CN106291990A - 硅基注氧电容型电光调制器 - Google Patents

Abstract

一种硅基注氧电容型电光调制器，从下到上依次为：硅衬底、二氧化硅下包层、n型轻掺杂单晶硅层、二氧化硅隔离层、p型轻掺杂单晶硅层、二氧化硅上包层和金属电极层。本发明采用氧离子注入隔离技术，可实现硅基光子器件与硅基微电子器件的集成。所述的电容调制部分采用单晶硅波导，波导传输损耗更小，本发明具有结构简单、易设计制备和成本低的特点。

Description

硅基注氧电容型电光调制器

技术领域

本发明涉及电光调制，特别是一种硅基注氧电容型电光调制器。

背景技术

硅基光子器件凭借其低功耗、低成本、微型化、与传统微电子加工工艺兼容等优势，成为未来光通信技术发展中不可或缺的一部分。作为光传输网络中电光转换的关键器件之一，调制器一直以来都是研究者们关注的热点，其性能的好坏将直接影响整个光通信系统的优劣。

现有的硅基调制器大都基于自由载流子色散效应，即改变硅波导中自由载流子浓度来改变波导的有效折射率，实现光传输相位的调制；另外，对波导进行不同浓度的掺杂及改变载流子扩散或漂移速率，可以同时提高调制器的调制速率和调制效率。传统上利用自由载流子色散效应实现电光调制的方式分为三种：载流子累积型、载流子注入型和载流子耗尽型；其中载流子累积型的调制速率与调制效率介于载流子注入型和载流子耗尽型二者之间。2004年，Intel公司在Nature杂志上首次提出了一个调制带宽超过1GHz的全硅调制器，该调制器采用一种载流子累积型金属氧化物半导体(MOS)电容型结构，在下层n型掺杂的多晶硅平板波导层与上层p型掺杂的外延多晶硅脊型波导区域中间制作有一层隔离的栅氧层，加电后，电子和空穴迅速在栅氧层两侧大量累积，实现附近区域波导折射率的改变，从而实现高速的电光调制，但因该调制波导层采用外延生长多晶硅方式，致使调制器的波导传输损耗较高。2013年，Cisco公司在OFC国际会议上提出了一种硅-绝缘层-硅的电容(SISCAP)结构，实现了一种紧凑的、驱动电压极低的高阶调制器，但缺点是该调制器插入损耗要高出普通铌酸锂调制器4-5dB，在于他们使用的调制器波导部分亦为多晶硅结构，造成了较高的吸收损耗。

2005年，Bahram Jalali等人在APPLIED PHYSICS LETTERS杂志上提及他们使用了一种修正后的氧离子注入隔离技术(SIMOX 3-D Sculpting)，可用来实现三维的硅基光电子单片集成，通过控制不同的氧离子注入剂量和能量，能在SOI顶层硅波导层或者是硅衬底层中的任意位置退火氧化形成一层二氧化硅薄层，从而将一层硅波导隔离成上下两硅波导层，同时用来设计并制作硅基光子器件和硅基微电子器件，实现真正的三维光电子集成技术。

发明内容

本发明针对上述问题和现有技术的不足，提出一种硅基注氧电容型电光调制器，该硅基电光调制器采用氧离子注入隔离技术，实现硅基光子器件与硅基微电子器件的集成。所述的电容调制部分采用单晶硅波导，波导传输损耗更小，具有结构简单、易设计制备和成本低的特点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种硅基注氧电容型电光调制器，其特点在于，从下到上依次为：硅衬底、二氧化硅下包层、n型轻掺杂单晶硅层、二氧化硅隔离层、p型轻掺杂单晶硅层、二氧化硅上包层和金属电极层，所述的n型轻掺杂单晶硅层、二氧化硅隔离层和p型轻掺杂单晶硅层构成电容，所述的n型轻掺杂单晶硅层和p型轻掺杂单晶硅层形成电容的上下极板，所述的n型轻掺杂单晶硅层、二氧化硅隔离层和p型轻掺杂单晶硅层的中间区域形成脊型波导，在所述的n型轻掺杂单晶硅层的脊型波导的左侧为n型重掺杂区，在所述的p型轻掺杂单晶硅层的脊型波导的右侧为p型重掺杂区，在所述的二氧化硅上包层中位于所述的脊型波导的两侧均具有通孔，分别与所述的n型重掺杂区和p型重掺杂区相连，所述的金属电极层的金属填充所述的通孔，分别经所述的n型重掺杂区和p型重掺杂区与所述的电容的下极板n型轻掺杂单晶硅层和上极板p型轻掺杂单晶硅层相连。

所述的n型轻掺杂单晶硅层的厚度为50-200nm、二氧化硅隔离层的厚度为10-100nm，所述的p型轻掺杂单晶硅层的厚度为50-200nm，所述的脊型波导的宽度为0.3-1μm，凸条台阶高度为100-400nm。

