CN112630996A - 基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器及制作方法，光调制器包括：依次设置的衬底、隔离层和光调制结构；隔离层的材料为氧化硅；光调制结构包括脊型波导、石墨烯‑介质层‑石墨烯夹层结构和电极结构；脊型波导包括基部和脊部；石墨烯‑介质层‑石墨烯夹层结构包括上层石墨烯层、下层石墨烯层及位于上层石墨烯层和下层石墨烯层之间的介质层；上层石墨烯层和下层石墨烯层分别在脊型波导基部的两侧具有预先设定的延伸长度；电极结构包括位于脊型波导基部两侧的第一金属层，且脊型波导基部一侧的第一金属层位于上层石墨烯层之上，并与上层石墨烯层接触；脊型波导基部另一侧的第一金属层位于下层石墨烯层之上，与下层石墨烯层接触。
Description
技术领域
本发明涉及光电集成技术领域，尤其涉及一种适合与体硅CMOS集成电路芯片进行光电集成的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器及制作方法。
背景技术
随着集成电路技术的发展，集成规模越来越大，运行速度越来越快，电互联已经逐渐成为进一步提高系统性能的瓶颈。另一方面，光互联具有功耗低、速度快、不受电磁干扰等优点，使其有望成为电互联的替代。为实现集成电路芯片间高性能光互联，最理想的方式就是将光路的部分，包含电光调制、光电探测和部分光传输媒体等，直接集成到芯片上，芯片与芯片之间直接通过光传输媒体连接。
硅基互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)工艺是目前集成电路芯片的主流制造工艺，而其中又以体硅CMOS工艺占主导地位。鉴于体硅CMOS工艺的主导地位，基于体硅CMOS工艺来构建光电集成就具有非常重要的意义。然而，体硅CMOS工艺本身并没有针对光互联的支持，特别是缺少关键的光结构和光电器件，比如光调制器等，而现有的光电集成技术和方法并不能充分结合体硅CMOS工艺的成熟度和成本优势，其实际应用前景有限。
波导在单模工作条件下通常电场集中在波导中心，传统的石墨烯光调制器，其石墨烯层覆盖于波导表面，其石墨烯层与波导中心较远，与导模的相互作用比较弱，性能比较低。
传统的石墨烯光调制器，其石墨烯层覆盖于波导表面，容易造成石墨烯层在波导边缘断裂，影响性能。
传统的光调制器的制作工艺，与体硅CMOS工艺不兼容，因此光调制器难以融合到集成电路芯片上。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器及制作方法，其解决了石墨烯层与波导中心较远且容易造成石墨烯层在波导边缘断裂的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，所述光调制器包括：依次设置的衬底、隔离层和光调制结构；
所述隔离层的材料为氧化硅；
所述光调制结构包括脊型波导、石墨烯-介质层-石墨烯夹层结构和电极结构；
所述脊型波导的材料为氮化硅；
所述脊型波导包括基部和脊部；
所述基部宽度大于脊部；
所述石墨烯-介质层-石墨烯夹层结构包括上层石墨烯层、下层石墨烯层及位于所述上层石墨烯层和所述下层石墨烯层之间的介质层；
所述介质层为绝缘材料；
所述上层石墨烯层和下层石墨烯层分别在所述脊型波导基部的两侧具有预先设定的延伸长度；
所述电极结构包括位于脊型波导基部两侧的第一金属层，且所述脊型波导基部一侧的第一金属层位于上层石墨烯层之上，并与上层石墨烯层接触；
所述脊型波导基部另一侧的第一金属层位于下层石墨烯层之上，并与下层石墨烯层接触。
优选的，所述衬底为半导体材料或半导体集成电路芯片。
优选的，所述电极结构还包括位于所述第一金属层之上的第二金属层。
优选的，所述第一金属层的材料为钛、镍、钴和钯中的一种。
优选的，所述第二金属层的材料为金、银、铂、铜和铝中的一种。
第二方面，本发明实施例提供一种制作上述任一的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器的方法，所述方法包括步骤：
S1、在衬底上沉积氧化硅材料形成隔离层；
S2、在所述隔离层上沉积氮化硅材料，图形化形成脊型波导基部；
S3、在所述脊型波导基部上覆盖石墨烯，图形化形成下层石墨烯层；
S4、在所述下层石墨烯层上覆盖介质层；
S5、在所述介质层上覆盖石墨烯，图形化形成上层石墨烯层；
S6、沉积氮化硅材料，图形化形成脊型波导脊部；
