CN110945413A - 光学调制器以及制作光学调制器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种MOS电容器型光学调制器以及制作MOS电容器型光学调制器的方法，其中所述MOS电容器型光学调制器具有MOS电容器区，所述MOS电容器区包括由外延生长的结晶稀土氧化物(REO)形成的绝缘体。
Description
技术领域
根据本发明的实施方案的一个或多个方面涉及光学调制器，并且更明确地说涉及MOS电容器型光学调制器。
背景技术
常规光学相位调制器可能是效率低的、体积大的并且可能具有高损耗。就尺寸来说，所述调制器通常是mm或cm长，并且需要高驱动电压，导致高“VπL”，VπL是实现pi相变所需的电压与装置长度的乘积。典型的耗尽型硅调制器具有大于2V*cm的VπL以及大于4dB的插入损耗。
硅MOS电容器型调制器是效率高的，但可能仍展现出高损耗。举例来说，在Webster发表在GFP 2014和US 6,845,198上的论文中报告了VπL＝0.2V*cm，IL＝2.6dB。此装置使用多晶硅，所述多晶硅具有高光学损耗这个增加的缺点。
III-V Si MOS电容器型调制器效率更高并且展现出较低损耗，但被认为是不那么适合于大批量制造。
在Han发表在Nature Photonics 2017(DOI：10.1038/NPHOTON.2017.122)上的论文中报告了VπL＝0.047V*cm，IL＝0.23dB。US 9,612,503、Liang发表在Nature Photonics2016(DOI：10.1038/NPHOTON.2016.163)上的论文以及Hiraki发表在Nature Photonics2017(DOI：10.1038/NPHOTON.2017.120)上的论文涉及通过将多片III-V材料接合在硅晶圆上而制作的装置，所述装置也不利于批量制造。
US 7,700,423 B2公开了用于在普通化合物半导体III-V晶圆上制造用于集成电路的外延晶圆的方法的实例。
已知可以在硅上生长结晶稀土氧化物层。举例来说，Gottlob等在Solid-StateElectronics 50(2006)979-985中公开了通过修改过的外延工艺在(001)取向的Si上生长的Gd2O3。在Solid State Science and Technology，1(5)P246-P249(2012)的ECS期刊中示出在Si(111)上生长的结晶REO多层结构的实例。Osten等在phys.stat.sol.(a)205，No.4，695-707(2008)中描述了结晶REO在硅结构中的使用。
发明内容
本发明旨在通过根据第一方面提供一种电容器型光学MOS调制器来解决以上问题，所述电容器型光学MOS调制器具有MOS电容器区，所述MOS电容器区包括由外延生长的结晶稀土氧化物(REO)形成的绝缘体。所述MOS电容器区由p掺杂区、稀土氧化物绝缘体和n掺杂区组成。
以此方式，所述调制器获得了MOS电容器调制器的有利性质，即，高效率和低损耗，同时还得益于适合于批量制造的晶圆尺度工艺的优点。
明确地说，在当前装置的制作过程中，可以在MOS电容器结的绝缘体层的顶部上生长n掺杂区(例如，III-V材料的外延层)。由此标示了相较于现有技术设计的改进，在现有技术设计中通过放置裸片而非外延生长来形成结的顶层。
此外，结晶REO具有高介电常数并且是比二氧化硅更好的栅极材料。
合适的绝缘体材料的实例是稀土氧化物。举例来说，镧系元素和锕系元素并且明确地说是铒和钆的氧化物。
现在将阐述本发明的任选特征。这些任选特征可单独地应用或与本发明的任何方面按任何组合来应用。
任选地，所述光学调制器是III-V Si MOS调制器并且因此在SOI基板上制作。
任选地，所述电容器型是III-V Si MOS调制器，其中所述SOI基板的硅具有(111)晶体结构。
以此方式，整个装置是单晶结构，而所有其他技术至少具有无定形或多晶部分。单晶结构的此特征可以通过截面成像(诸如TEM)来识别。还可以通过查看特殊的截面特征，诸如在底部处具有薄硅层并且填充有结晶REO的沟槽，来识别所述装置。
任选地，所述结晶REO包括氧化铒或氧化钆，但是可设想到镧系元素和锕系元素的其他氧化物可以提供合适的替代方案。
任选地，所述调制器包括在所述结晶REO下方的p掺杂层以及在所述结晶REO上方的外延生长的n掺杂层以形成所述MOS电容器区，光模在所述MOS电容器区处传播。
任选地，所述p掺杂层是p掺杂Si(111)。
