘電体スタック２００を画定する酸化物材料は、説明された実施形態における基板１００を画定するシリコンの除去なしに除去される。第２のＲＩＥ段階において、シリコンに対して選択的なエッチングを実行することができ、これにより、基板１００の材料は、フォトニクス誘電体スタック２００を画定する酸化物の除去なしに除去される。
形成されたトレンチがそれぞれの垂直方向に延びる中心軸線７０１２、７０２２、および７０３２を有する場合、誘電体材料から形成されかつ誘電体ライナーを提供する層５０３を堆積させることができる。層５０３は、最初、中心軸線７０１２、７０２２、および７０３２を有する形成されたトレンチのそれぞれの下部を延長させる犠牲部分を有することができる。すなわち、それぞれの集積レーザー光源５００の層５０３は、最初、高さ２０１０においてシリコンから形成された基板１００の材料に隣接しかつこの材料上に形成された下部高さを有することができる。
バッファ材料フォーメーション５０２を、基板１００を画定するシリコン上にエピタキシャル成長させることができる。バッファ材料フォーメーション５０２を画定する材料の初期層をエピタキシャル成長させるために、層５０３の材料を、軸線７０１２および７０２２、および７０３２に関連したそれぞれのトレンチの下部から除去し、高さ２００２における基板１００のシリコン表面を露出させることができる。それぞれのトレンチの下部における層５０３の材料の除去のために、ＲＩＥプロセスを介したポンチを使用することができ、これは、誘電体材料、例えば、層５０３を形成するＳｉＯ２に対して選択的であり、これにより、層５０３の誘電体材料は、基板１００を形成するシリコンの除去なしに除去される。
バッファ材料フォーメーション５０２は、多段成長およびアニーリングプロセスを使用して成長させることができ、バッファ材料フォーメーション５０２を形成する層をエピタキシャル成長させ、次いで、アニーリングすることができる。バッファ材料フォーメーション５０２を形成するためにエピタキシャル成長させることができる材料は、ＩＩＩ－Ｖ材料、例えば、ガリウムヒ素またはガリウムリンを含む。ＩＩＩ－Ｖ材料の最初の層を成長させる前に、中心軸線７０１２および７０２２、および７０３２に関連したトレンチの下面は、さらなる処理、例えば、ＲＩＥ製品をクリーニングするための処理および／またはシリコン表面（中心軸線７０１２および７０２２、および７０３２に関連したトレンチの下部を画定する単結晶）上にシリコン、例えば単結晶シリコンの薄い層をエピタキシャル成長させるための処理を行うことができる。バッファ材料フォーメーション５０２の提供のために、複数のエピタキシャル成長段階およびアニーリング段階を使用することができる。本明細書の実施形態は、トレンチの下部を画定するシリコン表面上にＩＩＩ－Ｖ材料をエピタキシャル成長させる場合、欠陥を誘発する可能性のある格子不整合が存在することを認識している。欠陥を消滅させるためにアニーリング段階を使用することができる。
バッファ材料フォーメーション５０２を提供するためのＩＩＩ－Ｖ材料の成長およびアニーリングは、制限された熱バジェットを使用して実行することができる。バッファ材料フォーメーション５０２の製造のために制限された熱バジェットを採用することは、フォトニクスデバイスおよびコンポーネント４０１～４０６、４１１～４１２、および４２１～４２２などのフォトニクスデバイスの熱的劣化を軽減することができる。一実施形態によれば、バッファ材料フォーメーション５０２を形成する層をエピタキシャル成長させるためのエピタキシャル成長段階は、約４００℃～約６００℃の温度で実行することができるのに対し、バッファ材料フォーメーション５０２の画定されたサブレイヤーのアニーリングのためのアニーリング段階は、約５００℃～約７００℃の温度で実行することができる。
バッファ材料フォーメーション５０２は、複数のエピタキシャル成長およびアニーリングサイクルによって堆積された、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から形成することができ、アニーリングサイクルは、バッファ材料フォーメーション５０２の低い欠陥密度を提供するために欠陥の除去のために実行される。バッファ材料フォーメーション５０２は、一実施形態によれば例えば、約１０００ｎｍ～約４０００ｎｍの範囲の厚さを含むことができる。一実施形態によるバッファ材料フォーメーション５０２は、主としてガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から形成することができる。一実施形態によれば、バッファ材料フォーメーション５０２は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）／インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）ひずみ超格子を含むことができる。活性領域５１５へのトレッディングロケーション欠陥（ＴＤＤ）伝播を軽減するために、ＳＳＬをバッファ材料フォーメーション５０２に含めることができる。ＳＳＬは、表面粗さを減じることもできる。一実施形態によるバッファ材料フォーメーション５０２は、例えば、基板１００のシリコン表面上に、例えば、直接的に堆積された特殊な下部層を含むことができる。特殊な下部層は、例えば、ＧａＰ／ＳｉまたはＧｏＶＳ（００１）を含むことができ、逆位相ドメイン欠陥（ＡＰＤ）を軽減することができる。
図２Ｆの段階図をさらに参照すると、基板１００の平面図として描かれた、高さ２０１０を超える高さに成長させられたときの各バッファ材料フォーメーション５０２は、ほぼ高さ２０１０に平坦な水平面を画定するための処理を行うことができる。位置ＡおよびＢにおいて、コンタクト層５０５をバッファ材料フォーメーション５０２の上面上に堆積させることができる。コンタクト層５０５は、Ｎ型ドーパント、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドーピングされた、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を含むことができる。コンタクト層５０５は、約１００ｎｍ～約５００ｎｍの範囲の厚さを含むことができる。
位置Ｃにおいて、バッファ材料フォーメーション５０２は、位置ＡおよびＢにおけるような、その上に堆積された関連する堆積されたコンタクト層を欠くことができる。位置ＡおよびＢにおけるイオン注入のプロセスによるコンタクト層５０５の形成に続き、垂直方向に延びる中心軸線７０１２および７０２２、および７０３２に関連したトレンチに酸化物を充填することができる。酸化物は、中心軸線７０１２および７０２２、および７０３２に関連した様々なトレンチ内に堆積させることができ、トレンチを過剰充填することができる。フォトニクス構造１０は次いでＣＭＰを行い、フォトニクス誘電体スタック２００の上部高さを減じることができ、これにより、平坦で水平方向に延在する表面が高さ２０３０に画定される。
バッファ材料フォーメーション５０２は、レーザースタック５１０の残りの構造の成長のために、欠陥が減じられた界面を提供することができる。レーザースタック５１０は、バッファ材料フォーメーション５０２に加え、コンタクト層５０５、アルミニウムチューニング層５１１Ａ、クラッディング層５１２Ａ、アルミニウムチューニング層５１３Ａ、スペーサー層５１４、活性領域５１５、パターン化された層５１６、アルミニウムチューニング層５１３Ｂ、クラッディング層５１２Ｂ、アルミニウムチューニング層５１１Ｂ、およびコンタクト層５０６を含むことができる。活性領域５１５は、量子ドットを含むことができる。幾つかの実施形態では、バッファ材料フォーメーション５０２は、犠牲的に形成され、すなわち製造され、次いで、例えば、フォトニクス集積回路チップとして、その最終形態におけるフォトニクス構造１０の製造前に除去することができる。
図２Ｇは、概して、位置Ａ、Ｂ、およびＣにおけるそれぞれのレーザースタック５１０の追加層を成長させるための更なるプロセスの実行後の、製造の中間段階における図２Ｆに示されたフォトニクス構造１０を示す。
レーザースタック５１０の追加層の成長のために、スタックトレンチをフォトニクス誘電体スタック２００内に形成することができる。図２Ｇを参照すると、ほぼ位置Ａにおける第１のトレンチは、垂直に延びる中心軸線７０４２と、垂直に延びる平面７０４１および７０４３と交差する側壁とを有するように形成することができる。ほぼ位置Ｂに形成された第２のトレンチは、垂直に延びる中心軸線７０５２と、垂直に延びる平面７０５１および７０５３と交差する側壁とを有するように形成することができる。ほぼ位置Ｃに形成された第３のトレンチは、垂直に延びる中心軸線７０６２と、垂直に延びる平面７０６１および７０６３と交差する側壁とを有するように形成することができる。第１および第２のレーザースタックトレンチは、導電性材料から形成されたコンタクト層５０５によって画定された下面を有するように下方へ延在することができる。位置Ｃにおけるレーザースタックトレンチは、位置Ｃにおけるバッファ材料フォーメーション５０２の上面によって画定された下面を有するように下方へ延在することができる。
