CN105759468B - 基于斯塔克效应的soup结构光电调制器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器及制作方法，主要解决现有光电调制器中红外光易泄露，晶格失配和制作方法复杂的问题。光电调制器包括：衬底(1)、氧化下包络基座上的硅SOUP结构波导(2)、吸收区(3)、左电极(4)和右电极(5)。制作方法包括：注氧隔离、刻蚀硅波导、刻蚀SOUP结构、刻蚀量子阱、低压化学气相沉积和淀积电极。本发明通过氧化下包络基座上的硅SOUP结构以及晶格适配的量子阱和势垒层使光的损耗减小，吸收谱波长范围变大，同时，本发明通过低压化学气相沉积方法沉积薄膜使制备工艺简单，可用于制备中红外光电调制器。

Description

基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器及制作方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子器件技术领域中的一种基于斯塔克效应的氧化下包络基座上的硅(Silicon on Oxide Undercladding Pedestal：SOUP)结构光电调制器及制作方法。本发明可用于控制光通信的光发射、传输、接受过程中光的强度。
背景技术
光电调制器是高速、短距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。光调制器按照其调制原理来讲，可分为电光、热光、声光、全光等，它们所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、斯塔克效应、载流子色散效应等。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中，光调制器被用于控制光的强度，其作用是非常重要的。到目前为止，由III-V族半导体构成的薄量子阱结构，表现出了很强的斯塔克效应，使得调制器的光学路径长度只有几微米。然而，由III-V族半导体集成的光电调制器工作波长被限制在近红外范围。
硅是应用于电子产品的主要半导体，现在有越来越多的需要将这些组件与光电集成，用于电信和计算机互连。硅光调制器最近已经成功地被研制出来，Soref R.等人在“Mid-infrared photonics in silicon and germanium.”(Nature Photonics.2010)中公开发表了中红外范围的硅基光电子器件。该文章中硅光子器件大多基于绝缘体上硅(SOI)衬底。虽然SOI技术已经推进近红外仪器(近红外)集成光子学，但由于二氧化硅产生光的损耗已超出3.6μm，中红外光易泄露到高折射率的硅衬底中，SOI技术在中红外设备的应用中存在挑战。
西安电子科技大学在其申请的专利“横向IV族元素量子阱光电探测器及制备方法”(申请号：CN201510340409.2，公开号：CN105006500A)中公开了一种基于GeSn-SiGeSn多量子阱的光电探测器。该光电探测器涉及GeSn-SiGeSn多量子阱结构，该结构包括衬底、下电极、吸收区和上电极。该光电探测器通过SiGeSn单晶材料在外延过程中体积改变而在GeSn量子阱材料中产生横向张应变，从而改变GeSn材料带隙，提高了探测器的光谱响应范围。但是，该光电探测器仍然存在的不足之处在于，应变量子阱由于材料间晶格失配，进而产生晶体缺陷——失配位错，这些缺陷导致制备工艺需要复杂的高压工艺条件，影响晶体的外延生长，最终会影响器件的整体光电性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，利用斯塔克效应，提供一种氧化下包络基座上的硅SOUP的晶格适配的光电调制器，以减小光的损耗，增大调制器的吸收谱波长范围。
本发明的具体思路是：到目前为止，硅光调制器已经成功地被研制出来。但传统工艺中根据斯塔克效应制备的硅光调制器还少有先例。在量子阱材料两端加上电压产生的斯塔克效应可以导致半导体能带发生倾斜，电子-空穴对发生空间分离、波函数交叠量减少，并有利于材料发光峰吸收边红移，故斯塔克效应可增大调制器的吸收谱波长范围。氧化下包络基座上的硅SOUP结构，同现有的绝缘体上硅SOI结构相比，SiO2基座间存在空气间隙，在硅波导与基座之间得到一个大的折射率之比可以有效防止引入的中红外光泄露到硅衬底中。根据此原理，本发明依据斯塔克效应制备氧化下包络基座上的硅SOUP结构光电调制器。
本发明的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器，包括：衬底、氧化下包络基座上的硅SOUP结构波导、左电极、吸收区和右电极。吸收区由GeSn量子阱和SiGeSn势垒层横向交叠排列组成；所述量子阱采用Sn组分为0.9的GeSn单晶材料，所述势垒层采用Sn组分为0.15、Ge组分为0.75的SiGeSn单晶材料，GeSn单晶材料与SiGeSn单晶材料间晶格适配；硅波导采用氧化下包络基座上的硅SOUP结构。
