CN117406472B - 硅光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅光调制器，包括由下向上依次堆叠的硅衬底、绝缘氧化物层、硅波导调制区、氮化硅波导和覆盖氧化物层，硅波导调制区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，氮化硅波导位于n型主掺杂区和p型主掺杂区的正上方，所述硅衬底上方为一层绝缘氧化硅，绝缘氧化硅上方为顶层硅，硅波导调制区位于顶层硅中；所述硅波导上方沉积材料，并刻蚀出氮化硅波导。优点，本发明的硅光调制器，通过在传统硅光调制器硅波导脊区上方沉积并刻蚀形成一段氮化硅波导，调整了硅光调制器中传输模式的光场分布，使得硅光调制器的损耗得到改善。
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，属于光电材料与器件技术领域，具体为一种硅光调制器。
背景技术
目前，全球通信行业宽带用户稳定增长，通信技术也在不断更新迭代，随着全球宽带需求不断的提高，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，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。
硅光调制器是实现硅基光电集成及其应用的核心器件之一，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PN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光调制器是领域内研究的目标之一。对于载流子耗尽型的硅光调制器而言，调制效率的提升通常需要增加掺杂离子的浓度，而同时也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都会导致光传输损耗，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，并且离子多次掺杂增加了掺杂浓度变化的不确定性，会对调制器工艺的稳定性和一致性造成一定的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有技术中硅光调制器采用传统补偿掺杂方案时可能出现的工艺误差增大以及工艺稳定性的技术问题。本发明的目的是提出一种硅光调制器，在硅波导脊区上方沉积并刻蚀出一段氮化硅波导，上方氮化硅波导可以改变硅波导调制区中模式光斑的分布，使模式光场向波导中部的载流子耗尽区靠拢，最终可以在保证调制效率的前提下降低硅光调制器的损耗。
采取的具体技术方案如下：
一种硅光调制器，包括由下向上依次堆叠的硅衬底、绝缘氧化物层、硅波导调制区、氮化硅波导和覆盖氧化物层，硅波导调制区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，氮化硅波导位于n型主掺杂区和p型主掺杂区的正上方，硅衬底上方为一层绝缘氧化硅，绝缘氧化硅上方为顶层硅，在顶层硅中刻蚀形成硅波导，硅波导调制区基于硅波导结构制作；所述硅波导上方沉积材料，并刻蚀出氮化硅波导。
本发明硅光调制器，当模式传输进入该硅光调制器时，在硅波导上方的一段氮化硅波导影响了硅波导调制区中传输模式的光场分布，使得硅波导中的光场向脊区中部的载流子耗尽区靠拢，从而降低了硅光调制器的损耗。
本发明硅光调制器，通过在传统硅光调制器硅波导脊区上方沉积并刻蚀形成一段氮化硅波导，对硅光调制器中传输模式的光场分布进行调控，使得硅光调制器的损耗得到改善。与硅光调制器的传统补偿方案相比，此方案没有引入额外的离子注入步骤，工艺可控性更高，并且减少了对准次数，降低了对准误差。
本发明提出的一种硅光调制器可以在不影响调制效率的基础上，显著降低调制器的插入损耗。
本发明硅光调制器，通过设计氮化硅波导的材料参数来调整氮化硅波导对硅波导中传输模式的影响程度。具体为：本发明提出的硅光调制器方案中，上方氮化硅波导的折射率越大，对硅波导中传输光场的影响越大，硅光调制器的损耗越小。氮化硅波导折射率随着材料中含氮量的增加先逐渐增大，后逐渐減小，折射率最大值可以到4，因此可以调整氮化硅材料中的含氮量来使得氮化硅折射率尽可能变大。
本发明提出的硅光调制器方案中，上方氮化硅波导的结构参数尤其是宽度需要设计成窄波导。原因如下，尽管上方氮化硅材料的折射率很高，但由于上方波导很窄，此结构在改变硅波导中模式光场的同时并不会使光场能量过多地跑到上方氮化硅波导中，从而使得调制器的调制效率保持基本不变。
对本发明技术方案的进一步优选，氮化硅波导为条形波导。条形波导制作简单且可以减少氮化硅波导对调制器其它区域的影响。
对本发明技术方案的进一步优选，氮化硅波导的材料参数包括氮化硅材料的含氮量。氮化硅的折射率随着材料中的含氮量先逐渐增大，后逐渐减小。氮化硅波导的折射率决定了其对硅波导调制区中光学模式的影响程度。当氮化硅波导的宽度一定时，氮化硅折射率越大，对硅波导中模式的影响越大，调制器的损耗越小。
对本发明技术方案的进一步优选，氮化硅波导的设计参数包括氮化硅波导宽度、氮化硅波导高度、氮化硅波导中心与硅波导掺杂中心之间的距离。
