CN118169908A - 一种电吸收调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电吸收调制器及其制备方法。该电吸收调制器包括第一脊波导、第二脊波导和楔形波导；其中，所述第一脊波导与所述第二脊波导为对接耦合；所述第一脊波导的平板区和脊区分别高于所述第二脊波导的平板区和脊区；所述楔形波导的底面与所述第一脊波导的脊区的端面对接，且所述楔形波导还位于所述第二脊波导的脊区上；所述第一脊波导为有源区波导，所述第二脊波导为硅波导。本发明提高了电吸收调制器的调制效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电吸收调制器及其制备方法。
背景技术
硅光技术是一种将半导体技术与光学技术相结合的技术，它是突破电气连接带宽和功耗上限的重要技术，是未来信息技术发展的重要方向。
在光通信链路中，调制器是实现电信号到光信号转换的关键有源器件。在诸多类型的调制器中，基于Franz-Keldysh效应的电吸收调制器具有功耗低、尺寸小和结构简单易于集成等优势。Franz-Keldysh效应是指在外加电场的作用下，材料的能带发生倾斜，导带和价带波函数的倏逝尾延伸到禁带中，使得能量低于带隙的光子也能被吸收，有效带隙减小，引起材料吸收边发生红移；通过给材料施加电压可以改变材料的吸收系数，控制光的通断，从而实现对光波的调制。
在现有的基于Franz-Keldysh效应的电吸收调制器中，硅波导中的光是通过倏逝耦合的方式进入有源区。但是，通过倏逝耦合进入有源区的光不会一直在有源区传播，而是在有源区和硅波导之间来回震荡，影响调制效率。并且，由于电极通常加载在硅上，这会使有源区和硅波导之间的交界面成为漏电通道，产生较大的漏电流，会影响功耗和稳定性。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种电吸收调制器及其制备方法，用以解决现有的电吸收调制器调制效率低的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种电吸收调制器，包括：
第一脊波导、第二脊波导和楔形波导；其中，
所述第一脊波导与所述第二脊波导为对接耦合；
所述第一脊波导的平板区和脊区分别高于所述第二脊波导的平板区和脊区；
所述楔形波导的底面与所述第一脊波导的脊区的端面对接，且所述楔形波导还位于所述第二脊波导的脊区上；
所述第一脊波导为有源区波导，所述第二脊波导为硅波导。
基于上述电吸收调制器的进一步改进，所述有源区波导的材料为以下中的任一项及其任意组合：
硅-锗合金；
锗；以及
三五族化合物。
基于上述电吸收调制器的进一步改进，所述楔形波导的厚度由所述第一脊波导和所述第二脊波导的高度差确定。
基于上述电吸收调制器的进一步改进，所述楔形波导的材料为以下中的任一项及其任意组合：
多晶硅；
硅-锗合金；
锗；以及
三五族化合物。
基于上述电吸收调制器的进一步改进，所述第一脊波导的脊区的宽度和所述第二脊波导的脊区的宽度相同。
基于上述电吸收调制器的进一步改进，所述电吸收调制器包括两个所述第二脊波导和两个所述楔形波导，所述第一脊波导位于两个所述第二脊波导之间。
另一方面，本发明实施例还提供了一种电吸收调制器的制备方法，包括：
在绝缘体上硅晶圆上形成楔形波导；
刻蚀所述绝缘体上硅晶圆的顶硅形成硅脊波导，所述楔形波导位于所述硅脊波导的脊区上；
在所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上形成有源区脊波导，所述有源区脊波导和所述硅脊波导为对接耦合，且所述有源区脊波导的平板区和脊区分别高于所述硅脊波导的平板区和脊区，且所述楔形波导的底面与所述第一脊波导的脊区的端面对接。
基于上述方法的进一步改进，所述在绝缘体上硅晶圆上形成楔形波导包括：
在绝缘体上硅晶圆的顶硅上沉积楔形波导材料，所述楔形波导材料的厚度由所述有源区脊波导和所述硅脊波导的高度差确定；
刻蚀所述楔形波导材料形成楔形波导。
基于上述方法的进一步改进，在所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上形成有源区脊波导包括：
在所述硅脊波导和所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上沉积绝缘材料；
刻蚀所述绝缘材料和所述绝缘体上硅晶圆的顶硅并停留在所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上，以在所述硅脊波导之间形成有源区凹槽；