図２Ｇを参照すると、アルミニウムチューニング層５１１Ａは、位置Ａ、Ｂ、およびＣにおいて各トレンチ内に堆積させることができ、その後、クラッディング層５１２Ａをアルミニウムチューニング層５１１Ａ上に堆積させることができる。位置ＡおよびＢにおいて、アルミニウムチューニング層５１１Ａをコンタクト層５０５上にエピタキシャル成長させることができる。位置Ｃにおいて、アルミニウムチューニング層５１１Ａをバッファ材料フォーメーション５０２上にエピタキシャル成長させることができる。クラッディング層５１２Ａが形成されると、各レーザースタック５１０のアルミニウムチューニング層５１１Ａを、クラッディング層５１２Ａへのアルミニウムチューニング層５１１Ａのエピタキシャル成長によって堆積させることができる。
アルミニウムチューニング層５１１Ａは、複数のサブレイヤーから形成することができ、各サブレイヤーは、異なる屈折率を有する。アルミニウムチューニング層５１１Ａの異なるサブレイヤーは、異なるアルミニウム濃度を有することができる。異なるアルミニウム濃度は、異なる屈折率を生じることができる。アルミニウムの濃度は、活性領域５１５から最も遠く離れた距離における約４０％アルミニウムから、活性領域５１５に最も近い近接したアルミニウムチューニング層の位置における約０％アルミニウムの濃度へ遷移することができる。アルミニウムチューニング層５１１Ａの屈折率は、活性領域５１５により近い距離において増大することができ、これは、アルミニウム（Ａｌ）濃度を減じることができる。
クラッディング層５１２Ａは、光の閉じ込めを提供し、また、活性領域５１５とコンタクト層５０５とを分離させる。クラッディング層５１２Ａは、アルミニウムの固定された濃度、例えば、４０％アルミニウム濃度を有する、例えば、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）から形成することができる。一実施形態によるクラッディング層５１２Ａは、約５００ｎｍ～約２０００ｎｍの範囲の厚さを含むことができる。
クラッディング層５１２Ａが形成されると、アルミニウムチューニング層５１３Ａをクラッディング層５１２Ａ上にエピタキシャル成長させることができる。チューニング層５１３Ａの成長の間、この領域のアルミニウム含有量は、層５１２Ａの界面における約４０％アルミニウムから、５１３Ａとスペーサー層５１４との間の接合部における０％への遷移を可能にするように調整される。５１３Ａの厚さは、５０ｎｍ～１００ｎｍの範囲である。
クラッディング層５１２ならびにアルミニウムチューニング層５１１Ａおよび５１３Ａは、光を閉じ込めるために機能することができ、損失の多いコンタクト層５０５との光の相互作用を軽減することができる。
位置Ａ、Ｂ、およびＣのレーザースタックトレンチにおいて、スペーサー層５１４をアルミニウムチューニング層５１３Ａの上面にエピタキシャル成長させることができ、その後、活性領域５１５をスペーサー層５１４上にエピタキシャル成長させることができ、パターン化された層５１６を活性領域５１５上にエピタキシャル成長させることができる。スペーサー層５１４は、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から形成することができ、例えば、約２００ｎｍ～約７００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。パターン化された層５１６は、例えば、約２００ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。
活性領域５１５は、複数のサブレイヤーを含む、例えば、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）から形成されかつ量子ドットを画定する約３～約９のサブレイヤーと、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の約３～９のサブレイヤーを含む１つの層によって画定することができる。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）のそれぞれ薄い層（例えば、約４０ｎｍ）は、量子ドットを画定するＩｎＧａＡｓ層を分離させることができる。活性領域５１５は、以下の層のＮ回の繰り返しを含むことができる：｛インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）に埋め込まれた量子ドット／インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）／ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）｝×Ｎ、ここで、Ｎは、約３～約９の範囲とすることができる。
一実施形態による活性領域５１５は、量子ドットおよびガリウムヒ素が埋め込まれた、エピタキシャル成長させられたインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）層の複数、例えば、約３～約９のサブレイヤーを含むことができる。サブレイヤーのそれぞれは、例えば、約３ｎｍ～約５０ｎｍの厚さを含むことができる。一実施形態によれば、量子ドットの各層は、活性領域５１５が約１５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲の厚さを有するように、約４０ｎｍの厚さのガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の層によって分離させることができる。
パターン化された層５１６は、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から形成することができ、活性領域５１５が動作する波長の選択のためにパターン化することができる。パターン化された層５１６は、例えば、導波管としておよび／または格子としてパターン化することができる。一実施形態によるパターン化された層５１６は、例えば、約５０ｎｍ～約１００ｎｍの厚さを有することができる。
パターン化された層５１６は、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から形成することができ、格子、例えば、ダブルサイドバンド（ＤＳＢ）格子を形成するようにパターン化することができるか、または代替的に、反射器、例えば、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を画定するようにパターン化することができる。パターン化された層５１６は、例えば、レーザースタック５１０の動作帯域を選択する際に使用するための格子または反射器を画定するようにパターン化することができる。パターン化された層５１６は、動作波長の選択のためにパターン化することができる。
位置Ａ、Ｂ、およびＣにおける各レーザースタック５１０のために、アルミニウムチューニング層５１３Ｂをパターン化された層５１６上にエピタキシャル成長させることができ、クラッディング層５１２Ｂをアルミニウムチューニング層５１３Ｂ上にエピタキシャル成長させることができ、アルミニウムチューニング層５１１Ｂをクラッディング層５１２Ｂ上にエピタキシャル成長させることができる。
アルミニウムチューニング層５１３Ｂを複数のサブレイヤーから形成することができ、各サブレイヤーは異なる屈折率を有する。アルミニウムチューニング層５１３Ｂの異なるサブレイヤーは、異なるアルミニウム濃度を有することができる。異なるアルミニウム濃度は、異なる屈折率を生じることができる。アルミニウムの濃度は、活性領域５１５から最も遠く離れた距離における約４０％アルミニウムから、活性領域５１５に最も近い近接したアルミニウムチューニング層の位置における約０％アルミニウムの濃度へ遷移することができる。アルミニウムチューニング層５１３Ｂの屈折率は、減じられたアルミニウム（Ａｌ）濃度の結果として活性領域５１５により近い距離において増大することができる。
クラッディング層５１２Ｂは、光の閉じ込めを提供することができ、アルミニウムチューニング層５１３Ｂとアルミニウムチューニング層５１３Ａとの間に間隔を提供することができる。クラッディング層５１２Ｂは、固定されたアルミニウム濃度、例えば、４０％アルミニウム濃度を有する、例えば、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）から形成することができる。一実施形態によるクラッディング層５１２Ｂは、約５００ｎｍ～約２０００ｎｍの範囲の厚さを含むことができる。