所述的n型重掺杂区与波导边缘距离大于0.2μm，所述的p型重掺杂区与波导边缘的距离大于0.2μm。

所述的n型轻掺杂区和p型轻掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3,所述的n型重掺杂区和p型重掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10²⁹cm^-3。

所述的二氧化硅隔离层的厚度小于100nm。

所述的金属电极层材料为铝、铜或金。

所述二氧化硅隔离层通过在SOI硅片顶层硅内注入氧离子后退火氧化形成，厚度小于100nm。通过控制不同的氧离子注入剂量和注入能量可实现不同厚度及不同深度的二氧化硅隔离层。二氧化硅隔离层由离子注入形成，确保二氧化硅上下两侧的硅材料为单晶硅，以减小硅波导传输损耗。

所述金属电极层为铝、铜、金等用于传输高速电信号的金属，填充通孔，与n型和p型重掺杂区接触，外部高速微波信号通过金属层连接到波导内电容。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用普通电容型结构，通过氧离子注入及高温退火氧化等步骤在硅波导中形成一层薄薄的二氧化硅隔离层，而隔离层的上硅层、下硅层分别通过不同极性离子注入掺杂，形成电容的上下极板，以此保证该结构整个硅波导层均为单晶硅结构，可减小调制器的传输损耗。

2)本发明采用氧离子注入隔离技术，实现硅基光子器件与硅基微电子器件的集成。所述的电容调制部分采用单晶硅波导，波导传输损耗更小，本发明具有结构简单、易设计制备和成本低的特点。的结构简单，易设计和制备，成本低。

附图说明

图1为本发明硅基注氧电容型电光调制器的实施例1的结构示意图

图2为本发明硅基注氧电容型电光调制器的实施例2的结构示意图

图3为本发明硅基注氧电容型电光调制器的工艺制作流图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，本实施例在以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1，图1为本发明硅基注氧电容型电光调制器实施例1的结构示意图，由图可见，本发明硅基注氧电容型电光调制器，从下到上依次为：硅衬底11、二氧化硅下包层12、n型轻掺杂单晶硅层13、二氧化硅隔离层14、p型轻掺杂单晶硅层16、二氧化硅上包层19和金属电极层10，所述的n型轻掺杂单晶硅层13、二氧化硅隔离层14和p型轻掺杂单晶硅层16构成电容，所述的n型轻掺杂单晶硅层13和p型轻掺杂单晶硅层16形成电容的上下极板，所述的n型轻掺杂单晶硅层13、二氧化硅隔离层14和p型轻掺杂单晶硅层16的中间区域形成脊型波导，在所述的n型轻掺杂单晶硅层13的脊型波导的左侧为n型重掺杂区17，在p型轻掺杂单晶硅层16的脊型波导的右侧为p型重掺杂区15，在所述的二氧化硅上包层19中位于所述的脊型波导的两侧均具有通孔18，分别与所述的n型重掺杂区17和p型重掺杂区15相连，所述的金属电极层10的金属填充所述的通孔18，分别经所述的n型重掺杂区17和p型重掺杂区15与所述的电容的下极板n型轻掺杂单晶硅层13和上极板p型轻掺杂单晶硅层16相连。

在本实施例中，二氧化硅下包层12厚度为2μm，n型轻掺杂单晶硅层13的厚度H₁为120nm、二氧化硅隔离层14的厚度为10nm、p型轻掺杂单晶硅层16的厚度H₂为90nm，区域13、14、16这三层材料构成电容，通过形成凸条形状，构成脊型波导，该脊型波导的宽度W为0.5μm，凸条台阶高度H₃为160nm。

所述的n型重掺杂区域17，与波导边缘距离0.35μm，宽为7μm，所述的p型重掺杂区域15，与波导边缘距离为0.35μm，宽为7μm。

所述的n型和p型轻掺杂区浓度均为1×10¹⁸cm^-3，n型和p型重掺杂区浓度为1×10²⁰cm^-3。

所述二氧化硅隔离层14通过在SOI硅片顶层硅内注入氧离子后退火氧化形成，氧离子注入剂量为5×10¹⁷cm^-2，能量为100keV，而后经1300℃高温退火进行氧化，以确保二氧化硅隔离层14上下两侧的硅材料为单晶硅。

所述的二氧化硅上包层19中制作有通孔18，分别位于脊型波导两侧，与n型重掺杂区17和p型重掺杂区15相连，所述的距离重掺杂区域15、17与所述的脊型波导的距离为2μm，所述的通孔宽为3μm。

