CN113934025A - 硅基行波电极调制器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种硅基行波电极调制器及其制作方法，该硅基电极调制器包括依次层叠的硅衬底、绝缘层和光波导层，以及设于所述光波导层上的行波电极；所述光波导层包括光波导和光波导两侧的掺杂接触区，所述行波电极通过导电过孔与所述掺杂接触区电连接；所述硅衬底具有相对的第一表面和第二表面，所述第二表面临近所述绝缘层；所述硅衬底位于所述光波导下方的区域设有贯穿所述第一表面和第二表面的沟槽。在硅衬底位于光波导下方的位置设置沟槽，以减少调制器的微波损耗，可有效提高调制器的带宽；在沟槽内填充无损耗介质，以增强机械强度，提高调制器的可靠性、稳定性和产品良率。

Description

硅基行波电极调制器及其制作方法
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种硅基行波电极调制器及其制作方法。
背景技术
在硅基集成光电系统中，行波电极调制器由于具有可得到较高消光比与较易集成的特点而得到广泛应用，其一般基于SOI(silicon-on-insulator，绝缘体上硅)工艺，制成硅基电光调制器。基于SOI工艺的行波电极调制器一般由光波导负载和行波电极组成，电磁波在行波电极间传输，光载波在负载光波导中传输。在光载波和电磁波传输过程中，电磁波与光载波相互作用使光载波的相位发生变化，从而完成电信号到光信号的调制。在行波电极调制器中，其主要的性能评价指标为电光带宽以及阻抗，一般需要设计较高的电光带宽以及合适的阻抗。影响电光带宽的主要因素有两个：一为带负载行波电极的损耗，二为其微波群速度与光载波群速度的匹配程度。设计时，需要行波电极调制器具有较低的微波损耗，同时微波具有与光载波相同的群速度。
现在硅基行波电极主要为基于半导体CMOS的SOI工艺制作，其主要特点是可以与半导体CMOS工艺兼容，具有成本低，易于大规模制作等特点。SOI结构由顶至下依次为顶层硅-绝缘层-硅衬底，一般硅衬底厚度为700um，绝缘层厚度为2-3um左右，而顶层硅厚度约为200-300nm左右。在现有的SOI工艺中，使用的硅衬底主要有两种，一般按电阻率区分，一种为高阻硅，电阻率在750Ohm·cm以上，一种为低阻硅，电阻率在10Ohm·cm左右。由于一些工艺中使用的衬底硅为低阻硅，低阻硅衬底的电阻率较低，因而行波电极辐射到低阻硅衬底中的电磁场会产生严重的衰减，导致行波电极调制器具有很高的微波损耗，从而使得行波电极调制器的整体电光带宽比较低，严重限制了行波电极调制器的性能和应用。而且硅衬底会和光波导两侧的掺杂接触区通过绝缘层形成一个寄生电容结构，并且硅衬底本身有一定的电阻率，其表现为电阻，硅衬底的电阻和寄生电容会形成一个并联通路，分流减弱通过波导区域的电磁场，并且这个通路由于硅衬底的电阻的存在会损耗掉一定的电磁场的能量，造成调制器的电光带宽的下降。
发明内容
本申请的目的在于提供一种硅基行波电极调制器及其制作方法，可有效减少调制器的微波损耗，提高调制器的带宽。
为了实现上述目的之一，本申请提供了一种硅基行波电极调制器，包括依次层叠的硅衬底、绝缘层和光波导层，以及设于所述光波导层上的行波电极；所述光波导层包括光波导和光波导两侧的掺杂接触区，所述行波电极通过导电过孔与所述掺杂接触区电连接；所述硅衬底具有相对的第一表面和第二表面，所述第二表面临近所述绝缘层；所述硅衬底位于所述光波导下方的区域设有贯穿所述第一表面和第二表面的沟槽。
作为实施方式的进一步改进，所述沟槽具有槽底和槽口，所述槽底为所述绝缘层临近所述硅衬底的表面，所述槽口位于所述第一表面；