通常，所述n掺杂层是一类III-V材料的n掺杂区。任选地，所述n掺杂层是n掺杂InP或InGaAsP。由InGaAsP的顶层提供的一个优点是所述顶层随后提供调谐能带隙的能力的事实。
任选地，所述绝缘体包括：
在SOI基板的硅层内的第一结晶REO区；以及
额外的结晶REO层；所述额外层沉积在所述硅层的顶部上并且还沉积在所述第一结晶REO区的顶部上。
所述第一REO区用作包层，使得所述波导调制器的光模在所述调制器的在所述p掺杂部分之内或上方(即，不在第一结晶REO区上方)的区中传播。
任选地，所述额外的结晶REO层具有不大于10nm的厚度。
任选地，所述额外的结晶REO层具有不大于50nm的厚度。
任选地，所述第一结晶REO区具有不大于90nm的厚度。
任选地，所述第一结晶REO区具有不大于300nm的厚度。
根据本发明的第二方面，提供一种制作MOS电容器型III-V Si MOS光学调制器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供绝缘体上硅(SOI)基板；
在所述基板的SOI层的顶部硅层中产生p掺杂区；
在所述SOI基板的所述硅顶层中与所述p掺杂区相邻处蚀刻出沟槽；
在所述沟槽中生长结晶稀土氧化物(REO)层的第一区；
在与所述第一结晶稀土氧化物(REO)层相邻处产生p掺杂区；
在结晶稀土氧化物(REO)层的所述第一区以及所述p掺杂区上方生长额外的结晶稀土氧化物(REO)层；以及
在所述额外的结晶稀土氧化物(REO)层上方生长n掺杂区。
根据本发明的第三方面，提供一种制作电容器型III-V Si MOS光学调制器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供绝缘体上硅(SOI)基板；
在所述SOI基板的顶部硅层内产生p掺杂区；
在所述SOI基板的顶部硅层中与所述p掺杂区相邻处蚀刻出沟槽；
在所述沟槽中生长第一结晶稀土氧化物(REO)区；
在所述第一结晶稀土氧化物(REO)区以及所述p掺杂区上方生长结晶稀土氧化物(REO)层；以及
在所述额外的结晶稀土氧化物(REO)层上方生长n掺杂区。
对硅进行p掺杂的步骤在上文被描述为在生长结晶REO的步骤之前实施。然而，应设想到，这个步骤可以可选地在REO的生长之后实施。另外，请注意，p掺杂区与第一REO区可以是连续的，或者，在可选实施方案中，可以与第一REO区分离。
根据本发明的第一方面的其他实施方案，任选地，所述绝缘体包括：在SOI基板的硅层内的第一材料的第一区；以及结晶REO层；所述额外层沉积在所述硅层的顶部上并且还沉积在第一材料的所述第一区的顶部上。
任选地，所述第一材料由具有比硅低的折射率值的材料组成。在一些实施方案中，所述第一材料可以是InP或具有类似光学性质的材料。
任选地，所述第一材料由氧化物组成。
任选地，所述第一材料是晶体。
根据本发明的另一个方面，提供一种制作MOS电容器型光学调制器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供基板；
在所述基板的顶层中产生p掺杂区；
在所述基板的所述顶层中在与所述p掺杂区相邻处蚀刻出沟槽；
在所述沟槽中生长第一材料的第一区；
在第一材料的所述第一区以及所述p掺杂区上方生长结晶稀土氧化物(REO)层；以及在所述结晶稀土氧化物(REO)层上方生长n掺杂区。
附图说明
将参考说明书、权利要求书以及附图来了解并理解本发明的这些和其他的特征和优点，在附图中：
图1是根据本发明的实施方案的电容器型III-V Si MOS调制器的示意性截面图；
图2A至图2F绘示制作图1的调制器的方法的步骤；
图3A至图3F绘示制作图1的调制器的可选方法的步骤；以及
图4绘示根据本发明的另一个实施方案的电容器型III-V Si MOS调制器的示意性截面图，所述调制器具有示例性层厚度。
具体实施方式
在下文结合附图陈述的详细描述意欲作为电容器型光学调制器，具体地说是根据本发明提供的电容器型III-V Si MOS调制器的示例性实施方案的描述，并且不意欲表示可以建构或利用本发明的仅有形式。所述描述结合所示实施方案陈述了本发明的特征。然而，将理解，相同的或等效的功能和结构可以通过不同实施方案来实现，所述不同的实施方案也意欲包含在本发明的精神和范围内。如本文中别处所指出，相似的元件符号意欲指示相似的元件或特征。
在下文参看图1至图4来描述电容器型III-V Si MOS调制器。
所述调制器是电容器型调制器1，所述调制器包括在SOI基板上的由外延生长的结晶稀土氧化物(REO)11形成的绝缘体。
在图2A至图2F中所示的实施方案中，一开始提供绝缘体上硅(SOI)基板，所述基板包括硅基底层23、硅氧化物绝缘体层22和硅顶层21，所述硅顶层通常具有Si(111)晶体结构(图2A)。