对本发明技术方案的进一步优选，氮化硅波导高度为100nm至300nm，氮化硅波导宽度为50nm至200nm。氮化硅波导应当为窄波导，窄氮化硅波导可以保证在影响硅波导中模式光场分布的同时避免过多影响调制器的调制效率。
对本发明技术方案的进一步优选，硅波导为脊形波导。脊波导两侧平板区域通过重掺杂和金属电极形成欧姆接触，从而利用载流子色散效应对硅波导折射率进行调制。
对本发明技术方案的进一步优选，硅波导的设计参数包括波导脊区宽度、脊区两侧平板高度和硅波导中心与掺杂中心位置之间的距离。
对本发明技术方案的进一步优选，氮化硅波导位于硅波导的脊区中部上方。这使得硅波导中的模式光场受到氮化硅波导的影响后向波导中心位置聚拢。
对本发明技术方案的进一步优选，硅波导调制区的材料为硅、氮化硅、氧化硅、三五族材料或铌酸锂。该方案不限于硅光调制器，可以推广到其它材料的调制器中。
对本发明技术方案的进一步优选，硅波导上方沉积材料包括氮化硅、硅、氧化硅或三五族材料。上方氮化硅波导可以使用其它折射率较大的材料进行代替。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1、本发明提出的硅光调制器，通过在传统硅光调制器硅波导脊区上方沉积并刻蚀形成一段氮化硅波导，调整了硅光调制器中传输模式的光场分布，使得硅光调制器的损耗得到改善。
2、本发明提出的硅光调制器，与硅光调制器的传统补偿方案相比，没有引入额外的离子注入步骤，工艺可控性更高，并且减少了对准次数，降低了对准误差。
3、本发明提出的硅光调制器，可以在不影响调制效率的基础上，显著降低调制器的插入损耗。
附图说明
图1是本发明提出的硅光调制器横截面结构示意图；（其中硅衬底和电极结构没有画出）；
图2是本发明实施例的马赫-曾德尔型调制器整体结构示意图；
图3是本发明实施例的硅光调制器中模式光场分布示意图；
图4是普通硅光调制器中模式光场分布示意图；
附图标记：1-覆盖氧化物层，2-硅波导调制区，3-绝缘氧化物层，4-n型重掺杂区，5-n型主掺杂区，6-氮化硅波导，7-p型主掺杂区，8-p型重掺杂区。
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-附图4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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例系一种硅光调制器，包括硅衬底、绝缘氧化物层3、硅波导调制区2、氮化硅波导6以及覆盖氧化物层1，横截面如图1所示。硅波导调制区2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7、p型重掺杂区8。氮化硅波导6位于n型主掺杂区5和p型主掺杂区7的正上方。
本实施例中硅光调制器，通过下述步骤制得：
S1、按照传统波导制作工艺刻蚀出脊型硅波导，在脊型硅波导的脊区中部位置的两侧沿衬底法线方向分别进行V族元素离子注入和III族元素离子注入，形成n型主掺杂区5和p型主掺杂区7；
S2、随后在脊型硅波导的脊区的两侧平板位置进行V族元素离子注入和III族元素离子的高浓度注入，形成n型重掺杂区4和p型重掺杂区8；
S3、接着在硅波导上方沉积一层氮化硅材料，按照传统波导制作工艺，在硅波导脊区中部位置上方刻蚀出一段氮化硅波导6；
S4、最后在整个器件上方沉积一层覆盖氧化物层1，得到硅光调制器。
本实施例中的硅光调制器，当模式传输进入该硅光调制器时，在硅波导脊区上方的一段氮化硅波导影响了调制器中传输模式的光场分布，使得硅波导中的光场向脊区中部的载流子耗尽区靠拢，从而降低了硅光调制器的损耗。
进一步，步骤S1、S2中，III族元素包括但不限于硼或者氟化硼，注入能量为10-220keV；V族元素包括但不限于磷或者砷，注入能量为20-200keV。
步骤S1中，主掺杂区离子注入的浓度范围为1×1012-1×1014ions/cm2；步骤S2中，重掺杂区离子注入的浓度范围为1×1013-1×1016ions/cm2；且主掺杂区离子注入浓度低于重掺杂区离子注入浓度。
本实施例中的硅光调制器，硅波导为脊形波导，硅波导形状的设计参数包括但不限于波导脊区宽度、脊区两侧平板高度、硅波导中心与掺杂中心位置之间的距离。
本实施例中的硅光调制器，氮化硅波导为条形波导，氮化硅波导形状的设计参数包括但不限于氮化硅波导宽度、氮化硅波导高度、氮化硅波导中心与硅波导掺杂中心之间的距离。
本实施例中的硅光调制器，硅波导调制区2的材料包括但不限于硅、氮化硅、氧化硅、三五族材料或铌酸锂。硅波导上方沉积材料包括但不限于氮化硅、硅、氧化硅或三五族材料。
本实施例中的硅光调制器，通过设计氮化硅波导的参数来调整氮化硅波导对硅波导中传输模式的影响程度，涉及到的氮化硅波导参数包括氮化硅波导结构参数和氮化硅材料的折射率。降低调制器损耗时需要尽可能减少对调制器调制效率的影响，可以在可行范围内选择折射率更大的半导体材料或提高氮化硅材料的含氮量。
本实施例提出的硅光调制器方案中，上方氮化硅波导的折射率越大，对硅波导中传输光场的影响越大，硅光调制器的损耗越小。氮化硅波导折射率随着材料中含氮量的增加先逐渐增大，后逐渐減小，折射率最大值可以到4，因此可以调整氮化硅材料中的含氮量来使得折射率尽可能变大。
