CN109683354A - 一种中红外波段调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种中红外波段调制器的制备方法，包括：步骤1：SOI衬底顶层硅(1)与N型InSb衬底(20)真空键合；步骤2：减薄N型InSb衬底(20)后刻蚀出脊形N型InSb结构(2)，该脊形N型InSb结构(2)包括中间的脊形和两侧的平板区；步骤3：将平板区转变为P型InSb结构(3)，或者，将凸出于平板区的脊形转变为P型InSb结构(3)，同时，使得在N型InSb结构(2)与P型InSb结构(3)之间形成中性区I区(4)；步骤4：对脊形一侧的平板区进行光刻腐蚀，保留另一侧的平板区；步骤5：制备钝化保护层(5)；步骤6：制备N电极(6)和P电极(7)。本公开还提供了一种中红外波段调制器。
Description
技术领域
本公开涉及半导体器件技术领域，具体地，涉及一种中红外波段调制器及其制备方法。
背景技术
中红外(mid-IR)波长是硅光子学的一个重要领域，不仅用于传感应用，而且可以作为通信基础设施的并行通信窗口。当通信接近传统单模光纤(SMF)的理论容量极限时，与最佳单模光纤相比，空芯光子带隙光纤(HC-PBGF)具有更低的预测损耗和非线性，且其最低损耗计算值在中红外附近，这为通信开辟了一个新的波段。Milos和Soref指出，1-14μm波段覆盖了很多重要的化学生物分子的基本吸收特性，对于这一波段折射率及吸收系数的解析，可以拓展我们的应用到3-5μm和8-14μm的大气窗口。Soref预测，对于超快长距离或短距离光纤通信的收发模块，工作在中红外附近，需要用空芯光纤和光子能带技术，并提到了包括GeSn在内的材料系。现有技术中GeSn用于探测器已经有先例，但是用于调制器目前还只是理论设计阶段；另一种方法就是微环共振腔调制器(MRRM)，MRRM的光学带宽较窄。因此，长波调制器还有很大的发展空间。
对于混合集成III-V/Si调制器，国内外集中于1.3μm或1.55μm波段。本发明基于InSb或InAs等III-V族材料(其作为2-5μm波段探测器的主要材料)，设计了基于硅基光子集成平台上的中红外波段调制器，使其工作在中红外波长的同时，能实现与CMOS工艺兼容，具有较强的调制效应，并能用于中红外波段光子集成芯片上。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种中红外波段调制器及其制备方法，至少解决以上技术问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种中红外波段调制器的制备方法，包括：步骤1：将SOI衬底顶层硅与N型InSb衬底进行真空键合；步骤2：减薄所述N型InSb衬底，并对减薄后的所述N型InSb衬底进行光刻以腐蚀出脊形N型InSb结构，其中，所述脊形N型InSb结构包括中间的脊形和两侧的平板区；步骤3：将所述平板区转变为P型InSb结构，或者，将凸出于所述平板区的脊形转变为所述P型InSb结构，同时，在所述N型InSb结构与P型InSb结构之间形成有中性区I区；步骤4：对所述脊形一侧的平板区进行刻蚀，保留另一侧的平板区；步骤5：在所述SOI衬底顶层硅、N型InSb结构、P型InSb结构和中性区I区的表面形成钝化保护层，或者在所述SOI衬底顶层硅、N型InSb结构和P型InSb结构的表面形成钝化保护层；步骤6：分别在所述N型InSb结构和P型InSb结构上制备N电极和P电极。
可选地，在减薄后的所述N型InSb衬底上生长SiO2薄膜或Si3N4薄膜，并甩胶进行光刻。
可选地，所述步骤2中生长的SiO2薄膜或Si3N4薄膜的厚度为300-500nm。
可选地，所述脊形N型InSb结构脊形的宽度为5-8μm，所述脊形N型InSb结构平板区的高度为5-8μm，所述脊形N型InSb结构脊形与平板区之间的高度差为7-10μm。
可选地，所述N型InSb结构的掺杂浓度为1×1014～15cm-3。
可选地，所述P型InSb结构的掺杂浓度为5×1017cm-3。
可选地，所述步骤1中真空键合的真空度为10-4-10-5Pa，真空键合的压力为1-5Mpa，真空键合的温度为30℃-400℃的阶梯状温度。
可选地，减薄后的所述N型InSb衬底的厚度为10-15μm。
可选地，所述N电极和P电极为行波电极。
