CN111610651B - 一种基于应力硅的硅基电光调制器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于应力硅的硅基电光调制器及其制作方法，包括：阴极，所述阴极沿横向依次设置第一重掺杂区、第一中等掺杂区及第一轻掺杂区，其中所述第一轻掺杂区包括一体成形且互相垂直的平板区一及凸条区一；阳极，所述阳极沿横向依次设置第二重掺杂区、第二中等掺杂区及第二轻掺杂区，其中所述第二轻掺杂区包括一体成形且相互垂直的平板区二及凸条区二，所述第一轻掺杂区的所述凸条区一与所述第二轻掺杂区的所述凸条区二电性连接；压应力薄膜区，所述压应力薄膜区与所述平板区一接触；张应力薄膜区，所述张应力薄膜区与所述平板区二接触；本发明利用薄膜应力改变硅晶体中硅原子晶格常数，提高其中电子或空穴的迁移率，降低环路电阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路器件技术领域，更具体的说是涉及一种基于应力硅的硅基电光调制器及其制作方法。
背景技术
目前，硅基电光调制技术一般使用等离子色散效应改变光波导的有效折射率从而实现电光调制。其最高调制速率受到调制区环路RC时间常数的制约。越小的RC常数往往能实现越高的调制速率。
但是，为了减小调制区环路的RC常数，硅基光电调制器通常采用阶梯掺杂的方式对波导调制区进行掺杂，用通过减小电阻的方式来实现小的RC常数，同时保证了较小的光信号损失。目前的硅基调制器速率最高约80Gbps，通过阶梯掺杂的方式进一步减小RC常数十分困难，因此硅基调制器在向更高速率的调制器发展时遇到了瓶颈。
因此，如何提供一种能够进一步降低RC常数的硅基光电调制器是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于应力硅的硅基电光调制器及其制作方法，利用薄膜应力改变硅晶体中硅原子晶格常数，提高其中电子或空穴的迁移率，降低环路电阻，减小器件的RC常数，以达到提高器件工作速率的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于应力硅的硅基电光调制器，包括：
阴极，所述阴极沿横向依次设置第一重掺杂区、第一中等掺杂区及第一轻掺杂区，其中所述第一轻掺杂区包括一体成形且互相垂直的平板区一及凸条区一；
阳极，所述阳极沿横向依次设置第二重掺杂区、第二中等掺杂区及第二轻掺杂区，其中所述第二轻掺杂区包括一体成形且相互垂直的平板区二及凸条区二，所述第一轻掺杂区的所述凸条区一与所述第二轻掺杂区的所述凸条区二电性连接；
压应力薄膜区，所述压应力薄膜区与所述平板区一接触；
张应力薄膜区，所述张应力薄膜区与所述平板区二接触。
优选的，还包括：二氧化硅包层，所述二氧化硅包层包覆于所述第一重掺杂区、所述第一中等掺杂区、所述第一轻掺杂区、所述第二重掺杂区、所述第二中等掺杂区及所述第二轻掺杂区的外部。
采用上述装置的有益效果为：在光波导调制区的第一轻掺杂区覆盖生长具有压应力的薄膜材料(即压应力薄膜区)，在光波导调制区的第二轻掺杂区覆盖生长具有张应力的薄膜材料(即张应力薄膜区)，可以减小导电时光波导区电阻，减小RC常数。
优选的，所述压应力薄膜区及所述张应力薄膜区的折射率均超过1.45。
优选的，所述第一轻掺杂区与所述第二轻掺杂区形成至少一个纵向PN结。
一种依据上述任一项所述的基于应力硅的硅基电光调制器的制作方法，包括如下步骤：
S1：所述第二轻掺杂区的所述平板区二通过热化学气相淀积法生长所述张应力薄膜区，所述第一轻掺杂区的所述平板区一通过等离子体增强化学气相沉积法生长所述压应力薄膜区；
S2：所述第一轻掺杂区与所述第二轻掺杂区形成至少一个纵向PN结；
S3：所述第一轻掺杂区的所述平板区一与所述第一中等掺杂区导电接触，所述第一中等掺杂区与所述第一重掺杂区导电接触，所述第一重掺杂区与所述阴极欧姆接触；
S4：所述第二轻掺杂区的所述平板区二与所述第二中等掺杂区导电接触，所述第二中等掺杂区与所述第二重掺杂区导电接触，所述第二重掺杂区与所述阳极欧姆接触。
