CN112099246A - 集成加热型锗波导热光调制器结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成加热型锗波导热光调制器结构及其制备方法，其结构包括：衬底；本征锗薄膜，位于所述衬底上；掺杂锗薄膜层，位于本征锗薄膜上；其中，所述本征锗薄膜和掺杂锗薄膜层组成的外延层上刻蚀有：第一锗波导、光分束器、第二锗波导、第三锗波导、光合束器和第四锗波导。本发明实现了光子传输和载流子输运的空间分离，有效提高了加热效率并且降低了传输损耗。

Description

集成加热型锗波导热光调制器结构及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及中红外光子学领域，尤其涉及一种集成加热型锗波导热光调制器结构及其制备方法。

背景技术

中红外波段在自由空间光通信、激光雷达系统以及工业生产中气体的实时监测等领域存在重要应用前景。硅光子技术与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容，是中波红外光子集成的一个重要解决方案。光电器件芯片集成还需要有源器件如调制器、探测器和激光器等。其中，光调制器是一种具有一个或多个可选择的传输端口,可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，是光电芯片集成中的重要器件之一。

锗材料在中红外波段具有很低的吸收系数，且与CMOS工艺兼容，是制备中红外光电集成器件的理想材料。目前，红外光调制器主要通过以下方式获得：主光路通过分束器(比如MMI结构)将光分成两路，利用锗材料的热光效应，通过设定不同的温度，改变其中一路锗波导的折射率，最终实现对某一光束相位的调控。两束光经过合束器之后，由于相位不同，导致输出光强不同，从而实现对光的调制作用。锗波导热光调制器的调相方式主要采用顶加热金属的方式。其特点是在锗波导和金属间增加一层光学隔离层(如氮化硅)，这使得加热效率降低，器件功耗大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种集成加热型锗波导热光调制器结构及其制备方法，以至少解决部分上述技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种集成加热型锗波导热光调制器结构，包括：

衬底；

本征锗薄膜，位于所述衬底上；

掺杂锗薄膜层，位于本征锗薄膜上；

其中，所述本征锗薄膜和掺杂锗薄膜层组成的外延层上刻蚀有：

第一锗波导；

光分束器，其输入端与所述第一锗波导的一端相连；

第二锗波导和第三锗波导，两者的其中一端分别与所述光分束器的输出端相连；

光合束器，其输入端与所述第二锗波导和第三锗波导的另一端分别相连；

第四锗波导，其一端与所述光合束器的输出端相连。

在进一步的实施方案中，所述衬底为SOI或硅衬底，且所述SOI或硅衬底中硅的电阻率范围在100000欧姆/厘米～1欧姆/厘米之间。

在进一步的实施方案中，所述本征锗薄膜的厚度为0.5微米～4微米之间。

在进一步的实施方案中，所述掺杂锗薄膜层的厚度为0.03微米～1微米之间。

在进一步的实施方案中，所述掺杂锗薄膜层的掺杂杂质包括磷、砷、锑、镓，掺杂浓度为1E18cm^-3～1E20cm^-3之间。

在进一步的实施方案中，所述外延层上还刻蚀有：锗线，与所述第二锗波导或第三锗波导连接；所述热光调制器结构还包括金属电极，沉积在锗线上。

在进一步的实施方案中，所述金属电极为铝或镍，其厚度为0.5微米至3微米之间。

根据本发明的另一方面，提供一种集成加热型锗波导热光调制器结构的制备方法，包括：

在衬底上外延本征锗薄膜；

在所述本征锗薄膜上制备掺杂锗薄膜层形成外延层；

在所述外延层上刻蚀形成第一锗波导、光分束器、第二锗波导、第三锗波导、光合束器和第四锗波导；

其中，所述光分束器的输入端与所述第一锗波导相连，输出端分别与所述第二锗波导和第三锗波导的一端相连；所述光合束器的输入端分别与所述第二锗波导和第三锗波导的另一端相连，输出端与所述第四锗波导相连。

在进一步的实施方案中，在所述外延层上刻蚀形成第一锗波导、光分束器、第二锗波导、第三锗波导、光合束器和第四锗波导之后还包括：

在所述第二锗波导或第三锗波导边上刻蚀形成锗线，使其与所述第二锗波导或第三锗波导相连；

在所述锗线上沉积金属电极。

在进一步的实施方案中，所述制备掺杂锗薄膜层的方法为外延技术或离子注入技术。

(三)有益效果

本发明提供的一种集成加热型锗波导热光调制器结构及其制备方法至少具备以下有益效果：

(1)本发明的外延层包括在所述本征锗薄膜和掺杂锗薄膜层，光场主要分布在本征锗薄膜区域(大于95％)，而注入的载流子将主要分布在掺杂锗薄膜层区域，以实现光子传输和载流子输运的空间分离，有效提高了加热效率并且降低了传输损耗。

