CN115685444B - 硅基电光调制器的补偿掺杂方法及其硅基电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基电光调制器的补偿掺杂方法，使用III‑V族元素离子垂直注入的方法进行主掺杂构造P‑N结，通过斜向离子注入的方式进行调制区补偿掺杂；本发明还公开一种硅基电光调制器，包括依次堆叠的硅衬底、隐埋氧化硅层、顶层硅波导调制区和顶层覆盖氧化硅层，顶层硅波导调制区的硅波导沿第一方向依次包括n型重掺杂区、n型主掺杂区、p型主掺杂区和p型重掺杂区，其中补偿掺杂后形成的n‑型轻掺杂区和p‑型轻掺杂区分别位于波导脊区两侧上方。优点，波导调制区补偿掺杂降低此类硅基电光调制器的插入损耗，且不会明显影响调制器的调制效率；斜向离子注入显著减少制作掩膜和对准校正的次数，降低制作成本，减小对准误差，有助于提高器件的良率。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅基电光调制器结构实现方式，尤其涉及一种PN结型电光调制器的斜向补偿掺杂方案，具体为一种硅基电光调制器的补偿掺杂方法及其硅基电光调制器，属于光电材料与器件技术领域。
背景技术
目前，全球通信行业宽带用户稳定增长，5G通信也在更新迭代高速发展，随着全球宽带需求不断提高，互联网、云计算和数据中心等产业的加速发展，对光纤通信提出了更高的要求。硅光解决方案因其高集成度、低功耗、小型封装以及大规模可生产性的强劲竞争优势，承载着业界的期望，例如基于硅光集成芯片的相干光收发机系统已经开始大规模商用。
电光调制器是实现硅基光电集成及其应用的最核心器件之一，其基本功能是实现信息从电域向光域的转换。由于硅材料具有中心对称的结构，没有泡克耳斯效应，克尔效应也非常微弱，因此近年来展示的大多数最成功的硅光调制器都是通过等离子体色散效应工作的，其原理在于利用自由载流子浓度的变化对材料折射率产生影响，进而改变材料的光学性能。以载流子耗尽型的硅基电光调制器为例，通过对脊波导掺杂构成p-n结，随后在外加反向偏压下改变耗尽区的大小，从而改变载流子的浓度，实现对折射率的调制。
调制效率和插入损耗是衡量硅基电光调制器的两个重要技术指标。因此，研制高调制效率且低插入损耗的硅基电光调制器是领域内研究的目标之一。对于载流子耗尽型的电光调制器而言，调制效率的提升通常需要增加掺杂离子的浓度，而在此同时也往往会给光路带来额外的插入损耗。由于只有脊波导内部的电致变化耗尽区有助于调制折射率，而整个波导掺杂区域会导致光传输损耗，因此一些研究小组已经考虑使用补偿掺杂的方法来降低脊波导上侧自由载流子的浓度，通常采用的做法是在垂直方向上增加多次离子掺杂步骤，以减小脊区两侧的离子浓度。虽然这种方法可以在保证调制效率的基础上降低光传输损耗，但多次掺杂需要的光刻步骤不仅会大大增加工艺制造的成本，并且光刻引入的多次位置对准会使得工艺误差大幅累加，影响器件的良率。
发明内容
本发明为了克服现有技术中采用传统补偿掺杂方案时引入的制作成本增加以及工艺误差增大等问题，提供了一种硅基电光调制器补偿掺杂实现方式，使用III-V族元素离子垂直注入的方法进行主掺杂构造P-N结，通过斜向离子注入的方式进行补偿掺杂，在没有引入额外光刻和对准次数的基础上，最终在保证调制效率的前提下通过降低波导脊区两侧的载流子浓度来减小光传输损耗。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种硅基电光调制器的补偿掺杂方法，包括如下步骤：
S1、选定调制器波导调制区中心位置，制备光刻胶掩膜，去除中心位置一侧光刻胶；
S2、将V族元素离子沿着硅衬底的法线方向注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成n型主掺杂区；
S3、将III族元素离子由无光刻胶一侧向有光刻胶一侧斜向注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，注入方向与硅衬底的法线方向呈第一夹角，所述第一夹角大于0°且小于90°；在无掩膜区域的顶层硅波导调制区的上部形成n-型轻掺杂区；
S4、重新制备光刻胶掩膜，去除中心位置另一侧光刻胶；
