CN113281921A - 一种一阶电光效应硅调制器及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种一阶电光效应硅调制器及其制备工艺，涉及电光效应硅调制器领域。制备工艺包括在硅波导区蚀刻形成非晶硅生长窗口，非晶硅生长窗口由硅波导区的上表面蚀刻形成；在非晶硅生长窗口中沉积非晶硅，并在沉积的非晶硅表面覆盖二氧化硅层；以波长为488nm的光辐照非晶硅生长窗口使非晶硅生长窗口中的非晶硅的至少一部分转变为单晶硅。这使制备得到的一阶电光效应硅调制器通过在硅结构中引入不对称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
技术领域
本发明涉及电光效应硅调制器领域，具体而言，涉及一种一阶电光效应硅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一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其通过在硅结构中引入不对称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一阶电光效应硅调制器，其通过在硅结构中引入不对称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：
一种一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其包括：
在硅波导区蚀刻形成非晶硅生长窗口，非晶硅生长窗口由硅波导区的上表面蚀刻形成。
在非晶硅生长窗口中沉积非晶硅，并在沉积的非晶硅表面覆盖二氧化硅层。
以波长为488nm的光辐照非晶硅生长窗口使非晶硅生长窗口中的非晶硅的至少一部分转变为单晶硅。
进一步地，非晶硅生长窗口位于硅波导区中间位置，非晶硅生长窗口的宽度小于硅波导区的宽度。
进一步地，沿硅波导区的长度方向，非晶硅生长窗口呈线性阵列分布。
进一步地，在非晶硅生长窗口中沉积非晶硅时，采用CVD法于150℃-350℃在非晶硅生长窗中淀积形成非晶硅薄膜。
进一步地，以波长为488nm的光辐照非晶硅生长窗口时，采用波长为488nm的氩离子大功率激光器进行辐照。
进一步地，以波长为488nm的光辐照非晶硅生长窗口时，采用波长为488nm的氩离子大功率激光器进行辐照，使非晶硅生长窗口中的非晶硅的温度超过1420k以对非晶硅进行退火。
进一步地，非晶硅生长窗口的外形为矩形、圆形、菱形或长条形。其中，当非晶硅生长窗口的外形为长条形时，非晶硅生长窗口沿硅波导区的长度方向连续延伸呈长条状。
进一步地，一阶电光效应硅调制器的制备工艺还包括：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。其中，两侧的slab区的厚度均小于硅波导区的厚度。
进一步地，两侧的slab区的厚度均为60nm，硅波导区的厚度为220nm。
一种一阶电光效应硅调制器，其根据上述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺制备得到。
本发明实施例的有益效果是：
在一阶电光效应硅调制器的制备工艺中，由于在488nm波段二氧化硅是透明的，波长为488nm的辐照光的光能量透过二氧化硅被非晶硅生长窗口中的非晶硅吸收，吸收光后的非晶硅温度逐渐上升，直至超过非晶硅的熔融温度1420k，从而达到对非晶硅退火的目的。非晶硅经过退火后变为单晶硅体积减小，由于非晶硅与单晶硅之间的Si-Si健的作用，使非晶硅生长窗口中的单晶硅对硅波导区中原本的单晶硅形成拉应力，从而在整个硅波导区形成不对称应力。
具体的，采用波长为488nm的辐照光对非晶硅生长窗口中的非晶硅进行退火，可以使非晶硅生长窗口中的非晶硅转变为单晶硅。由于单晶硅和非晶硅的原子密度(c-Si为2.33gcm-3，a-Si为2.20gcm-3)相差5.9％，非晶硅生长窗口中的非晶硅硅结晶后体积将会缩小。由于非晶硅生长窗口的大小不会变化，非晶硅生长窗口中的非晶硅转化为单晶硅后会与非晶硅生长窗口的四周(即原本的硅波导区中的单晶硅)形成共价键，从而对非晶硅生长窗口的四周的单晶硅形成拉应力，进而可以对整个硅波导区形成拉应力。拉应力的理论最大值可达6GPa，由于单晶硅中Si-Si键可承受应力大于6GPa，而SiO2可以提供约10GPa以上的应力，且在熔融状态下其仍然可以提供7GPa的拉力，这保证了结晶前后整个结构的稳定，避免在加工过程中损毁。
简单来说，在硅波导区开设了非晶硅生长窗口，而通过将非晶硅生长窗口中的非晶硅转化为单晶硅使其体积减小，从而使非晶硅生长窗口中由非晶硅转变而来的单晶硅能够通过非晶硅生长窗口的侧壁对原来的硅波导区施加拉应力，从而为硅波导区提供不对称应力，打破原来的中心反演对称结构，使其电光效应被有效加强。
