CN101666919B - 一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极 - Google Patents
一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极。在绝缘体上的硅材料的顶层硅中部设有硅狭缝波导，包括一侧硅波导、狭缝、另一侧硅波导、以及狭缝底部刻蚀残留的本征硅I或狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅。狭缝中填充同时作为上包层的电光材料。它的一侧硅波导以及与之相连的加上负电压的P型掺杂的硅平板，另一侧硅波导以及与之相连的加上正电压的N型掺杂的硅平板，共同构成了硅狭缝波导的电极。本发明利用硅材料的PN结和PIN结反偏耗尽的特性，通过在狭缝波导的两侧电极部分分别进行N型和P型掺杂，并施加反偏电压形成结区耗尽，在物理上阻断了左右电极之间的导电性，从而能够允许狭缝的刻蚀有残留，增大了刻蚀工艺的容差。
Description
技术领域
本发明涉及光波导电极，特别是涉及一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极。
背景技术
硅基光子技术是实现低成本、高密度的光通信和光互连的重要技术手段之一。然而由于间接带隙的限制，制约了硅材料本身的高速电光调制。目前常用的解决办法是通过载流子注入带来的色散效应，实现对硅材料的间接电光调制，它的速度仅能达到纳秒量级。
2004年提出的硅狭缝波导引入了新的导波概念。它通过一种由两个距离很近的亚微米硅波导及其中间的狭缝组成的整体结构，把光限制在低折射率的狭缝内部，并在狭缝中填充电光材料等具有特殊性能的物质。两侧距离很近的硅波导掺杂直接充当电极，利用大电场强度下电光材料的直接电光效应补充硅材料本身的不足。电光材料的调制速度可达皮秒量级。
目前已有报道的硅狭缝波导的电极，有：在硅波导外侧增加深刻蚀而成的很薄的硅平板作为引出电极，和直接在硅波导侧面刻出等高的梳状引出电极这两种结构，但均采用了对两侧电极进行同类型掺杂(同为N型或同为P型)的方案。这就要求电极中间的狭缝必须刻蚀到绝缘的二氧化硅掩埋层，以防止两侧电极的相互导通。在实际制作中，带来很大的工艺难度。
发明内容
为了增大实际刻蚀工艺的容差，本发明的目的在于提供一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极，在结合硅材料的PN结和PIN结的物理特性的基础上，利用反偏耗尽特性，阻断了两侧电极之间的导电性，降低了电极中间狭缝的刻蚀工艺难度，并能与标准的CMOS工艺很好的兼容。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
在二氧化硅掩埋层上层中部设有硅狭缝波导，硅狭缝波导的电极一侧设有加上负电压的P型掺杂的硅，硅狭缝波导的电极另一侧设有加上正电压的N型掺杂的硅；硅狭缝波导由一侧硅波导、狭缝、另一侧硅波导，以及狭缝底部刻蚀残留的本征硅I或狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅构成，硅狭缝波导的狭缝中填充同时作为上包层的电光材料，电极一侧的P型掺杂的硅在结构上分为两部分：紧邻狭缝处为一侧硅波导，一侧硅波导的另一侧依次连接P型轻掺杂的硅平板以及P型重掺杂的硅平板；电极另一侧的N型掺杂的硅在结构上也分为两部分：紧邻狭缝处为另一侧硅波导，另一侧硅波导的另一侧依次连接N型轻掺杂的硅平板以及N型重掺杂的硅平板。
所述硅狭缝波导的电极的掺杂浓度分为两种：狭缝的一侧硅波导、一侧硅波导相连的P型轻掺杂的硅平板，另一侧硅波导、另一侧硅波导相连的N型轻掺杂的硅平板均为＜1018cm-3轻掺杂；外侧P型重掺杂的硅平板和N型重掺杂的硅平板为＞1020cm-3重掺杂。
所述硅狭缝波导的电极一侧的P型掺杂的硅，其掺杂离子是P型离子；另一侧的N型掺杂的硅，其掺杂离子是N型离子。