所述槽底沿所述行波电极导波方向的两端延伸至与所述行波电极的两端平齐或延伸至所述行波电极的两端之外；
所述槽底垂直于所述行波电极导波方向的两端延伸至所述光波导的两侧之外。
作为实施方式的进一步改进，所述槽底垂直于所述行波电极导波方向的两端延伸至所述光波导两侧的所述掺杂接触区之外。
作为实施方式的进一步改进，所述沟槽垂直于所述光波导导波方向的横截面为矩形、梯形或跑道型。
作为实施方式的进一步改进，所述沟槽内填充有无损耗介质。
作为实施方式的进一步改进，所述无损耗介质的介质损耗因数小于0.001。
作为实施方式的进一步改进，所述无损耗介质包括二氧化硅、陶瓷、树脂和胶水。
本申请还提供了一种硅基行波电极调制器的制作方法，包括如下步骤：
制作绝缘体上硅基板，所述绝缘体上硅基板包括依次层叠的硅衬底、绝缘层和顶层硅；所述硅衬底具有相对的第一表面和第二表面，所述第二表面临近所述绝缘层；
刻蚀所述顶层硅形成脊波导；
在所述脊波导上掺杂形成光波导及所述光波导两侧的掺杂接触区；
在所述脊波导上制作行波电极；
将所述硅衬底位于所述光波导下方的区域挖空形成沟槽，所述沟槽贯穿所述硅衬底的第一表面和第二表面。
作为实施方式的进一步改进，将所述硅衬底位于所述光波导下方的区域挖空形成沟槽的步骤之后还包括如下步骤：在所述沟槽内填充无损耗介质。
作为实施方式的进一步改进，所述无损耗介质包括二氧化硅、陶瓷、树脂或胶水。
作为实施方式的进一步改进，所述将所述硅衬底位于所述光波导下方的区域挖空形成沟槽的方法包括：采用气体或液体刻蚀所述硅衬底需要挖空的部分。
作为实施方式的进一步改进，所述将所述硅衬底位于所述光波导下方的区域挖空形成沟槽的步骤之前还包括将所述硅衬底进行减薄处理的步骤。
作为实施方式的进一步改进，将所述硅衬底进行减薄处理的方法为机械研磨。
本申请的有益效果：在硅衬底位于光波导下方的位置设置沟槽，以减少调制器的微波损耗，可有效提高调制器的带宽；在沟槽内填充无损耗介质，以增强机械强度，提高调制器的可靠性、稳定性和产品良率。
附图说明
图1为行波电极调制系统示意图；
图2为本申请硅基行波电极调制器截面结构示意图；
图3为本申请硅基行波电极调制器部分立体结构示意图；
图4为本申请硅基行波电极调制器背面示意图；
图5为本申请硅基行波电极调制器沟槽截面变形示意图；
图6为本申请硅基行波电极调制器沟槽截面又一变形示意图；
图7为本申请硅基行波电极调制器另一实施例的截面结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。
光调制系统一般由驱动器和调制器构成，行波电极调制器由于具有可得到较高消光比与较易集成的特点而得到广泛应用。行波电极调制器，按照驱动方式分有单极驱动和双极驱动方式，按照光波导的排布方式还有串联推挽式结构和分离双臂式等结构。如图1所示，一般的行波电极调制系统主要由驱动器200和行波电极调制器100构成。本申请中，基于SOI工艺制成的硅基行波电极调制器100的调制区域的截面示意如图2所示，包括依次层叠的硅衬底10、绝缘层20和光波导层30，以及设于光波导层30上方的行波电极40，在行波电极40与光波导层30之间设有绝缘的覆盖层50，行波电极40可位于覆盖层50内，该覆盖层50一般采用绝缘介质，如二氧化硅、氮化硅等。这里，硅衬底10一般采用的是低阻硅，绝缘层20为二氧化硅埋氧层或氮化硅，光波导层30是SOI(绝缘体上硅)中的顶层硅蚀刻而成，形成光波导31，并在光波导31两侧的平板制作掺杂区域形成掺杂接触区32，掺杂接触区32与光波导层30上方相应的行波电极40之间通过导电过孔60电性连接。
