CN100437322C - 一种硅基并联mos电容结构高速电光调制器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光子学技术领域，特别是一种硅基并联MOS电容结构高速电光调制器及制作方法。由SOI衬底，电极，双栅氧化层，多晶硅波导层以及氧化硅包层构成，对称的MOS并联电容结构构成了器件的有源区，电极和重掺杂多晶硅层形成良好欧姆接触，电极由引线孔引出并在调制区表面形成交叉型结构。双栅氧化层对称地夹在掺杂类型分别为n、p、n的多晶硅层之间，正、负电极分别制作在p、n多晶硅上，形成并联电容结构。整个结构制作在SOI衬底上。自由载流子浓度在调制区的分布的范围和大小由外加电压控制。核心有源区面积小，光场强度高。器件具有高速，高调制效率的优点，并且制作工艺与传统微电子工艺兼容。

Description

一种硅基并联MOS电容结构高速电光调制器及制作方法

技术领域

本发明涉及光子学技术领域，特别是一种硅基并联MOS电容结构高速电光调制器及制作方法。

背景技术

近年来，随着硅基材料在光子学领域不断取得的突破性进展，人们不得不对硅材料在光电集成领域的发展前景加以重新认识。硅光子器件正向体积小、速度快和稳定性高的方向发展。

目前的硅光调制器主要包括热光调制、电光调制以及光光调制。热光调制器性能稳定，但是器件速度往往较低。光光调制器多处于研究开发阶段，距离实际应用还有一段距离。电光调制最有希望率先实现大规模应用，但其性能还不能满足未来光通讯的发展要求。

由于体硅材料自身的间接带隙特性的局限，硅电光调制器大都利用等离子色散效应。即通过改变材料内部的自由载流子的浓度，实现对材料折射率和吸收系数的改变。传统的p-i-n结构硅电光调制器利用的就是等离子色散原理。在有外加电流注入时，改变有源区自由载流子浓度，从而改变波导材料折射率，实现光调制。然而，当外加电流停止注入时，载流子的复合本身要持续一段时间，因而限制了开关时间不能达到很高的水平。利用p-i-n结构，最近出现了一种采用锗硅多量子阱材料作为有源区制作硅光调制器的办法实现了高速光调制。但是其调制区横截面积小，因而调制效率低，器件长度长，而且制作成本高，应用前景有待探讨。

光子晶体结构制作的硅光调制器曾一度成为国际研究热点。它通过设计特殊的周期性结构并在结构中引入缺陷来改变材料的能带特性，从而利用硅材料实现了光子晶体波导和光调制器。类似原理制成的光子晶体电光开关在文献上也多有报道。目前，人们对光子晶体理论方面的研究已经相对成熟，但光子晶体制备技术还不是很成熟，因而器件的制作成本非常高，这也许将会是它在未来的发展道路上的一个难以逾越的障碍。

Intel公司在SOI(绝缘层上硅)衬底上外延栅氧化层和多晶硅制作了MOS电容结构硅光调制器，获得了优良的性能。测试结果表明其调制速率超过1GHz。此结构在有源区中心附近制作薄栅氧化层充当电容来积累电荷，在外加电压下，自由电荷将集中于栅氧化层表面，变化的电荷浓度改变了材料的折射率从而实现光调制。MOS结构避免了载流子的复合过程对器件调制速率的影响，但调制区域和光场重叠面积小，调制效率有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并联MOS电容硅光调制器结构。特别是一种硅基并联MOS电容结构高速电光调制器及制作方法。它与其他调制器相比，达到相同调制效果所需的器件长度缩短，所需外加电压降低，而且可以达到高速和高效调制，并将广泛应用在未来的光电集成当中。

本发明是一种硅基并联电容结构高速电光调制器，该结构由SOI(绝缘层上硅)衬底，电极，双栅氧化层，多晶硅波导层以及氧化硅包层构成，对称的MOS并联电容结构构成了器件的有源区，电极和重掺杂多晶硅层形成良好欧姆接触，电极由引线孔引出并在调制区表面形成叉指型结构。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，外加电压后，大量自由电荷聚集在由两个栅氧化层构成的电容器的表面，使其临近的硅材料的有效折射率发生相应改变。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，栅氧化层厚度只有10纳米左右，并且在其附近有高强度的光场分布。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，栅氧化层附近自由电荷浓度的变化带来材料折射率的变化，集中在折射率变化区域附近的高强度光场的相位可以得到有效的调制。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，正、负电极分别制作在p型和n型重掺杂多晶硅上，形成了良好的欧姆接触，电极和重掺杂层的位置都远离核心有源区，它们对光场的吸收损耗小。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，硅和氧化硅之间大折射率差可以实现对光场的强限制，有高强度的光场集中在有源区。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，有源区横截面积大，且其光场强度分布包络函数为高斯分布函数，与光纤耦合效率高。

