CN114355634A

CN114355634A - 一种锗硅电吸收调制器及其制作方法

Info

Publication number: CN114355634A
Application number: CN202111517323.4A
Authority: CN
Inventors: 孙嘉良; 刘雨菲; 蔡艳; 余明斌
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明涉及一种锗硅电吸收调制器及其制作方法，其中，锗硅电吸收调制器包括多晶硅层和硅衬底；N掺杂区，所述N掺杂区设置于所述多晶硅层中；P掺杂区，所述P掺杂区设置于所述硅衬底中，其中，所述硅衬底内部设置有第一二氧化硅层，所述P掺杂区位于第一二氧化硅层上表面；锗硅光子晶体波导，所述锗硅光子晶体波导垂直设置于N掺杂区和P掺杂区之间，所述锗硅光子晶体波导周围填充有第二二氧化硅层，所述第二二氧化硅层的下表面与硅衬底相连、上表面与多晶硅层相连。本发明通过锗硅光子晶体波导的慢光效应增强材料对于光的吸收，从而提升器件性能。

Description

一种锗硅电吸收调制器及其制作方法

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，特别是涉及一种锗硅电吸收调制器及其制作方法。

背景技术

当前应用较为广泛的硅基电光调制器大致分为三种：(1)基于自由载流子色散效应的马赫曾德(MZI)调制器。优点是具有较大的光学带宽和高速的性能，其电光截止频率已经可以达到50GHz，缺点是有源区面积较大因而能耗较高，同时其行波电极结构设计较为复杂。(2)微环调制器。微环调制器的优点是结构紧凑，同时具有很低的器件能耗。缺点是由于微环调制器是基于谐振原理，因此它的光学带宽特别窄，同时造成其性能受到工艺和温度变化影响很大。(3)电吸收调制器。电吸收(Eletroabsorption，EA)调制器同时具有光学带宽较大、高速以及结构紧凑的优点，电极结构为集总电极便于设计而且有源区面积相对于MZI调制器较小，因而其具有低成本和低功耗的特性，在数字通信和模拟通信等方面有巨大的应用潜力。

光子晶体指的是不同介电常数的介质呈周期性排列而形成的一种人工微结构，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计制造的晶体。光子晶体的一个重要特性是具有慢光效应，当光在光子晶体中传输会由于后向散射和全散射两种原因产生慢光，能够有效增大材料对于光的吸收。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种锗硅电吸收调制器及其制作方法，通过锗硅光子晶体波导的慢光效应增强材料对于光的吸收，从而提升器件性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种锗硅电吸收调制器，包括：

多晶硅层和硅衬底；

N掺杂区，所述N掺杂区设置于所述多晶硅层中；

P掺杂区，所述P掺杂区设置于所述硅衬底中，其中，所述硅衬底内部设置有第一二氧化硅层，所述P掺杂区位于第一二氧化硅层上表面；

锗硅光子晶体波导，所述锗硅光子晶体波导垂直设置于N掺杂区和P掺杂区之间，所述锗硅光子晶体波导周围填充有第二二氧化硅层，所述第二二氧化硅层的下表面与硅衬底相连、上表面与多晶硅层相连。

所述锗硅光子晶体波导通过在锗硅波导上刻蚀若干圆形空气孔，再通过生长氧化层填满圆形空气孔得到。

所述圆形空气孔的晶格常数a＝0.48～0.52μm，所述圆形空气孔的半径r＝0.38～0.44a。

所述N掺杂区包括电子中掺杂区和电子重掺杂区，所述电子中掺杂区和电子重掺杂区相连。

所述P掺杂区包括空穴中掺杂区和空穴重掺杂区，所述空穴中掺杂区和空穴重掺杂区相连。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种锗硅电吸收调制器制作方法，包括：

