CN117111337A - 一种基于moscap的调制器结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种基于MOSCAP的调制器结构及其应用。该调制器结构至少包括脊形硅波导、下电极、绝缘体层、栅电极、接触电极，栅电极位于脊形硅波导的上方且其材料为透明导电氧化物，脊形硅波导为轻掺杂，下电极通过缓冲区与脊形硅波导的平板区连接，且下电极为重掺杂，缓冲区的掺杂浓度位于轻掺杂和重掺杂的掺杂浓度之间；栅电极和下电极分别与一接触电极电连接。该结构通过采用折射率差别较大的材料分别作为栅电极材料和波导材料，使得光场集中在波导中传输，栅电极厚度和尺寸、绝缘层厚度的改变对整体器件的传输损耗基本不产生影响，该结构为调制器电极设计、不同功能型调制器的设计提供了新的平台和思路。
Description
技术领域
本发明涉及调制器技术领域，具体涉及一种基于MOSCAP的调制器结构及其应用。
背景技术
随着大数据时代的到来，未来信息处理越来越需要高速率和大带宽的数据处理能力，而集成式光学调制器的低损耗高调制速率和较高的带宽能力使其成为下一代信息和计算的重要组成模块。同时，基于CMOS工艺的硅器件能够实现大尺寸高密度生产，并且能够与电驱动和电芯片设计兼容，从而有潜力去实现大规模量产Tb/s级光通信机架间和机架内互联。
由于普克尔斯效应(Pockels effect)和电吸收效应(Franz-Keldysh effect)在硅器件中的调制效率较低，因此硅调制器往往通过自由载流子离子扩散效应实现。硅调制器通常通过以下三种方式实现等离子扩散效应：载流子注入、载流子耗尽和载流子积累。其中载流子注入的调制器通过施加正向电压实现，但其调制速率受限于载流子寿命；载流子耗尽型调制器通过反向电压使其能够提供较大的调制带宽，但具有较小的调制效率；而载流子积累型调制器通过构建一个金属氧化物半导体电容(MOSCAP)结构并嵌入光学波导，使得自由载流子在介电层两侧积累，在提供较大的调制带宽的同时还能保持高的调制效率，从而允许较小的尺寸和较低的驱动电压。基于载流子积累型的MOSCAP调制器速度不再受载流子寿命限制，而是依赖于器件结构的电容和电阻，具有比载流子注入型调制器更好的优势。
但是现有的基于MOSCAP结构的光学调制器仍旧存在各种各样的问题，对其进行进一步的研究对于推动其发展具有重要意义。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种新的基于MOSCAP的调制器结构，该结构通过采用折射率差别较大的材料分别作为栅电极材料和波导材料，使得光场集中在波导中传输，栅电极厚度和尺寸、绝缘层厚度的改变对整体器件的传输损耗基本不产生影响，该结构为调制器电极设计、不同功能型调制器的设计提供了新的平台和思路。
本发明通过以下技术方案来实现上述技术目的：一种基于MOSCAP的调制器结构，至少包括脊形硅波导、与脊形硅波导连接的下电极、沉积在所述脊形硅波导和所述下电极上的绝缘体层、制作在绝缘体层上的栅电极、接触电极；所述栅电极位于脊形硅波导的上方且其材料为透明导电氧化物，所述脊形硅波导为轻掺杂，所述下电极通过缓冲区与所述脊形硅波导的平板区连接，且所述下电极为重掺杂，所述缓冲区的掺杂浓度位于轻掺杂和重掺杂的掺杂浓度之间；所述栅电极和下电极分别与一接触电极电连接。
作为一种优选的实施方式，所述脊形硅波导为SOI衬底上的顶层硅层。
作为一种优选的实施方式，所述栅电极的材料包括但不限于ZnO、ITO、FTO、ITiO。
作为一种优选的实施方式，所述轻掺杂的掺杂浓度为1×1016～5×1017cm3，所述重掺杂的掺杂浓度为1×1019～1020cm3。
作为一种优选的实施方式，所述脊形硅波导上掺杂的离子种类包括但不限于B、P，掺杂方式包括但不限于离子注入和热扩散。