所述金属电极层10为铝用于传输高速电信号，并填充通孔18，与n型重掺杂区17和p型重掺杂区15接触，外部高速微波信号通过金属层18连接到波导内电容。

图3是本发明硅基注氧电容型电光调制器实施例1的工艺制作流图，包括以下步骤：

1)对清洗后的SOI硅基芯片的顶层硅波导层进行低浓度n型磷离子注入，使得顶层硅波导层为均匀的n型轻掺杂单晶硅波导层13；

2)对n型轻掺杂单晶硅波导层13注入氧离子，为实现凸起形状的中间隔离层，在n型波导上覆盖部分氮化硅作为硬掩膜版，以此减缓掩膜版覆盖以下区域的氧离子注入深度，氧离子注入完毕后进行高温退火，以实现均匀的二氧化硅隔离薄层14；

3)干法刻蚀所述的n型轻掺杂单晶硅波导层13形成脊型结构；

4)对脊型硅波导进行低浓度p型硼离子浅层16注入，使得二氧化硅隔离薄层14以上为p型轻掺杂单晶硅波导层16；

5)在远离所述的脊型硅波导的左侧，干法刻蚀p型轻掺杂单晶硅波导层13和二氧化硅隔离薄层14，在该左侧进行高浓度n型磷离子注入，形成n型重掺杂区17；

6)对所述的脊型区域的右侧远离所述的脊型硅波导的p型轻掺杂单晶硅波导层16进行高浓度p型硼离子注入，形成p型重掺杂区域15；

7)在所有掺杂结束后进行快速热退火激活掺杂离子；

8)采用等离子体增强化学汽相沉积法在上述结构上表面沉积二氧化硅上包层19；

9)在二氧化硅上包层19中刻蚀通孔18；

10)在通孔18的上表面溅射金属铝，填充通孔，并刻蚀铝形成金属电极层10。

图2为本发明硅基注氧电容型电光调制器实施例2的结构示意图，实施例2的制备工艺与实施例1的制备工艺与的不同在于：

在完成实施例1的硅波导层工艺制作步骤2)后，对图1中波导右侧的n型轻掺杂单晶硅波导层13进一步采用氧离子注入技术，高温氧化成二氧化硅隔离层14；另外，在第二次刻蚀步骤5)中将波导层脊型区的左侧的p型轻掺杂单晶硅全部刻蚀掉，以此减小波导电容大小，实现更高的调制速率。

Claims (6)

1.一种硅基注氧电容型电光调制器，其特征在于，该结构从下到上依次为：硅衬底(11)、二氧化硅下包层(12)、n型轻掺杂单晶硅层(13)、二氧化硅隔离层(14)、p型轻掺杂单晶硅层(16)、二氧化硅上包层(19)和金属电极层(10)，所述的n型轻掺杂单晶硅层(13)、二氧化硅隔离层(14)和p型轻掺杂单晶硅层(16)构成电容，所述的n型轻掺杂单晶硅层(13)和p型轻掺杂单晶硅层(16)形成电容的上下极板，所述的n型轻掺杂单晶硅层(13)、二氧化硅隔离层(14)和p型轻掺杂单晶硅层(16)的中间区域形成脊型波导，在所述的n型轻掺杂单晶硅层(13)的脊型波导的左侧为n型重掺杂区(17)，在p型轻掺杂单晶硅层(16)的脊型波导的右侧为p型重掺杂区(15)，在所述的二氧化硅上包层(19)中位于所述的脊型波导的两侧均具有通孔(18)，分别与所述的n型重掺杂区(17)和p型重掺杂区(15)相连，所述的金属电极层(10)的金属填充所述的通孔(18)，分别经所述的n型重掺杂区(17)和p型重掺杂区(15)与所述的电容的下极板n型轻掺杂单晶硅层(13)和上极板p型轻掺杂单晶硅层(16)相连。

2.根据权利要求1所述的硅基注氧电容型电光调制器，其特征在于，所述的n型轻掺杂单晶硅层(13)的厚度为50-200nm、二氧化硅隔离层(14)的厚度为10-100nm、p型轻掺杂单晶硅层(16)的厚度为50-200nm，所述的脊型波导的宽度为0.3-1μm，凸条台阶高度为100-400nm。

3.根据权利要求2所述的硅基注氧电容型电光调制器，其特征在于，所述的n型重掺杂区(17)与波导边缘距离大于0.2μm，所述的p型重掺杂区(15)与波导边缘的距离大于0.2μm。

4.根据权利要求3所述的硅基注氧电容型电光调制器，其特征在于，所述的n型轻掺杂区(13)和p型轻掺杂区(16)的掺杂浓度为1×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3,所述的n型重掺杂区(17)和p型重掺杂区(15)的掺杂浓度为1×10¹⁹～5×10²⁹cm^-3。

5.根据权利要求2所述的硅基注氧电容型电光调制器，其特征在于，所述的二氧化硅隔离层(14)的厚度小于100nm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的硅基注氧电容型电光调制器，其特征在于，所述的金属电极层(10)材料为铝、铜或金。