在所述有源区凹槽上沉积有源区材料并使用化学机械平坦化工艺磨平；
刻蚀所述有源区材料形成有源区脊波导。
基于上述方法的进一步改进，所述楔形波导材料为以下中的任一项及其任意组合：
多晶硅；
硅-锗合金；
锗；以及
三五族化合物。
基于上述方法的进一步改进，所述有源区材料为以下中的任一项及其任意组合：
硅-锗合金；
锗；以及
三五族化合物。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、使用对接耦合方案，避免了光在通过有源区时在有源区界面来回振荡，增大了电场与光场的重叠度，提高了调制效率，可在更小的尺寸下实现更高的消光比。而且对接耦合方案对波长敏感性低，具有更好的光学稳定性。
2、在对接端面引入楔形波导，可有效减少由于尺寸和折射率失配引起的反射和损耗，有利于减小插入损耗，提高调制器品质因数。
3、有源区使用Ge(1-x)Si(x)材料，通过调节材料配比，可实现对不同波长的调制，调制范围可覆盖光通信中的L波段和C波段。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；
图1示出了光通信链路。
图2示出了现有的电吸收调制器所采用的倏逝耦合方案。
图3为根据本发明实施例的电吸收调制器的结构示意图。
图4示出了根据本发明实施例的脊波导的结构示意图。
图5示出了根据本发明实施例的楔形波导的一个示例。
图6为根据本发明实施例的电吸收调制器的制备方法的流程示意图。
图7至图9示出了步骤601的一个工艺流程示例。
图10示出了步骤602的一个工艺流程示例。
图11至图14示出了步骤603的一个工艺流程示例。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
图1示出了光通信链路。如图1所示，在光通信链路中，包括激光器、调制器、复用器、波导、解复用器、探测器等器件。激光器为整个链路提供光源；调制器对输入的电信号进行调制，实现电信号到光信号的转变；复用器将并行信号转换为串行信号，便于使用单条路径传递；波导类似于导线，用于传递光信号；解复用器将串行信号恢复成并行信号；探测器将光信号重新转变为电信号输出。本发明提出的电吸收调制器是对光通信链路中的调制器进行改进。
在光通信中，对接耦合和倏逝耦合是两种常用的耦合方式。对接耦合，也称为面对面耦合，是指一个光学元件的一端与另一个光学元件的一端直接对准耦合。倏逝耦合又称倏逝波耦合，是一种非接触式的能量传递方式，光学元件之间不需要精确的对齐。在这种方式中，光源发出的光会“渗入”到接收端，而不是通过物理接触。
图2示出了现有的电吸收调制器所采用的倏逝耦合方案。如图2所示，在电吸收调制器中，有源区波导“骑跨”在硅波导上，在硅波导上传播的光线在经过有源区波导时，会“渗入”到有源区波导上，之后光会线在有源区波导中传播，这种耦合方式就是倏逝耦合。但是，通过倏逝耦合进入有源区的光线不会一直在有源区传播，而是在有源区和硅波导之间来回震荡，从而影响调制器的调制效率。
为此，本发明提出一种新的电吸收调制器结构。
图3为根据本发明实施例的电吸收调制器的结构示意图。
下面结合图3对本发明的一个实施例进行说明。
如图3所示，该电吸收调制器包括第一脊波导、两个第二脊波导和两个楔形波导。第一脊波导与两个第二脊波导为对接耦合。两个第二脊波导对接在第一脊波导的两端。第一脊波导的平板区和脊区分别高于第二脊波导的平板区和脊区。楔形波导的底面与第一脊波导的脊区的端面对接，且楔形波导还位于第二脊波导的脊区上。第一脊波导为有源区波导，第二脊波导为硅波导。
图4示出了根据本发明实施例的脊波导的结构示意图。如图4所示，脊波导400包括脊区和平板区，脊区为凸起部位，平板区为平凹部位。在脊波导400中，光是在脊区传播的。图3实施例中的第一脊波导和第二脊波导均可以为图4示出的结构。在图3中，第一脊波导位于两段第二脊波导之间，并且第一脊波导的平板区高于第二脊波导的平板区，第一脊波导的脊区高于第二脊波导的脊区。第一脊波导的平板区高于第二脊波导的平板区可以提高第一脊波导和第二脊波导的对接耦合效率。另外，在实际的器件工艺中，在生长完第一脊波导材料后需要进行化学机械平坦化处理(即“磨平”)，由于工艺容差，无法控制到把第一脊波导材料和第二脊波导材料一样高，容易出现过度磨平，因此第一脊波导的脊区要高于第二脊波导的脊区。第一脊波导的材料可以为半导体材料，例如硅-锗合金。第二脊波导的材料可以为硅。图3中还包括了楔形波导，楔形波导指的是具有类似梯形这样渐变结构的波导。图3中的楔形波导是在第一脊波导和第二脊波导的对接位置处、第二脊波导的脊区上引入的。楔形波导的底面和第一脊波导的端面对接。引入楔形波导可以使第二脊波导中的模场分布和第一脊波导波中的模场分布更加匹配，从而减小耦合损耗。同时楔形波导结构可以使有效折射率渐变，降低了第一脊波导和第二脊波导对接界面处的折射率差，从而减小光的反射损耗。