步骤(1)：获取硅衬底，所述硅衬底的内部设置有第一二氧化硅层；

步骤(2)：在所述硅衬底中设置P掺杂区，所述P掺杂区位于所述第一二氧化硅层的上表面；

步骤(3)：在所述P掺杂区的上方垂直设置锗硅波导；

步骤(4)：对所述锗硅波导进行刻蚀形成锗硅光子晶体波导；

步骤(5)：对所述锗硅光子晶体波导周围填充第二二氧化硅层，直到第二二氧化硅层的高度与锗硅光子晶体波导的上表面持平；

步骤(6)：在所述第二二氧化硅层上表面覆盖一多晶硅层；

步骤(7)：在所述多晶硅层内部、且在锗硅光子晶体波导上表面设置N掺杂区。

所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括对所述硅衬底进行刻蚀，形成脊形硅的步骤；

并使所述P掺杂区设置在所述脊形硅的主体突出区域且位于所述第一二氧化硅层的上表面。

所述步骤(4)具体为：通过在锗硅波导上刻蚀若干圆形空气孔，再通过生长氧化层填满圆形空气孔得到锗硅光子晶体波导。

所述步骤(7)之后还包括步骤(8)：在所述多晶硅层上表面覆盖第三二氧化硅层，并在所述第三二氧化硅层上表面设置第一电极和第二电极，将所述第一电极通过第一金属通孔和P掺杂区相连，将所述第二电极通过第二金属通孔和N掺杂区相连。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将锗硅光子晶体波导应用于有源区波导，可以通过光子晶体的慢光效应增强材料对于光的吸收，从而提升器件性能，减小器件的尺寸；本发明相较于传统的电吸收调制器采用了垂直的结构，更加便于通过微调掺杂区的位置和浓度来改变电场分布，获得更好的性能。

附图说明

图1是本发明实施方式的锗硅电吸收调制器截面示意图；

图2是本发明实施方式的锗硅光子晶体波导俯视图；

图3是本发明实施方式的锗硅光子晶体波导中光传输示意图。

图示：1、硅衬底，2、第一二氧化硅层，3、P掺杂区，4、锗硅光子晶体波导，5、第二二氧化硅层，6、多晶硅层，7、N掺杂区，8、第三二氧化硅层，9、第一金属通孔，10、第二金属通孔，11、第一电极，12、第二电极。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种锗硅电吸收调制器，请参阅图1，包括：

多晶硅层6和硅衬底1；

N掺杂区7，所述N掺杂区7设置于所述多晶硅层6中；

P掺杂区3，所述P掺杂区3设置于所述硅衬底1(或对硅衬底1进行刻蚀后的脊形硅)中，其中，所述硅衬底1内部设置有第一二氧化硅层2，所述P掺杂区3位于第一二氧化硅层2上表面；

锗硅光子晶体波导4，所述锗硅光子晶体波导4垂直设置于N掺杂区7和P掺杂区3之间，所述锗硅光子晶体波导4周围填充有第二二氧化硅层5，所述第二二氧化硅层5的下表面与硅衬底1相连、上表面与多晶硅层6相连。

所述锗硅光子晶体波导4通过在锗硅波导上刻蚀若干圆形空气孔，再通过生长氧化层填满圆形空气孔得到。

所述N掺杂区7包括电子中掺杂区和电子重掺杂区，所述电子中掺杂区和电子重掺杂区相连；所述P掺杂区3包括空穴中掺杂区和空穴重掺杂区，所述空穴中掺杂区和空穴重掺杂区相连。

还包括第三二氧化硅层8，所述第三二氧化硅层8设置于所述多晶硅层6的上表面，所述第三二氧化硅层8上设置有第一电极11和第二电极12，所述第一电极11通过第一金属通孔9和P掺杂区3相连，所述第二电极12通过第二金属通孔10和N掺杂区7相连。

值得一提的是，本实施方式的锗硅电吸收调制器的锗硅光子晶体波导4采用垂直结构，应用了Franz-Keldysh(FK)效应，其原理是材料的禁带会随着外加电场的变化而发生改变，从而改变了吸收特性。同时锗硅波导区域采用了线缺陷光子晶体结构(即二维结构下，一根波导周围有圆孔)，使光在波导中产生慢光效应，增大了材料对光的吸收。本实施方式的锗硅光子晶体波导4的厚度为300nm。

本实施方式的电吸收调制器采用了垂直的设计结构，更加便于通过微调掺杂区的位置和浓度来改变电场分布，获得更好的性能。而传统的电吸收调制器是水平结构，调整掺杂区的位置和浓度只能在水平方向上影响电场分布，垂直结构下改变位置和浓度能都同时在水平和垂直两个方向影响电场分布。