其工作原理为：驱动器(Driver)200经过键合引线连接到行波电极调制器100，光波导31放置于行波电极40电场中，由驱动器200输出高速数字信号，数字信号到达行波电极调制器100，沿行波电极40传播，光波在光波导31中传播，行波电极40中高速数字信号所带来的电场变化会使光波导31的有效折射率发生变化。因此当高速数字信号在行波电极40上传播时，高速数字信号的电场使光波导31的折射率发生变化，从而使光载波的相位发生变化，使光载波携带上数字信号信息，光载波在后端的马赫增德尔干涉仪中干涉，从而完成调制。
如图2-4所示，为了解决行波电极调制器微波损耗过大的问题，本申请的硅基行波电极调制器在硅衬底10位于光波导31下方的区域设置了贯穿硅衬底10第一表面11和第二表面12的沟槽13。这里第一表面11和第二表面12相对，第二表面12邻接绝缘层20。该沟槽13具有槽底13b和槽口13a，这里，槽口13a位于硅衬底10的第一表面11，槽底13b为绝缘层20临近硅衬底10的表面。该实施例中，槽底13b沿行波电极导波方向(图3中箭头所示的方向及箭头的反方向)的两端延伸至行波电极40的两端之外，槽底13b垂直于行波电极40导波方向的两端延伸至光波导31两侧的掺杂接触区32之外。在其它实施例中，槽底13b沿行波电极40导波方向的两端也可以延伸至与行波电极40的两端平齐，槽底13b垂直于行波电极40导波方向的两端也可以只延伸至光波导31的两侧之外。该结构在硅衬底10位于光波导31下方的位置设置沟槽13，即从硅衬底10的第一表面(背面)11将位于光波导31下方的硅衬底10掏空，可避免光波导31下方的硅衬底10与掺杂接触区32产生寄生电容，减少了调制器的微波损耗，可有效提高调制器的带宽。
如图2所示，该实施例中，上述沟槽13垂直于行波电极40导波方向的横截面为矩形，在其它实施例中，如图5和6所示，该沟槽13垂直于行波电极40导波方向的横截面也可以是梯形或跑道形，或者跑道形的一部分，当然还可以是其它规则或不规则的形状。
实际生产中，上述硅基行波电极调制器的制作方法，包括如下步骤：
制作绝缘体上硅基板，该绝缘体上硅基板包括依次层叠的硅衬底、绝缘层和顶层硅；硅衬底具有相对的第一表面和第二表面，该第二表面临近绝缘层。
刻蚀顶层硅形成脊波导；在上述脊波导上掺杂形成光波导及光波导两侧的掺杂接触区。
在脊波导上制作行波电极，如通过层层淀积绝缘介质和金属材料，形成覆盖层和金属电极(行波电极)和电连接行波电极和掺杂接触区的导电过孔，形成常用硅基行波电极调制器。
将硅衬底位于光波导下方的区域挖空形成沟槽，使沟槽贯穿硅衬底的第一表面和第二表面。具体的，可以采用刻蚀气体或刻蚀液体直接从硅衬底的第一表面(背面)刻蚀硅衬底需要挖空的部分，直至贯穿硅衬底的第二表面，漏出绝缘层的表面，达到全部去除位于光波导下方的硅衬底的目的。
一般的硅衬底厚度约为700um，可以采用硅深刻蚀工艺直接进行刻蚀。也可以在刻蚀硅衬底之前，先将硅衬底进行减薄处理，以减薄需要刻蚀的硅衬底厚度，减少刻蚀时间，提高刻蚀效率。具体的，可以采用机械研磨将硅衬底减薄至一定厚度，由于硅衬底的厚度不能太薄，所以减薄后的硅衬底厚度要大于或等于50微米。该实施例中，先将硅衬底减薄至200um，再采用硅的深刻蚀工艺刻蚀硅衬底，这样可以大大减少蚀刻时间从而减少调制器制作流程的时间。
如图7所示为本申请的另一实施例，该实施例是在上述图2所示实施例的硅基行波电极调制器的沟槽13内填充无损耗介质14，以增强器件的机械强度，提高调制器的可靠性、稳定性和产品良率。这里，无损耗介质14是指损耗介质因数小于0.001的绝缘介质。该实施例中采用的无损耗介质14为二氧化硅，二氧化硅的介质损耗因数趋近于零，可避免与掺杂接触区产生寄生电容，减少了调制器的微波损耗，不影响上述硅基行波电极调制器的调制带宽的基础上，增强了调制器的机械强度。