本公开还提供了一种中红外波段调制器，包括：SOI衬底顶层硅；N型InSb结构，与所述SOI衬底顶层硅键合；P型InSb结构，在所述SOI衬底顶层硅上形成，或者在所述N型InSb结构上形成，并与所述N型InSb结构形成PN结；中性区I区，在所述PN结的界面处形成；钝化保护层，外延生长所述SOI衬底顶层硅、N型InSb结构、P型InSb结构和中性区I区的表面，或者外延生长在所述SOI衬底顶层硅、N型InSb结构和P型InSb结构的表面；N电极，在所述N型InSb结构上制作；P电极，在所述P型InSb结构上制作。
(三)有益效果
本公开提供的中红外波段调制器及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)通过InSb与SOI键合制备的调制器，实现了窄带隙中红外波长材料与硅基IV族材料的集成，该调制器与III-V族激光器、探测器和无源器件在硅基上进行光子集成后，可应用于中红外波段的超快通信系统等；
(2)有利于与硅调制电路互联，降低与硅集成电路的热失配，易于实现中红外硅基集成光子芯片。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例提供的中红外波段调制器的结构示意图。
图2示意性示出了本公开实施例提供的制备中红外波段调制器方法的流程图。
图3是所述制备方法步骤1中键合之后的InSb/SOI键合晶片的结构示意图。
图4是所述制备方法步骤2中在减薄的InSb衬底上光刻脊形波导区域的示意图。
图5是所述制备方法步骤2中腐蚀后的脊形波导的结构示意图。
图6是所述制备方法步骤3中在掩膜保护下对InSb结构进行Be扩散或离子注入的示意图。
图7是所述制备方法步骤4中刻蚀隔离槽的结构示意图。
图8是所述制备方法步骤5和步骤6中制备钝化层和电极的结构示意图。
图9是另一实施例(垂直PN结调制器)在掩膜保护下对InSb结构进行Be扩散或离子注入的示意图。
图10是垂直PN结调制器刻蚀隔离槽的结构示意图。
图11是垂直PN结调制器制备钝化层和电极的结构示意图。
附图标记说明：
1-SOI衬底顶层硅；2-N型InSb结构；3-P型InSb结构；4-中性区I区；5-钝化保护层；6-N电极；7-P电极；8-SiO2薄膜或Si3N4薄膜；9-光刻胶掩膜；10-光刻胶掩膜；11-SiO2薄膜或Si3N4薄膜；12-光刻胶掩膜；20-N型InSb衬底。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开提供了一种中红外波段调制器及其制备方法，通过将N型InSb衬底与Si材料键合，将N型InSb衬底刻蚀出脊形波导，并在脊形波导的平板区或凸出于平板区的脊形区域进行Be扩散或离子注入以形成P型InSb结构，N型InSb结构与P型InSb结构形成PN结，PN结中间形成较窄的中性区I区，当外来的中红外光输入时，这种P(I)N结构的InSb材料随着外加电压的增大，载流子浓度随之变化，折射率和吸收率随之增大，在长波长范围吸收变化比折射率变化更大，使得电吸收效应引起的调制效果显著，通过外加电场实现对中红外2-5μm光的快速调制。
图1示意性示出了本公开实施例提供的中红外波段调制器的结构示意图。图2示意性示出了本公开实施例提供的制备中红外波段调制器方法的流程图。如图1和图2所示，并结合图3至图8具体描述侧向PN结结构的中红外波段调制器的制备方法及其结构，该制备方法包括：
步骤1：SOI衬底顶层硅1与N型InSb衬底20真空键合。
在步骤1中，利用真空键合机，设置合适的真空度、压力、温度，按照键合步骤，将清洗干净的SOI衬底顶层硅1与N型InSb衬底20进行直接键合，如图3所示。
在本实施例中，真空键合的真空度为10-4-10-5pa，真空键合的压力为1-5Mpa，真空键合的温度为30℃-400℃的阶梯状温度。
具体地，在真空度为10-4-10-5Pa的真空环境下，始终保持SOI衬底顶层硅1与N型InSb衬底20这两晶片的轴向压力为1-5Mpa；升温，将两晶片在30℃-90℃的温度环境下键合1小时；升温，将两晶片在120℃-200℃的温度环境下键合1小时；升温，将两晶片在350℃-400℃的温度环境下键合1小时；降温，以0.2℃-0.5℃/分钟的降温速率将两晶片降温至30℃。
步骤2：减薄N型InSb衬底20，光刻腐蚀出脊形N型InSb结构2。
在步骤2中，首先，将键合后的SOI衬底顶层硅1与N型InSb衬底20从真空键合机中取出，按照常规方法(如机械磨抛、金刚石点切削技术)对N型InSb衬底20进行减薄，减薄后的N型InSb衬底20的厚度为10-15μm。