作为一种优选的实施方式，所述脊形硅波导为MRR单模脊形硅波导结构。
作为一种优选的实施方式，所述绝缘体层的材料为高K电介质，包括但不限于二氧化硅、二氧化铪、二氧化锆、硅酸铪、硅酸锆、氮化的硅酸铪、氮化的硅酸锆。
作为一种优选的实施方式，所述绝缘体层的厚度为5～100nm。
作为一种优选的实施方式，所述脊形硅波导的总高度为220nm，下层高为150nm，上层高为70nm，上层宽度为470nm。
作为一种优选的实施方式，所述缓冲区沿下电极和脊形硅波导方向上的宽度为1～2μm。
本发明还提供了上述基于MOSCAP的调制器结构在马赫-曾德尔干涉调制器和微环调制器中的应用。
本发明所提供的基于MOSCAP的调制器结构，由于透明导电氧化物材料(TCO)与硅材料的大折射率差，光传输过程中，光场集中在硅波导传输，使得改变TCO材料的厚度和尺寸不会影响光在整体器件中的传输损耗，可以为调制器电极设计提供新的平台，例如，可以设计多极栅电极结构，从而减少串联电阻和寄生电容；
由于光大部分在低掺杂的硅波导中传输，绝缘层厚度改变带来的传输损耗影响可以忽略不计，因此在此调制器设计中，绝缘层厚度可以作为独立参数进行器件设计，而不需要考虑光学损耗和调制带宽的相互制约，为不同功能型调制器的设计提供了新的平台和思路；
由于MOSCAP结构特性带来的静置电容差，因此基于该结构的调制器能够在低功耗下完成调制，利用该特性，该结构的调制器器件不仅可以用于高带宽高速率的调制器，也可以用于低损耗的相位补偿器，可调光衰减器和光滤波器。
附图说明
图1为现有技术中报道的反向PN结的MRR调制器结构示意图；
图2为现有技术中报道的一种水平MOSCAP结构的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于MOSCAP的光学调制器的结构示意图；
图4为本发明实施例性能测试中绝缘层厚度对电容值与电压的影响；
图5为本发明实施例性能测试中绝缘层厚度对调制效率的影响；
图6为本发明实施例性能测试中绝缘层厚度对相位变化的影响；
图7为本发明实施例性能测试中绝缘层厚度对光学损耗的影响；
图8为本发明实施例所提供的基于MOSCAP的光学调制器中光场分布图。
图中：
1衬底、2脊型硅波导、3绝缘体层、4栅电极、5接触电极、6下电极、7缓冲区。
具体实施方式
2022年，Haisheng Rong等报道了一种反向PN结的MRR调制器结构，其器件结构如图1所示，MRR结构通过P和N掺杂形成反向PN结的微环调制器，波导脊形宽度优化后为300nm，微环半径为4μm，这种设计的微环自由频谱宽度可达16.3nm，调制效率达到0.42V.cm，调制速率利用PAM4调制可达240Gb/s。但是这种调制器，为了增加调制效率，需要增加掺杂浓度，从而导致传输损耗较高，并且由于采用低品质因子的微环结构，导致消光比较低。
2023年，David J.Thomson等人报道了一种水平MOSCAP结构，如图2所示，其通过对多晶硅(Poly-Si)和单晶硅(C-Si)分别进行P和N掺杂，加上多晶硅和单晶硅中间的氧化层结构形成水平的MOSCAP结构，这种设计的调制效率在MRZ调制下可达64Gb/s。但是此结构加工工艺难度大，而且氧化层的厚度控制工艺难度较大，因此不能有效调节绝缘层厚度从而控制整体调制器电容值。另外，为了提高MOSCAP的调制效率，光场的一半分布在多晶硅区域中，从而导致了光学损耗的增加。