本发明的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器的制作方法的具体步骤包括如下：
(1)注氧隔离：
利用注氧隔离方法，将氧离子注入硅中，在硅中形成埋氧化层SiO2，得到位于埋氧化层SiO2上面的硅波导和位于埋氧化层SiO2下面的硅衬底；
(2)刻蚀硅波导：
(2a)利用刻蚀工艺，将硅波导的左端和右端刻蚀去除硅波导长度的百分之一后，将硅波导右侧减薄至硅波导刻蚀之前厚度的7％-8％；
(2b)用丙酮和等离子体清洗15分钟，除去光刻胶，得到刻蚀后的硅波导；
(3)刻蚀SOUP结构：
利用刻蚀工艺，对埋氧化层SiO2进行切边，得到氧化下包络基座上的硅SOUP结构，氧化下包络基座上的硅SOUP结构的下包络基座的下底宽度的取值大于等于上底宽度的取值；
(4)低压化学气相沉积：
(4a)在低压环境下通入前驱气体；
(4b)通入Sn组分为0.9的气态GeSn；
(4c)将工作温度加热至350℃，得到沉积在减薄的硅波导表面上的本征GeSn单晶；
(5)刻蚀量子阱：
利用刻蚀工艺，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱，得到GeSn量子阱与间隙在横向的交叠排列；
(6)低压化学气相沉积：
(6a)在低压环境下通入前驱气体；
(6b)通入气态SiGeSn，其中，Ge的组分为0.75、Sn的组分为0.15；
(6c)将工作温度加热至350-450℃，得到沉积在横向量子阱的间隙中的SiGeSn势垒层；
(7)淀积电极：
将铝/钛金属依次进行蒸发、升空、快速热退火的处理后，得到两端具有矩形框体欧姆接触的光电调制器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，由于本发明光电调制器中采用氧化下包络基座上的硅SOUP结构，克服了现有技术的中红外光易泄露到高折射率的硅衬底中的缺点，使得本发明具有光损耗小的优点。
第二，由于本发明光电调制器中采用晶格适配的GeSn量子阱和SiGeSn势垒层，克服了现有技术中晶格失配的缺点，使得本发明在斯塔克效应下具有吸收谱波长范围大的优点。
第三，由于本发明光电调制器的制作方法中采用低压化学气相沉积方法沉积薄膜，克服了现有技术中需要复杂的高压工艺条件的缺点，使得本发明具有制备薄膜工艺简单的优点。
附图说明
图1为本发明光电调制器的剖面图；
图2为本发明光电调制器制作方法的流程图；
图3为本发明的光电调制器制作方法的步骤对应的结果图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
参照图1，本发明的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器包括：衬底1、氧化下包络基座上的硅SOUP结构波导2、吸收区3、左电极4和右电极5。其中衬底1采用Si单晶材料。氧化下包络基座上的硅SOUP结构波导2为SiO2下包络基座结构上的单晶Si波导。吸收区3由GeSn量子阱和SiGeSn势垒层横向交叠排列组成。量子阱采用Sn组分为0.9的GeSn单晶材料，势垒层采用Sn组分为0.15、Ge组分为0.75的SiGeSn单晶材料。SiGeSn势垒层的单晶材料晶格常数与GeSn量子阱的单晶材料晶格常数相等。左电极4在硅波导上形成Al/Ti欧姆接触。右电极5在吸收区上形成Al/Ti欧姆接触。
下面结合图2本发明光电调制器制作方法的流程图和图3流程图中每个步骤对应的结果图，对本发明制作基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器及制作方法的步骤做进一步的详细描述。
步骤一：注氧隔离。
利用注氧隔离方法，将剂量为1.8×1018cm-2，能量为200KeV的氧离子注入硅中，在硅中形成埋氧化层SiO2，得到位于埋氧化层SiO2上面的硅波导的结构和位于埋氧化层SiO2下面的硅衬底的结构，如图3(a)所示。
步骤二：刻蚀硅波导。
利用刻蚀工艺，将硅波导的左端和右端刻蚀去除硅波导长度的百分之一后，将硅波导右侧减薄至硅波导刻蚀之前厚度的7％-8％，再用丙酮和等离子体清洗15分钟，除去光刻胶，得到刻蚀后的硅波导的结构，如图3(b)所示。
步骤三：刻蚀SOUP结构。
利用刻蚀工艺，对埋氧化层SiO2进行切边，得到氧化下包络基座上的硅SOUP结构，如图3(c)所示，氧化下包络基座上的硅SOUP结构的下包络基座的下底宽度的取值大于等于上底宽度的取值。
步骤四：低压化学气相沉积。
在低压环境下通入前驱气体，其中前驱气体采用Ge2H6或SnCl4，当工作压强为120Pa时，采用Ge2H6，当工作压强为0.6Pa时，采用SnCl4。然后通入Sn组分为0.9的气态GeSn，最后将工作温度加热至350℃，得到沉积在减薄的硅波导表面上的本征GeSn单晶的结构，如图3(d)所示。
步骤五：刻蚀量子阱。