其次，在减薄后的N型InSb衬底20上生长SiO2薄膜或Si3N4薄膜8，生长的SiO2薄膜或Si3N4薄膜8的厚度为300-500nm，如图4所示。
然后，在SiO2薄膜或Si3N4薄膜8表面甩上一层光刻胶掩膜9后进行光刻，将N型InSb衬底20光刻腐蚀成脊形波导(即脊形N型InSb结构2)，其中，脊形N型InSb结构2包括中间的脊形区域(包括凸出的脊形部分、及其下方与平板区平齐的脊形部分)和两侧的平板区，如图5所示。
N型InSb结构2脊形区域的宽度为5-8μm，N型InSb结构2平板区的高度为5-8μm，N型InSb结构2脊形与N型InSb结构2平板区之间的高度差为7-10μm。
步骤3：对脊形N型InSb结构2的平板区进行Be扩散或离子注入。
在步骤3中，首先，在光刻之后，去掉光刻胶掩膜9，保留SiO2薄膜或Si3N4薄膜8。
其次，对脊形N型InSb结构2的平板区进行Be扩散或离子注入，使得平板区转变为P型InSb结构3。如图6所示。
N型InSb结构2与P型InSb结构3形成PN结，并且在PN结界面形成有空间电荷区，中间为一薄层浓度较低的中性区区域，定义为中性区I区4。
步骤4：对脊形一侧的平板区进行光刻，保留另一侧的平板区。
在步骤4中，去掉SiO2薄膜或Si3N4薄膜8，甩胶(即在脊形以及脊形该另一侧的平板区表面形成光刻胶掩膜10)，刻蚀掉脊形一侧的平板区，仅保留一个P(I)N结，该P(I)N结包括N型InSb结构2、P型InSb结构3和中性区I区4，如图7所示。本实施例中，刻蚀掉的是脊形一侧的P型InSb结构3。
本实施例中，N型InSb结构2为N型低掺杂InSb晶片，其掺杂浓度为1×1014～15cm-3。P型InSb结构3的掺杂浓度均为5×1017cm-3。
步骤5：制备钝化保护层5。
在步骤5中，去掉光刻胶掩膜10，在上述器件结构的表面(具体地为SOI衬底顶层硅1、N型InSb结构2、P型InSb结构3和中性区I区4的表面)淀积SiO2薄膜或Si3N4薄膜，得到钝化保护层5，以进行钝化保护。
步骤6：制备N电极6和P电极7，完成调制器制备。
在步骤6中，首先，根据N电极6和P电极7的设计版图对钝化保护层进行刻蚀，然后，分别在N型InSb结构2和P型InSb结构3上制备N电极6和P电极7，如图8所示。其中，N电极6和P电极7为高速行波电极，在本实施例中，N电极6和P电极7的速率可不小于50Gbit/s，以满足该调制器高速的调制性能。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供了一种与CMOS工艺兼容的垂直PN结调制器的结构及其制备方法，如图11所示，结合图9和图10，具体描述图11所示调制器的结构及其制备方法，该制备方法包括：
本实施例中步骤1和步骤2与上述实施例中的步骤1和步骤2相同，这里不再赘述。
步骤3：腐蚀出脊形N型InSb结构2后，首先，去掉光刻胶掩膜9，表面全部生长SiO2薄膜或Si3N4薄膜11，利用光刻版进行光刻腐蚀，露出中心凸出部分的脊形结构；然后，去掉光刻胶，对凸出于平板区的脊形进行Be扩散或离子注入，使得凸出于平板区的脊形转变为P型InSb结构3，形成如图9所示的结构。
N型InSb结构2与P型InSb结构3形成PN结，并且在PN结界面形成有中性区I区4。
步骤4：去掉SiO2薄膜或Si3N4薄膜11，甩胶(即在脊形以及脊形该一侧的平板区表面形成光刻胶掩膜12)，刻蚀掉脊形另一侧的平板区，仅保留一个P(I)N结，如图10所示。本实施例中，刻蚀掉的是脊形一侧的N型InSb结构。
步骤5：去掉光刻胶掩膜12，在器件表面(具体地为SOI衬底顶层硅1、N型InSb结构2和P型InSb结构3的表面)淀积SiO2薄膜或Si3N4薄膜，得到钝化保护层5。
步骤6：制备N电极6和P电极7，完成调制器制备，如图11所示。
本公开还提供了一种根据上述制备方法制备而成的中红外波段调制器，该中红外波段调制器的结构可参考图1或图11。
该中红外波段调制器包括：SOI衬底顶层硅1；N型InSb结构2，与SOI衬底顶层硅1直接键合；P型InSb结构3，在SOI衬底顶层硅1上形成，并与N型InSb结构2形成PN结，如图1所示，或者在N型InSb结构2上形成，并与N型InSb结构2形成PN结，如图11所示；中性区I区4，在PN结的界面处形成；钝化保护层5，外延生长在SOI衬底顶层硅1、N型InSb结构2、P型InSb结构3和中性区I区4的表面，或者外延生长在SOI衬底顶层硅1、N型InSb结构2和P型InSb结构3的表面；N电极6，在N型InSb结构2上制作；P电极7，在P型InSb结构3上制作。