(2)本发明设计金属电极的位置位于锗线上，使其远离锗波导光场区域，降低金属电极对光的吸收损耗。

(3)本发明所由于可以实现光子传输和载流子输运的空间分离，就所述热光调制器可以无须通过光学隔离层，直接加热锗波导，既有效避免加热过程产生的光学吸收损耗，又提高加热效率。

(4)本发明的整体设计紧凑，易实现低功耗、高速的红外热光调制器，十分适合将大量热光调制器的进行阵列集成。

附图说明

图1是本发明提供的一种集成加热型锗波导热光调制器结构的剖面示意图；

图2是本发明提供的一种集成加热型锗波导热光调制器结构的工作原理示意图；

图3是本发明提供的一种集成加热型锗波导热光调制器结构的侧面工作原理示意图；

图4是本发明提供的一种集成加热型锗波导热光调制器结构的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的一种集成加热型锗波导热光调制器结构的剖面示意图，该热光调制器通过本征锗薄膜和掺杂锗薄膜层实现光子传输和载流子输运的空间分离，有效提高了加热效率并且降低了传输损耗，所述热光调制器结构包括：

衬底1；

本征锗薄膜2，位于所述衬底1上；

掺杂锗薄膜层3，位于本征锗薄膜2上；

其中，所述本征锗薄膜2和掺杂锗薄膜层3组成的外延层上刻蚀有：

第一锗波导6；

光分束器7，其输入端与所述第一锗波导6一端相连；

第二锗波导8和第三锗波导9，两者的其中一端分别与所述光分束器7的输出端相连；

光合束器10，其输入端与所述第二锗波导8和第三锗波导9的另一端分别相连；

第四锗波导11，其一端与所述光合束器10的输出端相连。

在本实施例中，所述衬底1为SOI或硅衬底，且所述SOI或硅衬底中硅的电阻率范围在100000欧姆/厘米～1欧姆/厘米之间。

在本实施例中，所述本征锗薄膜2的厚度为0.5微米～4微米之间。

在本实施例中，所述掺杂锗薄膜层3的厚度为0.03微米～1微米之间。

在本实施例中，所述掺杂锗薄膜层3的掺杂杂质包括磷、砷、锑、镓，掺杂浓度为1E18cm^-3～1E20cm^-3之间。

在本实施例中，所述集成加热型锗波导热光调制器结构还包括：

所述外延层上还刻蚀有：锗线5，与所述第二锗波导8或第三锗波导9连接所述热光调制器结构还包括金属电极4，沉积在锗线5上。

其中，所述锗线5不传输光，只是做电学连接；所述金属电极类型可为铝、镍等，容易与锗形成欧姆接触，金属电极厚度在0.5微米至3微米之间。本发明设计金属电极的位置位于掺杂锗薄膜层上与本征锗薄膜隔离，使其远离锗波导光场区域，降低金属电极对光的吸收损耗。

本实施例通过设计锗波导结构，使得光场主要分布在本征锗区域(大于95％)；并且由于本征锗区域比重掺杂锗区域的电阻大很多，注入的载流子将主要分布在重掺杂锗区域。其中，在所述本征锗薄膜2的载流子浓度在1×10¹⁵cm^-3～5×10¹⁷cm^-3之间，在所述掺杂锗薄膜层3的载流子浓度在1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3之间载流子类型可以n型或p型。因此，实现了光子传输和载流子输运路线空间分离，有效避免了注入的大量自由载流子所产生的光学吸收损耗。此外，由于可以实现光子传输和载流子输运的空间分离，所述热光调制器就可以无须通过光学隔离层，直接加热锗波导，既有效避免加热过程产生的光学吸收损耗，又提高加热效率。

如图2和图3所示，图2和图3分别是本发明提供的一种集成加热型锗波导热光调制器结构的正面和侧面工作原理示意图，其工作原理是：红外光从外部引入到第一锗波导6中，通过分束器分为两束光，其中一束光经过第二锗波导8传入合束器，另一束光经过集成加热型的第三锗波导9之后传入合束器，通过加热第三锗波导9，利用热光效应，改变其相位。两束光在所述合束器合束后通过第四锗波导11射出，由于相位不同，产生干涉，导致出射光强发生改变，从而达到调制红外光的目的。