クラッディング層５１２Ｂが形成されると、アルミニウムチューニング層５１１Ｂをクラッディング層５１２Ｂ上にエピタキシャル成長させることができる。アルミニウムチューニング層５１１Ｂは複数のサブレイヤーから形成することができ、各サブレイヤーは異なる屈折率を有する。アルミニウムチューニング層５１１Ｂの異なるサブレイヤーは、異なるアルミニウム濃度を有することができる。異なるアルミニウム濃度は、異なる屈折率を生じることができる。アルミニウムの濃度は、活性領域５１５から最も遠く離れた距離における約４０％アルミニウムから、活性領域５１５に最も近い近接したアルミニウムチューニング層５１１Ｂの位置における約０％アルミニウムの濃度へ遷移することができる。アルミニウムチューニング層５１１Ａの屈折率は、活性領域５１５により近い距離において増大することができ、これは、アルミニウム（Ａ１）濃度を減じることができる。
クラッディング層５１２Ｂならびにアルミニウムチューニング層５１１Ｂおよび５１３Ｂは、光を閉じ込めるために機能することができ、損失の多いコンタクト層であり得るコンタクト層５０６との光の相互作用を軽減することができる。
アルミニウムチューニング層５１１Ｂが形成されると、コンタクト層５０６をアルミニウムチューニング層５１１Ｂ上にエピタキシャル成長させることができる。コンタクト層５０６を形成する導電性材料は、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、または炭素（Ｃ）がドーピングされた、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）（ｐ型コンタクト）を含むことができる。コンタクト層５０６の厚さは、例えば、約１００ｎｍ～約５００ｎｍの範囲とすることができる。コンタクト層５０６は、ｐ型ドーパント、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、または炭素（Ｃ）がドーピングされた、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から形成することができる。コンタクト層５０６は、約１００ｎｍ～約５００ｎｍの範囲の厚さを含むことができる。
一実施形態によるレーザースタック５１０のさらなる詳細が、表Ａを参照して記載されている。
Figure 2022509947000002
Figure 2022509947000003
一実施形態によるレーザースタック５１０は、シリコンから形成された基板１００の画定された表面にエピタキシャル成長させられたバッファ材料フォーメーション５０２、バッファ材料フォーメーション５０２上にエピタキシャル成長させられたコンタクト層５０５、バッファ材料フォーメーション５０２上にエピタキシャル成長させられたアルミニウムチューニング層５１１Ａ、アルミニウムチューニング層５１１Ａ上にエピタキシャル成長させられたクラッディング層５１２Ａ、クラッディング層５１２Ａ上にエピタキシャル成長させられたアルミニウムチューニング層５１３Ａ、アルミニウムチューニング層５１３Ｂ上にエピタキシャル成長させられたスペーサー層５１４、アルミニウムチューニング層５１３Ｂ上にエピタキシャル成長させられた活性領域５１５、活性領域５１５上にエピタキシャル成長させられたパターン化された層５１６、活性領域５１５上にエピタキシャル成長させられたアルミニウムチューニング層５１３Ｂ、アルミニウムチューニング層５１３Ｂ上にエピタキシャル成長させられたクラッディング層５１２Ｂ、クラッディング層５１２Ｂ上にエピタキシャル成長させられたアルミニウムチューニング層５１３Ｂ、およびアルミニウムチューニング層５１１Ｂ上にエピタキシャル成長させられたコンタクト層５０６を含むことができる。
レーザースタック５１０は、一実施形態によれば、約２μｍ～約１０μｍの範囲の描かれた下部高さにおける直径と、約１μｍ～約５μｍの範囲の描かれた上部高さにおける直径とを有することができる。レーザースタック５１０は、一実施形態によれば約２μｍ～約２０μｍ、一実施形態によれば約４μｍ～約１２μｍの範囲の全高（構造５０２の下部から構造５０６の上部まで）を有することができる。レーザースタック５１０のバッファ材料フォーメーション５０２は、一実施形態によれば約１μｍ～約５μｍ、一実施形態によれば約２μｍ～約４μｍの範囲の高さを有することができる。５０５、５１１Ａ、５１２Ａ、５１３Ａ、５１４、５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６の構造の組合せは、一実施形態によれば約１μｍ～約１０μｍ、一実施形態によれば約２μｍ～６μｍの範囲の高さを有することができる。
本明細書に記載されるように、電圧は、各レーザースタック５１０のコンタクト層５０５とコンタクト層５０６とを横切る関連するコンタクトによって印加することができる。このような印加電圧は、レーザースタック５１０の構造５１１Ａ、５１２Ａ、５１３Ａ、５１４、５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、および５１１Ｂを通る電子の流れを誘発することができる。各活性領域５１５は、伝導帯および価電子帯を含むことができる。コンタクト層５０５とコンタクト層５０６との間に電圧を印加することは、活性領域５１５の伝導帯に存在する電子の存在度を保証することができ、活性領域５１５の価電子帯に存在する孔の存在度を保証することができ、これにより、活性領域５１５による光の放出に適した条件を提供する。活性領域５１５は、関連する水平方向に延びる長手方向軸線を含むことができる。活性領域５１５は、水平方向に延びる長手方向軸線に対して平行な方向に光を放出することができる。
レーザースタック５１０のクラッディング層５１２Ａおよび５１２Ｂならびにアルミニウムチューニング層５１１Ａ、５１３Ａ、５１３Ｂ、５１１Ｂは、活性領域５１５内の光の閉じ込めを助けるように構成することができ、それぞれコンタクト層５０５およびコンタクト層５０６と相互作用する光を抑制することができる。活性領域５１５内の光の閉じ込めのために、各レーザースタック５１０は、活性領域５１５内に最も高い屈折率を含むことができ、活性領域５１５から増大するレーザースタック５１０内の間隔距離において減じられた屈折率を含むことができる。アルミニウムチューニング層５１１Ａ、５１３Ａ、５１３Ｂ、５１１Ｂは、活性領域５１５からの距離が増大するにつれて連続的に増大するアルミニウム（Ａｌ）濃度を含むことができ、活性領域５１５からの間隔距離が増大するにつれて連続的に減少する屈折率を含むことができる。
レーザースタック５１０の先行する層上にエピタキシャル成長させられたアルミニウムチューニング層５１１Ａ、５１３Ａの形成のために、アルミニウムチューニング層５１１Ａ、５１３Ａがエピタキシャル成長させられるときにアルミニウム（Ａｌ）の原料が反復して減じられるように、堆積パラメータを制御することができる。スペーサー層５１４上にエピタキシャル成長させられたアルミニウムチューニング層５１３Ｂ、５１１Ｂの堆積のために、第２の勾配層を画定するアルミニウムチューニング層５１３Ｂ、５１１Ｂがエピタキシャル成長させられるときにアルミニウム（Ａｌ）の原料が反復して増大されるように、堆積パラメータを制御することができる。
構造５０２、５０５、５１３Ａ、５１２Ａ、５１１Ａ、５１４、５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６のエピタキシャル成長のために様々な堆積技術を利用することができる。一実施形態によれば、構造５０２、５０５、５１３Ａ、５１２Ａ、５１１Ａ、５１４、５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６を分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）を使用してエピタキシャル成長させることができる。一実施形態によれば、様々な構造５０２、５０５、５１３Ａ、５１２Ａ、５１１Ａ、５１４、５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６を約５００℃～約７００℃の温度範囲内の１つ以上の温度でエピタキシャル成長させることができる。一実施形態によれば、堆積温度は、構造４０１～４０４、４０６～４０８、４１１～４１２、４２１～４２２などの以前に製造されたフォトニクスデバイスおよびコンポーネントを劣化させないように、十分に低い温度に維持することができる。一実施形態によれば、エピタキシャル成長させられた構造５０２、５０５、５１３Ａ、５１２Ａ、５１１Ａ、５１４、５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）を使用してエピタキシャル成長させることができる。一実施形態によれば、様々な構造５０２、５０５、５１３Ａ、５１２Ａ、５１１Ａ、５１４、５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６を、約５５０℃～約７５０℃の温度範囲内の１つ以上の温度でＭＯＣＶＤを使用してエピタキシャル成長させることができる。