所述狭缝底部刻蚀残留的本征硅I或狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅的高度等于零到硅平板高度之间的任意高度。
所述负电压加在P型重掺杂的硅平板上，与P型重掺杂的硅平板相连的P型轻掺杂的硅平板和一侧硅波导由于电荷迁移具有负电；正电压加在N型重掺杂的硅平板上，与N型重掺杂的硅平板相连的N型轻掺杂的硅平板和另一侧硅波导由于电荷迁移具有正电。
本发明具有的有益效果是：
本发明利用硅材料的PN结和PIN结反偏耗尽的特性，通过在狭缝波导的两侧电极部分分别进行N型和P型掺杂，并施加反偏电压形成结区耗尽，在物理上阻断了左右电极之间的导电性，从而能够允许狭缝的刻蚀有残留，增大了刻蚀工艺的容差。且与CMOS平面工艺完全兼容。
附图说明
图1是基于PIN原理的硅狭缝波导及电极的俯视图。
图2是基于PIN原理的硅狭缝波导及电极的剖面图。
图3是基于PN结原理的硅狭缝波导及电极的俯视图。
图4是基于PN结原理的硅狭缝波导及电极的剖面图。
图中：1、硅狭缝波导，2、电极，3、P型掺杂的硅，4、N型掺杂的硅，5、绝缘体上的硅材料，6、顶层硅，7、一侧硅波导，8、另一侧硅波导，9、狭缝，10、狭缝底部刻蚀残留的本征硅I，11、狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅，12、上包层，13、P型轻掺杂的硅平板，14、P型重掺杂的硅平板，15、N型轻掺杂的硅平板，16、N型重掺杂的硅平板，17、衬底硅，18、二氧化硅掩埋层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1-图4所示，本发明的绝缘体上的硅材料5是由顶层硅6、二氧化硅掩埋层18和衬底硅17组成。在二氧化硅掩埋层18上层中部设有硅狭缝波导1，硅狭缝波导1的电极2一侧设有加上负电压的P型掺杂的硅3，硅狭缝波导1的电极2另一侧设有加上正电压的N型掺杂的硅4；硅狭缝波导1由一侧硅波导7、狭缝9、另一侧硅波导8，以及狭缝底部刻蚀残留的本征硅I10(如图1、图2所示)或狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅11(如图3、图4所示)构成，硅狭缝波导1的狭缝9中填充同时作为上包层12的电光材料，电极2一侧的P型掺杂的硅3在结构上分为两部分：紧邻狭缝9处为一侧硅波导7，一侧硅波导7的另一侧依次连接P型轻掺杂的硅平板13以及P型重掺杂的硅平板14；电极2另一侧的N型掺杂的硅4在结构上也分为两部分：紧邻狭缝9处为另一侧硅波导8，另一侧硅波导8的另一侧依次连接N型轻掺杂的硅平板15以及N型重掺杂的硅平板16。硅狭缝波导1的电极2一侧的P型掺杂的硅3和另一侧的N型掺杂的硅4，是可以互换的。
所述硅狭缝波导1的电极2的掺杂浓度分为两种：狭缝9的一侧硅波导7、一侧硅波导7相连的P型轻掺杂的硅平板13，另一侧硅波导8、另一侧硅波导8相连的N型轻掺杂的硅平板15均为＜1018cm-3轻掺杂；外侧P型重掺杂的硅平板14和N型重掺杂的硅平板16为＞1020cm-3重掺杂。
所述硅狭缝波导1的电极2一侧的P型掺杂的硅3，其掺杂离子是P型离子，如硼离子；另一侧的N型掺杂的硅4，其掺杂离子是N型离子，如磷离子。
狭缝底部刻蚀残留的本征硅10或狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅11的高度等于零到硅平板高度之间的任意高度。
负电压加在P型重掺杂的硅平板14上，与P型重掺杂的硅平板14相连的P型轻掺杂的硅平板13和一侧硅波导7由于电荷迁移具有负电；正电压加在N型重掺杂的硅平板16上，与N型重掺杂的硅平板16相连的N型轻掺杂的硅平板15和另一侧硅波导8由于电荷迁移具有正电。