优选的，还包括，步骤S5：所述二氧化硅包层包覆所述二氧化硅包层包覆于所述第一重掺杂区、所述第一中等掺杂区、所述第一轻掺杂区、所述第二重掺杂区、所述第二中等掺杂区及所述第二轻掺杂区。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于应力硅的硅基电光调制器及其制作方法，利用应力薄膜技术改变硅晶体中硅原子晶格常数，提高其中电子或空穴的迁移率，降低环路电阻，减小器件的RC常数，以达到提高器件工作速率的目的，可以以较低的工艺成本大幅改善现有高速调制器调制速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供基于应力硅的硅基电光调制器的调制环路截面示意图；
图2附图为本发明提供的基于应力硅的硅基电光调制器的波导区光模场示意图；
图3附图为本发明调制区截面电流密度分布示意图；
在图1-图3中：
1-阴极，2-阳极，3-第一重掺杂区，4-第二重掺杂区，5-第一中等掺杂区，6-第二中等掺杂区，7-第一轻掺杂区，8-第二轻掺杂区，9-压应力薄膜区，10-张应力薄膜区，11-二氧化硅包层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见附图1所示，本发明实施例1公开了一种基于应力硅的硅基电光调制器，包括：
阴极1，阴极1沿横向依次设置第一重掺杂区3、第一中等掺杂区5及第一轻掺杂区7，其中第一轻掺杂区7包括一体成形且互相垂直的平板区一及凸条区一；
阳极2，阳极2沿横向依次设置第二重掺杂区4、第二中等掺杂区6及第二轻掺杂区8，其中第二轻掺杂区8包括一体成形且相互垂直的平板区二及凸条区二，第一轻掺杂区7的凸条区一与第二轻掺杂区8的凸条区二电性连接；
压应力薄膜区9，压应力薄膜区9与平板区一接触；
张应力薄膜区10，张应力薄膜区10与平板区二接触。
具体的，利用压应力薄膜区9可以减小硅晶体中硅原子排布间距，提高空穴迁移率；利用张应力薄膜区10可以增大硅晶体中硅原子排布间距，提高电子的迁移率，从而达到提高整体器件工作速率的目的。
其中，第一重掺杂区3可以为P型重掺杂半导体，第一中等掺杂区5可以为P型中等掺杂半导体，第一轻掺杂区7可以为P型轻掺杂半导体；第二重掺杂区4可以为N型重掺杂半导体，第二中等掺杂区6可以为N型中等掺杂半导体，第二轻掺杂区8可以为N型轻掺杂半导体。
P型半导体是指以高温扩散或离子注入的方式在硅晶体中掺入三价杂质元素(如硼、镓)形成的半导体；N型半导体是指以高温扩散或离子注入的方式在硅晶体中掺入五价杂质元素(如磷、砷)形成的半导体；重掺杂、中等掺杂和轻掺杂代表其掺杂浓度由高到低变化，为本领域技术人员公知。
在一个具体的实施例中，还包括：二氧化硅包层11，二氧化硅包层11包覆于第一重掺杂区3、第一中等掺杂区5、第一轻掺杂区7、第二重掺杂区4、第二中等掺杂区6及第二轻掺杂区8的外部。
在一个具体的实施例中，压应力薄膜区9及张应力薄膜区10的折射率均超过1.45，以保证波导的全反射条件。
在一个具体的实施例中，第一轻掺杂区7与第二轻掺杂区8形成至少一个纵向PN结。
本发明提供的基于应力硅的硅基电光调制器在使用时，连续光信号在光波导轻掺杂区传输，如图2所示光信号为垂直纸面方向；当有调制信号到来时，该调制区阴极接地，阳极接正电压，从而PN结反偏，多数载流子被抽取，浓度降低；载流子浓度降低将通过等离子色散效应改变波导的有效折射率，从而起到调制的作用；因此，载流子迁移率越高，可以实现的调制速率也就越快。
参见附图3所示，通过仿真在硅光调制器加载偏置电压(被调制时)时电流密度最高的区域为临近光波导的低掺杂浓度的平板区域，因此，在临近光波导的低掺杂浓度的平板区域形成应力薄膜对于改善载流子迁移率效率最高。
综上所述，本发明实施例1提供的硅基电光调制器的PN结轻掺杂区、中等浓度掺杂区、重掺杂区和金属电极共同构成了调制器的调制环路，电信号经金属电极加载，通过掺杂的平板区域连接调节PN结反偏状态，调节空间电荷区宽度、改变载流子的分布，从而实现光波导有效折射率的变化。
实施例2
一种实施例1中任一项的基于应力硅的硅基电光调制器的制作方法，包括如下步骤：
S1：第二轻掺杂区8的平板区二通过热化学气相淀积法生长张应力薄膜区10，第一轻掺杂区7的平板区一通过等离子体增强化学气相沉积法生长压应力薄膜区9；
其中，热化学气相淀积法(TCVD)是指采用衬底表面热催化方式进行的化学气相淀积，淀积温度较等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)要高得多，所以加工时先在第二轻掺杂区8的平板部分通过高温热化学气相淀积生长一层厚度约80nm的SiN薄膜，使用TCVD技术淀积的SiN薄膜具有张应力，将会增大波导平板区部分硅原子的晶格常数，提高电子迁移率，从而降低了第二轻掺杂区8区域的电阻，减小RC常数。
