CN100514099C - 双电容金属氧化物半导体硅基高速高调制效率电光调制器 - Google Patents

Abstract

一种双电容MOS硅基高速高调制效率电光调制器，包括一SOI衬底；一二氧化硅掩埋层位于SOI衬底上；一p型单晶硅层为SOI衬底上的单晶硅，在p型单晶硅层的两侧形成栅氧化层；一p+注入层制作在p型单晶硅层的上面；一n型单晶硅层制作在二氧化硅掩埋层上及p型单晶硅层表面的栅氧化层的两侧，该n型单晶硅层和p型单晶硅层一起形成脊形波导结构；一n+注入层制作在n型单晶硅层脊形波导结构两侧的平面上；一金属接触层制作在p+注入层上面的中间位置及n+注入层上面的中间位置，分别形成调制器的正负电极；一氧化层，该氧化层制作在n型单晶硅层和p型单晶硅层的表面，起到保护作用。

Description

双电容金属氧化物半导体硅基高速高调制效率电光调制器

技术领域

本发明涉及一种电光调制器，特别涉及一种与现代大规模集成电路工艺兼容的双电容MOS硅基高速高调制效率电光调制器。

背景技术

集成电路的集成度按照摩尔定律每两年翻一番的速度飞速向前发展，晶体管尺寸和互连线尺寸同步缩小使芯片集成度越来越高，费用越来越低。虽然随着集成度的提高，单个晶体管的延时越来越小，然而互连线的延时却越来越大。这是因为互连线尺寸的减小使互连线电阻增加，虽然目前采用铜互连代替以前的铝互连能在一定程度上减小电阻和互连线的电迁移率问题，然而当互连线尺寸进一步减小时，铜互连仍然遇到了延时和功耗的瓶颈。此外，随着铜互连线尺寸的减小，表面散射越来越严重从而使互连线电阻进一步增加。当互连线宽度小于50nm时，这种表面散射的影响将变得非常显著，并且严重依赖于金属淀积技术。这些电互连固有的电阻、延时、功率损失及电磁干扰等问题成为制约微电子集成电路发展的瓶颈，使人们把目光转向了光互连。光互连能解决电互连固有的瓶颈，具有高带宽、抗干扰和低功耗等优点，可用于系统芯片中时钟信号传输，解决信号的相互干扰和时钟歪斜问题。

为了实现光互连必须借助于调制器将电信号调制成光信号。和其他光电子器件一样，目前调制器所用材料都是基于III-V族化合物半导体材料以及具有强线性电光系数的LiNbO₃。之所以人们较少考虑将硅作为调制器材料是因为硅是反演对称晶体结构不具备线性电光效应，难以实现高速电光调制。传统的基于等离子色散效应的PIN波导型电光调制器速度最高也只有20MHz。2004年，《Nature》杂志上报道的硅基MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)型电容器结构调制器将调制速率提高到了1GHz。虽然这种MOS型电容器结构调制器大大提高了速度，但是这种结构的载流子积累区域只集中在栅氧化层两侧的薄层内，载流子和光场交叠面积小，因此载流子引起折射率的变化较小，调制效率低下，需要很长的调制长度才能达到π相移。低的调制效率还引起功耗的增加，需要较大的注入电流。工作在大电流下的硅基调制器会引起器件温度的升高，温度的升高会由于热光效应引起硅折射率的增大，抵消了等离子色散效应引起的折射率的减小，从而可能使器件失效。因此有必要对该结构调制器进行改进，在满足高速调制下同时实现高效率调制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种双纵向栅氧化层结构MOS调制器，提高MOS调制器的调制效率，减小调制长度和功耗。这种双纵向栅氧化层结构MOS调制器在SOI衬底上制作，其制作工艺与于现代大规模集成电路工艺兼容，易于实现光电子集成。

本发明一种双电容MOS硅基高速高调制效率电光调制器，其特征在于，包括：

一SOI衬底；

一二氧化硅掩埋层，该二氧化硅掩埋层位于SOI衬底上；

一p型单晶硅层，该p型单晶硅层为SOI衬底上的单晶硅，在p型单晶硅层的两侧形成栅氧化层；

一p+注入层，该p+注入层制作在p型单晶硅层的上面；

一n型单晶硅层，该n型单晶硅层制作在二氧化硅掩埋层上及p型单晶硅层表面的栅氧化层的两侧，该n型单晶硅层和p型单晶硅层一起形成脊形波导结构；

一n+注入层，该n+注入层制作在n型单晶硅层脊形波导结构两侧的平面上；

金属接触层，该金属接触层制作在p+注入层上面的中间位置及n+注入层上面的中间位置，分别形成调制器的正负电极；

一氧化层，该氧化层制作在n型单晶硅层和p型单晶硅层的表面，起到保护作用。

其中栅氧化层的厚度为10nm。

其中p+注入层的注入深度小于0.5μm，以减小重掺杂欧姆接触对光场的吸收损耗。

其中n+注入层的注入深度小于0.5μm，以减小重掺杂欧姆接触对光场的吸收损耗。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1表示本发明的结构剖面图；

图2表示入射光场在调制器中分布图；

图3(a)及图3(b)表示不同外加正向偏压下，调制器中载流子分布图；

图4表示不同的调制长度下，不同的正向偏压引起的相位变化图。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明的具体实施方式。