在Si顶层21内产生p掺杂区31，并且在SOI基板的硅层中蚀刻出沟槽(图2B)。使用标准的植入技术来产生所述p掺杂区，并且使用标准的图案化和蚀刻技术来蚀刻出沟槽。
在沟槽中生长第一结晶稀土氧化物(REO)层11a(图2C)，以便形成最终装置的光学波导包层。在此REO层的生长期间，将在存在的任何图案化层的顶部上形成无定形REO层。
p掺杂区位于与第一结晶稀土氧化物(REO)层相邻处，所述p掺杂层与所述REO层都位于SOI基板的顶部Si层内。
根据此制作方法，并且如图2D中所示，随后移除任何图案化层和无定形REO，包括任选的CMP步骤(化学机械平坦化)。
额外的结晶稀土氧化物(REO)层11b(即，REO的“顶层”)随后直接生长到第一结晶稀土氧化物(REO)区11a上，并且因此位于第一结晶REO层上方并且还在p掺杂区上方延伸(图2E)。
在所述额外的结晶稀土氧化物(REO)层上方产生由一类III-V半导体材料41(在此示例性实施方案中，为InP或InGaAsP)形成的n掺杂区42。这涉及III-V层的生长以及原位掺杂。此外，使用标准的外延生长技术和掺杂剂技术。n掺杂区偏离p掺杂区，使得产生MOS电容器区；所述电容器区仅沿着p掺杂层延伸一段路。n掺杂层从p掺杂区在相反的方向上从MOS电容器区横向地延伸。将电接点施加到p掺杂层和n掺杂层的区，所述p掺杂层和n掺杂层的区在横向上偏离MOS电容器区。n掺杂区和p掺杂区的掺杂浓度通常是在1×1017cm-3与5×1018cm-3之间。
REO具有比硅和III-V层低的折射率。在图2C中所示的步骤中沉积的REO因此用作图2F中所示的装置结构中的光学波导包层的部分。通过研磨SOI层(图2D)，在SOI层被结晶REO替代的区中，可以产生单晶且平坦的表面，如图2E中所示，所述单晶且平坦的表面为将要生长的第二结晶REO区和n掺杂区产生良好的起始基板。
在下文参看图3A至图3F来描述一种制作方法的另一个实例，在所述图中，相似的元件符号用于指示已在上文结合图2A至图2F描述的那些特征。
图3A至图3F的制作方法与图2A至图2F的制作方法的不同之处在于在单个外延生长步骤中而非在两个单独的步骤中实施生长第一结晶稀土氧化物(REO)区111a的步骤以及在第一REO区111a上方生长结晶稀土氧化物(REO)层111b的步骤。这涉及在REO的外延生长之前移除任何图案化层(图3C)。随后实施REO的外延生长，使得REO在沟槽的基底上方的深度大于沟槽的深度。可以使用对REO的随后研磨来产生单个地生长的REO层，所述REO层包括在沟槽内的用于包覆的第一区111a以及还有在第一REO区和p掺杂区上方的额外的REO层111b；额外的REO层111b充当所述电容器型调制器的绝缘体。
在图4中示出了示例性尺寸；但是应理解，本发明的调制器扩展到具有不同尺寸的相同结构。
参看图式阐述的实例包括由稀土氧化物REO组成的第一材料11a的区以及随后有在第一材料11a的顶部上生长的额外的结晶REO层11b。可设想到第一材料11a的这个区可以由除了REO以外的材料组成。举例来说，具有比硅的折射率低的折射率的任何材料或任何氧化物材料。应了解，在一些实施方案中，为结晶的第一材料可能是所要的。非结晶的第一材料11a可能会在第一材料11a与REO层11b之间的界面处导致降级或导致第一材料11a上方的区中的REO层11b自身的降级(例如，使其变成非结晶的)。然而，由于任何降级都将会在横向上从光模移位，因此所述降级对传播模的影响可能是最低的。
虽然已在本文中特定地描述和说明了电容器型MOS光学调制器的示例性实施方案，但是许多修改和变化将是本领域的技术人员显而易见的。因此，应理解，根据本发明的原理建构的电容器型MOS光学调制器可以与本文中特定描述的情况不同地体现。明确地说，虽然上文的详细描述涉及电容器型III-V Si MOS光学调制器的实例，但是应了解，可以使用相同的制作方法但在不同的材料上产生其他实施方案。举例来说，为了获得较长的波长状态(例如，＞1.55μm)，基板材料可以采取锗的形式。还在以下权利要求书以及其等效物中限定本发明。
Claims (20)
1.一种MOS电容器型光学调制器，所述MOS电容器型光学调制器具有MOS电容器区，所述MOS电容器区包括由结晶稀土氧化物(REO)形成的绝缘体。
2.如权利要求1所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述结晶REO在绝缘体上硅(SOI)基板上外延地生长。