总体而言，本发明实施例提供的一阶电光效应硅调制器的制备工艺通过在硅结构中引入不对称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一阶电光效应硅调制器通过在硅结构中引入不对称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一阶电光效应硅调制器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一阶电光效应硅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一阶电光效应硅调制器的拉应力分布示意图；
图4为硅波导区的非晶硅生长窗口为长条状时的结构示意图；
图5为硅波导区的非晶硅生长窗口为圆形时的结构示意图；
图6为硅波导区的非晶硅生长窗口为菱形时的结构示意图。
图标：一阶电光效应硅调制器100；硅波导区110；非晶硅生长窗口120；非晶硅130；二氧化硅层140；slab区150；基底160；第一电极170；第二电极180。
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和图3，本实施例提供一种一阶电光效应硅调制器100的制备工艺，其包括：
在硅波导区110蚀刻形成非晶硅生长窗口120，非晶硅生长窗口120由硅波导区110的上表面蚀刻形成。
在非晶硅生长窗口120中沉积非晶硅130，并在沉积的非晶硅130表面覆盖二氧化硅层140。
以波长为488nm的光辐照非晶硅生长窗口120使非晶硅生长窗口120中的非晶硅130的至少一部分转变为单晶硅。
在一阶电光效应硅调制器100的制备工艺中，由于在488nm波段二氧化硅是透明的，波长为488nm的辐照光的光能量透过二氧化硅被非晶硅生长窗口120中的非晶硅130吸收，吸收光后的非晶硅130温度逐渐上升，直至超过非晶硅130的熔融温度1420k，从而达到对非晶硅130退火的目的。非晶硅130经过退火后变为单晶硅体积减小，由于非晶硅130与单晶硅之间的Si-Si健的作用，使非晶硅生长窗口120中的单晶硅对硅波导区110中原本的单晶硅形成拉应力，从而在整个硅波导区110形成不对称应力。
具体的，采用波长为488nm的辐照光对非晶硅生长窗口120中的非晶硅130进行退火，可以使非晶硅生长窗口120中的非晶硅130转变为单晶硅。由于单晶硅和非晶硅130的原子密度(c-Si为2.33gcm-3，a-Si为2.20gcm-3)相差5.9％，非晶硅生长窗口120中的非晶硅130硅结晶后体积将会缩小。由于非晶硅生长窗口120的大小不会变化，非晶硅生长窗口120中的非晶硅130转化为单晶硅后会与非晶硅生长窗口120的四周(即原本的硅波导区110中的单晶硅)形成共价键，从而对非晶硅生长窗口120的四周的单晶硅形成拉应力，进而可以对整个硅波导区110形成拉应力。拉应力的理论最大值可达6GPa，由于单晶硅中Si-Si键可承受应力大于6GPa，而SiO2可以提供约10GPa以上的应力，且在熔融状态下其仍然可以提供7GPa的拉力，这保证了结晶前后整个结构的稳定，避免在加工过程中损毁。
简单来说，在硅波导区110开设了非晶硅生长窗口120，而通过将非晶硅生长窗口120中的非晶硅130转化为单晶硅使其体积减小，从而使非晶硅生长窗口120中由非晶硅130转变而来的单晶硅能够通过非晶硅生长窗口120的侧壁对原来的硅波导区110施加拉应力，从而为硅波导区110提供不对称应力，打破原来的中心反演对称结构，使其电光效应被有效加强。
总体而言，一阶电光效应硅调制器100的制备工艺通过在硅结构中引入不对称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。
在本实施例中，非晶硅生长窗口120位于硅波导区110中间位置，非晶硅生长窗口120的宽度小于硅波导区110的宽度。沿硅波导区110的长度方向，非晶硅生长窗口120呈线性阵列分布。
这样的话，能够使非晶硅生长窗口120中由非晶硅130转变而来的单晶硅对整个硅波导区110提供范围更广的不对称应力，使整个硅波导区110的电光效应都得到有效改善。
进一步地，在非晶硅生长窗口120中沉积非晶硅130时，采用CVD法于150℃-350℃在非晶硅生长窗口中淀积形成非晶硅130薄膜。以波长为488nm的光辐照非晶硅生长窗口120时，采用波长为488nm的氩离子大功率激光器进行辐照。以波长为488nm的光辐照非晶硅生长窗口120时，采用波长为488nm的氩离子大功率激光器进行辐照，使非晶硅生长窗口120中的非晶硅130的温度超过1420k以对非晶硅130进行退火。
具体的，非晶硅生长窗口120的外形可以为矩形、圆形、菱形或长条形。
其中，当非晶硅生长窗口120的外形为长条形时，如图4所示，非晶硅生长窗口120沿硅波导区110的长度方向连续延伸呈长条状，这样能够使不对称应力在整个硅波导区110结构上更加连续，从而使硅波导区110的电光效应更加稳定、连续，避免出现性能不稳的问题。