此外，本公开提供的是一种在传统的半导体工艺线上进行制备调制器的实施例，对于CMOS工艺的调制器器件结构参数，可根据需求自行进行设计。
本公开提供的调制器，具备III-V族有源器件的尺寸小、高速等优势，又能与硅基无源器件混合集成，同时具备现有调制器未有的中红外波段工作的性能，与中红外波段的激光器和探测器结合，是下一个通信波段中的关键器件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种中红外波段调制器的制备方法，包括：
步骤1：将SOI衬底顶层硅(1)与N型InSb衬底(20)进行真空键合；
步骤2：减薄所述N型InSb衬底(20)，并对减薄后的所述N型InSb衬底(20)进行光刻以腐蚀出脊形N型InSb结构(2)，其中，所述脊形N型InSb结构(2)包括中间的脊形和两侧的平板区；
步骤3：将所述平板区转变为P型InSb结构(3)，或者，将凸出于所述平板区的脊形转变为所述P型InSb结构(3)，同时，使得在所述N型InSb结构(2)与P型InSb结构(3)之间形成有中性区I区(4)；
步骤4：对所述脊形一侧的平板区进行刻蚀，保留另一侧的平板区；
步骤5：在所述SOI衬底顶层硅(1)、N型InSb结构(2)、P型InSb结构(3)和中性区I区(4)的表面形成钝化保护层(5)，或者在所述SOI衬底顶层硅(1)、N型InSb结构(2)和P型InSb结构(3)的表面形成钝化保护层(5)；
步骤6：分别在所述N型InSb结构(2)和P型InSb结构(3)上制备N电极(6)和P电极(7)。
2.根据权利要求1所述的中红外波段调制器的制备方法，其中，所述步骤2还包括：
在减薄后的所述N型InSb衬底(20)上生长SiO2薄膜或Si3N4薄膜，并甩胶进行光刻。
3.根据权利要求2所述的中红外波段调制器的制备方法，其中，所述步骤2中生长的SiO2薄膜或Si3N4薄膜的厚度为300-500nm。
4.根据权利要求1所述的中红外波段调制器的制备方法，其中，所述脊形N型InSb结构(2)脊形的宽度为5-8μm，所述脊形N型InSb结构(2)平板区的高度为5-8μm，所述脊形N型InSb结构(2)脊形与平板区之间的高度差为7-10μm。
5.根据权利要求1所述的中红外波段调制器的制备方法，其中，所述N型InSb结构(2)的掺杂浓度为1×1014～15cm-3。
6.根据权利要求1所述的中红外波段调制器的制备方法，其中，所述P型InSb结构(3)的掺杂浓度为5×1017cm-3。
7.根据权利要求1所述的中红外波段调制器的制备方法，其中，所述步骤1中真空键合的真空度为10-4-10-5Pa，真空键合的压力为1-5Mpa，真空键合的温度为30℃-400℃的阶梯状温度。
8.根据权利要求1所述的中红外波段调制器的制备方法，其中，减薄后的所述N型InSb衬底(20)的厚度为10-15μm。
9.根据权利要求1所述的中红外波段调制器的制备方法，其中，所述N电极(6)和P电极(7)为行波电极。
10.一种中红外波段调制器，包括：
SOI衬底顶层硅(1)；
N型InSb结构(2)，通过将N型InSb衬底(20)与所述SOI衬底顶层硅(1)键合，并对所述N型InSb衬底(20)进行减薄刻蚀后形成；
P型InSb结构(3)，在所述SOI衬底顶层硅(1)上形成，或者在所述N型InSb结构(2)上形成，并与所述N型InSb结构(2)形成PN结；
中性区I区(4)，在所述PN结的界面处形成；
钝化保护层(5)，外延生长在所述SOI衬底顶层硅(1)、N型InSb结构(2)、P型InSb结构(3)和中性区I区(4)的表面，或者外延生长在所述SOI衬底顶层硅(1)、N型InSb结构(2)和P型InSb结构(3)的表面；
N电极(6)，在所述N型InSb结构(2)上制作；
P电极(7)，在所述P型InSb结构(3)上制作。
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| CN113568106A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-10-29 | 中山大学 | 一种基于铌酸锂薄膜的宽带端面耦合器及其制备方法 |
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