基于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种新的基于MOSCAP的调制器结构，该结构通过采用折射率差别较大的材料分别作为栅电极材料和波导材料，使得光场集中在波导中传输，栅电极厚度和尺寸、绝缘层厚度的改变对整体器件的传输损耗基本不产生影响。具体为：栅电极采用透明导电氧化物材料，脊形波导采用脊形硅波导，且脊形硅波导进行轻掺杂，下电极采用重掺杂，并将两者通过掺杂浓度位于两者之间的缓冲区连接，绝缘层通过沉积实现，厚度高度可控，通过等离子色散效应改变硅波导的载流子浓度，从而改变光在硅波导传输中的硅波导的折射率和吸收系数，达到调制光波的相位和波长的目的，且保持了高载流子浓度和低光学传输损耗，能够实现连续的调制效率/损耗调节，尤其适合高速的光学通信传输。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。以下实施例，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
如图3所示，本发明提供一种基于MOSCAP的光学调制器结构，至少包括脊形硅波导2、与脊形硅波导2连接的下电极6、沉积在脊形硅波导2和下电极6上的绝缘体层3、制作在绝缘体层3上的栅电极4、接触电极5。
栅电极4位于脊形硅波导2的上方且其材料为透明导电氧化物，脊形硅波导2为轻掺杂，下电极6通过缓冲区7与脊形硅波导2的平板区连接，下电极6为重掺杂，缓冲区7的掺杂浓度位于轻掺杂和重掺杂的掺杂浓度之间。
栅电极4和下电极6分别与一接触电极5电连接。
本发明中，脊形硅波导2通过轻掺杂形成超浅的掺杂层，光场分布集中在该低掺杂的脊形硅波导区域，与脊形硅波导2的平板区连接的下电极采用重掺杂，并将两者通过一掺杂浓度位于轻掺杂和重掺杂之间的缓冲区7连接。当在MOSCAP的下电极和栅极施加偏压时，下电极和栅极上出现电荷的积累，通过等离子体色散效应影响所在位置材料的有效折射率，根据光场和载流子积累区域的重叠情况，对光场谐振模式进行调制。根据Drude模型，积累电荷浓度的大小和有效折射率改变大小呈正相关。该结构中的下电极为重掺杂区，电容器的电荷主要积聚在绝缘层两边，积累电荷浓度较高，有效折射率改变较大，具有好的光学移相性能。
绝缘层可通过沉积实现，厚度可控，可通过设计不同厚度的绝缘层，得到不同调制器电容值，从而改变EO带宽，进而改变调制带宽和速率，达到高速率的同时能够保持高消光比和低的驱动电压。该结构可用于马赫-曾德尔干涉(MZI)调制器和微环(MRR)调制器设计中。
可以理解的是，脊形硅波导突起部位的侧边并不限于必须垂直脊形波导的底部表面。
缓冲区7的厚度与下电极6和脊形硅波导2的平板区相同，且其沿下电极6和脊形硅波导2方向上的宽度(即下电极与脊形硅波导之间的间距)为1～2μm。
本发明中，脊形硅波导2为制备在衬底1上的结构，其还可以直接为SOI衬底上的顶层硅层结构。通常特征为：总高度为220nm，下层高为150nm，上层高为70nm，上层宽度为470nm。
本发明中，栅电极4的材料包括但不限于ZnO、ITO、FTO、ITiO。
绝缘体层3的材料为高K电介质，包括但不限于二氧化硅、二氧化铪、二氧化锆、硅酸铪、硅酸锆、氮化的硅酸铪、氮化的硅酸锆。厚度通常为5～100nm，优选为10～20nm。绝缘体层3可通过沉积方式制备，具体的沉积方式包括热氧化和各类薄膜沉积工艺，例如：CVD、PVD、ALD。
接触金属5的材料为金属材料，包括但不限于Au、Cu、Al。
脊形硅波导2中掺杂的离子种类包括但不限于B、P，掺杂方式包括但不限于离子注入和热扩散，通常制备方式是离子扩散。
进一步，脊形硅波导2中轻掺杂的掺杂浓度为1×1016～5×1017cm3，所述重掺杂的掺杂浓度为1×1019～1020cm3，所述缓冲区7的掺杂浓度优选为5×1017～5×1018cm3。
进一步，为了进一步降低损耗，脊形硅波导采用MRR单模脊形波导结构，其具有优异的通信波段光场约束能力，同时便于将低掺杂区域集中在光场分布区域。