S7、图形化介质层；
S8、沉积金属材料，图形化形成电极结构。
优选的，所述步骤S1还包括：
对隔离层的表面平整化处理。
优选的，所述步骤S3具体包括：在所述脊型波导基部上采用转移方式覆盖石墨烯，图形化形成下层石墨烯层。
优选的，所述步骤S5具体包括：
在所述介质层上采用转移方式覆盖石墨烯，图形化形成上层石墨烯层。
优选的，所述步骤S4具体包括：
在所述下层石墨烯层上采用沉积或溅射的方式形成介质层。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，由于是嵌入型结构，其石墨烯层相比传统结构更接近波导中心，与导模的相互作用更强，因此可以获得更高性能。
本发明的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，由于是嵌入型结构，其石墨烯层位于脊型波导基部上平面，有效避免石墨烯层断裂影响性能。
本发明的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器的制作方法，所采用的材料和处理方式与体硅CMOS工艺完全兼容，使得可以通过后段工艺扩展的方式将所述光调制器融合到集成电路芯片上。
附图说明
图1为本发明所述光调制器截面和俯视结构示意图；
图2为本发明实施例三中的一个光电集成的示意图；
图3为本发明实施例四中的一个芯片间光互联实施例示意图。
【附图标记说明】
100：光调制结构；
101：衬底；
102：隔离层；
103：脊型波导；
104：基部；
105：脊部；
106：上层石墨烯层；
107：下层石墨烯层；
108：介质层；
109：第一金属层；
110：第二金属层；
201：第一电路器件；
202：第二电路器件；
203：第三电路器件；
204：第一金属互连层；
205：第二金属互联层；
206：第三金属互联层；
207：第一金属通孔；
208：第二金属通孔；
209：隔离层互联金属层；
300：光探测器；
401：发送芯片；
402：接收芯片；
403：第一光波导；
404：第二光波导；
405：光源；
406：光通路。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
参见图1，本实施例提供一种基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，所述光调制器包括：依次设置的衬底101、隔离层102和光调制结构100；
所述隔离层102的材料为氧化硅。
所述光调制结构100包括脊型波导103、石墨烯-介质层-石墨烯夹层结构和电极结构。
所述脊型波导103的材料为氮化硅。
所述脊型波导103包括基部104和脊部105。
所述基部104宽度大于脊部105的宽度。
所述石墨烯-介质层-石墨烯夹层结构包括上层石墨烯层106、下层石墨烯层107及位于所述上层石墨烯层106和所述下层石墨烯层107之间的介质层108。
所述介质层108为绝缘材料。
所述上层石墨烯层106和下层石墨烯层107分别在所述脊型波导基部104的两侧具有预先设定的延伸长度。
所述电极结构包括位于脊型波导基部104两侧的第一金属层109，且所述脊型波导基部104一侧的第一金属层109位于上层石墨烯层之上，并与上层石墨烯层接触。
所述脊型波导基部104另一侧的第一金属层109位于下层石墨烯层之上，并与下层石墨烯层接触。
本实施例中优选的，所述衬底101为半导体材料或半导体集成电路芯片。
本实施例中优选的，所述电极结构还包括位于所述第一金属层109之上的第二金属层110。
本实施例中优选的，所述第一金属层109的材料为钛、镍、钴和钯中的一种。
本实施例中优选的，所述第二金属层110的材料为金、银、铂、铜和铝中的一种。
本实施例中的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，由于是嵌入型结构，其石墨烯层相比传统结构更接近波导中心，与导模的相互作用更强，因此可以获得更高性能。并且石墨烯层位于脊型波导基部上平面，有效避免石墨烯层断裂影响性能。
实施例二
本实施例中提供一种基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器的制作方法，包括步骤：
S1、在衬底101上沉积氧化硅材料形成隔离层102。