S5、将III族元素离子沿着硅衬底的法线方向注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成p型主掺杂区；
S6、将V族元素离子由无光刻胶一侧向有光刻胶一侧斜向注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，注入方向与硅衬底的法线方向呈第二夹角，所述第二夹角大于0°且小于90°；在无掩膜区域的顶层硅波导调制区的上部形成p-型轻掺杂区；
S7、在硅波导上方，沉积一层氧化硅做掩膜，在调制器波导调制区中心位置两侧刻蚀出带有补偿掺杂区域的波导形状；
S8、接着在上方沉积一层薄的屏蔽氧化层，制备光刻胶掩膜，沿着硅衬底的法线方向将III族元素离子注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成p型重掺杂区；接着，重新制备光刻胶掩膜后沿着硅衬底的法线方向将注入V族元素离子注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成n型重掺杂区；
S9、硅片升温，离子活化，退火降温；
S10、在整个器件上方沉积一层覆盖氧化硅层。
本发明的补偿掺杂方法，通过斜向离子注入可以减少掩膜的制作，降低了成本，也减少了对准误差的累积，有助于提高器件良率。
对本发明技术方案的进一步优选，步骤S3和S6中，两次注入的离子浓度处于同一量级。此举可以使两次斜向离子注入时在硅波导调制区中心位置，即电致变化耗尽区附近产生的载流子互相消耗殆尽，从而不会明显影响此类电光调制器的效率。
对本发明技术方案的进一步优选，步骤S2、S3、S5和S6中，主掺杂和轻掺杂时离子注入的浓度范围为1×1012-1×1013ions/cm2；步骤S8中，重掺杂时离子注入的浓度范围为1×1013-1×1016ions/cm2；且重掺杂区、主掺杂区、轻掺杂区离子注入浓度逐渐降低。其中重掺杂区最高的载流子浓度能够保证与金属电极的欧姆接触；主掺杂区则需要在掺杂引入的插入损耗和调制器调制效率之间进行取舍；而轻掺杂区需要保证在不影响调制效率的基础上降低损耗。
对本发明技术方案的进一步优选，步骤S3、S5和S8中，所述III族元素掺杂为硼或者氟化硼，注入能量为10-220keV；步骤S2、S6和S8中，所述V族元素掺杂为磷或者砷，注入能量为20-200keV。由离子注入机决定，涉及不同的厂商以及机器型号等。
对本发明技术方案的进一步优选，步骤S7中，所述波导为脊型波导，波导形状的确定参数包括但不限于波导脊区宽度、脊区两侧平板高度、波导中心与掺杂中心位置的距离。波导型硅基电光调制器绝大多数使用脊型波导，两侧平板在外加偏压下可以保证载流子输运；另外，调制效率、损耗等调制器关键参数受脊区宽度、平板高度等器件设计参数的影响。
对本发明技术方案的进一步优选，步骤S7中，所述波导脊区内补偿掺杂区域的形状可以是规则的或者非规则的。不同斜向注入角度、注入浓度以及注入能量会导致波导脊区两侧上方的轻掺杂区形状发生改变，这将影响调制器的性能。
本发明提出一种硅基电光调制器，包括依次堆叠的硅衬底、隐埋氧化硅层、顶层硅波导调制区和顶层覆盖氧化硅层，顶层硅波导调制区的硅波导沿第一方向依次包括n型重掺杂区、n型主掺杂区、p型主掺杂区和p型重掺杂区，其中补偿掺杂后形成的n-型轻掺杂区和p-型轻掺杂区分别位于n型主掺杂区和p型主掺杂区的波导脊区两侧上方。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明，首先，这种在波导脊区补偿掺杂的方案可以在尽可能不影响调制效率的前提下降低此类硅基电光调制器的插入损耗；其次，该专利提出的斜向补偿掺杂实现方式与传统补偿掺杂方案相比可以显著减少制作掩膜和对准校正的次数，不仅降低工艺的制作成本，也减小了制作中的对准误差，有助于提高器件的良率。
附图说明
图1是本发明制备的载流子耗尽型硅基电光调制器的补偿掺杂结构横截面示意图。其中硅衬底和电极结构没有画出。
图2-图12是本发明实施例1的马赫-曾德尔型调制器的工艺流程示意图。
图13是本发明实施例1的马赫-曾德尔型调制器的补偿掺杂结构横截面示意图。
