控制光電路中的溫度的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]材料的折射率是描述光能如何傳播穿過該材料的數值。折射率取決于傳播穿過該材料的波長，使得折射率可以對相同材料中不同的波長來說是不同的。許多透明材料的折射率在I和2之間。例如，空氣具有I的折射率，并且水具有1.333的折射率。
[0002]透光材料可以在電路器件中用于中繼信息。例如，由具有適當折射率的透明材料制成的芯可以輸送調制的光信號。通常，芯具有比包層的折射率更高的折射率。在一些情況下，芯由具有3.51的折射率的硅制成，包層由具有1.46的折射率的二氧化硅制成。因為光趨于保留在具有較高折射率的材料內的全內反射現象，所以芯材料用作傳輸光信號的波
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【附圖說明】
[0003]附圖示出本文描述原理的各示例并且是說明書的一部分。所示出的示例僅僅是示例，而不限制權利要求的范圍。
[0004]圖1是根據本文描述的原理的電路器件的示例的圖。
[0005]圖2是根據本文描述的原理的電路器件的示例的圖。
[0006]圖3是根據本文描述的原理的電路器件的示例的圖。
[0007]圖4是根據本文描述的原理的用于形成熱控制光電路的方法的示例的圖。
[0008]圖5是根據本文描述的原理的制造光學器件的示例的圖。
[0009]圖6是根據本文描述的原理的光學特性的示例的圖。
[0010]圖7是根據本文描述的原理的光學特性的示例的圖。
[0011]圖8是根據本文描述的原理的光學特性的示例的圖。
[0012]圖9是根據本文描述的原理的光學特性的示例的圖。
[0013]圖10是根據本文描述的原理的光學特性的示例的圖。
[0014]圖11是根據本文描述的原理的電路設備的示例的圖。
【具體實施方式】
[0015]在芯材料由半導體材料制成的示例中，芯材料的光學特性可以隨載流子濃度改變。例如，在電場使半導體材料中的電子和空穴移動時，半導體材料的折射率也改變。隨著折射率改變，芯材料導光的能力也改變。因此，可以通過控制芯材料附近的電場來調制光信號。
[0016]然而，如果利用電場的這種信號調制發生在具有電流的電路中，則其通過焦耳發熱在芯材料中產生溫度升高。通常，只要存在電流，材料中無法避免的電阻就導致發熱。熱向較冷的區域擴散，從而沿芯的光學路徑產生不一致的溫度。這種不一致導致信號的可靠性差以及調制信號的能力下降。
[0017]本文描述的原理包括用于分布芯材料中和周圍的溫度以減少和/或消除溫度變動的機制。用于控制光電路中的溫度的光學器件可以包括位于底包層和上包層之間的波導。底包層可以被沉積在基板上，并且上包層可以由導熱的電介質材料制成。
[0018]在以下描述中，為了解釋，闡明了許多具體細節以提供本發明的系統和方法的透徹理解。然而，對于本領域技術人員來說，可以在沒有這些具體細節的情況下實踐本發明的裝置、系統和方法將是顯而易見的。說明書中引用的“示例”或類似語言的意思是描述的特定特征、結構或特性被包括在至少一個示例中，而不一定在其它示例中。
[0019]圖1是根據本文描述的原理的電路器件(100)的示例的圖。在本示例中，電路器件(100)是光學器件，其被制成為在集成電路中輸送光學信號。光可以用光源產生，并且通過像波導結構(106)這樣的光學總線被傳輸至另一位置。響應于光到達其目的地的，光可以被轉換為用于處理的電信號。
[0020]在所示出的示例中，電路器件(100)具有在基板(104)上沉積的底包層(102)。在一些示例中，底包層(104)由像二氧化硅這樣的電介質材料制成。在一些示例中，底包層
(102)至少一個微米厚，但是任意厚度都可以與本文描述的原理兼容。
[0021]在所示出的示例中，在底包層(102)上形成波導結構(106)。波導結構(106)可以由展示出半導體性質的材料制成。該波導的材料可以具有比在波導結構(106)上沉積的上包層(108)的折射率更高的折射率。在一些示例中，該波導的材料具有大于3的折射率，而上包層(108)具有小于3的折射率。在一些示例中，該波導的材料由硅制成并且具有3.51的折射率。在上包層(108)由金剛石制成的一些示例中，上包層的折射率是2.383。在上包層(108)由氮化鋁制成的一些示例中，上包層的折射率是2.124。因為上包層(108)可以覆蓋該波導的材料的整個暴露表面(110)，所以可以防止光從波導結構(106)中泄露出去。雖然已經關于特定折射率值描述了上面的示例，但是由所指定的材料展示出的任意折射率值都可以與本文描述的原理兼容。