进一步地，锗硅光子晶体波导4的结构如图2所示，在锗硅平板上刻蚀圆形空气孔，然后生长氧化层填满圆孔，形成三角晶格型光子晶体结构(即相邻的三个圆形空气孔构成等边三角形)，线缺陷部分宽度为500nm，圆形空气孔的晶格常数a＝0.48～0.52μm，圆形空气孔的半径r＝0.38～0.44a。图3为光在锗硅光子晶体波导4中的传输情况。

本实施方式还涉及一种锗硅电吸收调制器制作方法，包括：

步骤(1)：获取一个硅衬底1，所述硅衬底1的内部设置有第一二氧化硅层2，第一二氧化硅层2的厚度为2μm或3μm；

步骤(2)：对所述硅衬底1进行刻蚀，形成脊形硅；

步骤(3)：在所述脊形硅的主体突出区域设置P掺杂区3，并使所述P掺杂区3位于所述第一二氧化硅层2的上表面；

在其他实施方式中，也可以直接在硅衬底1中设置P掺杂区3；

步骤(4)：在所述P掺杂区3的上方垂直设置锗硅波导；

步骤(5)：对所述锗硅波导进行刻蚀形成锗硅光子晶体波导4；

步骤(6)：对脊形硅的凹陷区域填充第二二氧化硅层5，直到第二二氧化硅层5的高度与锗硅光子晶体波导4的上表面持平；

步骤(7)：在所述第二二氧化硅层5上表面覆盖一多晶硅层6；

步骤(8)：在所述多晶硅层6内部、且在锗硅光子晶体波导4上表面设置N掺杂区7；

步骤(9)：在所述多晶硅层6上表面覆盖第三二氧化硅层8，并在所述第三二氧化硅层8上表面设置第一电极11和第二电极12，将所述第一电极11通过第一金属通孔9和P掺杂区3相连，将所述第二电极12通过第二金属通孔10和N掺杂区7相连。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种锗硅电吸收调制器，其特征在于，包括：

多晶硅层和硅衬底；

N掺杂区，所述N掺杂区设置于所述多晶硅层中；

2.根据权利要求1所述的锗硅电吸收调制器，其特征在于，所述锗硅光子晶体波导通过在锗硅波导上刻蚀若干圆形空气孔，再通过生长氧化层填满圆形空气孔得到。

3.根据权利要求2所述的锗硅电吸收调制器，其特征在于，所述圆形空气孔的晶格常数a＝0.48～0.52μm，所述圆形空气孔的半径r＝0.38～0.44a。

4.根据权利要求1所述的锗硅电吸收调制器，其特征在于，所述N掺杂区包括电子中掺杂区和电子重掺杂区，所述电子中掺杂区和电子重掺杂区相连。

5.根据权利要求1所述的锗硅电吸收调制器，其特征在于，所述P掺杂区包括空穴中掺杂区和空穴重掺杂区，所述空穴中掺杂区和空穴重掺杂区相连。

6.根据权利要求1所述的锗硅电吸收调制器，其特征在于，还包括第三二氧化硅层，所述第三二氧化硅层设置于所述多晶硅层的上表面，所述第三二氧化硅层上设置有第一电极和第二电极，所述第一电极通过第一金属通孔和P掺杂区相连，所述第二电极通过第二金属通孔和N掺杂区相连。

7.一种锗硅电吸收调制器制作方法，其特征在于，包括：

步骤(2)：在所述硅衬底中设置P掺杂区，并使所述P掺杂区位于所述第一二氧化硅层的上表面；

步骤(3)：在所述P掺杂区的上方垂直设置锗硅波导；

步骤(4)：对所述锗硅波导进行刻蚀形成锗硅光子晶体波导；

步骤(6)：在所述第二二氧化硅层上表面覆盖一多晶硅层；

8.根据权利要求7所述的锗硅电吸收调制器制作方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)之间还包括对所述硅衬底进行刻蚀，形成脊形硅的步骤；

9.根据权利要求7所述的锗硅电吸收调制器制作方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：通过在锗硅波导上刻蚀若干圆形空气孔，再通过生长氧化层填满圆形空气孔得到锗硅光子晶体波导。

10.根据权利要求7所述的锗硅电吸收调制器制作方法，其特征在于，所述步骤(7)之后还包括步骤(8)：在所述多晶硅层上表面覆盖第三二氧化硅层，并在所述第三二氧化硅层上表面设置第一电极和第二电极，将所述第一电极通过第一金属通孔和P掺杂区相连，将所述第二电极通过第二金属通孔和N掺杂区相连。