本实施例提出的硅光调制器方案中，上方氮化硅波导的结构参数尤其是宽度需要设计成窄波导。原因如下，尽管上方氮化硅材料的折射率很高，但由于上方波导很窄，此结构在改变硅波导中模式光场的同时并不会使光场能量过多地跑到上方氮化硅波导中，从而使得调制器的调制效率保持基本不变。本实施例提出优选的氮化硅波导高度和氮化硅波导宽度，氮化硅波导高度为100nm至300nm，氮化硅波导宽度为50nm至200nm。
实施例1
具体实施例为马赫-曾德尔型调制器，单一调制臂的截面结构参见图1，包括顶层覆盖氧化硅层，硅波导调制区，隐埋氧化硅层，上方氮化硅波导，其中硅衬底未画出。硅波导调制区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。另一调制臂与其互为镜像，马赫-曾德尔型调制器的整体结构如图2所示。
本实施例所述的马赫-曾德尔型硅光调制器的实现方式包括以下步骤：
首先，以光刻胶为掩膜，经过曝光、匀胶、显影、去胶、刻蚀等步骤制作出硅波导调制区形貌。硅波导宽度为500nm，脊区高度为220nm，脊区两侧平板高度为70nm。
随后，以光刻胶为掩膜，分别在脊区中部位置两侧沿衬底法线方向进行V族元素和III族元素离子注入，先后形成n型离子主掺杂区和p型离子主掺杂区。本实施例中，V族元素选择磷，磷离子注入能量为40kV，磷离子注入浓度为7×1012ions/cm2。III族元素选择氟化硼，氟化硼离子注入能量为105kV，氟化硼离子注入浓度为1.5×1013ions/cm2。
接着，以光刻胶为掩膜，分别在硅波导两侧平板区域沿衬底法线方向进行V族元素和III族元素离子注入，先后形成n型离子重掺杂区和p型离子重掺杂区。本实施例中，V族元素选择磷，磷离子注入能量为30kV，磷离子注入浓度为4×1015ions/cm2。III族元素选择硼，硼离子注入能量为20kV，离子注入浓度为2×1015ions/cm2。
接着，在上方沉积一层氮化硅材料，并以光刻胶为掩膜，经过曝光、匀胶、显影、去胶、刻蚀等步骤制作出氮化硅波导。本实施例中，氮化硅生长方式采用等离子体气相沉积方法，氮化硅高度为200nm，氮化硅折射率为2.2，氮化硅波导宽度100nm。
最后，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并制作金属电极。以相同步骤制作另一调制臂并将两调制臂用分光器件相连，整个器件构成了马赫-曾德尔型硅光调制器。
当光模式传输进入该硅光调制器时，在硅波导上方的一段氮化硅波导影响了调制器中传输模式的光场分布，使得硅波导中的光场向脊区中部的载流子耗尽区靠拢，从而降低了硅光调制器的损耗。本发明实施例中硅光调制器的模式光场分布与普通硅光调制器中的模式光场分布分别如图3和图4所示。
本实施例中，掺杂的离子种类、离子注入的浓度和能量、波导高度和宽度、波导刻蚀高度、使用的材料沉积方法等均可视情况进行相应调整。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硅光调制器，其特征在于，包括由下向上依次堆叠的硅衬底、绝缘氧化物层（3）、硅波导调制区（2）、氮化硅波导（6）和覆盖氧化物层（1），所述硅波导调制区（2）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（7）和p型重掺杂区（8），所述氮化硅波导（6）位于n型主掺杂区（5）和p型主掺杂区（7）的正上方，所述硅衬底上方为一层绝缘氧化硅，绝缘氧化硅上方为顶层硅，在顶层硅中刻蚀形成硅波导，所述硅波导为脊形波导，硅波导调制区（2）基于硅波导结构制作；所述硅波导上方沉积材料，并刻蚀出氮化硅波导（6），所述氮化硅波导（6）为窄波导，氮化硅波导（6）宽度小于下方硅波导脊区宽度；氮化硅波导（6）高度为100nm至300nm，氮化硅波导（6）宽度为50nm至200nm。
2.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，氮化硅波导（6）为条形波导。
3.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，氮化硅波导（6）的材料参数包括氮化硅材料的含氮量。
4.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，氮化硅波导（6）的结构参数包括氮化硅波导宽度、氮化硅波导高度、氮化硅波导中心与硅波导掺杂中心之间的距离。
5.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，所述硅波导的设计参数包括波导脊区宽度、脊区两侧平板高度和硅波导中心与掺杂中心位置之间的距离。
6.根据权利要求5所述的硅光调制器，其特征在于，所述氮化硅波导（6）位于硅波导脊区上方。
7.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，硅波导调制区（2）的材料为硅、氮化硅、氧化硅、三五族材料或铌酸锂。
8.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，硅波导上方沉积材料包括氮化硅、硅、氧化硅或三五族材料。
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