一実施形態によれば、レーザースタック５１０の構造を製造するための製造温度は、活性領域５１５および後続の構造の製造のために減じることができる。本明細書の実施形態は、活性領域５１５が、より高い温度における後続のプロセスによって性能劣化を受ける可能性があることを認識している。したがって、レーザースタック５１０の製造条件は、活性領域５１５および後続の構造の製造のための温度を減じることができるように制御することができる。例えば、一実施形態によれば、レーザースタック５１０のエピタキシャル成長（および適用可能である場合にはアニーリング）のための温度は、活性領域５１５および後続の構造の形成のために減じられ得、これにより、活性領域５１５の形成に続いてエピタキシャル成長させられた構造５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６は、活性領域５１５より前の構造を製造するために使用される最高温度よりも少なくとも約２５℃低い温度で製造される。活性領域５１５は、一実施形態によれば約５００℃でエピタキシャル成長させることができ、約５５０℃～約５８０℃の温度範囲におけるアニーリング温度でＭＯＣＶＤまたはＭＢＥを使用してエピタキシャル成長させることができる。一実施形態によれば、ＭＯＣＶＤは、構造５０２、５０５、５１１Ａ、５１２Ａ、５１３Ａの形成のために使用することができ、ＭＢＥは、構造５１４、５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６のエピタキシャル成長のために使用することができる。
レーザースタック８１０の成長のために、温度バジェットを適用することができる。下部スタック温度バジェットは、活性領域５１５より下の構造、すなわち構造５０２、５０５、５１１Ａ、５１２Ａ、５１３Ａ、および５１４の製造に適用することができる。下部スタック温度バジェットは、構造４０１～４０４、４０６～４０８、４１１～４１２、４２１～４２２などの以前に製造されたフォトニクスデバイスおよびコンポーネントを劣化させないように、以前に製造されたフォトニクスの保護のために適用することができる。一実施形態によれば、下部スタック温度バジェットの限度を約６５０℃に確立することができ、これにより、活性領域５１５より下の構造、すなわち構造５０２、５０５、５１１Ａ、５１２Ａ、５１３Ａ、および５１４の製造のための堆積およびアニーリング温度は約６５０℃を超えない。一実施形態によれば、下部スタック温度バジェットの限度を約６２５℃に確立することができ、これにより、活性領域５１５より下の構造、すなわち構造５０２、５０５、５１１Ａ、５１２Ａ、５１３Ａ、および５１４の製造のための堆積およびアニーリング温度は約６２５℃を超えない。一実施形態によれば、下部スタック温度バジェットの限度を約６００℃に確立することができ、これにより、活性領域５１５より下の構造、すなわち構造５０２、５０５、５１１Ａ、５１２Ａ、５１３Ａ、および５１４の製造ための堆積およびアニーリング温度は約６００℃を超えない。一実施形態によれば、下部スタック温度バジェットの限度を約５８０℃に確立することができ、これにより、活性領域５１５より下の構造、すなわち構造５０２、５０５、５１１Ａ、５１２Ａ、５１３Ａ、および５１４の製造のための堆積およびアニーリング温度は約５８０℃を超えない。
上部スタック温度バジェットは、活性領域５１５を含みかつ活性領域５１５の上の構造、すなわち、構造５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ、および５０６の製造に適用することができる。上部スタック温度バジェットは、活性領域５１５の保護のために適用することができる。一実施形態によれば、上部スタック温度バジェットの限度は約６５０℃に確立することができ、これにより、活性領域５１５を含みかつ活性領域５１５の上の構造、すなわち、構造５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ，および５０６の製造のための堆積およびアニーリング温度は、約６５０℃を超えない。一実施形態によれば、上部スタック温度バジェットの限度は約６２５℃に確立することができ、これにより、活性領域５１５を含みかつ活性領域５１５の上の構造、すなわち、構造５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ，および５０６の製造のための堆積およびアニーリング温度は、約６２５℃を超えない。一実施形態によれば、上部スタック温度バジェットの限度は約６００℃に確立することができ、これにより、活性領域５１５を含みかつ活性領域５１５の上の構造、すなわち、構造５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ，および５０６の製造のための堆積およびアニーリング温度は、約６００℃を超えない。一実施形態によれば、上部スタック温度バジェットの限度は約５８０℃に確立することができ、これにより、活性領域５１５を含みかつ活性領域５１５の上の構造、すなわち、構造５１５、５１６、５１３Ｂ、５１２Ｂ、５１１Ｂ，および５０６の製造のための堆積およびアニーリング温度は、約５８０℃を超えない。一実施形態によれば、上部スタック温度バジェットの限度は、下部スタック温度バジェットの限度よりも低く確立することができる。一実施形態によれば、上部スタック温度バジェットの限度および下部スタック温度バジェットの限度のそれぞれは、構造４０１～４０４、４０６～４０８、４１１～４１２、４２１～４２２などのフォトニクスデバイスおよびコンポーネントの製造のための温度バジェットの限度よりも低く確立することができる。
電気エネルギを投入することにより、電子をレーザースタック５１０内へ注入することができる。各レーザー光源５００のレーザースタック５１０は、活性領域５１５において形成された高密度の電子によるレーザースタック５１０を通る電子の流れを促進するように構成することができる。電子の流れは、本明細書に記載されるように製造されたコンタクトを通して作製される下部コンタクト層５０５および／または上部コンタクト層５０６において適切な電気エネルギを投入することで促進させることができる。電子がレーザースタック５１０の活性領域５１５を占めることにより、デバイスは光を放出することができる。
図２Ｈは、コンタクトＣ１～Ｃ１３の製造のためのプロセスを実行した後の製造の中間段階における図２Ｇに示されたフォトニクス構造１０を示している。コンタクトＣ１～Ｃ１３の形成のために、それぞれの垂直に延びる中心軸線を有するコンタクトトレンチをフォトニクス誘電体スタック２００にエッチングすることができる。コンタクトトレンチの形成に続いて、コンタクトトレンチに、コンタクト導電性材料、例えば、導電性金属を充填することができる。導電性材料は、導電性材料トレンチを過剰充填するように堆積させることができ、次いで、高さ２０２６において水平方向に延びる平面を画定するためにＣＭＰを行うことができる。
図２Ｉは、メタライゼーション層６０２、ビア層７０２、およびメタライゼーション層６１２を画定するためのさらなる処理に続く製造の中間段階における図２Ｈに示されたフォトニクス構造１０を示す。メタライゼーション層６０２の形成のために、トレンチは、Ｃ１～Ｃ１３の上部高さである高さ２０２６に画定された下部高さまで延在するようにフォトニクス誘電体スタック２００に形成することができる。メタライゼーション層６０２の形成のために、メタライゼーション層形成トレンチは、図２Ｉに示されたメタライゼーション層フォーメーションＭ１の中心に中心軸線を含むように形成することができる。メタライゼーション層トレンチに、導電性金属材料を過剰充填し、次いで、メタライゼーション層フォーメーションの描かれた上部高さ２０２７に平坦な水平面を画定するためにＣＭＰを行うことができる。次いで、誘電体層を堆積させ、フォトニクス誘電体スタック２００の高さを高さ２０２８に増大させるためにＣＭＰを行うことができ、ビアトレンチは、図２Ｉに示されるようにそれぞれのビアＶ１の垂直方向中心に中心軸線を含むように形成することができる。
フォトニクス誘電体スタック２００の上部高さが高さ２０２８、すなわちビアＶ１の上部に画定されるように、ビアトレンチを過剰充填し、ＣＭＰを行うことができる。誘電体材料、例えば、酸化物を、高さ２０２８に画定された水平面に堆積させることができ、高さ２０２９に水平方向の平坦化された表面を画定するためにＣＭＰを行うことができる。メタライゼーション層トレンチは、図２Ｉに示されるようにそれぞれのメタライゼーション層フォーメーションＭ２の中心軸線にメタライゼーション層トレンチ中心軸線を有するフォトニクス誘電体スタック２００に形成することができる。メタライゼーション層トレンチは、高さ２０２９に水平方向に延びる平坦面を画定するために過剰充填し、ＣＭＰを行うことができ、次いで、誘電体材料のさらなる層、例えば、酸化物を、高さ２０２４において水平方向に延びる表面上に堆積させることができ、この追加層は、高さ２０３０において、フォトニクス誘電体スタック２００の中間段階図において上部高さを画定するためにＣＭＰを行うことができる。
