CN113281919A - 一种新型硅基电光调制器及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种新型硅基电光调制器及其制备工艺，涉及电光调制器领域。制备工艺包括在基底蚀刻形成硅波导区和slab区，硅波导区的两侧均设置有slab区，两侧的slab区均与硅波导区相连；对slab区进行氧原子注入并退火。这使新型硅基电光调制器通过在硅结构中引入梯度应力而打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的功能限制，大大提高了硅基调制器的调制效率，有效减小了器件的尺寸、提高了带宽、降低了插损。

Description

一种新型硅基电光调制器及其制备工艺
技术领域
本发明涉及电光调制器领域，具体而言，涉及一种新型硅基电光调制器及其制备工艺。
背景技术
硅(Si)材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优势。硅基光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。
然而尽管面向光通信和光互连的硅基光电子技术已经得到良好的发展，然而由于硅材料自身特性的限制，硅基光电子技术在一些方面仍然存在一定的不足。
作为硅基光电集成技术中的重要的代表元件之一的电光调制器，它的作用就是把电信号加到光载波上，将电信号转变为光信号。硅基电光调制器经过十几年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高，部分指标已经达到了商用三五族探测器的水平。
由于硅单晶为中心反演对称结构，因此不具有一阶电光效应(泡克尔斯效应)，而二阶电光效应(克尔效应)非常微弱。因此，目前硅基电光调制器主要采用等离子色散效应。然而等离子色散效应仍然非常微弱，导致目前采用的硅基电光调制器调制效率很低，器件尺寸很大。此外载流子对光信号有较大的吸收，也是插损比较大的一个重要原因。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种新型硅基电光调制器的制备工艺，其通过在硅结构中引入梯度应力而打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的功能限制，大大提高了硅基调制器的调制效率，有效减小了器件的尺寸、提高了带宽、降低了插损。
本发明的第二个目的在于提供一种新型硅基电光调制器，其通过在硅结构中引入梯度应力而打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的功能限制，大大提高了硅基调制器的调制效率，有效减小了器件的尺寸、提高了带宽、降低了插损。
本发明的实施例是这样实现的：
一种新型硅基电光调制器的制备工艺，其包括：
在基底蚀刻形成硅波导区和slab区，硅波导区的两侧均设置有slab区，两侧的slab区均与硅波导区相连。
对slab区进行氧原子注入并退火。
进一步地，slab区的厚度大于或等于硅波导区的厚度的二分之一。
进一步地，slab区的厚度和硅波导区的厚度均为220nm。
进一步地，基底为SOI基底。
进一步地，在基底蚀刻形成硅波导区和slab区时，在SOI基底的顶层硅进行。
进一步地，新型硅基电光调制器的制备工艺还包括：设置第一电极和第二电极。第一电极和第二电极均设于基底，第一电极连接于一侧slab区远离硅波导区的一侧，第二电极连接于另一侧slab区远离硅波导区的一侧。
进一步地，第一电极和第二电极均设于基底固定连接。
进一步地，位于硅波导区的两侧的slab区的宽度相同。
进一步地，位于硅波导区的两侧的slab区的宽度均大于硅波导区的宽度。
一种新型硅基电光调制器，其根据上述的新型硅基电光调制器的制备工艺制备得到。
本发明实施例的有益效果是：
在新型硅基电光调制器的制备工艺中，硅波导区的两侧的slab区在结构上与硅波导区相连，当对slab区进行氧原子注入并退火后，slab区中原本的单晶硅被转化为二氧化硅，使slab区出现体积膨胀的趋势，从而在slab区中形成内应力。
由于硅波导区的两侧均设置有slab区，两侧的slab区能够对硅波导区形成挤压力，使硅波导区中的应力发生变化，从而打破硅波导区中原本的中心反演对称结构特性。
此外，在对slab区进行氧原子注入的过程中，slab区顶部的氧原子浓度是大于其底部位置的氧原子浓度的，那么这就会导致slab区中顶部的二氧化硅比例大于其底部的二氧化硅比例，从而使slab区顶部的体积膨胀比例比其底部的体积膨胀比例大。这样的话，slab区的顶部位置对硅波导区的压应力是大于其底部位置对硅波导区的压应力的，而且呈现出由slab区的顶部向slab区的底部的方向应压力逐渐减小的规律，就成功地对硅波导区形成了梯度式的压应力。