相应的，该实施例的硅基行波电极调制器的制作方法，在上述制作方法的基础上，最后在硅基行波电极的沟槽内填充无损耗介质。这里，无损耗介质同样是指上述损耗介质因数小于0.001的绝缘介质，这里不再赘述。具体的，可以采用回填或者沉积工艺在上述沟槽内填充无损耗介质，以增强调制器的机械强度。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种硅基行波电极调制器，包括依次层叠的硅衬底、绝缘层和光波导层，以及设于所述光波导层上的行波电极；所述光波导层包括光波导和光波导两侧的掺杂接触区，所述行波电极通过导电过孔与所述掺杂接触区电连接；所述硅衬底具有相对的第一表面和第二表面，所述第二表面临近所述绝缘层；其特征在于：所述硅衬底位于所述光波导下方的区域设有贯穿所述第一表面和第二表面的沟槽。
2.根据权利要求1所述的硅基行波电极调制器，其特征在于：
所述沟槽具有槽底和槽口，所述槽底为所述绝缘层临近所述硅衬底的表面，所述槽口位于所述第一表面；
所述槽底沿所述行波电极导波方向的两端延伸至与所述行波电极的两端平齐或延伸至所述行波电极的两端之外；
所述槽底垂直于所述行波电极导波方向的两端延伸至所述光波导的两侧之外。
3.根据权利要求2所述的硅基行波电极调制器，其特征在于：所述槽底垂直于所述行波电极导波方向的两端延伸至所述光波导两侧的所述掺杂接触区之外。
4.根据权利要求1所述的硅基行波电极调制器，其特征在于：所述沟槽垂直于所述光波导导波方向的横截面为矩形、梯形或跑道型。
5.根据权利要求1-4任一项所述的硅基行波电极调制器，其特征在于：所述沟槽内填充有无损耗介质。
6.根据权利要求5所述的硅基行波电极调制器，其特征在于：所述无损耗介质的介质损耗因数小于0.001。
7.根据权利要求5所述的硅基行波电极调制器，其特征在于：所述无损耗介质包括二氧化硅、陶瓷、树脂和胶水。
8.一种硅基行波电极调制器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
制作绝缘体上硅基板，所述绝缘体上硅基板包括依次层叠的硅衬底、绝缘层和顶层硅；所述硅衬底具有相对的第一表面和第二表面，所述第二表面临近所述绝缘层；
刻蚀所述顶层硅形成脊波导；
在所述脊波导上掺杂形成光波导及所述光波导两侧的掺杂接触区；
在所述脊波导上制作行波电极；
将所述硅衬底位于所述光波导下方的区域挖空形成沟槽，所述沟槽贯穿所述硅衬底的第一表面和第二表面。
9.根据权利要求8所述的硅基行波电极调制器的制作方法，其特征在于：将所述硅衬底位于所述光波导下方的区域挖空形成沟槽的步骤之后还包括如下步骤：在所述沟槽内填充无损耗介质。
10.根据权利要求9所述的硅基行波电极调制器的制作方法，其特征在于：所述无损耗介质包括二氧化硅、陶瓷、树脂或胶水。
11.根据权利要求8-10任一项所述的硅基行波电极调制器的制作方法，其特征在于：所述将所述硅衬底位于所述光波导下方的区域挖空形成沟槽的方法包括：采用气体或液体刻蚀所述硅衬底需要挖空的部分。
12.根据权利要求11所述的硅基行波电极调制器的制作方法，其特征在于：所述将所述硅衬底位于所述光波导下方的区域挖空形成沟槽的步骤之前还包括将所述硅衬底进行减薄处理的步骤。
13.根据权利要求12所述的硅基行波电极调制器的制作方法，其特征在于：将所述硅衬底进行减薄处理的方法为机械研磨。
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