利用刻蚀工艺，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱，得到GeSn量子阱与间隙在横向的交叠排列的结构，如图3(e)所示。
步骤六：低压化学气相沉积。
在低压环境下通入前驱气体，其中前驱气体采用Si2H6、Ge2H6或SnCl4，当工作压强为60Pa时，采用Si2H6，当工作压强为120Pa时，采用Ge2H6，当工作压强为0.6Pa时，采用SnCl4。然后通入气态SiGeSn，其中，Ge的组分为0.75、Sn的组分为0.15。最后将工作温度加热至350-450℃，得到沉积在横向量子阱的间隙中的SiGeSn势垒层的结构，如图3(e)所示。
步骤七：淀积电极。
将依次进行铝/钛金属蒸发、升空、快速热退火的处理后，得到两端具有矩形框体欧姆接触的光电调制器的结构，如图3(f)所示。
为了说明本发明易制备出质量较好的光电调制器，本发明基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器的制作方法，在Ge2H6或SnCl4前驱气体中制备基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器，给出如下两种实施例。
实施例1：以Ge2H6作为前驱气体制备基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器。
步骤一：注氧隔离。
利用注氧隔离方法，将剂量为1.8×1018cm-2，能量为200KeV的氧离子注入硅中，在硅中形成埋氧化层SiO2，得到位于埋氧化层SiO2上面的硅波导的结构和位于埋氧化层SiO2下面的硅衬底的结构，如图3(a)所示。
步骤二：刻蚀硅波导。
利用刻蚀工艺，将硅波导的左端和右端刻蚀去除硅波导长度的百分之一后，将硅波导右侧减薄至硅波导刻蚀之前厚度的7％-8％，再用丙酮和等离子体清洗15分钟，除去光刻胶，得到刻蚀后的硅波导的结构，如图3(b)所示。
步骤三：刻蚀SOUP结构。
利用刻蚀工艺，对埋氧化层SiO2进行切边，得到氧化下包络基座上的硅SOUP结构，如图3(c)所示，氧化下包络基座上的硅SOUP结构的下包络基座的下底宽度的取值大于等于上底宽度的取值。
步骤四：低压化学气相沉积。
在低压环境下通入前驱气体Ge2H6，工作压强0.6Pa时，然后通入Sn组分0.9的气态GeSn，最后将工作温度加热至350℃，得到沉积在减薄的硅波导表面上的本征GeSn单晶的结构，如图3(d)所示。
步骤五：刻蚀量子阱。
利用刻蚀工艺，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱，得到GeSn量子阱与间隙在横向的交叠排列的结构，如图3(e)所示。
步骤六：低压化学气相沉积。
在低压环境下通入前驱气体，其中前驱气体采用Si2H6、Ge2H6或SnCl4，当工作压强为60Pa时，采用Si2H6，当工作压强为120Pa时，采用Ge2H6，当工作压强为0.6Pa时，采用SnCl4。然后通入气态SiGeSn，其中，Ge的组分为0.75、Sn的组分为0.15，最后将工作温度加热至350-450℃，得到沉积在横向量子阱的间隙中的SiGeSn势垒层的结构，如图3(e)所示。
步骤七：淀积电极。
将铝/钛金属依次进行蒸发、升空、快速热退火的处理后，得到两端具有矩形框体欧姆接触的光电调制器的结构，如图3(f)所示。
实施例2：以Si2H6作为前驱气体制备基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器。
步骤一：注氧隔离。
利用注氧隔离方法，将剂量为1.8×1018cm-2，能量为200KeV的氧离子注入硅中，在硅中形成埋氧化层SiO2，得到位于埋氧化层SiO2上面的硅波导的结构和位于埋氧化层SiO2下面的硅衬底的结构，如图3(a)所示。
步骤二：刻蚀硅波导。
利用刻蚀工艺，将硅波导的左端和右端刻蚀去除硅波导长度的百分之一后，将硅波导右侧减薄至硅波导刻蚀之前厚度的7％-8％，再用丙酮和等离子体清洗15分钟，除去光刻胶，得到刻蚀后的硅波导的结构，如图3(b)所示。
步骤三：刻蚀SOUP结构。
利用刻蚀工艺，对埋氧化层SiO2进行切边，得到氧化下包络基座上的硅SOUP结构，如图3(c)所示，氧化下包络基座上的硅SOUP结构的下包络基座的下底宽度的取值大于等于上底宽度的取值。
步骤四：低压化学气相沉积。
在低压环境下通入前驱气体Si2H6，工作压强为120Pa时，然后通入Sn组分为0.9的气态GeSn，最后将工作温度加热至350℃，得到沉积在减薄的硅波导表面上的本征GeSn单晶的结构，如图3(d)所示。
步骤五：刻蚀量子阱。
利用刻蚀工艺，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱，得到GeSn量子阱与间隙在横向的交叠排列的结构，如图3(e)所示。
步骤六：低压化学气相沉积。