当非晶硅生长窗口120的外形为圆形时，如图5所示，能够使非晶硅生长窗口120对周围的硅波导区110施加的不对称应力的应力方向呈放射状，更有利于不对称拉应力在硅波导中充分分布。
当非晶硅生长窗口120的外形为矩形、菱形(如图6所示，)或三角形时，由于其具有明显的转角，在转角区，拉应力分布更不均匀，这对于进一步提高拉应力的不对称性具有积极作用。
在本实施例中，一阶电光效应硅调制器100的制备工艺还包括：在硅波导区110的两侧均设置slab区150，两侧的slab区150均与硅波导区110相连。设置第一电极170和第二电极180。第一电极170和第二电极180均设于基底160，第一电极170连接于一侧slab区150远离硅波导区110的一侧，第二电极180连接于另一侧slab区150远离硅波导区110的一侧。第一电极170和第二电极180均设于基底160固定连接。
其中，硅波导区110和slab区150均通过在基底160上蚀刻形成，两侧的slab区150的厚度均小于硅波导区110的厚度。具体的，两侧的slab区150的厚度均为60nm，硅波导区110的厚度为220nm。
本实施例还提供一种一阶电光效应硅调制器100，其根据上述的一阶电光效应硅调制器100的制备工艺制备得到。一阶电光效应硅调制器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，一阶电光效应硅调制器100的制备工艺通过在硅结构中引入不对称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。一阶电光效应硅调制器100通过在硅结构中引入不对称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)
1.一种一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，包括：
在硅波导区蚀刻形成非晶硅生长窗口，所述非晶硅生长窗口由所述硅波导区的上表面蚀刻形成；
在所述非晶硅生长窗口中沉积非晶硅，并在沉积的非晶硅表面覆盖二氧化硅层；
以波长为488nm的光辐照所述非晶硅生长窗口使所述非晶硅生长窗口中的非晶硅的至少一部分转变为单晶硅。
2.根据权利要求1所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，所述非晶硅生长窗口位于所述硅波导区中间位置，所述非晶硅生长窗口的宽度小于所述硅波导区的宽度。
3.根据权利要求1所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，沿所述硅波导区的长度方向，所述非晶硅生长窗口呈线性阵列分布。
4.根据权利要求1所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，在所述非晶硅生长窗口中沉积非晶硅时，采用CVD法于150℃-350℃在所述非晶硅生长窗中淀积形成非晶硅薄膜。
5.根据权利要求1所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，以波长为488nm的光辐照所述非晶硅生长窗口时，采用波长为488nm的氩离子大功率激光器进行辐照。
6.根据权利要求5所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，以波长为488nm的光辐照所述非晶硅生长窗口时，采用波长为488nm的氩离子大功率激光器进行辐照，使所述非晶硅生长窗口中的非晶硅的温度超过1420k以对非晶硅进行退火。
7.根据权利要求1所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，所述非晶硅生长窗口的外形为矩形、圆形、菱形或长条形；其中，当所述非晶硅生长窗口的外形为长条形时，所述非晶硅生长窗口沿所述硅波导区的长度方向连续延伸呈长条状。
8.根据权利要求1所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，所述一阶电光效应硅调制器的制备工艺还包括：所述硅波导区的两侧均设置有slab区，两侧的所述slab区均与所述硅波导区相连；其中，两侧的所述slab区的厚度均小于所述硅波导区的厚度。
9.根据权利要求8所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺，其特征在于，两侧的所述slab区的厚度均为60nm，所述硅波导区的厚度为220nm。
10.一种一阶电光效应硅调制器，其特征在于，根据如权利要求1～9任一项所述的一阶电光效应硅调制器的制备工艺制备得到。
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