附图标记：1表示顶层覆盖氧化硅层，2表示顶层硅波导调制区，3表示隐埋氧化硅层，4表示n型重掺杂区，5表示n型主掺杂区，6表示n-型轻掺杂区，7表示p-型轻掺杂区，8表示p型主掺杂区，9表示p型重掺杂区，10表示光刻胶掩膜，11表示氧化硅掩膜，12表示屏蔽氧化硅层，13表示金属电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-13以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施例1
本实施例涉及的是一种硅基电光调制器为马赫-曾德尔型调制器，其截面结构参见图13，包括硅衬底，顶层覆盖氧化硅层1，顶层硅波导调制区2，隐埋氧化硅层3，屏蔽氧化硅层12，金属电极13，其中硅衬底未画出。顶层硅波导调制区2的硅波导层沿第一方向依次包括p型重掺杂区、p型主掺杂区、n型主掺杂区、n型重掺杂区、n型主掺杂区、p型主掺杂区和p型重掺杂区，其中补偿掺杂后形成的n-型轻掺杂区和p-型轻掺杂区分别位于n型主掺杂区和p型主掺杂区的波导脊区两侧上方。
本实施例，硅基电光调制器为马赫-曾德尔型调制器的补偿掺杂方法如下步骤：
如图2所示，以光刻胶1为掩膜，去除中心位置另一侧光刻胶；将磷掺杂沿着硅衬底的法线方向注入到顶层硅波导调制区2的硅材料中，注入的能量为50keV，注入浓度为9×1012ions/cm2，使得在未被光刻胶覆盖的顶层硅波导调制区中形成n型主掺杂区。
如图3和4所示，将硼掺杂做两次斜向注入，具体为：硼掺杂由无光刻胶一侧向有光刻胶一侧斜向注入到顶层硅波导调制区2的硅材料中，注入方向与衬底法线呈45°夹角，注入能量为25keV，注入浓度为3×1012ions/cm2，使得在未被光刻胶覆盖的区域形成两个n-型轻掺杂区。两次斜向注入的夹角相等，并且两次倾斜的方向左右对称。
如图5所示，重新制备光刻胶掩膜后，去除中心位置另一侧光刻胶；将氟化硼掺杂沿着硅衬底的法线方向注入到顶层硅波导调制区2的硅材料中，注入能量为70keV，注入浓度为9×1012ions/cm2，使得在未被光刻胶覆盖的顶层硅波导调制区中形成p型掺杂区。
如图6和7所示，同样地，将磷掺杂做两次斜向注入，具体为：磷掺杂由无光刻胶一侧向有光刻胶一侧斜向注入到顶层硅波导调制区2的硅材料中，注入方向与衬底法线呈40°夹角，注入能量为40keV，注入浓度为3.5×1012ions/cm2，使得在未被光刻胶覆盖的区域形成两个p-型轻掺杂区。两次斜向注入的夹角相等，并且两次倾斜的方向左右对称。
如图8和9所示，制备氧化硅掩膜11对准校正后将波导刻蚀出来，脊型波导形状的确定参数包括但不限于波导脊区宽度、脊区两侧平板高度、波导中心与掺杂中心位置的距离。由于斜向注入的缘故，在波导中心位置附近斜向掺杂引入的自由载流子基本相互耗尽，不会明显影响中心位置处的自由载流子浓度，而在波导两侧上方位置则分别会形成n-轻掺杂区和p-轻掺杂区。在带有补偿掺杂结构的脊型波导器件上方沉积一层屏蔽氧化硅层12，屏蔽氧化硅层可以对注入的高浓度离子起到缓冲作用。
如图10和11所示，以光刻胶10为掩膜，沿着硅衬底的法线方向注入磷元素离子，注入能量为30keV，注入浓度为7×1013ions/cm2，在相应位置形成n+重掺杂区。类似的，重新制备光刻胶掩膜，垂直注入硼元素离子，注入能量为30keV，注入浓度为7×1013ions/cm2，在相应位置形成p+重掺杂区。
硅片升温，离子活化，退火降温。
如图12所示，在上方沉积一层顶层覆盖氧化硅层1起到保护器件的作用。
如图13所示，制作金属电极13。最后，一个波导脊区经过补偿掺杂后的硅基马赫曾德尔型电光调制器就制作完成了。
本实施例的方法中，掺杂的离子种类、离子注入的浓度和能量、离子斜向注入角度即第一夹角与第二夹角、波导宽度、波导刻蚀高度等均可视情况进行相应调整。
本实施例的方法中，通过对某一中心位置两次相对的III族、V族元素离子斜向注入，控制注入的能量和浓度，使得在中心位置附近两次斜向掺杂引入的自由载流子基本会相互耗尽，因此在刻蚀出波导后n-、p-轻掺杂区只会出现在波导脊区的两侧边上方，而不会影响波导脊区中心附近的自由载流子浓度，这可以在保证此类调制器调制效率的前提下降低器件的插入损耗。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种硅基电光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、选定调制器波导调制区中心位置，制备光刻胶掩膜，去除中心位置一侧光刻胶；