通过以上设计，充分打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的限制，而且还可以通过控制注入到slab区的氧原子的量来控制二氧化硅的比例，从而间接控制slab区对硅波导区的压应力大小。这样的话，可以根据不同的生产需要，灵活调整压应力，以适应不同的使用需求。
总体而言，本发明实施例提供的新型硅基电光调制器的制备工艺通过在硅结构中引入梯度应力而打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的功能限制，大大提高了硅基调制器的调制效率，有效减小了器件的尺寸、提高了带宽、降低了插损。本发明实施例提供的新型硅基电光调制器通过在硅结构中引入梯度应力而打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的功能限制，大大提高了硅基调制器的调制效率，有效减小了器件的尺寸、提高了带宽、降低了插损。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的新型硅基电光调制器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的新型硅基电光调制器的另一视角的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的新型硅基电光调制器的内部结构示意图；
图4为本发明实施例提供的新型硅基电光调制器的内应力分布示意图。
图标：新型硅基电光调制器100；基底110；硅波导区120；slab区130；第一电极140；第二电极150。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致等于”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参照图1、图2、图3和图4，本实施例提供一种新型硅基电光调制器100的制备工艺，其包括：
在基底110蚀刻形成硅波导区120和slab区130，硅波导区120的两侧均设置有slab区130，两侧的slab区130均与硅波导区120相连。
对slab区130进行氧原子注入并退火。
本申请的发明人研究发现：单晶硅中Si-Si键的键长为0.235nm，二氧化硅中Si-O键的键长为0.155nm，也就是说，Si-O-Si两个键长之和为0.310nm。因此，硅被氧化为二氧化硅之后，在晶格结构不变的情况下，相邻硅原子之间的距离由0.235nm变为0.310nm，体积增大31.91％。如果在固定的容腔内实现这一转变，则形成的二氧化硅将会形成压应力。因此，我们可以利用此压应力对未被氧化的硅波导施加压应力，从而形成应力硅。
在新型硅基电光调制器100的制备工艺中，硅波导区120的两侧的slab区130在结构上与硅波导区120相连，当对slab区130进行氧原子注入并退火后，slab区130中原本的单晶硅被转化为二氧化硅，使slab区130出现体积膨胀的趋势，从而在slab区130中形成内应力。
由于硅波导区120的两侧均设置有slab区130，两侧的slab区130能够对硅波导区120形成挤压力，使硅波导区120中的应力发生变化，从而打破硅波导区120中原本的中心反演对称结构特性。
此外，在对slab区130进行氧原子注入的过程中，slab区130顶部的氧原子浓度是大于其底部位置的氧原子浓度的，那么这就会导致slab区130中顶部的二氧化硅比例大于其底部的二氧化硅比例，从而使slab区130顶部的体积膨胀比例比其底部的体积膨胀比例大。这样的话，slab区130的顶部位置对硅波导区120的压应力是大于其底部位置对硅波导区120的压应力的，而且呈现出由slab区130的顶部向slab区130的底部的方向应压力逐渐减小的规律，就成功地对硅波导区120形成了梯度式的压应力。
通过以上设计，充分打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的限制，而且还可以通过控制注入到slab区130的氧原子的量来控制二氧化硅的比例，从而间接控制slab区130对硅波导区120的压应力大小。这样的话，可以根据不同的生产需要，灵活调整压应力，以适应不同的使用需求。
总体而言，新型硅基电光调制器100的制备工艺通过在硅结构中引入梯度应力而打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的功能限制，大大提高了硅基调制器的调制效率，有效减小了器件的尺寸、提高了带宽、降低了插损。进一步地，slab区130的厚度大于或等于硅波导区120的厚度的二分之一。