参照图1、图2所示的基于PIN原理的硅狭缝波导及电极。本实施例特别针对于狭缝底部刻蚀残留的硅没有被掺杂的情况，即：狭缝底部刻蚀残留的硅为本征硅I。此时狭缝一侧P型掺杂的波导、另一侧N型掺杂的波导、以及狭缝底部刻蚀残留的本征硅共同构成一个PIN结的结构。当施加反向偏压时，PIN结区不导通，整个结构构成一个电容器。只要当反偏电压引起的电场强度小于硅材料的击穿场强时，即可正常工作。整个过程与掺杂浓度无关。例如当狭缝间距为100nm时，可以工作的电压范围为＞-6V。
参照图3、图4所示的基于PN结原理的硅狭缝波导及电极。本实施例特别针对于狭缝底部刻蚀残留的硅被掺杂的情况，可以完全掺P型离子、完全掺N型离子，或一部分掺入P型离子同时一部分掺入N型离子。由于载流子的扩散和迁移，一般实验中以第三种情况较为普遍。此时狭缝左侧P型波导、右侧N型波导、以及狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅共同构成一个PN结的结构，并在P型和N型交界的区域天然形成一个有一定势垒宽度的内建电场，在这个势垒宽度内，载流子被耗尽而不导电。当施加反向偏压时，势垒区宽度进一步增大，整个结构构成一个电容器。当反偏电压引起的电场强度小于硅材料的击穿场强时，即可正常工作。例如当狭缝间距为100nm，N型硅的轻掺杂的浓度为1017cm-3，P型硅的的轻掺杂浓度为6×1017cm-3时，可以工作的电压范围为＞-12.8V。
Claims (5)
1.一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极，其特征在于：在二氧化硅掩埋层(18)上层中部设有硅狭缝波导(1)，硅狭缝波导(1)的电极(2)一侧设有加上负电压的P型掺杂的硅(3)，硅狭缝波导(1)的电极(2)另一侧设有加上正电压的N型掺杂的硅(4)；硅狭缝波导(1)由一侧硅波导(7)、狭缝(9)、另一侧硅波导(8)，以及狭缝底部刻蚀残留的本征硅I(10)或狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅(11)构成，硅狭缝波导(1)的狭缝(9)中填充同时作为上包层(12)的电光材料，电极(2)一侧的P型掺杂的硅(3)在结构上分为两部分：紧邻狭缝(9)处为一侧硅波导(7)，一侧硅波导(7)的另一侧依次连接P型轻掺杂的硅平板(13)以及P型重掺杂的硅平板(14)；电极(2)另一侧的N型掺杂的硅(4)在结构上也分为两部分：紧邻狭缝(9)处为另一侧硅波导(8)，另一侧硅波导(8)的另一侧依次连接N型轻掺杂的硅平板(15)以及N型重掺杂的硅平板(16)。
2.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极，其特征在于：所述硅狭缝波导(1)的电极(2)的掺杂浓度分为两种：狭缝(9)的一侧硅波导(7)、一侧硅波导(7)相连的P型轻掺杂的硅平板(13)，另一侧硅波导(8)、另一侧硅波导(8)相连的N型轻掺杂的硅平板(15)均为＜1018cm-3轻掺杂；外侧P型重掺杂的硅平板(14)和N型重掺杂的硅平板(16)为＞1020cm-3重掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极，其特征在于：所述硅狭缝波导(1)的电极(2)一侧的P型掺杂的硅(3)，其掺杂离子是P型离子；另一侧的N型掺杂的硅(4)，其掺杂离子是N型离子。
4.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极，其特征在于：所述狭缝底部刻蚀残留的本征硅(10)或狭缝底部刻蚀残留的P型掺杂的硅或N型掺杂的硅(11)的高度等于零到硅平板高度之间的任意高度。
5.根据权利要求1所述的一种具有刻蚀容差的硅狭缝波导电极，其特征在于：所述负电压加在P型重掺杂的硅平板(14)上，与P型重掺杂的硅平板(14)相连的P型轻掺杂的硅平板(13)和一侧硅波导(7)由于电荷迁移具有负电；正电压加在N型重掺杂的硅平板(16)上，与N型重掺杂的硅平板(16)相连的N型轻掺杂的硅平板(15)和另一侧硅波导(8)由于电荷迁移具有正电。
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