一种硅基并联电容结构高速电光调制器制作方法，其制作方法分为以下步骤，

(1)SOI片衬底首先经过清洗，然后对其进行直接热氧化，在氧化层上依次外延p型多晶硅和n型多晶硅，夹在它们中间的栅氧化层通过干氧快速热氧化(RTO)多晶硅实现；

(2)在n型多晶硅表面进行大面积高浓度硼离子注入，制作欧姆接触，经过一次光刻和刻蚀形成浅台面；

(3)用厚胶作掩模，在p型多晶硅表面进行大面积高浓度磷离子注入，经过二次光刻和刻蚀形成深台面；

(4)再用厚胶作掩模，在n型多晶硅表面进行高浓度硼离子注入，并经过快速热退火将注入杂质激活；

(5)在整个结构表面生长氧化硅包层并在其上开窗口，形成欧姆接触后蒸镀电极。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器制作方法，所述步骤(1)是这样进行的，SOI片经过直接热氧化后，形成第一层栅氧层，在栅氧化层上外延无定形硅，然后高温退火形成多晶硅，掺杂可在外延时进行也可以在退火后离子注入，第二层薄栅氧化层由直接氧化多晶硅形成。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器制作方法，所述步骤(2)是这样进行的，一次光刻采用光刻胶作掩模，干法ICP刻蚀形成台面。

所述的硅基并联电容结构高速电光调制器制作方法，调制区电极采用交叉电极结构，正、负电极间距大于套刻精度。

基于硅光波导材料的高速电光相位调制器结构。该结构可有效降低器件纵向尺寸，和半波电压，广泛应用于光通讯，芯片光互联以及高速硅基光集成中。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：

图1是普通的硅基MOS结构电光调制器横截面示意图；

图2是本发明实施例的并联MOS电容结构电光调制器横截面示意图；

图3是器件立体结构图

图4是器件横截面光场分布情况；

图5是电容器表面电荷积累情况；

图6是调制器相移随外加电压变化模拟图

图7是调制器件速度特性模拟图

图8是器件工艺制作流程图。

具体实施方式

图1所示为普通的硅基MOS结构电光调制器横截面图。折射率变化区域处于硅波导层中栅氧化层下部的一个有限的范围内，氧化硅包层和核心硅波导层的大的折射率差将光场限制在硅核心层中。

请参阅图2所示的并联MOS电容结构电光调制器横截面示意图和图3器件立体结构图。如图2，图3所示，该结构包括SOI衬底、多晶硅——二氧化硅对称结构(B1-A-B2)以及交叉结构电极。

其中多晶硅——二氧化硅对称结构包括核心P掺杂多晶硅、内包层氧化硅以及外包层N掺杂多晶硅。它们的厚度分别为：1.3μm，10nm和1.4μm。考虑到光刻工艺的制作容差，器件在横向上尺寸设计预先进行了合理优化。最窄台面宽度4μm，整个器件最小线宽2μm。

图4，图5是器件横截面光场分布图以及电容器表面电荷积累情况。从图中可以看出光场分布与电场分布有充分交叠。

电容器表面电荷积累情况(a)不加电情况；(b)加电情况。

图6是器件调制效率特性和开关速度特性模拟图，其性能均达到目前世界先进水平。不同调制长度情况下相移随外加电压的变化。内脊宽度W＝4μm。

图7是调制器件速度特性模拟图。器件折射系数随时间变化特性。器件内脊宽度W＝1μm，脉冲栅压幅值1v，上升和下降时间均为0.01ns。

如图8所示的是器件工艺流程图。器件制作流程中共需要6块光刻版图。涉及工艺包括热氧化、多晶硅外延退火、离子注入、光刻、刻蚀以及电极蒸镀。通过两次光刻形成台面以便后面的电极引出。形成台面后，在对称结构(B1-A-B2)的表面生长氧化硅包层并再次光刻制作引线孔。最后在器件表面制作交叉电极结构4。

首先，将清洗好的SOI片进行直接热氧化，形成第一层栅氧化层。

采用LPCVD沉积无定形硅然后退火的办法在氧化层表面形成P型多晶硅有源层，掺入杂质离子磷，掺杂浓度1×10¹⁷cm^-3。然后再次直接热氧化，形成第二层栅氧层，同样办法形成顶层N型多晶硅，掺入杂质离子硼，掺杂浓度与P型多晶硅相同。