図２Ａ～図２Ｈのフォトニクス誘電体スタック２００の内に描かれたすべてのコンポーネントは、フォトリソグラフィー半導体デバイス製造段階および／または化学的半導体デバイス製造段階を特徴とする半導体デバイスプロセスを使用してフォトニクス誘電体スタック２００内に一体的に形成および製造することができる。
図２Ｈの製造段階では、下部コンタクト、例えば、それぞれのレーザー源のためのコンタクトＣ５、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１１、およびＣ１２が、上面メタライゼーションを使用して製造されるプロセスが説明されている。例えば、コンタクトＣ５の形成のために、トレンチをフォトニクス構造１０の上面に形成し、導電性材料を充填することができる。
位置“Ｃ”におけるレーザースタック５１０のコンタクト層５０５は、位置“Ａ”または“Ｂ”のレーザースタックよりも高い高さを有するように示されている。コンタクト層５０５をより高い高さに配置することでエネルギを減じることができる。アルミニウムチューニング層５１３Ａの堆積において、関連する中心軸線７０４２および７０５２を有する位置ＡおよびＢにおけるレーザースタックトレンチは、マスキング材料で被覆することができ、導電性材料から形成されたコンタクト層５０５を、位置Ｃにおいてアルミニウムチューニング層５１３Ａ上に堆積させることができる。位置Ｃにおけるレーザースタックトレンチに、次いで、誘電性材料を充填することができ、レーザースタックトレンチは、再び中心軸線７０６２を中心とする中心と、図２Ｇに示されるように垂直方向に延びる平面７０６５および垂直方向に延びる平面７０６７と交差する側壁を画定するためにより狭い直径とを有するように再形成することができる。概して“Ａ”および“Ｂ”における各レーザースタックトレンチは、次いで、レーザースタック層成長によることを含むさらなる処理のために再開放させることができる。位置Ｃのレーザースタックトレンチ５１０において、コンタクト層５０５は、アルミニウムチューニング層５１３Ａの上面を露出させるようにエッチングすることができる。コンタクト層５０５およびコンタクト層５０６は、層の形成のために特定の堆積段階の間にその場でドーピングすることができる。一実施形態によれば、位置Ａ、Ｂ、およびＣのうちの１つ以上におけるコンタクト層５０５および／またはコンタクト層５０６は、前に堆積された層のドーピングによって形成することができる。例えば、位置Ｃのレーザースタック５１０において、コンタクト層５０５を層５１３Ａのイオン注入によって形成することができる。
図３は、図１に描かれたフォトニクス構造１０に応答して代替的に形成された下部コンタクトを有するフォトニクス構造１０の切り取り側面図である。レーザー源５００のための下部コンタクトを形成するための代替的なプロセスが、図４Ａおよび図４Ｂの製造段階使用に関して示されている。
図４Ａを参照すると、フォトニクス誘電体スタック２００内での構造の製造は、図２Ｈの形式で実行されるが、ただしレーザー源下部コンタクトＣ５、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１１、およびＣ１２の形成のための段階は回避され、実行されず、したがって、図４Ａに描かれた中間段階図では、フォトニクス構造１０は、下部コンタクトＣ５、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１１を欠いている。図４Ａの中間製造段階図を参照すると、ハンドルウェハ１１００は、接着剤層１１０２の使用によりフォトニクス誘電体スタック２００の上側に取り付けることができる。図４Ａに示されたハンドルウェハ１１００は、フォトニクス構造１０の裏側処理を容易にするためにウェハハンドラによって保持することができる。
図４Ａに示されたようにフォトニクス構造１０が、裏側処理を容易にするためにウェハハンドラに配置されているため、例えば、実質的に図２Ｈに描かれた状態における基板１００を除去することができる。基板１００の除去（図２Ｈ）により、レーザースタックバッファ構造５０２も除去することができる。基板１００およびバッファ構造５０２の除去のために、大部分の材料除去のために研削プロセスを実行することができ、材料の最後の閾値パーセンテージ、例えば、１０％未満が、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスの使用により除去される。
図４Ｂは、フォトニクス誘電体スタック２００を延長させ、延長されたフォトニクス誘電体スタック２００内に追加構造を製造するために、貫通ビアＶＸ２を製造するさらなる製造後の、図４Ｂに示された製造の中間段階におけるフォトニクス構造１０を示す。レーザースタック５１０のコンタクト層５０５を露出させるために高さ２０１２までの基板１００の材料の除去後、誘電性材料を堆積させ、次いで、高さ２００７において水平方向に延びる平坦な表面を画定するためにＣＭＰを行うことができる。次いで、貫通ビアＶＸ２、ならびにそれぞれのレーザースタック５１０の下部コンタクトＣ２１、Ｃ２２、およびＣ２３を製造するために、トレンチを形成することができる。次いで、導電性材料をそれぞれのトレンチに堆積させ、貫通ビアＶＸ２、それぞれのレーザースタック５１０の下部コンタクトＣ２１、Ｃ２２、およびＣ２３を画定することができる。
誘電体材料を堆積させ、ＣＭＰを行って、高さ２００６において水平方向に延びる平坦な表面を画定することができる。次に、メタライゼーショントレンチを形成することができる。メタライゼーション層１６０２を、メタライゼーショントレンチに堆積させ、ＣＭＰを行って、メタライゼーションフォーメーションＭ１１を画定し、高さ２００６においてフォトニクス構造１０の上面を画定することができる。次いで、誘電体堆積およびＣＭＰを実行して、高さ２００５において水平方向に延びる平坦な表面を画定することができる。高さ２００５に上部高さを有する段階におけるフォトニクス構造１０により、ビアＶ２１を画定するためのビアトレンチをエッチングし、ビア層１７０２を形成する導電性材料をビアトレンチに堆積させて、ビアＶ２１を画定することができる。
誘電体材料を高さ２００５に堆積させ、ＣＭＰを行って、高さ２００４において水平方向に延びる平坦な表面を画定することができる。次いで、メタライゼーショントレンチを形成することができ、メタライゼーション層１６１２をメタライゼーショントレンチに堆積させて、メタライゼーションフォーメーションＭ１２を画定することができる。
誘電体材料を高さ２００５に堆積させ、ＣＭＰを行って、高さ２００４において水平方向に延びる平坦な表面を画定することができる。メタライゼーションフォーメーションを露出させるために、図示のようにトレンチを形成することができる。次いで、末端６００２を製造することができる。末端６００２は、例えば、（ａ）メタライゼーション層６１２まで開放したフォトニクス誘電体スタック２００に形成された開口部、（ｂ）メタライゼーション層６１２に形成されたパッドおよびパッドまでの開口部、（ｃ）アンダー・バンプ・メタライゼーション（ＵＢＭ）層までフォトニクス誘電体スタック２００に形成された開口部を備える、メタライゼーション層６１２に形成されたＵＢＭ層、（ｄ）メタライゼーション層６１２に形成されたＵＢＭおよびフォトニクス誘電体スタック２００から外へ突出した、ＵＢＭに形成されたはんだバンプ、のうちの１つ以上を含むことができる。
裏側末端によって提供された末端６００２を有する図３のフォトニクス構造１０において頂点をなす図４Ａおよび図４Ｂに描かれた段階図による製造は、コンタクト層５０５に接続されるコンタクトの高さ要件を減じることができる。したがって、そのようなコンタクトの製造に関連する許容誤差およびコストを低減することができ、性能速度を向上させることができる。前側末端によって提供される末端６００２を有する図１のフォトニクス構造１０において頂点をなす図２Ａ～図２Ｉの段階図による製造は、例えば、基板１００の材料の除去のための追加処理段階を回避することができる。
図１～図２Ｉの図において、レーザースタック５１０は、ある下部高さを有するように描かれている。図２Ｆを参照すると、レーザースタック５１０は、バッファ材料フォーメーション５０２の下部高さである基板１００の高さ以内の高さ２００２において下部高さを有するように描かれている。
本明細書における実施形態は、レーザースタック５１０は異なる下部高さを有するように製造することができ、かつ異なる高さを、このような異なる下部高さの選択により生み出すことができることを認識している。本明細書における実施形態は、レーザースタック５１０の下部高さを、標的光結合スキームにしたがって光結合の最適化のために選択することができることを認識している。いくつかの実施形態によれば、レーザースタック５１０の下部高さは、レーザースタック５１０の活性領域５１５から１つ以上の導波管へ光を結合するための選択された結合方法に基づいて選択することができる。