本发明通过使用不同区域的掺杂浓度和绝缘层厚度高度可控，且保持了高载流子浓度和低光学传输损耗，能够实现连续的调制效率/损耗调节，尤其适合高速的光学通信传输中，如马赫-曾德尔干涉调制器和微环调制器中。
下面以具体案例对本发明进行进一步的详细说明，其具体的结构如图1所示，具体参数为：脊形硅波导2为基于SOI衬底上的顶层硅层，脊形硅波导的总高为220nm，下层高为150nm，上层高为70nm，上层宽度为470nm，轻掺杂和重掺杂为采用离子注入方式掺杂的B，其中，轻掺杂的掺杂浓度为1×1017，重掺杂的掺杂浓度为5×1019，缓冲区的宽度为2μm，掺杂浓度为5×1018，绝缘体层3为沉积的二氧化硅材料，栅电极4采用ZnO材料，脊形硅波导采用MRR单模脊形波导结构，在此条件下研究绝缘层厚度变化器件性能的变化，结果如下：
(1)随着绝缘层厚度的变化，电容值与电压的变化如下图4所示。从20nm到100nm(从上到下依次为20nm、30nm、50nm、100nm，绿色20nm，紫色30nm，粉色50nm，黑色100nm)，当施加正向电压2V时，电容值从1.05fF/μm减小到0.21fF/μm。根据光学带宽公式，当电容值下降到0.6fF/μm，可支撑60GHz的EO调制带宽(系统默认电阻值为60ohm)。
(2)调制效率为在光学载流子中引起的Pi相位变化的器件电压应用长度，限定为VπL并以伏*厘米为单位进行计量，从20nm到100nm(绿色20nm，紫色30nm，粉色50nm，黑色100nm)的调制效率如图5所示。当绝缘层厚度增加为100nm时，仍能在Vpp＝2V，保持3.7V*cm的高调制能力。
(3)相位变化由为在光学载流子中引起折射率变化从而引起光传输的相位变化，可用角度/毫米为单位进行计量，从20nm到100nm(绿色20nm，紫色30nm，粉色50nm，黑色100nm)的相位变化如图6所示。
(4)光学损耗和电压的关系，如图7所示，从20nm到100nm(绿色20nm，紫色30nm，粉色50nm，黑色100nm)，整体损耗维持在0.12dB/mm到0.36dB/mm，而且从图中可知，厚度层的增加反而能在高压下保持低损耗，且在0～2V电压下，损耗的相对变化较小，因此可以用作在电压摆幅范围内维持低损耗传输的光学特性。该MOSCAP器件结构低损耗主要是由于光场分布集中在波导层，而MOSCAP结构特性使得电荷集中在绝缘层附近，因此，基于MOSCAP结构的调制器具有较低的传输损耗。而由于绝缘层厚度的增加带来的低电容特性，显示整个器件的电荷分布更集中在波导中，因此，在静置电压下，波导损耗随着绝缘层厚度的增加反而增加，但随着正向偏置电压输入的增加，波导的载流子浓度逐渐变多，导致损耗逐渐增加。
(5)光场分布如图8所示。由于对硅波导进行的轻掺杂，所以最小化了掺杂对光在波导中传输的影响。当增加绝缘层厚度时，整个器件的传输损耗未见明显增加，仍然保持了低传输损耗的特性。由于TCO与硅的折射率差大，光场大部分束缚在硅波导传输，因此TCO电极的尺寸改变不会影响整体器件的传输损耗。同时由于MOSCAP光学调制器结构，为了避免增加光的插入损耗，栅极区的金属接触设置往往远离波导区域，但是这样反而增加了整个栅极区的串联电阻和寄生电容，从而限制了调制带宽。而由于TCO材料在低掺杂下就具有优秀的导电特性，因此能够取代金属平板成为新的栅极材料，减小金属连接远离波导区域带来的寄生电容，同时能够保证低的插入损耗，使得整个器件具有较高的调制带宽。