图3中还包括了钨塞和电极。需要说明的是，钨塞和电极只是引出金属电极的一种实现方式，其他引出金属电极的方式也落入本发明的保护范围。由于引出金属电极的技术属于现有技术，本文不再对其进行描述。
本实施例提供的电吸收调制器结构使用了对接耦合方案，避免了倏逝耦合方案中光在通过有源区时在硅和有源区之间来回振荡，增大了电场与光场的重叠度，提高了调制效率，可在更小的尺寸下实现更高的消光比。而且本实施例所使用的对接耦合对波长敏感性低，具有更好的光学稳定性。
在一些实施例中，第一脊波导的材料为以下中的任一项及其任意组合：硅-锗合金、锗、三五族化合物。硅-锗合金可以是任何由硅和锗形成的合金，其分子式为Ge(1-x)Si(x)，其中x∈0-50％。第一脊波导的材料使用Ge(1-x)Si(x)，通过调节硅和锗材料配比，可实现对不同波长的调制，调制范围可覆盖光通信中的L波段和C波段，如当硅组分在0.5％～1.5％范围内变化时可实现对1350～1650nm波长光的调制。三五族化合物是指由三族元素(例如硼、铝、镓等)和五族元素(氮、磷、砷等)组成的化合物半导体材料，例如锑化铟、砷化镓等。
在一些实施例中，楔形波导的材料为以下中的任一项及其任意组合：多晶硅、硅-锗合金、锗、三五族化合物。
在一些实施例中，楔形波导的厚度可以由第一脊波导和第二脊波导的高度差确定。例如，楔形波导的厚度等于第一脊波导和第二脊波导的高度差。图5示出了根据本发明实施例的楔形波导的一个示例。在图5中，楔形波导的厚度等于第一脊波导的脊区和第二脊波导的脊区的高度差。该项结构设计可以进一步降低第一脊波导和第二脊波导对接界面处的折射率差，从而进一步减小光的反射损耗。
在一些实施例中，第一脊波导的脊区的宽度和第二脊波导的脊区的宽度相同。在另一些实施例中，第一脊波导的脊区的宽度和第二脊波导的脊区的宽度也可以是不相同，对于两者宽度不同的情况，可以用楔形模斑转换器进行连接。该项结构设计可以进一步降低第一脊波导和第二脊波导对接界面处的折射率差，从而进一步减小光的反射损耗。
本发明实施例还提供了一种电吸收调制器的制备方法。图6为根据本发明实施例的电吸收调制器的制备方法的流程示意图。
如图6所示，该电吸收调制器的制备方法包括以下步骤：
步骤601：在绝缘体上硅晶圆上形成楔形波导。
绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)晶圆是一种类似三明治的夹层式结构，一共有三层，包括：顶层(器件层)，中间的埋氧层(即绝缘二氧化硅层)和底层的衬底(体硅)。
图7至图9示出了步骤601的一个工艺流程示例。下面结合图7至图9对步骤601进行说明。
图7为SOI晶圆，顶层的材料为硅。在图8中，可以在SOI晶圆的顶层上沉积多晶硅材料。多晶硅材料的厚度可以由接下来的步骤602形成的硅脊波导和步骤603形成的有源区脊波导的高度差确定，例如多晶硅材料的厚度可以为100纳米。这里用到的沉积技术可以是等离子体增强化学气相沉积或者其他沉积技术，本发明对此并不做限制。在图9中，可以刻蚀多晶硅材料形成楔形波导，楔形波导的长度可以是5-10微米。这里用到的刻蚀技术可以是干法刻蚀或湿法刻蚀，本发明对此并不做限制。
步骤602：刻蚀所述绝缘体上硅晶圆的顶硅形成硅脊波导。
图10示出了步骤602的一个工艺流程示例。在图10中，可以刻蚀SOI晶圆的顶硅形成硅脊波导，硅脊波导的脊区的宽度可以为300-800纳米，硅脊波导的平板区的厚度可以为70纳米左右。步骤601中形成的楔形波导位于硅脊波导的脊区上。
步骤603：在所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上形成有源区脊波导。
图11至图14示出了步骤603的一个工艺流程示例。下面结合图11至图14对步骤603进行说明。
在图11中，可以在图10的结构上沉积绝缘材料二氧化硅。在一些示例中，沉积完二氧化硅后，可以使用化学机械平坦化工艺磨平二氧化硅。需要说明的是，尽管在图11中，二氧化硅经磨平后露出了楔形波导，但本发明并不对此进行限制，这里的磨平工艺只需要保证二氧化硅表面平整即可，也即二氧化硅经磨平后可以不漏出楔形波导。在另一些示例中，沉积完二氧化硅后，也可以不进行抛光。在不进行抛光的示例中，可以由接下来的图13示出的步骤统一进行抛光，从而简化了工艺流程，提高效率。