在低压环境下通入前驱气体，其中前驱气体采用Si2H6、Ge2H6或SnCl4，当工作压强为60Pa时，采用Si2H6，当工作压强为120Pa时，采用Ge2H6，当工作压强为0.6Pa时，采用SnCl4。然后通入气态SiGeSn，其中，Ge的组分为0.75、Sn的组分为0.15，最后将工作温度加热至350-450℃，得到沉积在横向量子阱的间隙中的SiGeSn势垒层的结构，如图3(e)所示。
步骤七：淀积电极。
将铝/钛金属依次进行蒸发、升空、快速热退火的处理后，得到两端具有矩形框体欧姆接触的光电调制器的结构，如图3(f)所示。

Claims (8)

1.一种基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器，包括：衬底(1)、氧化下包络基座上的硅SOUP结构波导(2)、吸收区(3)、左电极(4)和右电极(5)；其特征在于：所述吸收区(3)由GeSn量子阱和SiGeSn势垒层横向交叠排列组成；所述量子阱采用Sn组分为0.9的GeSn单晶材料；所述势垒层采用Sn组分为0.15、Ge组分为0.75的单晶材料。
2.根据权利要求1所述的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器，其特征在于，所述的势垒层的单晶材料晶格常数a1与量子阱的应变单晶材料的晶格常数a2相等。
3.根据权利要求1所述的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器，其特征在于，所述的衬底(1)采用Si单晶材料。
4.根据权利要求1所述的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器，其特征在于，所述的左电极(4)在硅波导上形成Al/Ti欧姆接触；所述的右电极(5)在吸收区上形成Al/Ti欧姆接触。
5.一种基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器制作方法，包括如下步骤：
(1)注氧隔离：
利用注氧隔离方法，将氧离子注入硅中，在硅中形成埋氧化层SiO2，得到位于埋氧化层SiO2上面的硅波导和位于埋氧化层SiO2下面的硅衬底；
(2)刻蚀硅波导：
(2a)利用刻蚀工艺，将硅波导的左端和右端刻蚀去除硅波导长度的百分之一后，将硅波导右侧减薄至硅波导刻蚀之前厚度的7％-8％；
(2b)用丙酮和等离子体清洗15分钟，除去光刻胶，得到刻蚀后的硅波导；
(3)刻蚀SOUP结构：
利用刻蚀工艺，对埋氧化层SiO2进行切边，得到氧化下包络基座上的硅SOUP结构，氧化下包络基座上的硅SOUP结构的下包络基座的下底宽度的取值大于等于上底宽度的取值；
(4)低压化学气相沉积：
(4a)在低压环境下通入前驱气体；
(4b)通入Sn组分为0.9的气态GeSn；
(4c)将工作温度加热至350℃，得到沉积在减薄的硅波导表面上的本征GeSn单晶；
(5)刻蚀量子阱：
利用刻蚀工艺，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱，得到GeSn量子阱与间隙在横向的交叠排列；
(6)低压化学气相沉积：
(6a)在低压环境下通入前驱气体；
(6b)通入气态SiGeSn，其中，Ge的组分为0.75、Sn的组分为0.15；
(6c)将工作温度加热至350-450℃，得到沉积在横向量子阱的间隙中的SiGeSn势垒层；
(7)淀积电极：
将铝/钛金属依次进行蒸发、升空、快速热退火的处理后，得到两端具有矩形框体欧姆接触的光电调制器。
6.根据权利要求5所述的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器制作方法，其特征在于，步骤(1)中所述氧离子的剂量为1.8×1018cm-2，能量为200KeV。
7.根据权利要求5所述的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器制作方法，其特征在于，步骤(4a)所述的前驱气体采用Ge2H6或SnCl4；当工作压强为120Pa时，采用Ge2H6；当工作压强为0.6Pa时，采用SnCl4。
8.根据权利要求5所述的基于斯塔克效应的SOUP结构光电调制器制作方法，其特征在于，步骤(6a)所述的前驱气体采用Si2H6、Ge2H6或SnCl4；当工作压强为60Pa时，采用Si2H6；当工作压强为120Pa时，采用Ge2H6；当工作压强为0.6Pa时，采用SnCl4。
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Pairot Moontragoon 等.Electronic properties calculation of Ge1−x−ySixSny ternary alloy and nanostructure.《Journal of Non-Crystalline Solids》.2012,第358卷第2096-2098页. *
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