[0022]底包層(102)和上包層(108)都可以是互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容材料。上包層(108)可以由具有高導熱率的電介質材料制成。在一些示例中，上包層的材料的導熱率是至少一百瓦每米.開爾文(W/((m) (-K))) ο在一些示例中，上包層的導熱率比二氧化硅的導熱率高。在一些示例中，上包層(108)由金剛石、氮化鋁、氧化鈹、另一材料或它們的組合制成。在一些示例中，上包層(108)被化學氣相沉積在波導結構(106)上、被物理氣相沉積在波導結構(106)上、被氣相沉積在波導結構(106)上、被噴涂在波導結構(106)上、被濺射在波導結構(106)上、被晶圓鍵合在波導結構(106)上、使用另一機制形成在波導結構(106)上或它們的組合。
[0023]在一些示例中，電路器件(100)包括用于主動地生成電場的機制。在圖1的示例中，波導結構(106)位于一對電極(112、114)之間。這些電極可以由任意適合的材料制成，這些材料包括鉑、鋁、銀、金、銅、鈦、黃銅、鈀、金屬氧化物、其它材料或它們的組合。在一些示例中，電極(112、114)被引起為具有不同電荷，并且因此在它們之間生成電場，以允許電載流子運輸。在波導結構(106)由半導體材料制成的示例中，電場可以改變波導結構(106)的電性質和/或光性質。例如，電場可以將電子和空穴注入波導結構(106)的半導體材料中或從波導結構(106)的半導體材料中減少電子和空穴，這可以改變半導體材料的折射率。最終，可以影響半導體材料上輸送的光信號。因此，波導結構(106)的光信號可以被調制為輸送消息。
[0024]在一些示例中，使由半導體材料制成的波導結構(106)遭受電流的負作用是焦耳發熱。波導結構(106)中遭受電場的多個部分可能經歷溫度上升。與上包層(108)毗鄰的第一熱沉(116)和與基板毗鄰的第二熱沉(118)可以拉長該溫度上升，以保持沿波導結構
(106)的溫度一致。溫度還影響波導的折射率，因此波導結構(106)中不一致的溫度可能對調制光信號的能力產生不利影響。
[0025]上包層(108)的高導熱率可以被動地引起波導結構(106)中的任意溫度上升通過上包層的體積快速地散開。金剛石是在其整個體積各處快速地分散任意溫度變化的良好散熱器。結果，金剛石通常具有基本沒有熱區域的相當均勻的溫度。因此，在一些示例中，是上包層(108)的高導熱率而不是熱沉(116、118)本身，導致沿波導結構(106)的長度、高度和寬度的溫度基本一致。
[0026]在兩種不同材料之間通常存在隔熱層。該隔熱層通常由因材料之間的不良接合、氣隙和/或不連續性導致的低導熱率區生成。然而，在上包層(108)由被直接化學氣相沉積到波導(106)上的金剛石制成的示例中，波導結構(106)和上包層(108)之間的隔熱層可以減少和/或消失。另外，上包層(108)內的雜質也可能具有低導熱性以及引入隔熱層。因此，在一些示例中，上包層由純的材料制成，以保持上包層的整體導熱率高。
[0027]初始模擬證實，與圖1的示例類似的電路器件中的氣相沉積金剛石上包層將由電場產生的熱分散遍布在金剛石上包層的整個體積上，并大大減少波導中受影響部分的熱。該模擬將具有由具有1.3ff/((m) (-K))導熱率的二氧化硅(S12)制成的上包層的第一電路器件與具有由具有300W/((m) (-K))導熱率的化學氣相沉積金剛石制成的上包層的第二電路器件相比較。在第一電路器件和第二電路器件中的每個中，基板由硅制成，底包層由二氧化硅制成。波導也由硅制成，電極由鋁制成。在實驗中，第一熱沉和第二熱沉都按照圖1的示例中那樣布置，并且都處于300開爾文的溫度。利用單瓦的電能產生電場。具有S12I包層的第一電路器件中的波導被測量處于325開爾文。另一方面，具有金剛石上包層的第二電路器件中的波導被測量處于300.25開爾文。
[0028]圖2是根據本文描述的原理的電路器件(200)的示例的圖。在該示例中，在基板(204)上形成底包層(202)，并且在底包層(202)上形成波導(206)。在波導(206)上可以形成由高度導熱的材料(如金剛石、氮化鋁、氧化鈹、另一材料或它們的組合)制成的上包層(208)ο
[0029]在圖2的示例中，上包層(208)僅覆蓋波導(206)附近的區域(210)，而在底包層(202)上并與上包層(208)相鄰設置具有低導熱率的另一材料(212)。該具有低導熱率的材料可以是Si02。在一些示例中，材料(212)是禁止或減緩熱傳遞的熱隔絕體。在一些示例中，有意地形成材料(212)和上包層(208)之間的隔熱層。