S2：第一轻掺杂区7与第二轻掺杂区8形成至少一个纵向PN结；
S3：第一轻掺杂区7的平板区一与第一中等掺杂区5导电接触，第一中等掺杂区5与第一重掺杂区3导电接触，第一重掺杂区3与阴极1欧姆接触；
S4：第二轻掺杂区8的平板区二与第二中等掺杂区6导电接触，第二中等掺杂区6与第二重掺杂区4导电接触，第二重掺杂区4与阳极2欧姆接触。
在一个具体的实施例中，还包括，步骤S5：二氧化硅包层11包覆二氧化硅包层11包覆于第一重掺杂区3、第一中等掺杂区5、第一轻掺杂区7、第二重掺杂区4、第二中等掺杂区6及第二轻掺杂区8。
具体的，硅基电光调制器的具体制作过程一般起始于220nm厚度的绝缘体上硅晶圆，在该晶圆上掩盖住一定宽度的波导图案，并在波导两边刻蚀去除130nm的硅，即可得到脊型波导。
然后通过对脊型波导进行掺杂，其中第一轻掺杂区7的掺杂情况为掺杂浓度为1017/cm3量级的P型掺杂；第二轻掺杂区8的掺杂情况为掺杂浓度为3.5x1017/cm3量级的N型掺杂；第一重掺杂区3的掺杂情况为掺杂浓度为1019/cm3量级的P型掺杂；第二重掺杂区4的掺杂情况为掺杂浓度为1019/cm3量级的N型掺杂；第一中等掺杂区5的掺杂情况为掺杂浓度为1020/cm3量级的P型掺杂；第二中等掺杂区6的掺杂情况为掺杂浓度为1020/cm3量级的P型掺杂；其中，P型掺杂是指以高温扩散或离子注入的方式在硅晶体中掺入三价杂质元素硼以形成半导体；N型半导体是指以高温扩散或离子注入的方式在硅晶体中掺入五价杂质元素磷以形成半导体；如此，则形成了一般硅基电光调制器的核心调制区域。
由于硅基电光调制器的核心调制区域可以简化为并联的RC电路，其充放电过程的速率决定了其最高调制速率，而RC电路的充放电过程受到环路RC时间常数的制约，越小的RC常数往往能实现越高的调制速率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种基于应力硅的硅基电光调制器，其特征在于，包括：
阴极(1)，所述阴极(1)沿横向依次设置第一重掺杂区(3)、第一中等掺杂区(5)及第一轻掺杂区(7)，其中所述第一轻掺杂区(7)包括一体成形且互相垂直的平板区一及凸条区一；
阳极(2)，所述阳极(2)沿横向依次设置第二重掺杂区(4)、第二中等掺杂区(6)及第二轻掺杂区(8)，其中所述第二轻掺杂区(8)包括一体成形且相互垂直的平板区二及凸条区二，所述第一轻掺杂区(7)的所述凸条区一与所述第二轻掺杂区(8)的所述凸条区二电性连接；
压应力薄膜区(9)，所述压应力薄膜区(9)与所述平板区一接触；
张应力薄膜区(10)，所述张应力薄膜区(10)与所述平板区二接触；
还包括基于应力硅的硅基电光调制器的制作方法，包括以下步骤：
S1：所述第二轻掺杂区(8)的所述平板区二通过热化学气相淀积法生长所述张应力薄膜区(10)，所述第一轻掺杂区(7)的所述平板区一通过等离子体增强化学气相沉积法生长所述压应力薄膜区(9)；
S2：所述第一轻掺杂区(7)与所述第二轻掺杂区(8)形成至少一个纵向PN结；
S3：所述第一轻掺杂区(7)的所述平板区一与所述第一中等掺杂区(5)导电接触，所述第一中等掺杂区(5)与所述第一重掺杂区(3)导电接触，所述第一重掺杂区(3)与所述阴极(1)欧姆接触；
S4：所述第二轻掺杂区(8)的所述平板区二与所述第二中等掺杂区(6)导电接触，所述第二中等掺杂区(6)与所述第二重掺杂区(4)导电接触，所述第二重掺杂区(4)与所述阳极(2)欧姆接触；
所述压应力薄膜区(9)及所述张应力薄膜区(10)的折射率均超过1.45。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力硅的硅基电光调制器，其特征在于，还包括：二氧化硅包层(11)，所述二氧化硅包层(11)包覆于所述第一重掺杂区(3)、所述第一中等掺杂区(5)、所述第一轻掺杂区(7)、所述第二重掺杂区(4)、所述第二中等掺杂区(6)及所述第二轻掺杂区(8)的外部。
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