在本实施例中，为了使slab区130能够更好地对硅波导区120施加应压力，slab区130的厚度和硅波导区120的厚度均为220nm。
进一步地，基底110为SOI基底110。在基底110蚀刻形成硅波导区120和slab区130时，在SOI基底110的顶层硅进行。
新型硅基电光调制器100的制备工艺还包括：设置第一电极140和第二电极150。第一电极140和第二电极150均设于基底110，第一电极140连接于一侧slab区130远离硅波导区120的一侧，第二电极150连接于另一侧slab区130远离硅波导区120的一侧。第一电极140和第二电极150均设于基底110固定连接。
如此设计，第一电极140和第二电极150不止能发挥各自作为电极本身的作用，而且还对slab区130在结构上具有加强的作用，并且能够有效地降低slab区130的压应力在slab区130远离硅波导区120的一侧的损失，换句话说，第二电极150和第二电极150相当于是对slab区130起到了支持作用，使slab区130能够将压应力更充分地施加到硅波导区120，大大提高对硅波导区120的应力作用，可以认为是提高了slab区130中单位比例的二氧化硅对硅波导区120的应力作用效果。
进一步地，在本实施例中，位于硅波导区120的两侧的slab区130的宽度相同，且位于硅波导区120的两侧的slab区130的宽度均大于硅波导区120的宽度。这样的话，slab区130能够对硅波导区120更好地提供压应力，且有助于提高整体的结构稳定性。
本实施例还提供一种新型硅基电光调制器100，其根据上述的新型硅基电光调制器100的制备工艺制备得到。新型硅基电光调制器100的具体结构在上文已经做了详细描述，此处便不在赘述。
综上所述，新型硅基电光调制器100的制备工艺通过在硅结构中引入梯度应力而打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的功能限制，大大提高了硅基调制器的调制效率，有效减小了器件的尺寸、提高了带宽、降低了插损。新型硅基电光调制器100通过在硅结构中引入梯度应力而打破了中心反演对称结构对硅基电光调制器的功能限制，大大提高了硅基调制器的调制效率，有效减小了器件的尺寸、提高了带宽、降低了插损。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，包括：
在基底蚀刻形成硅波导区和slab区，所述硅波导区的两侧均设置有所述slab区，两侧的所述slab区均与所述硅波导区相连；
对所述slab区进行氧原子注入并退火。
2.根据权利要求1所述的新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，所述slab区的厚度大于或等于所述硅波导区的厚度的二分之一。
3.根据权利要求2所述的新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，所述slab区的厚度和所述硅波导区的厚度均为220nm。
4.根据权利要求1所述的新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，所述基底为SOI基底。
5.根据权利要求4所述的新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，在所述基底蚀刻形成所述硅波导区和所述slab区时，在SOI基底的顶层硅进行。
6.根据权利要求1所述的新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，所述新型硅基电光调制器的制备工艺还包括：设置第一电极和第二电极；所述第一电极和所述第二电极均设于所述基底，所述第一电极连接于一侧所述slab区远离所述硅波导区的一侧，所述第二电极连接于另一侧所述slab区远离所述硅波导区的一侧。
7.根据权利要求6所述的新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均设于所述基底固定连接。
8.根据权利要求1所述的新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，位于所述硅波导区的两侧的所述slab区的宽度相同。
9.根据权利要求1所述的新型硅基电光调制器的制备工艺，其特征在于，位于所述硅波导区的两侧的所述slab区的宽度均大于所述硅波导区的宽度。
10.一种新型硅基电光调制器，其特征在于，根据如权利要求1～9任一项所述的新型硅基电光调制器的制备工艺制备得到。
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