図５Ａ～図５Ｄは、レーザースタック５１０の活性領域５１５から導波管内へ光を結合するための差別化された結合スキームの結合方法および構造を描いており、レーザースタック５１０の活性領域５１５から１つ以上の導波管内へ光を結合するための選択された結合スキームに依存してレーザースタック５１０の下部高さを選択することができる差別化された製造スキームも示している。
活性領域５１５から導波管内へ光を結合するために、フォトニクス構造１０は、導波管の水平方向に延びる長手方向軸線が、活性領域５１５の水平方向に延びる長手方向軸線と整列させられ、かつ一致することができるように製造することができる。図５Ａは、図１に示すようにＺＸ平面ではなくＺ－Ｙ平面に沿った、図１に示すようなレーザー源５００を描いている（図５Ａは、図１に示すように、紙面の奥と手前へ延びる図を示す）。
図５Ａを参照すると、フォトニクス構造１０は、活性領域５１５の水平方向に延びる長手方向軸線が導波管４５１の水平方向に延びる長手方向軸線と整列し、かつ一致するように活性領域５１５および導波管４５１が配置されるように、製造およびしたがって構成することができる。活性領域５１５および導波管４５１の水平方向に延びる長手方向軸線は、図示された軸線２５１５と一致することができる。導波管４５１は、層３０２のパターニングによって製造することができ、層３０２は、図１に描かれたようなシリコン層３０２であり、予め製造されたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハのシリコン層である。図５Ａは、シリコンに形成された導波管４５１内への活性領域５１５の直接結合を描いており、描かれたシリコンは、もともと製造されたＳＯＩウェハのシリコン層である。
図５Ｂは、レーザースタック５１０の活性領域５１５から導波管４５１内へ光を結合するための代替的なスキームを描いている。図５Ｂに描かれた結合スキームにおいて、窒化物層３００２から製造された導波管４５２および窒化物層３００４から製造された導波管４５３は、層から製造された導波管４５１に近接して配設されるように製造することができる。導波管４５２および導波管４５３は、図１および図２Ａ～図２Ｄを参照して記載された導波管４１１および導波管４２１を参照して説明された形式においてパターン化された窒化物、例えば、ＳＩＮ窒化シリコン導波管とすることができる。
導波管４５２および導波管４５３は、サイズ決めされ、成形され、配置され、エバネッセント結合機能を実行することができ、軸線２５１５を中心として導波管４５１を通って伝播する光は、導波管４５２および／または導波管４５３にエバネッセントに結合することができ、導波管４５１を通る光透過率全体を改善するために再び導波管４５１内へエバネッセントに結合することによって再結合することができる。
図５Ｃは、レーザースタック５１０の活性領域５１５から１つ以上の導波管に光を結合するための代替的な結合スキームを描いている。図５Ｃに描かれたフォトニクス構造１０において、活性領域５１５の水平方向に延びる長手方向軸線および導波管４６７の水平方向に延びる長手方向軸線は、整列させることができ、軸線２５１５上で互いに一致させることができる。導波管４６７は、窒化物から形成された層３０１４からパターン化された導波管とすることができる。
図５Ｃに描かれたフォトニクス構造１０は、層３００２からパターン化された導波管４６１、層３００４からパターン化された導波管４６２、層３００６からパターン化された導波管４６３、層３００８からパターン化された導波管４６４、層３０１０からパターン化された導波管４６５、層３０１２からパターン化された導波管４６６、および層３０１４からパターン化された導波管４６７を含むことができる。層３００２、３００４、３００６、３００８、３０１０、３０１２、３０１４は、窒化物層とすることができ、これにより、製造されたそれぞれの導波管４６１～４６７は窒化物導波管である。図５Ｃに描かれた導波管４６１～４６７は、導波管４６１～４６７の間のエバネッセント結合を促すように段階的なパターンであるように製造することができ、すなわち、導波管４６７を通って伝播する光は、導波管４６６内へエバネッセントに結合することができ、この光は、導波管４６５内へエバネッセントに結合することができ、この光は、導波管４６４内へエバネッセントに結合することができ、これは、導波管４６３内へエバネッセントに結合することができ、この光は、導波管４６２内へエバネッセントに結合することができ、この光は、導波管４６１内へエバネッセントに結合することができ、この光は、シリコンから形成された層３００２からパターン化された導波管４５１内へエバネッセントに結合することができる。図５Ｃに描かれているフォトニクス構造１０は、結合スキームを示し、この結合スキームでは、レーザースタック５１０の活性領域５１５から放出された光は、窒化物から形成された導波管４６７内へ直接結合することができ、その後、一連の導波管を通ってシリコンから形成された導波管４５１内へエバネッセントに結合することができ、この導波管４５１は、予め製造されたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハのシリコン層とすることができる、シリコンから形成された層３０２からパターン化することができる。図５Ｃに描かれた結合スキームの促進のために、レーザースタック５１０の下部高さは、図１に描かれたレーザースタック５１０より高い高さを有するように選択および製造することができる。
図５Ｃに描かれた導波管４０６７～４６１は、導波管４６７から下方へ導波管４６６～４６１を通って最終的にシリコンから形成された導波管４５１内への光のエバネッセント結合を容易にするようにサイズ決め、成形、および配置することができる。
図５Ｄに描かれた結合スキームにおいて、レーザースタック５１０の下部高さは、図５Ｃの配置に描かれたものよりも高い高さにある。
図５Ｄに示されたフォトニクス構造１０は、バッファ材料フォーメーション５０２が、予め製造されたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハのシリコン層とすることができる層３０２の上面にエピタキシャル成長されるように製造することができる。一実施形態による、図面を通じて示された層３０２は、例えば、５００℃よりも高い、場合によっては、７００℃より高い、場合によっては、１０００℃より高い高温処理の使用により予め製造されることに関連する利点を特徴とすることができる。ＳＯＩウェハの一部として予め製造することができる層３０２は、デバイスの製造のための層３０２のパターニング後に制限することができる熱バジェットの使用により欠陥消滅のためのアニーリングプロセスを行うことができる。
図５Ｄに描かれた結合スキームは、図５Ｃに示されるフォトニック構造１０に関連して説明された結合スキームの形式で動作することができる。活性領域５１５の水平方向に延びる長手方向軸線および導波管４７７の水平方向に延びる長手方向軸線は、整列させることができ、軸線２５１５と一致させることができる。活性領域５１５から放出される光は、窒化物から形成された導波管４７７内へ直接結合させることができる。導波管４７７内への光結合は、連続して一連の導波管４７６、および４７５、４７４、４７３、４７２、および４７１、そして最終的に、予め製造されたＳＯＩウェハのシリコン層とすることができる層３０２からパターン化することができる導波管４５１内へエバネッセントに結合することができる。図５Ｄに描かれた導波管４７７～４７１は、下方への一連の導波管４７７から導波管４７１まで、そして最終的にシリコン（Ｓｉ）から形成された層３０２からパターン化された導波管４５１内へのエバネッセント結合を容易にするために、相対的な位置においてサイズ決め、成形、および配置することができる。
レーザースタックの活性領域５１５に結合された導波管４５１（図５Ａ～図５Ｂ）、導波管４６７（図５Ｃ）、および導波管４７７（図５Ｄ）などの導波管は、活性領域５１５にエッジ結合することができる。活性領域５１５と、活性領域にエッジ結合された導波管との間の光結合の促進のために、活性領域および導波管は、互換性モードプロファイルを含むように構成することができ、それぞれのモードプロファイルは、進行する光信号のそれぞれの空間域分布を画定する。モードプロファイルは、例えば、活性領域５１５、エッジ結合された導波管、活性領域５１５のそれぞれの形状、およびエッジ結合された導波管の、例えば、屈折率と、エッジ結合された導波管およびレーザースタック５１０を取り囲む誘電体材料の屈折率とを使用して調整することができる。互換性モードプロファイルの構成のために調整された設計パラメータを使用すると、活性領域に戻される反射によるものを含む光信号の損失（リサイクル損失）を減じることができる。いくつかの実施形態によれば、光損失を低減するために、活性領域５１５にエッジ結合される、エッジ結合された導波管の光進入端部は、先細りにすることができる。