在本实施例的实际应用中，使用PECVD在衬底101上生长氧化硅隔离层102，其中氧化硅隔离层102厚度为2微米，氧化硅隔离层102的厚度用以充分降低脊型波导向衬底101的光泄露。
S2、在所述隔离层102上沉积氮化硅材料，图形化形成脊型波导基部104。
在本实施例的实际应用中，使用PECVD在氧化硅隔离层102上生长氮化硅层，厚度为150纳米；使用EBL和ICP进行图形化，形成脊型波导的基部104。
S3、在所述脊型波导基部104上覆盖石墨烯，图形化形成下层石墨烯层107。
在本实施例的实际应用中，使用转移技术将生长好的石墨烯薄膜覆盖到脊型波导基部104之上；使用EBL和O2 Plasma对石墨烯薄膜进行图形化，形成下层石墨烯层107。
S4、在所述下层石墨烯层107上覆盖介质层108。
在本实施例的实际应用中，使用ALD方式生长氧化铝介质层108，厚度为5纳米。
S5、在所述介质层108上覆盖石墨烯，图形化形成上层石墨烯层106。
在本实施例的实际应用中，使用转移技术将生长好的石墨烯薄膜覆盖到氧化铝介质层108之上；使用EBL和O2 Plasma对石墨烯薄膜进行图形化，形成上层石墨烯层106。
S6、沉积氮化硅材料，图形化形成脊型波导脊部105。
在本实施例的实际应用中，使用PECVD方式在上生长氮化硅层，厚度为200纳米；使用EBL和ICP进行图形化，形成脊型波导的脊部105。
S7、图形化介质层108。
在本实施的实际应用中，使用湿法刻蚀方式，图形化氧化铝介质层108。
S8、沉积金属材料，图形化形成电极结构。
在本实施的实际应用中，使用EBV和剥离方式制作电极结构，第一金属层109的材料为钛，厚度为10纳米，第二金属层110的材料为金，厚度为80纳米。
本实施例中优选的，所述步骤S1还包括：
对隔离层102的表面平整化处理。
本实施例中优选的，所述步骤S3具体包括：在所述脊型波导基部104上采用转移方式覆盖石墨烯，图形化形成下层石墨烯层107。
本实施例中优选的，所述步骤S5具体包括：
在所述介质层108上采用转移方式覆盖石墨烯，图形化形成上层石墨烯层106。
本实施例中优选的，所述步骤S4具体包括：
在所述下层石墨烯层107上采用沉积或溅射的方式形成介质层108。
本实施例中的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器的制作方法，所采用的采用和处理方式与体硅CMOS工艺完全兼容，使得可以通过后段工艺扩展的方式将所述光调制器融合到集成电路芯片上。
实施例三
参见图2，为根据本发明的一种基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器所实现的一个光电集成，包括：衬底101、隔离层102、光调制结构100和光探测结构300；其中光探测结构300不在本发明中做具体论述。
本实施例中衬底101为半导体集成电路芯片，包含衬底电路器件和衬底金属互联层；其中，衬底电路器件包括第一电路器件201、第二电路器件202和第三电路器件203。衬底金属互联层包括：第一金属互联层204、第二金属互联层205和第三金属互联层206。
衬底电路器件与衬底金属互联层之间、上下层衬底金属互连层之间通过第一金属通孔207连接。
图2中针对半导体集成电路芯片的结构描述仅作为说明本发明的示意图，不反映具体的半导体集成电路芯片设计，有关半导体集成电路芯片的内容参考相关文献资料。
图2所示的光电集成的主要制作流程如下：
通过标准的集成电路工艺制作半导体集成电路芯片，并作为衬底101。
在衬底101上生长氧化硅隔离层102。
在氧化硅隔离层102上制作光调制器100、光探测器300，以及其他必要的光结构。
制作第二金属通孔208，制作隔离层互联金属层209，以连接光调制结构100/光探测结构300和下层衬底101中的电路。
由此可见，本实施例中的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器的制作方法，由于与体硅CMOS工艺完全兼容，可以将光探测器融合到集成电路芯片上。
实施例四
图3为根据本发明所实现的一个芯片间光互联实施例示意图。本实施例中发送芯片401和接收芯片402之间互联，发送芯片401和接收芯片402为相互独立的两块芯片。
发送芯片401上具有光调制结构100。
接收芯片402上具有光探测结构300。