在顶层多晶硅表面大面积注入高浓度硼离子，然后涂胶，曝光，进行第一次光刻，通过ICP刻蚀形成内脊。然后用光刻胶做掩模，对内脊进行保护，进行第二次大面积磷离子注入，然后通过相同办法形成外脊，外脊高2.4μm。再用光刻胶做掩模，将外脊保护住，进行第三次大面积硼离子注入。

用氧化硅钝化整个器件表面，再氧化硅表面开窗，沉积电极。最后光刻电极，将电极引出。

具体测试时，可将器件通过Mach-Zenhder结构做成强度调制器，通过拉椎光纤将入射光耦合进器件端面，器件另一端输出的光强通过高速光电探测器转换为电信号，将电信号接入示波器，观测波形变化。

Claims (11)

1.一种硅基并联电容结构高速电光调制器，其特征在于，该电光调制器从下到上依次由SOI衬底、第一层栅氧化层、p型多晶硅、第二层栅氧化层、n型多晶硅，以及交叉结构电极构成，该p型多晶硅、n型多晶硅中的高掺杂区位于电极金属下方，高掺杂区根据掺杂类型的不同分为p型高掺杂区和N型高掺杂区，器件的调制区即第一、二层栅氧化层两侧的折射率变化区，电极金属和高掺杂区形成良好欧姆接触，通过光刻电极金属，将电极金属由引线孔引出并在调制区表面形成交叉型电极结构。

2.根据权利要求1所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，其特征在于，外加电压后，大量自由电荷聚集在两个栅氧化层表面，使其临近的硅材料的有效折射率发生相应改变。

3.根据权利要求1所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，其特征在于，每个栅氧化层厚度只有10纳米，并且在其附近有高强度的光场分布。

4.根据权利要求1所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，其特征在于，两个栅氧化层附近自由电荷浓度的变化带来材料折射率的变化，集中在折射率变化区域附近的高强度光场的相位可以得到有效的调制。

5.根据权利要求1所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，其特征在于，电极金属制作在高掺杂多晶硅上，形成了良好的欧姆接触，电极金属和高掺杂区的位置都远离核心调制区，它们对光场的吸收损耗小。

6.根据权利要求1所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，其特征在于，硅和氧化硅之间大折射率差可以实现对光场的强限制，有高强度的光场集中在调制区。

7.根据权利要求1所述的硅基并联电容结构高速电光调制器，其特征在于，并联电容结构电光调制器的调制区较普通的硅基MOS电光调制器的调制区具有更大的调制面积，且其光场强度分布包络函数为高斯分布函数，与光纤耦合效率高。

8.一种硅基并联电容结构高速电光调制器制作方法，其制作方法分为以下步骤，

(1)SOI片衬底首先经过清洗，然后对衬底顶层硅进行热氧化，在第一层栅氧化层上依次分别外延p型多晶硅和n型多晶硅，在这两次外延工艺的中间，夹在两层多晶硅中间的第二层栅氧化层通过干氧快速热氧化p型多晶硅实现；

(2)在顶层多晶硅也是第二次外延的多晶硅表面进行大面积高浓度硼离子注入，形成高掺杂区以便后来形成欧姆接触，经过一次光刻和刻蚀形成浅台面，刻蚀深度满足浅台面高度介于两个栅氧化层的高度之间；

(3)用厚胶作掩模，在第一次外延形成的多晶硅表面进行大面积高浓度磷离子注入，经过第二次光刻和刻蚀形成深台面，刻蚀深度满足深台面高度低于两个栅氧化层中高度较低的栅氧化层的高度；

(4)再用厚胶作掩模，在衬底顶层硅表面进行高浓度离子注入，并经过快速热退火将注入杂质激活；

(5)在整个结构表面生长氧化硅包层并在其上开窗口，蒸镀金属电极形成欧姆接触，其中窗口位于高掺杂区上方。

9.根据权利要求8所述的硅基并联电容结构高速电光调制器制作方法，其特征在于，所述步骤(1)是这样进行的，SOI片经过直接热氧化后形成第一层栅氧化层，在第一层栅氧化层上外延无定形硅，然后高温退火形成多晶硅，掺杂可在外延时进行也可以在退火后离子注入。

10.根据权利要求8所述的硅基并联电容结构高速电光调制器制作方法，其特征在于，所述步骤(2)是这样进行的，一次光刻采用光刻胶作掩模，干法ICP刻蚀形成台面。

11.根据权利要求8所述的硅基并联电容结构高速电光调制器制作方法，其特征在于，调制区电极采用交叉电极结构，正、负电极间距大于套刻精度。

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