3.如权利要求2所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述SOI基板的顶部硅膜具有(111)晶体取向。
4.如权利要求1所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述结晶REO包括氧化铒或氧化钆。
5.如前述权利要求中任一项所述的MOS电容器型光学调制器，所述MOS电容器型光学调制器包括在所述结晶REO下方的p掺杂层以及在所述结晶REO上方的外延地生长的n掺杂层以形成所述MOS电容器区，光模在所述MOS电容器区处传播。
6.如前述权利要求中任一项所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述p掺杂层是p掺杂Si。
7.如前述权利要求中任一项所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述n掺杂层是一类III-V材料。
8.如权利要求7所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述n掺杂层是n掺杂InP或InGaAsP。
9.如前述权利要求中任一项所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述绝缘体包括：
在SOI基板的硅层内的第一结晶REO区；以及
额外的结晶REO层；所述额外层沉积在所述硅层的顶部上并且还沉积在所述第一结晶REO区的顶部上。
10.如权利要求9所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述额外的结晶REO层具有不大于50nm的厚度。
11.如权利要求9或权利要求10所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述第一结晶REO区具有不大于300nm的厚度。
12.一种制作MOS电容器型光学调制器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供基板；
在所述基板的顶层中产生p掺杂区；
在所述基板的所述顶层中在与所述p掺杂区相邻处蚀刻出沟槽；
在所述沟槽中生长第一结晶稀土氧化物(REO)区；
在所述第一结晶稀土氧化物(REO)区以及所述p掺杂区上方生长结晶稀土氧化物(REO)层；以及
在所述结晶稀土氧化物(REO)层上方生长n掺杂区。
13.一种制作电容器型III-V SiMOS调制器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供绝缘体上硅(SOI)基板；
在所述SOI基板的顶部硅层中产生p掺杂区；
在所述SOI基板的所述硅层中与所述p掺杂区相邻处蚀刻出沟槽；
在所述沟槽中生长第一结晶稀土氧化物(REO)区；
在所述第一结晶稀土氧化物(REO)区以及所述p掺杂区上方生长结晶稀土氧化物(REO)层；以及
在所述结晶稀土氧化物(REO)层上方生长n掺杂区。
14.如权利要求12或权利要求13所述的方法，其中所述n掺杂区是一类III-V半导体材料。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其中在单个外延生长步骤中实施生长所述第一结晶稀土氧化物(REO)区的所述步骤以及在所述第一REO区上方生长所述结晶稀土氧化物(REO)层的所述步骤。
16.如权利要求1至8中任一项所述的MOS电容器型光学调制器，其中所述绝缘体包括：
在SOI基板的硅层内的第一材料的第一区；以及
结晶REO层；所述额外层沉积在所述硅层的顶部上并且还沉积在第一材料的所述第一区的顶部上。
17.如权利要求16所述的MOS电容器类光学调制器，其中所述第一材料由具有比硅低的折射率值的材料组成。
18.如权利要求16所述的MOS电容器类光学调制器，其中所述第一材料由氧化物组成。
19.如权利要求16至18中任一项所述的MOS电容器类光学调制器，其中所述第一材料是结晶的。
20.一种制作MOS电容器型光学调制器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供基板；
在所述基板的顶层中产生p掺杂区；
在所述基板的所述顶层中在与所述p掺杂区相邻处蚀刻出沟槽；
在所述沟槽中生长第一材料的第一区；
在第一材料的所述第一区以及所述p掺杂区上方生长结晶稀土氧化物(REO)层；以及
在所述结晶稀土氧化物(REO)层上方生长n掺杂区。
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