CN113176675A - 一种硅基电光调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基电光调制器及其制备方法，硅基电光调制器包括：衬底，其包括埋氧层和位于所述埋氧层上的脊形波导结构，所述脊形波导结构包括条形波导；绝缘层，位于所述脊形波导结构的上表面；表面等离子激元结构，位于所述条形波导上，在所述表面等离子激元结构的两侧分别具有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极位于所述绝缘层上的电极过孔中。本发明采用表面等离子激元结构，能够有效增强场能量的性质，增加电光相互作用与调制能力，实现了调制器长度的降低，同时解决了长度尺寸与消光比之间的相互限制的矛盾，最终实现调制器的长度在30um以下，提高消光比在50dB以上。
Description
技术领域
本发明涉及光电子集成技术领域，具体涉及一种硅基电光调制器及其制备方法。
背景技术
硅基电光调制器是光互联、光通信系统中的重要部件之一，是完成电信号到光信号的转换，实现高速信息在光电子集成芯片上传输和处理的前提，随着芯片的集成度越来越高，硅基电光调制器也从分立部件逐渐走向集成化。传统的硅基电光调制器长度较大，从工艺节点、芯片集成度和成本的角度不利于光电集成。
在现有技术中，常用的硅基电光调制器是载流子注入型MZI(马赫-曾德尔干涉仪)调制器，其基本工作原理是通过正偏电压，由P区与N区向I区注入少数载流子，最终实现MZI出口端两列光相位相反，进行消光，从而利用电信号实现对光信号的调制。但是，载流子注入型MZI调制器存在以下两个问题：一、调制器的长度受到焦耳热的影响而难以进一步降低，影响光电集成化；二、长度与消光比存在相互制约的关系，因而难以获得较大的消光比。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种硅基电光调制器及其制备方法，对现有硅基电光调制器的电学结构进行改进，设计了一种新型的硅基电光调制器，可以有效减少器件尺寸，提高光电集成度，同时，可以实现较大的消光比。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种硅基电光调制器，包括：
衬底，其包括埋氧层和位于埋氧层上的脊形波导结构，脊形波导结构包括条形波导；
绝缘层，位于脊形波导结构的上表面；
表面等离子激元结构，位于条形波导上，在表面等离子激元结构的两侧分别具有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极位于绝缘层上的电极过孔中。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种硅基电光调制器的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底，衬底包括埋氧层和位于埋氧层上的顶层硅；
刻蚀顶层硅形成脊形波导结构，脊形波导结构包括条形波导；
在脊形波导结构的上表面形成绝缘层结构；
在条形波导上，形成表面等离子激元结构；
在绝缘层上形成电极过孔，在电极过孔内沉积金属材料，形成第一电极和第二电极；其中，表面等离子激元结构位于第一电极与第二电极之间。
与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)本发明采用表面等离子激元结构，能够有效增强表面电场场能量的性质，增加电光相互作用与调制能力，实现了调制器长度的降低，同时解决了长度尺寸与消光比之间的相互限制的矛盾，最终实现调制器的长度在30um以下，提高消光比在50dB以上；
(2)等离子激元结构包括金属结构，在工作电压下，利用金属结构实现工作臂(载流子注入的区域)与非工作臂输出相同振幅，相位相反的电磁场，从而实现最大的消光比；
(3)金属具有良好的散热性，良好的散热效果可以消除温度升高带来的负面影响，实现更大剂量载流子的注入，增加调制效果，减少调制器长度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例硅基电光调制器的结构示意图。
图2示出了本发明实施例硅基电光调制器的制备流程示意图。
图3示出了本发明实施例衬底的结构示意图。
图4示出了本发明实施例形成脊形波导结构的示意图。
图5示出了在图4所示的脊形波导结构上进行离子注入后的结构示意图。
图6示出了在图5所示的脊形波导结构上生长绝缘层结构后的结构示意图。
图7示出了在图6所示的绝缘层结构上进行离子刻蚀后的结构示意图。
图8示出了在图7所示的绝缘层结构上进行化学刻蚀后的结构示意图。
图9示出了在图8所示的结构上形成介质层的结构示意图。
图10示出了在图9所示的介质层上形成金属结构后的结构示意图。
图11示出了在图10所示的结构上进行金属化后的结构示意图。
图12示出了在图11所示的结构上形成第一电极和第二电极的结构示意图。