请参阅图1，图1表示双纵向栅氧化层结构MOS调制器的结构剖面图，本发明一种双电容MOS硅基高速高调制效率电光调制器，包括：

一衬底10；

一二氧化硅掩埋层11，该二氧化硅掩埋层11位于衬底10上；

一p型单晶硅层18，该p型单晶硅层18为衬底上的单晶硅，在p型单晶硅层18的两侧形成栅氧化层17；

一p+注入层16，该p+注入层16制作在p型单晶硅层18的上面；

一n型单晶硅层12，该n型单晶硅层12制作在二氧化硅掩埋层11上及p型单晶硅层18表面的栅氧化层17的两侧，该n型单晶硅层12和p型单晶硅层18一起形成脊形波导结构；

一n+注入层13，该n+注入层13制作在n型单晶硅层12凸起两侧的平面上；

一金属接触层14，该金属接触层14制作在p+注入层16上面的中间位置及n+注入层13上面的中间位置，分别形成调制器的正负电极；

一氧化层15，该氧化层15制作在n型单晶硅层12和p型单晶硅层18的表面，起到保护作用；

其中p型单晶硅层18为SOI衬底上的p-Si，通过将SOI衬底上多余的Si刻蚀掉留下需要的柱状p型单晶硅部分。栅氧化层17为通过在p型单晶硅层18上高温干氧生长形成。n型单晶硅层12为通过将SOI衬底上的p-Si刻蚀后，在二氧化硅掩埋层11上外延生长形成。之所以生长单晶硅是为了减小其对光场吸收损耗，考虑到生长单晶硅工艺的复杂性也可以改成生长工艺上较为容易的多晶硅，但代价是多晶硅对光场的吸收较大引起较大的吸收损耗。电极的制作通过常规的欧姆接触即可获得，需要注意的是，为了减少电极的重掺杂欧姆接触对光场的吸收以减小损耗，欧姆接触的重掺杂注入层厚度应该较小，即：p+注入层16和的n+注入层13注入深度应该小于0.5μm。注入层的厚度越薄越有利于减小吸收损耗，但代价是欧姆接触的电阻可能增加。最后在调制器表面生长一层氧化层15作为保护层。

夹在n型单晶硅层12和p型单晶硅层18之间的栅氧化层17充当了电容器的电介质绝缘层，因此该结构可等效于两个电容器的并联。当在电极上加正向偏压时，与普通电容器一样，在电介质绝缘层——栅氧化层17两侧会出现多子积累。积累的载流子通过等离子色散效应减小了脊形波导的折射率，从而改变了入射光场相位。适当的选择正向偏压值和调制长度，使相位改变π。相位相差π的两束光经过Mach-Zehnder型Y分支干涉仪时发生干涉，从而形成光强的调制。

图2表示入射光场在调制器中分布图，由图可见大部分光场被限制在脊形波导区域，光场振幅最大处位于p型单晶硅层18中。这与普通的脊形波导对光场的限制作用是一样的，原因是栅氧化层17的厚度很薄，对光场的影响可忽略。图3表示在外加正向偏压下，调制器中载流子分布图。图3(a)为在零偏压下，在y＝3μm截面处的载流子分布，由于MOS电容器平带电压的作用，在栅氧化层17两侧载流子浓度较小。当外加5V正向偏压时，会在栅氧化层17两侧出现载流子积累，如图3(b)所示。

由此可见：在外加偏压下，栅氧化层17两侧都是既分布着较大振幅的光场又存在着多子积累。其载流子和光场交叠的面积相当于两个电容器的表面积，远远大于《Nature》杂志上报道的单电容MOS调制器一个电容的表面积，因此大大提高了调制效率。

图4表示不同的调制长度下，不同的正向偏压引起的相位变化图。由图可见在10V正向偏压下，调制长度为4mm就足以实现π相移。大大小于调制长度为10mm的单电容型MOS调制器。

本发明提出了一种双纵向栅氧化层结构MOS调制器，能显著提高普通单电容型MOS调制器的调制效率，减小调制长度和功耗。这种双纵向栅氧化层结构MOS调制器在SOI衬底上制作，其制作工艺与于现代大规模集成电路工艺兼容，易于实现光电子集成。本发明提出的双纵向栅氧化层结构MOS型硅基电光调制器，以其高速高调制效率的良好特性，有望在下一代光电子集成回路(OEIC)和片上光互连中产生重要影响。

Claims (4)

1、一种双电容MOS硅基高速高调制效率电光调制器，其特征在于，包括：

一SOI衬底；

一二氧化硅掩埋层，该二氧化硅掩埋层位于SOI衬底上；

一p型单晶硅层，该p型单晶硅层为SOI衬底上的单晶硅，在p型单晶硅层的两侧形成栅氧化层；

一p+注入层，该p+注入层制作在p型单晶硅层的上面；

一n型单晶硅层，该n型单晶硅层制作在二氧化硅掩埋层上及p型单晶硅层表面的栅氧化层的两侧，该n型单晶硅层和p型单晶硅层一起形成脊形波导结构；

一n+注入层，该n+注入层制作在n型单晶硅层脊形波导结构两侧的平面上；

金属接触层，该金属接触层制作在p+注入层上面的中间位置及n+注入层上面的中间位置，分别形成调制器的正负电极；

一氧化层，该氧化层制作在n型单晶硅层和p型单晶硅层的表面，起到保护作用。

2、根据权利要求1所述的双电容MOS硅基高速高调制效率电光调制器，其特征在于，其中栅氧化层的厚度为10nm。

3、根据权利要求1所述的双电容MOS硅基高速高调制效率电光调制器，其特征在于，其中p+注入层的注入深度小于0.5μm，以减小重掺杂欧姆接触对光场的吸收损耗。

4、根据权利要求1所述的双电容MOS硅基高速高调制效率电光调制器，其特征在于，其中n+注入层的注入深度小于0.5μm，以减小重掺杂欧姆接触对光场的吸收损耗。

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