如图4所示，图4是本发明提供的一种集成加热型锗波导热光调制器结构的制备方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S1：在衬底1上外延本征锗薄膜2；

步骤S2：在所述本征锗薄膜2上制备掺杂锗薄膜层3形成外延层；

步骤S3：在所述外延层上刻蚀形成第一锗波导6、光分束器7、第二锗波导8、第三锗波导9、光合束器10和第四锗波导11；

其中，所述光分束器7的输入端与所述第一锗波导6相连，输出端分别与所述第二锗波导8和第三锗波导9的一端相连；所述光合束器10的输入端分别与所述第二锗波导8和第三锗波导9的另一端相连，输出端与所述第四锗波导11相连。

其中，所述制备掺杂锗薄膜层3的方法为外延技术或离子注入技术。

在本实施例中，在步骤S3之后还包括：

在所述第二锗波导8或第三锗波导9边上刻蚀形成锗线5，与所述所述第二锗波导8或第三锗波导9连接；

在所述锗线5上沉积金属电极4。

需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

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，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)

1.一种集成加热型锗波导热光调制器结构，其特征在于，包括：

衬底(1)；

本征锗薄膜(2)，位于所述衬底(1)上；

掺杂锗薄膜层(3)，位于本征锗薄膜(2)上；

其中，所述本征锗薄膜(2)和掺杂锗薄膜层(3)组成的外延层上刻蚀有：

第一锗波导(6)；

光分束器(7)，其输入端与所述第一锗波导(6)的一端相连；

第二锗波导(8)和第三锗波导(9)，两者的其中一端分别与所述光分束器(7)的输出端相连；

光合束器(10)，其输入端与所述第二锗波导(8)和第三锗波导(9)的另一端分别相连；

第四锗波导(11)，其一端与所述光合束器(10)的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的集成加热型锗波导热光调制器结构，其特征在于，所述衬底(1)为SOI或硅衬底，且所述SOI或硅衬底中硅的电阻率范围在100000欧姆/厘米～1欧姆/厘米之间。

3.根据权利要求1所述的集成加热型锗波导热光调制器结构，其特征在于，所述本征锗薄膜(2)的厚度为0.5微米～4微米之间。

4.根据权利要求1所述的集成加热型锗波导热光调制器结构，其特征在于，所述掺杂锗薄膜层(3)的厚度为0.03微米～1微米之间。

5.根据权利要求1所述的集成加热型锗波导热光调制器结构，其特征在于，所述掺杂锗薄膜层(3)的掺杂杂质包括磷、砷、锑、镓，掺杂浓度为1E18cm^-3～1E20cm^-3之间。

6.根据权利要求1-5任一项所述的集成加热型锗波导热光调制器结构，其特征在于，

所述外延层上还刻蚀有：锗线(5)，与所述第二锗波导(8)或第三锗波导(9)连接；

所述热光调制器结构还包括金属电极(4)，沉积在所述锗线(5)上。

7.根据权利要求6所述的集成加热型锗波导热光调制器结构，其特征在于，所述金属电极(4)为铝或镍，其厚度为0.5微米至3微米之间。

8.一种集成加热型锗波导热光调制器结构的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底(1)上外延本征锗薄膜(2)；

在所述本征锗薄膜(2)上制备掺杂锗薄膜层(3)形成外延层；

在所述外延层上刻蚀形成第一锗波导(6)、光分束器(7)、第二锗波导(8)、第三锗波导(9)、光合束器(10)和第四锗波导(11)；

其中，所述光分束器(7)的输入端与所述第一锗波导(6)相连，输出端分别与所述第二锗波导(8)和第三锗波导(9)的一端相连；所述光合束器(10)的输入端分别与所述第二锗波导(8)和第三锗波导(9)的另一端相连，输出端与所述第四锗波导(11)相连。

9.根据权利要求8所述的集成加热型锗波导热光调制器结构的制备方法，其特征在于，在所述外延层上刻蚀形成第一锗波导(6)、光分束器(7)、第二锗波导(8)、第三锗波导(9)、光合束器(10)和第四锗波导(11)之后还包括：

在所述第二锗波导(8)或第三锗波导(9)边上刻蚀形成锗线(5)，使其与所述第二锗波导(8)或第三锗波导(9连接；

在所述锗线(5)上沉积金属电极(4)。

10.根据权利要求8所述的集成加热型锗波导热光调制器结构的制备方法，其特征在于，所述制备掺杂锗薄膜层(3)的方法为外延技术或离子注入技术。

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