導波管の間のエバネッセント結合を最適化するために、エバネッセント結合された導波管のサイズ、形状、および位置を調整することができる。エバネッセント結合の調整のために、制御することができるパラメータは、（ａ）図５Ｃ～図５Ｄに描かれたようなＺ方向の間隔距離ｄ、（ｂ）図５Ｃ～図５Ｄに描かれたような重なりの長さｌ、および（ｃ）先細り形状を含むことができる。エバネッセント結合された先細りの導波管が、図５Ｅに描かれている。第１の導波管と第２の導波管との間のエバネッセント結合を促進するために、導波管は、重なり合う先細りの端部を有することができる。
第１および第２の導波管のＹ－Ｘ平面図を描いた図５Ｅに示されるように、第１の導波管４９１は、第２の導波管４９２の先細りの端部４９２１に調和させられた先細りの端部４９１１を有することができ、第２の導波管は、導波管４９１のものよりも低い高さを有する（したがって、点線形式で描かれている）。第１の導波管４９１および第２の導波管４９２は、図５Ａ～図５Ｄに描かれたエバネッセント結合する上部および下部の導波管の任意の組合せの任意の組合せを表すことができる。エバネッセント結合の特性は、様々な追加パラメータ、例えば、第１の導波管４９１の屈折率、第２の導波管４９２の屈折率、導波管を取り囲むフォトニクス誘電体スタック２００を取り囲む誘電体材料の屈折率、および進行する光の波長に依存することができる。
レーザースタック５１０の任意の説明された実施形態では、バッファ材料フォーメーション５０２を画定する材料の堆積の受け入れのための正方形の溝トレンチは、図５Ａに描かれた点線９０２によって示されたＶ字形溝トレンチに置き代えることができる。Ｖ字形溝トレンチの存在は、いくつかの実施形態によれば、堆積プロセス中の欠陥の形成を低減することができる。
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図していない。一実施形態における「上に（ｏｎ）」という用語は、要素と指定された要素との間に要素を介在させることなく、要素が指定された要素の「直接上に（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」ある関係を指し得る。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、特に文脈で明確に示されていない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（ならびに「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）の任意の形態）、「有する（ｈａｖｅ）」（ならびに「有する（ｈａｓ）」および「有している（ｈａｖｉｎｇ）」などの有する（ｈａｖｅ）の任意の形態）、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」（ならびに「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」などの含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）の任意の形態）、ならびに「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」（ならびに「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」および「含有している（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」などの含有する（ｃｏｎｔａｉｎ）の任意の形態）という用語は、制限のない連結動詞であることが理解されよう。結果として、１つ以上のステップまたは要素を「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、または「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」方法またはデバイスは、それらの１つ以上のステップまたは要素を有するが、それらの１つ以上のステップまたは要素のみを有することに限定されない。同様に、１つ以上の特徴を「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、または「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」、方法のステップまたはデバイスの要素は、それらの１つ以上の特徴を有するが、それらの１つ以上の特徴のみを有することに限定されない。「によって画定される」という用語の形態は、要素が部分的に画定される関係の他、要素が完全に画定される関係を包含する。本明細書における数値的な識別、例えば、「第１」および「第２」は、要素の順序を指定することなく異なる要素を指定するための任意の用語である。さらに、特定の手段で構成されているシステムの方法または装置は、少なくともその手段で構成されているが、列挙されていない手段で構成されることもある。さらに、特定の数の要素を有するものとして記載されるシステムの方法または装置は、特定の数の要素よりも少ないか、または多い数で実施することができる。
以下の特許請求の範囲におけるすべての手段またはステップおよび機能要素の対応する構造、材料、行為、および同等物は、もし存在する場合、具体的に特許請求されているように、他の特許請求された要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことを意図している。本発明の説明は、例示および説明の目的で提示されたものであり、網羅的であること、または開示された形態の本発明に限定することを意図するものではない。本発明の範囲および趣旨から逸脱しない多くの修正および変形が、当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の１つ以上の態様の原理および実際の応用を最もよく説明し、かつ他の当業者が、企図される特定の用途に適するように様々な修正をともなう様々な実施形態の本発明の１つ以上の態様を理解することができるように選択および説明された。

Claims (26)

  1. フォトニクス構造であって、
    基板と、
    前記基板上に配設された誘電体スタックと、
    前記誘電体スタック内に集積された１つ以上のフォトニクスデバイスと、
    スタックに配置された複数の構造を含むレーザースタックを有するレーザー光源であって、前記複数の構造の構造が前記誘電体スタック内に集積されており、前記レーザースタックが、前記レーザースタックへの電気エネルギの印加に応答して光を放出するように構成された活性領域を含む、レーザー光源と、を備える、フォトニクス構造。
  2. 前記レーザー光源は、バッファ材料フォーメーション、クラッディング層、アルミニウムチューニング層、および活性領域を含む、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  3. 前記誘電体スタックは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの絶縁体層によって画定されており、前記１つ以上のフォトニクスデバイスのフォトニクスデバイスは、前記ＳＯＩウェハのシリコン層によって画定されている、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  4. 前記誘電体スタック内に一体的に形成された前記１つ以上のフォトニクスデバイスは、導波管を含み、前記活性領域は、導波管と共通の高さを有し、前記活性領域は、前記導波管内へ光を放出するように構成されている、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  5. 前記誘電体スタック内に一体的に形成された前記１つ以上のフォトニクスデバイスは、水平方向に延びる長手方向軸線を有する単結晶シリコン導波管を含み、前記導波管の前記水平方向に延びる長手方向軸線は、前記活性領域の水平方向に延びる長手方向軸線と整列されており、前記活性領域は、前記単結晶シリコン導波管内へ光を放出するように構成されている、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  6. 前記誘電体スタック内に一体的に形成された前記１つ以上のフォトニクスデバイスは、水平方向に延びる長手方向軸線を有する窒化物導波管を含み、前記導波管の前記水平方向に延びる長手方向軸線は、前記活性領域の水平方向に延びる長手方向軸線と整列されており、前記活性領域は、前記窒化物導波管内へ光を放出するように構成されている、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  7. 