在图12中，可以在图11的结构上刻蚀二氧化硅和顶硅形成有源区凹槽。刻蚀工艺可以停留在顶硅，底部可以留下20至60纳米厚的顶硅。这里用到的刻蚀技术可以是干法刻蚀或湿法刻蚀，本发明对此并不做限制。
在图13中，可以在图12的结构上沉积有源区材料硅-锗合金，并使用化学机械平坦化工艺磨平。这里用到的沉积技术可以是等离子体增强化学气相沉积或者其他沉积技术，本发明对此并不做限制。
在图14中，可以刻蚀图13中的有源区材料硅-锗合金，形成有源区脊波导。有源区脊波导的脊区的宽度可以为500纳米左右，有源区脊波导的平板区的厚度可以为40纳米至80纳米。这里用到的刻蚀技术可以是干法刻蚀或湿法刻蚀，本发明对此并不做限制。
与现有技术相比，本发明实施例至少可实现如下有益效果之一：
1、使用对接耦合方案，避免了光在通过有源区时在有源区界面来回振荡，增大了电场与光场的重叠度，提高了调制效率，可在更小的尺寸下实现更高的消光比。而且对接耦合方案对波长敏感性低，具有更好的光学稳定性。
2、在对接端面引入楔形波导，可有效减少由于尺寸和折射率失配引起的反射和损耗，有利于减小插入损耗，提高调制器品质因数。
3、有源区使用Ge(1-x)Si(x)材料，通过调节材料配比，可实现对不同波长的调制，调制范围可覆盖光通信中的L波段和C波段。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电吸收调制器，包括：
第一脊波导、第二脊波导和楔形波导；其中，
所述第一脊波导与所述第二脊波导为对接耦合；
所述第一脊波导的平板区和脊区分别高于所述第二脊波导的平板区和脊区；
所述楔形波导的底面与所述第一脊波导的脊区的端面对接，且所述楔形波导还位于所述第二脊波导的脊区上；
所述第一脊波导为有源区波导，所述第二脊波导为硅波导。
2.根据权利要求1所述的电吸收调制器，其特征在于，所述有源区波导的材料为以下中的任一项及其任意组合：
硅-锗合金；
锗；以及
三五族化合物。
3.根据权利要求1所述的电吸收调制器，其特征在于，所述楔形波导的厚度由所述第一脊波导和所述第二脊波导的高度差确定。
4.根据权利要求1所述的电吸收调制器，其特征在于，所述楔形波导的材料为以下中的任一项及其任意组合：
多晶硅；
硅-锗合金；
锗；以及
三五族化合物。
5.根据权利要求1所述的电吸收调制器，其特征在于，所述第一脊波导的脊区的宽度和所述第二脊波导的脊区的宽度相同。
6.根据权利要求1所述的电吸收调制器，其特征在于，所述电吸收调制器包括两个所述第二脊波导和两个所述楔形波导，所述第一脊波导位于两个所述第二脊波导之间。
7.一种电吸收调制器的制备方法，包括：
在绝缘体上硅晶圆上形成楔形波导；
刻蚀所述绝缘体上硅晶圆的顶硅形成硅脊波导，所述楔形波导位于所述硅脊波导的脊区上；
在所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上形成有源区脊波导，所述有源区脊波导和所述硅脊波导为对接耦合，且所述有源区脊波导的平板区和脊区分别高于所述硅脊波导的平板区和脊区，且所述楔形波导的底面与所述第一脊波导的脊区的端面对接。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在绝缘体上硅晶圆上形成楔形波导包括：
在绝缘体上硅晶圆的顶硅上沉积楔形波导材料，所述楔形波导材料的厚度由所述有源区脊波导和所述硅脊波导的高度差确定；
刻蚀所述楔形波导材料形成楔形波导。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上形成有源区脊波导包括：
在所述硅脊波导和所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上沉积绝缘材料；
刻蚀所述绝缘材料和所述绝缘体上硅晶圆的顶硅并停留在所述绝缘体上硅晶圆的顶硅上，以在所述硅脊波导之间形成有源区凹槽；
在所述有源区凹槽上沉积有源区材料并使用化学机械平坦化工艺磨平；
刻蚀所述有源区材料形成有源区脊波导。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述楔形波导材料为以下中的任一项及其任意组合：
多晶硅；
硅-锗合金；
锗；以及
三五族化合物。
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| CN202410353881.9A CN118169908A (zh) | 2024-03-26 | 2024-03-26 | 一种电吸收调制器及其制备方法 |
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