图13示出了在图6所示的结构上形成介质层的结构示意图。
图14示出了在图13所示的结构上形成金属结构后的结构示意图。
图15示出了在图14所示的结构上形成绝缘层后的结构示意图。
图16示出了在图15所示的结构上形成第一电极和第二电极的结构示意图。
【符号说明】
1-衬底；11-埋氧层；12-顶层硅；121-脊形波导结构；122-条形波导；123-第一掺杂区域；124-第二掺杂区域；125-第三掺杂区域；126-第四掺杂区域；
2-绝缘层；21-第一电极；22-第二电极；
3-表面等离子激元结构；31-介质层；32-金属结构。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本发明的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
在本发明实施例中，提供了一种硅基电光调制器，如图1所示，该硅基电光调制器包括：衬底1、绝缘层2和表面等离子激元结构3。
衬底1包括埋氧层11，脊形波导结构121位于埋氧层11上，埋氧层11可以为氧化硅(例如二氧化硅)，埋氧层11的下部还可以设置氮化硅、氧化铝等层结构，埋氧层11的厚度优选为3um，脊形波导结构121的具体结构参数由芯片尺寸和刻蚀工艺来定义，脊形波导结构121 的材料为硅，脊形波导结构121包括条形波导122、第一掺杂区域123、第二掺杂区域124、第三掺杂区域125和第四掺杂区域126，其掺杂类型分别为P+、P、N、N+或N+、N、P、P+。第二掺杂区域124和第三掺杂区域125的交界处形成PN结电学调制结构(图中未示出)，第一掺杂区域123和第四掺杂区域126分别接金属导线并与高频驱动电路相连。通过四次不同的离子注入掺杂形成上述的四个掺杂区域，其中，第二掺杂区域124和第三掺杂区域125的掺杂浓度大于5×e17cm-3，优选为1×e18cm-3～5×e20cm-3，第一掺杂区域123和第四掺杂区域 126的掺杂浓度大于5×e20cm-3。衬底1还可以包括底层硅(图中未示出)，底层硅位于埋氧层11的下面，也就是说，自下往上依次是底层硅、埋氧层11和脊形波导结构121。
绝缘层2位于脊形波导结构121的上表面，其中，绝缘层2的最大高度要高于脊形波导结构121的条形波导122的高度。优选地，绝缘层2的材料为氧化硅，例如为二氧化硅。第一掺杂区域123通过绝缘层2上的电极通孔与调制器的第一电极21相连接形成欧姆接触，第四掺杂区域126通过绝缘层2上的电极通孔与调制器的第二电极22相连接形成欧姆接触。
表面等离子激元结构3位于条形波导122上，同时，表面等离子激元结构3位于第一电极21与第二电极22之间。作为一种具体实施方式，表面等离子激元结构3包括介质层31和金属结构32，绝缘层2上具有孔状结构，孔状结构的底部为条形波导122的上表面，介质层31位于条形波导122的上表面和孔状结构的侧壁。金属结构32位于介质层31的上表面，其中，金属结构32的高度与第一电极21或第二电极22的高度相等，即，金属结构32的顶端与第一电极21或第二电极22的顶端平齐；当然，金属结构32的顶端与第一电极21或第二电极22的顶端也可以不平齐，对此不作限定。优选地，介质层31的厚度范围为1nm～120nm，优选为5nm～50nm。
本发明的硅基电光调制器可以应用于马赫曾德干涉仪(MZI)，在MZI的调制区中采用如图1所示的脊形波导结构121，在合理设定输入光波长的情况下，调制区有效折射率的改变就会带来输出光强的变化，从而实现电光调制。
本发明采用表面等离子激元结构，能够有效增强表面电场场能量的性质，增加电光相互作用与调制能力，实现了调制器长度的降低，同时解决了长度尺寸与消光比之间的相互限制的矛盾，最终实现调制器的长度在30um以下，提高消光比在50dB以上；等离子激元结构包括金属结构，在工作电压下，利用金属结构实现工作臂(载流子注入的区域)与非工作臂输出相同振幅，相位相反的电磁场，从而实现最大的消光比；金属具有良好的散热性，良好的散热效果可以消除温度升高带来的负面影响，实现更大剂量载流子的注入，增加调制效果，减少调制器长度。
在本发明另一实施例中，如图2所示，表面等离子激元结构3位于脊形波导结构121上，同时，表面等离子激元结构3位于第一电极21与第二电极22之间。作为一种具体实施方式，表面等离子激元结构3包括介质层31和金属结构32，介质层31覆盖在脊形波导结构121的上表面，金属结构32位于介质层31的上表面，绝缘层2覆盖表面等离子激元结构3和脊形波导结构121。优选地，绝缘层2的材料为氧化硅，例如为二氧化硅。第一掺杂区域123通过绝缘层2上的电极通孔与调制器的第一电极21相连接形成欧姆接触，第四掺杂区域126通过绝缘层2上的电极通孔与调制器的第二电极22相连接形成欧姆接触。
在本发明实施例中，还提供了一种硅基电光调制器的制备方法，如图3所示，该制备方法包括以下步骤：