前記誘電体スタック内に一体的に形成された前記１つ以上のフォトニクスデバイスは、水平方向に延びる長手方向軸線を有する窒化物導波管を含み、前記導波管の前記水平方向に延びる長手方向軸線は、前記活性領域の水平方向に延びる長手方向軸線と整列されており、前記活性領域は、前記窒化物導波管内へ光を放出するように構成されており、前記誘電体スタックは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの絶縁体層によって画定されており、前記１つ以上のフォトニクスデバイスのフォトニクスデバイスは、前記ＳＯＩウェハのシリコン層によって画定された単結晶導波管であり、前記フォトニクス構造は、前記活性領域から放出された光を、前記ＳＯＩウェハのシリコン層によって画定された前記単結晶導波管内へエバネッセント結合するように構成された、重なり合う階段状パターンで配置された複数の導波管を含む、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  8. 前記レーザー光源は、バッファ材料フォーメーション、コンタクト層、アルミニウムチューニング層、および活性領域を含む、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  9. 前記レーザー光源は、前記基板の上部高さよりも低い下部高さを有するバッファ材料フォーメーションを含む、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  10. 前記レーザー光源は、前記基板の上部高さよりも低い下部高さを有するバッファ材料フォーメーションを含み、前記誘電体スタック内に配設された前記１つ以上のフォトニクスデバイスは、水平方向に延びる長手方向軸線を有する単結晶シリコン導波管を含み、前記導波管の前記水平方向に延びる長手方向軸線は、前記活性領域の水平方向に延びる長手方向軸線と一致しており、前記活性領域は、前記単結晶シリコン導波管内へ光を放出するように構成されている、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  11. 前記基板は、前記基板上に形成された絶縁体上に形成されたシリコン層を有するシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの基板であり、前記１つ以上のフォトニクスデバイスは、前記シリコン層によって画定された導波管を含み、前記導波管は前記活性領域によって画定されている、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  12. 前記基板は、シリコンを含む、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  13. 前記１つ以上のフォトニクスデバイスは、前記誘電体スタック内に集積された光検出器、前記誘電体スタック内に集積された変調器、および前記誘電体スタック内に集積された導波管のそれぞれを含む、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  14. 前記フォトニクス構造は、第２のレーザースタックを有する第２のレーザー光源を含み、前記レーザースタックおよび前記第２のレーザースタックはそれぞれ、コンタクトと接合している下部コンタクト層を含み、第２のレーザースタックの前記下部コンタクト層は、前記レーザースタックの下部コンタクト層よりも高い高さにある、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  15. 前記フォトニクス構造は、第２のレーザースタックを有する第２のレーザー光源を含み、前記レーザースタックおよび前記第２のレーザースタックはそれぞれ、コンタクトと接合している下部コンタクト層を含み、前記第２のレーザースタックの前記下部コンタクト層は、前記レーザースタックの下方コンタクト層よりも高い高さにあり、前記第２のレーザースタックの前記下部コンタクト層は、前記第２のレーザースタックのアルミニウムチューニング層上にエピタキシャル成長させられており、前記レーザースタックの前記下部コンタクト層は、前記第１のレーザー光源のバッファ材料フォーメーション上にエピタキシャル成長させられている、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  16. 前記誘電体スタックは、ＳＯＩウェハの絶縁体層によって画定されており、前記レーザースタックは、前記絶縁体層の高さ全体にわたって延在している、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  17. 前記誘電体スタックは、ＳＯＩウェハの絶縁体層によって画定されており、前記レーザースタックの下部高さは、バッファ材料フォーメーションの下部高さによって画定されており、前記バッファ材料フォーメーションは、前記絶縁体層の高さ以内の下部高さを有する、請求項１に記載のフォトニクス構造。
  18. 方法であって、
    シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの絶縁体によって画定された誘電体スタックを有するフォトニクス構造の前記ＳＯＩウェハのシリコン層内に導波管をパターン化することと、
    前記フォトニクス構造内に、前記誘電体スタックの誘電体層を貫通するトレンチを形成することと、
    前記トレンチ内にレーザースタックをエピタキシャル成長させることと、を含み、前記レーザースタックは、スタックに配置された複数の構造を含み、前記複数の構造の構造は、前記誘電体スタック内に配設されており、前記レーザースタックへの電気エネルギの印加に応答して光を放出するように構成された活性領域を含む、方法。
  19. 前記活性領域は、前記導波管と整列されている、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記導波管は、水平方向に延在しており、前記導波管と整列された前記活性領域の高さと共通の高さに配設されており、前記活性領域は、前記活性領域によって放出された光が前記導波管内へ結合されるように、光を水平方向に放出する、請求項１８に記載の方法。
  21. 前記フォトニクス構造内に、前記誘電体スタックの誘電体層を貫通するトレンチを形成することは、前記トレンチが、前記ＳＯＩウェハの基板の上部高さよりも低い下部高さを有するように、前記フォトニクス構造内に、前記誘電体スタックの誘電体層を貫通するトレンチを形成することを含む、請求項１８に記載の方法。
  22. 前記方法は、前記誘電体スタック内に光検出器および変調器を一体的に製造することを含む、請求項１８に記載の方法。
  23. 前記シリコン層内に前記導波管をパターン化することは、第１のプロセス温度範囲を使用することを含み、前記エピタキシャル成長させることは、第２のプロセス温度範囲を使用して、前記レーザースタックを画定するバッファ材料フォーメーションをエピタキシャル成長させることを含み、前記第２のプロセス温度範囲の最高温度は、より低く、前記第２のプロセス温度範囲の最高温度、請求項１８に記載の方法。
  24. 前記レーザースタックをエピタキシャル成長させることは、バッファ材料フォーメーションをエピタキシャル成長させることと、前記バッファ材料フォーメーション上にコンタクト層をエピタキシャル成長させることと、前記バッファ材料フォーメーション上に第１のアルミニウムチューニング層をエピタキシャル成長させることと、前記第１のアルミニウムチューニング層上に第２のクラッディング層をエピタキシャル成長させることと、前記第１のクラッディング層上に第２のアルミニウムチューニング層をエピタキシャル成長させることと、前記第２のアルミニウムチューニング層上にスペーサー層をエピタキシャル成長させることと、前記スペーサー層上に前記活性領域をエピタキシャル成長させることと、を含む、請求項１８に記載の方法。
  25. 前記活性領域は、量子ドットを含む、請求項１８に記載の方法。
  26. 前記トレンチ内にレーザースタックをエピタキシャル成長させることは、前記基板によって画定されたシリコン表面上にバッファ材料フォーメーションをエピタキシャル成長させることを含み、前記方法は、前記誘電体スタックの下側表面を露出させるために前記基板および前記バッファ材料フォーメーションの材料を除去することと、前記誘電体スタックの前記下側表面上に、延長した誘電体スタック領域を製造することと、を含み、前記方法は、前記延長した誘電体スタック領域に、前記レーザースタックのコンタクト層と接触する集積電気コンタクトを製造することと、前記電気コンタクトと電気通信する末端を製造することと、を含む、請求項１８に記載の方法。
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