[发明专利]张应变半导体光子发射和检测装置和集成的光子学系统

说明书

本申请是申请日为2012年8月10日、申请号为201210285225.7、发明名称为“张应变半导体光子发射和检测装置和集成的光子学系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及光学系统，其包括半导体发光装置或半导体光探测器。更具体地讲，本发明涉及在有源区域(activeregion)中采用了具有应变的第四族半导体材料的半导体发光或检测装置。

背景技术

人们总是感兴趣在光子学系统中使用第四族半导体材料，因为这样的系统容易制造，并且容易将第四族光子学器件与电路集成在一起。硅、锗和它们的合金是光子学系统中最常被考虑的第四族半导体。例如，最感兴趣的是从硅发射的或位于硅中的光。硅和锗呈现有间接带隙，在整个成分范围内它们的合金也是这样。传统上它们并不是用于光发射的高效材料，因为直接光跃迁中涉及的导带未被占据，因此，在不额外地导致产生其它性质例如晶格震荡或不纯的情况下，就基本上没有可以重新组合并且直接产生光子的电子空穴对。

一种将光子功能与硅基ULSI芯片例如多核处理器或前沿存储器集成在一起的低成本措施为现代计算技术打开了意义深远的结构改变和性能改进的大门。这些光子功能的一个被建议的应用是代替现代ULSI芯片中的一些芯片内铜互连，例如用于从一个CPU内核向另一CPU内核导通数据，其中两个内核位于相同的物理硅芯片上。与此同时，一种现实的第四族光子学解决方案在制造更传统的光子系统时能够提供极好的成本节约益处。

将光子学与已有的CMOS工艺流程相组合的主要途径包括下列在拓扑学上截然不同的选项：i)先于晶体管制造光学部件；ii)在晶体管集成之后制造光学部件，也就是在金属互连层之前、之中或直接之后；或iii)利用第四族半导体制造可光通的层(optically-enabledlayer)，所述第四族半导体可通过各种机构之一被附连于ULSI芯片。连接机构可包括晶圆接合，彼此前后相继地共同封装若干裸晶，以将它们引线接合或通过封装体中的特征连接，以及堆叠裸晶并连接它们，例如利用硅通孔(TSV)。利用单独的光层使得能够将晶体管和ULSI电互连制造中遇到的制造方面的挑战和关键集成步骤与光层所需的这些分开。

另一方面，有利的是芯片上发射光，以避免在其它情况下需要解决的耦合和对正问题。当第四族半导体在光层中被用作光学活性的光发射材料时，芯片上光发射非常具有挑战性。据文献记载，在硅中利用喇曼效应进行光发射以将具有特定波长的外部供应光转化为不同波长的光。利用喇曼效应的光发射是一种低效率工艺。

光学系统或光层典型地具有若干功能部件。光层通常包括光源，或许具有集成带宽滤波器，以便从宽频谱波长进行选择，也就是被使用的光的“颜色”。光源可以是发射相干光的激光器或发光二极管。光源既可以直接调制，例如，通过调制流经光源的电流，类似于将灯泡开和关(高和低)，也可以通过位于光源之外的单独的部件调制“光束”上的信息，也就是说，利用调制器。外部调制器在现有技术中是已知的，包括环形调制器和Mach-Zehnder调制器。

光层通常包括至少一个波导，其能够以连续波的形式或以调制形式、也就是作为信号从一个点至另一点导通光。波导性能方面的考虑包括衰减，每单位长度光的损失程度，例如，由于光散射或由于光被吸收到波导或相邻材料中。另一重要性能优势是波导能够将被引导的光转向另一方向的能力，其转弯半径很小，又没有明显的光损失。紧凑的转弯半径可被实现，例如，通过使用高约束波导，其中波导的折射率显著高于周围体积中的值，从而光波强度大部分被承载于波导体积中。转弯半径和波导外光强度的消散波尾部(evanescenttail)的泄露之间的相互影响是设计环形调制器或导通开关中的一项重要参数。紧凑的转弯还可以借助于反射镜而便于实现，其中入射光方向和反射镜表面法向之间的角度基本上与出射光方向和反射镜法向之间的角度相同。还有一个方面是波导维持给定光偏振的程度。

光层通常包括导通或开关元件，其从入射波导接收光，并且从多个出射波导选择一个或若干将要携带出射光的波导。反射镜可被认为是一种具有一个入射波导和一个出射波导的导通元件。这些元件的其它例子包括阵列分布的波导耦合器，多模式干涉耦合器和环形耦合器。