提供衬底1，衬底1包括埋氧层11和顶层硅12，顶层硅12位于埋氧层11上，如图4所示，埋氧层11可以为二氧化硅，埋氧层11的厚度优选为3um。衬底1还可以包括底层硅(图中未示出)，底层硅位于埋氧层11的下面，也就是说，自下往上依次是底层硅、埋氧层11和顶层硅12。
刻蚀顶层硅12形成脊形波导结构121，如图5所示。具体地，在顶层硅12上进行光刻，一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、对准曝光、显影、刻蚀等工序。脊形波导结构121的具体结构参数由芯片尺寸和刻蚀工艺来定义，脊形波导结构121包括一条形波导122。
在脊形波导结构121上、条形波导122的两侧，分别注入掺杂形成第一掺杂区域123、第二掺杂区域124、第三掺杂区域125和第四掺杂区域126，如图6所示，其中，第一掺杂区域123与第二掺杂区域124位于条形波导122的一侧，第三掺杂区域125和第四掺杂区域126 位于条形波导122的另一侧。其掺杂类型分别为P+、P、N、N+或N+、N、P、P+，通过四次不同的离子注入掺杂形成上述的四个掺杂区域，其中，第二掺杂区域124和第三掺杂区域 125的掺杂浓度大于5×e17cm-3，优选为5×e17cm-3～为1×e21cm-3，更优的浓度为1×e18cm-3～5 ×e20cm-3，第一掺杂区域123和第四掺杂区域126的掺杂浓度大于1×e20cm-3，优选地大于5 ×e20cm-3。
在脊形波导结构121的上表面形成绝缘层结构，如图7所示。具体地，在脊形波导结构 121的上表面沉积绝缘材料，沉积形成绝缘层结构时，包括条形波导122的顶端在内的脊形波导结构121的整个上表面都会沉积绝缘材料。在这一步骤中，需要采用化学机械平坦化CMP 将沉积的绝缘材料进行平坦化。
在图7所示的结构上，对条形波导122对应的绝缘层部分进行离子刻蚀，如图8所示。
在图8所示的结构上，对离子刻蚀的部位进行化学刻蚀，以去除位于条形波导122顶端的绝缘材料，保留其他区域的上表面的绝缘材料，形成绝缘层2，如图9所示。藉此，形成绝缘层2后，由于条形波导122的顶端的绝缘材料被去除，因此，条形波导122的顶端被露出，此时绝缘层2上具有孔状结构。另外，优选地，绝缘层2的材料为氧化硅，例如为二氧化硅。
在孔状结构的侧壁以及条形波导122的顶端形成介质层31，如图10所示。优选地，采用原子层沉积方法(ALD)沉积介质层31，沉积介质层31时，条形波导122的顶端、孔状结构的侧壁和绝缘层2的整个上表面都会沉积介电薄膜，需要采用化学机械平坦化CMP或者刻蚀等工艺去除部分位于绝缘层2的上表面的介电薄膜，形成介质层31，藉此，形成介质层 31后，由于绝缘层2的部分上表面的介电薄膜被去除，因此，绝缘层2的这部分的上表面被露出。另外，介质层31的厚度范围为1nm～120nm，优选为5nm～50nm。
在介质层31上表面生长形成金属结构32，如图11所示，介质层31和金属结构32共同组成表面等离子激元结构3。
在绝缘层2上形成电极过孔，在电极过孔内沉积金属材料，形成第一电极21和第二电极 22，使得第一掺杂区域123与第一电极21相连接形成欧姆接触，第四掺杂区域126与第二电极22相连接形成欧姆接触，如图12所示。第一电极21、第二电极22可以选自TiN、TaN、W/WN、WN、Pt、Ru、AlN中的任一种或两种以上所形成的叠层。
本发明采用表面等离子激元结构，一方面利用金属良好的热导性降低升高温度带来的负面影响，从而增加载流子的注入剂量；另一方面利用等离子激元结构，能够有效增强表面场能量的性质，增加电光相互作用；从而实现调制能力的提高与调制器长度的降低。
在本发明的其他实施例中，通过四次不同的离子注入掺杂形成图6所示的四个掺杂区域后，在脊形波导结构121的上表面形成介质层31，如图13所示。
在介质层31上表面生长形成金属结构32，如图14所示，介质层31和金属结构32共同组成表面等离子激元结构3。
在表面等离子激元结构3和脊形波导结构121的表面形成绝缘层2，如图15所示。
在绝缘层2上形成电极过孔，在电极过孔内沉积金属材料，形成第一电极21和第二电极 22，使得第一掺杂区域123与第一电极21相连接形成欧姆接触，第四掺杂区域126与第二电极22相连接形成欧姆接触，如图16所示。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (14)
1.一种硅基电光调制器，其特征在于，包括：
衬底，其包括埋氧层和位于所述埋氧层上的脊形波导结构，所述脊形波导结构包括条形波导；
绝缘层，位于所述脊形波导结构的上表面；
表面等离子激元结构，位于所述条形波导上，在所述表面等离子激元结构的两侧分别具有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极位于所述绝缘层上的电极过孔中。
2.一种硅基电光调制器，其特征在于，包括：