S2、将V族元素离子沿着硅衬底的法线方向注入到顶层硅波导调制区（2）的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成n型主掺杂区（5）；
S3、将III族元素离子由无光刻胶一侧向有光刻胶一侧斜向注入到顶层硅波导调制区（2）的硅材料中，注入方向与硅衬底的法线方向呈第一夹角，所述第一夹角大于0°且小于90°；在无掩膜区域的顶层硅波导调制区（2）的上部形成n-型轻掺杂区（6）；
S4、重新制备光刻胶掩膜，去除中心位置另一侧光刻胶；
S5、将III族元素离子沿着硅衬底的法线方向注入到顶层硅波导调制区（2）的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成p型主掺杂区（8）；
S6、将V族元素离子由无光刻胶一侧向有光刻胶一侧斜向注入到顶层硅波导调制区（2）的硅材料中，注入方向与硅衬底的法线方向呈第二夹角，所述第二夹角大于0°且小于90°；在无掩膜区域的顶层硅波导调制区（2）的上部形成p-型轻掺杂区（7）；
S7、在硅波导上方，沉积一层氧化硅做掩膜，在调制器波导调制区中心位置两侧刻蚀出带有补偿掺杂区域的波导形状；
S8、接着在上方沉积一层薄的屏蔽氧化层，制备光刻胶掩膜，沿着硅衬底的法线方向将III族元素离子注入到顶层硅波导调制区（2）的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成p型重掺杂区（9）；接着，重新制备光刻胶掩膜后沿着硅衬底的法线方向将注入V族元素离子注入到顶层硅波导调制区（2）的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成n型重掺杂区（4）；
S9、硅片升温，离子活化，退火降温；
S10、在整个器件上方沉积一层覆盖氧化硅层。
2.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于：步骤S3和S6中，两次注入的离子浓度处于同一量级。
3.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于：步骤S2、S3、S5和S6中，主掺杂和轻掺杂时离子注入的浓度范围为1×1012-1×1013ions/cm2；步骤S8中，重掺杂时离子注入的浓度范围为1×1013-1×1016ions/cm2；且重掺杂区、主掺杂区、轻掺杂区离子注入浓度逐渐降低。
4.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于：步骤S3、S5和S8中，所述III族元素掺杂为硼或者氟化硼，注入能量为10-220keV；步骤S2、S6和S8中，所述V族元素掺杂为磷或者砷，注入能量为20-200keV。
5.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于：步骤S7中，所述波导为脊型波导，波导形状的确定参数包括但不限于波导脊区宽度、脊区两侧平板高度、波导中心与掺杂中心位置的距离。
6.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于：步骤S7中，所述波导脊区内补偿掺杂区域的形状可以是规则的或者非规则的。
7. 一种硅基电光调制器，根据权利要求1-6 任一项所述的硅基电光调制器的补偿掺杂方法制作，其特征在于，包括依次堆叠的硅衬底、隐埋氧化硅层（3）、顶层硅波导调制区（2）和顶层覆盖氧化硅层（1），顶层硅波导调制区（2）的硅波导沿第一方向依次包括n型重掺杂区（4）、n型主掺杂区（5）、p型主掺杂区（8）和p型重掺杂区（9），其中补偿掺杂后形成的n-型轻掺杂区（6）和p-型轻掺杂区（7）分别位于n型主掺杂区（5）和p型主掺杂区（8）的波导脊区两侧上方。
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