光源405可以采用片外激光器产生并经过光栅耦合或者是侧边耦合注入第一光波导403，由发送芯片401中的电路产生的调制电信号施加到光调制结构100调制第一光波导403中的光，被调制的光经过光通路406从发送芯片401中的第一光波导403传输到接收芯片402中的第二光波导404，然后光探测结构300产生对应的电信号并送到电路进行处理，从而形成完整片间光通信。所述光通路406有多种实现方式，其中一种方式是发送芯片401端第一光波导403中的光通过光栅耦合到光纤，经过光纤的传输，再通过光栅耦合到接收芯片402端第二光波导404。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，其特征在于，所述光调制器包括：依次设置的衬底(101)、隔离层(102)和光调制结构(100)；
所述隔离层(102)的材料为氧化硅；
所述光调制结构(100)包括脊型波导(103)、石墨烯-介质层-石墨烯夹层结构和电极结构；
所述脊型波导(103)的材料为氮化硅；
所述脊型波导(103)包括基部(104)和脊部(105)；
所述基部(104)宽度大于脊部(105)；
所述石墨烯-介质层-石墨烯夹层结构包括上层石墨烯层(106)、下层石墨烯层(107)及位于所述上层石墨烯层(106)和所述下层石墨烯层(107)之间的介质层(108)；
所述介质层(108)为绝缘材料；
所述上层石墨烯层(106)和下层石墨烯层(107)分别在所述脊型波导基部(104)的两侧具有预先设定的延伸长度；
所述电极结构包括位于脊型波导基部(104)两侧的第一金属层(109)，且所述脊型波导基部(104)一侧的第一金属层(109)位于上层石墨烯层之上，并与上层石墨烯层接触；
所述脊型波导基部(104)另一侧的第一金属层(109)位于下层石墨烯层之上，并与下层石墨烯层接触。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，其特征在于，所述衬底(101)为半导体材料或半导体集成电路芯片。
3.根据权利要求1所述的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，其特征在于，所述电极结构还包括位于所述第一金属层(109)之上的第二金属层(110)。
4.根据权利要求1所述的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，其特征在于，所述第一金属层(109)的材料为钛、镍、钴和钯中的一种。
5.根据权利要求3所述的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器，其特征在于，所述第二金属层(110)的材料为金、银、铂、铜和铝中的一种。
6.制作如权利要求1-5中任一所述的基于氮化硅脊型波导的嵌入型石墨烯光调制器的方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在衬底(101)上沉积氧化硅材料形成隔离层(102)；
S2、在所述隔离层(102)上沉积氮化硅材料，图形化形成脊型波导基部(104)；
S3、在所述脊型波导基部(104)上覆盖石墨烯，图形化形成下层石墨烯层(107)；
S4、在所述下层石墨烯层(107)上覆盖介质层(108)；
S5、在所述介质层(108)上覆盖石墨烯，图形化形成上层石墨烯层(106)；
S6、沉积氮化硅材料，图形化形成脊型波导脊部(105)；
S7、图形化介质层(108)；
S8、沉积金属材料，图形化形成电极结构。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
对隔离层(102)的表面平整化处理。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：在所述脊型波导基部(104)上采用转移方式覆盖石墨烯，图形化形成下层石墨烯层(107)。
9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
在所述介质层(108)上采用转移方式覆盖石墨烯，图形化形成上层石墨烯层(106)。
10.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
在所述下层石墨烯层(107)上采用沉积或溅射的方式形成介质层(108)。
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