衬底，其包括埋氧层和位于所述埋氧层上的脊形波导结构，所述脊形波导结构包括条形波导；
表面等离子激元结构，位于脊形波导结构上；
绝缘层，位于所述表面等离子激元结构和脊形波导结构上；其中，
在所述表面等离子激元结构的两侧分别具有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极位于所述绝缘层上的电极过孔中。
3.根据权利要求1或2所述的硅基电光调制器，其特征在于，所述等离子激元结构包括：
介质层，位于所述条形波导上；
金属结构，位于所述介质层上。
4.根据权利要求3所述的硅基电光调制器，其特征在于，所述介质层的厚度范围为1nm～120nm。
5.根据权利要求1或2所述的硅基电光调制器，其特征在于，所述脊形波导结构还包括第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域，其中，所述第一掺杂区域与所述第一电极相连接形成欧姆接触，所述第四掺杂区域与所述第二电极相连接形成欧姆接触。
6.根据权利要求5所述的硅基电光调制器，其特征在于，所述第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域的掺杂类型分别为P+、P、N、N+或者所述第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域的掺杂类型分别为N+、N、P、P+。
7.根据权利要求6所述的硅基电光调制器，其特征在于，其光学结构采用马赫曾德干涉仪。
8.一种硅基电光调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底包括埋氧层和位于所述埋氧层上的顶层硅；
刻蚀所述顶层硅形成脊形波导结构，所述脊形波导结构包括条形波导；
在所述脊形波导结构的上表面形成绝缘层结构；
在所述条形波导上，形成表面等离子激元结构；
在所述绝缘层上形成电极过孔，在所述电极过孔内沉积金属材料，形成第一电极和第二电极；其中，所述表面等离子激元结构位于所述第一电极与第二电极之间。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，形成表面等离子激元结构包括以下步骤：
刻蚀所述绝缘层结构形成孔状结构，以使所述条形波导的上表面露出；
在所述孔状结构的侧壁以及所述条形波导上表面形成介质层；
在所述介质层上表面生长形成金属结构。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述脊形波导结构的上表面形成绝缘层之前还包括以下步骤：
在所述脊形波导结构上、条形波导的两侧，分别注入掺杂形成第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域；所述第一掺杂区域与第二掺杂区域位于所述条形波导的一侧，所述第三掺杂区域和第四掺杂区域位于所述条形波导的另一侧；其中，
所述第一掺杂区域与所述第一电极相连接形成欧姆接触，所述第四掺杂区域与所述第二电极相连接形成欧姆接触。
11.一种硅基电光调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底包括埋氧层和位于所述埋氧层上的顶层硅；
刻蚀所述顶层硅形成脊形波导结构，所述脊形波导结构包括条形波导；
在所述脊形波导结构上形成表面等离子激元结构；
在所述表面等离子激元结构和脊形波导结构的表面形成绝缘层；
在所述绝缘层上形成电极过孔，在所述电极过孔内沉积金属材料，形成第一电极和第二电极；其中，所述表面等离子激元结构位于所述第一电极与第二电极之间。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，形成表面等离子激元结构包括以下步骤：
在所述脊形波导结构的上表面形成介质层；
在所述介质层上表面生长形成金属结构，所述介质层和金属结构共同组成表面等离子激元结构。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，在形成所述表面等离子激元结构之前还包括以下步骤：
在所述脊形波导结构上、条形波导的两侧，分别注入掺杂形成第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域；所述第一掺杂区域与第二掺杂区域位于所述条形波导的一侧，所述第三掺杂区域和第四掺杂区域位于所述条形波导的另一侧；其中，
所述第一掺杂区域与所述第一电极相连接形成欧姆接触，所述第四掺杂区域与所述第二电极相连接形成欧姆接触。
14.根据权利要求10或13所述的制备方法，其特征在于，进行注入掺杂时，所述第二掺杂区域和第三掺杂区域的掺杂浓度大于5×e17cm-3，第一掺杂区域和第四掺杂区域的掺杂浓度大于5×e20cm-3。
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