本发明所提供的上述光学调制器结构，随着电压值的增加，电容值的变化值在2V-4V之间，仅为4％，因此可以利用此性能做出高带宽线性变化的高压调制器；优化掺杂浓度和掺杂区域，可以进一步降低传输损耗，减小现阶段绝缘层厚度，同时能够进一步降低Vpp值；绝缘层的选取会进一步提升电容值改变的效率，选取高K值的绝缘层能够做出具有超薄的绝缘层的MOSCAP结构，提升整体器件的光学特性，比如高消光比、折射率变化等提供新的设计思路；由于TCO材料与硅材料的大折射率差，导致光传输过程中光场集中在硅波导传输，因此改变TCO材料的厚度和尺寸不会影响光在整体器件中的传输损耗，为调制器电极设计提供了新的平台，例如，可以设计多极栅极结构，从而减小串联电阻和寄生电容。
在此有必要指出的是，以上实施例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和说明，并不是对本发明的技术方案的进一步的限制，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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)
1.一种基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，至少包括脊形硅波导(2)、与脊形硅波导(2)连接的下电极(6)、沉积在所述脊形硅波导(2)和所述下电极(6)上的绝缘体层(3)、制作在绝缘体层(3)上的栅电极(4)、接触电极(5)；
所述栅电极(4)位于脊形硅波导(2)的上方且其材料为透明导电氧化物，所述脊形硅波导(2)为轻掺杂，所述下电极(6)通过缓冲区(7)与所述脊形硅波导(2)的平板区连接，且所述下电极(6)为重掺杂，所述缓冲区(7)的掺杂浓度位于轻掺杂和重掺杂的掺杂浓度之间；
所述栅电极(4)和下电极(6)分别与一接触电极(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，所述脊形硅波导(2)为SOI衬底上的顶层硅层。
3.根据权利要求1所述的基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，所述栅电极(4)的材料包括但不限于ZnO、ITO、FTO、ITiO。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，所述轻掺杂的掺杂浓度为1×1016～5×1017cm3，所述重掺杂的掺杂浓度为1×1019～1020cm3。
5.根据权利要求1～3任一项所述的基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，掺杂的离子种类包括但不限于B、P，掺杂方式包括但不限于离子注入和热扩散。
6.根据权利要求1～3任一项所述的基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，所述脊形硅波导(2)为MRR单模脊形硅波导结构。
7.根据权利要求1～3任一项所述的基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，所述绝缘体层(3)的材料为高K电介质，包括但不限于二氧化硅、二氧化铪、二氧化锆、硅酸铪、硅酸锆、氮化的硅酸铪、氮化的硅酸锆。
8.根据权利要求1～3任一项所述的基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，所述绝缘体层的厚度为5～100nm。
9.根据权利要求1～3任一项所述的基于MOSCAP的调制器结构，其特征在于，所述缓冲区(7)沿下电极(6)和脊形硅波导(2)方向上的宽度为1～2μm。
10.权利要求1～9任一项所述的基于MOSCAP的调制器结构在马赫-曾德尔干涉调制器和微环调制器中的应用。
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