硅基注氧電容型電光調(diào)制器的制作方法

本發(fā)明涉及電光調(diào)制，特別是一種硅基注氧電容型電光調(diào)制器。

背景技術(shù)：

硅基光子器件憑借其低功耗、低成本、微型化、與傳統(tǒng)微電子加工工藝兼容等優(yōu)勢，成為未來光通信技術(shù)發(fā)展中不可或缺的一部分。作為光傳輸網(wǎng)絡(luò)中電光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件之一，調(diào)制器一直以來都是研究者們關(guān)注的熱點，其性能的好壞將直接影響整個光通信系統(tǒng)的優(yōu)劣。

現(xiàn)有的硅基調(diào)制器大都基于自由載流子色散效應(yīng)，即改變硅波導(dǎo)中自由載流子濃度來改變波導(dǎo)的有效折射率，實現(xiàn)光傳輸相位的調(diào)制；另外，對波導(dǎo)進(jìn)行不同濃度的摻雜及改變載流子擴(kuò)散或漂移速率，可以同時提高調(diào)制器的調(diào)制速率和調(diào)制效率。傳統(tǒng)上利用自由載流子色散效應(yīng)實現(xiàn)電光調(diào)制的方式分為三種：載流子累積型、載流子注入型和載流子耗盡型；其中載流子累積型的調(diào)制速率與調(diào)制效率介于載流子注入型和載流子耗盡型二者之間。2004年，Intel公司在Nature雜志上首次提出了一個調(diào)制帶寬超過1GHz的全硅調(diào)制器，該調(diào)制器采用一種載流子累積型金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容型結(jié)構(gòu)，在下層n型摻雜的多晶硅平板波導(dǎo)層與上層p型摻雜的外延多晶硅脊型波導(dǎo)區(qū)域中間制作有一層隔離的柵氧層，加電后，電子和空穴迅速在柵氧層兩側(cè)大量累積，實現(xiàn)附近區(qū)域波導(dǎo)折射率的改變，從而實現(xiàn)高速的電光調(diào)制，但因該調(diào)制波導(dǎo)層采用外延生長多晶硅方式，致使調(diào)制器的波導(dǎo)傳輸損耗較高。2013年，Cisco公司在OFC國際會議上提出了一種硅-絕緣層-硅的電容(SISCAP)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一種緊湊的、驅(qū)動電壓極低的高階調(diào)制器，但缺點是該調(diào)制器插入損耗要高出普通鈮酸鋰調(diào)制器4-5dB，在于他們使用的調(diào)制器波導(dǎo)部分亦為多晶硅結(jié)構(gòu)，造成了較高的吸收損耗。

2005年，Bahram Jalali等人在APPLIED PHYSICS LETTERS雜志上提及他們使用了一種修正后的氧離子注入隔離技術(shù)(SIMOX 3-D Sculpting)，可用來實現(xiàn)三維的硅基光電子單片集成，通過控制不同的氧離子注入劑量和能量，能在SOI頂層硅波導(dǎo)層或者是硅襯底層中的任意位置退火氧化形成一層二氧化硅薄層，從而將一層硅波導(dǎo)隔離成上下兩硅波導(dǎo)層，同時用來設(shè)計并制作硅基光子器件和硅基微電子器件，實現(xiàn)真正的三維光電子集成技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題和現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種硅基注氧電容型電光調(diào)制器，該硅基電光調(diào)制器采用氧離子注入隔離技術(shù)，實現(xiàn)硅基光子器件與硅基微電子器件的集成。所述的電容調(diào)制部分采用單晶硅波導(dǎo)，波導(dǎo)傳輸損耗更小，具有結(jié)構(gòu)簡單、易設(shè)計制備和成本低的特點。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種硅基注氧電容型電光調(diào)制器，其特點在于，從下到上依次為：硅襯底、二氧化硅下包層、n型輕摻雜單晶硅層、二氧化硅隔離層、p型輕摻雜單晶硅層、二氧化硅上包層和金屬電極層，所述的n型輕摻雜單晶硅層、二氧化硅隔離層和p型輕摻雜單晶硅層構(gòu)成電容，所述的n型輕摻雜單晶硅層和p型輕摻雜單晶硅層形成電容的上下極板，所述的n型輕摻雜單晶硅層、二氧化硅隔離層和p型輕摻雜單晶硅層的中間區(qū)域形成脊型波導(dǎo)，在所述的n型輕摻雜單晶硅層的脊型波導(dǎo)的左側(cè)為n型重?fù)诫s區(qū)，在所述的p型輕摻雜單晶硅層的脊型波導(dǎo)的右側(cè)為p型重?fù)诫s區(qū)，在所述的二氧化硅上包層中位于所述的脊型波導(dǎo)的兩側(cè)均具有通孔，分別與所述的n型重?fù)诫s區(qū)和p型重?fù)诫s區(qū)相連，所述的金屬電極層的金屬填充所述的通孔，分別經(jīng)所述的n型重?fù)诫s區(qū)和p型重?fù)诫s區(qū)與所述的電容的下極板n型輕摻雜單晶硅層和上極板p型輕摻雜單晶硅層相連。

所述的n型輕摻雜單晶硅層的厚度為50-200nm、二氧化硅隔離層的厚度為10-100nm，所述的p型輕摻雜單晶硅層的厚度為50-200nm，所述的脊型波導(dǎo)的寬度為0.3-1μm，凸條臺階高度為100-400nm。

所述的n型重?fù)诫s區(qū)與波導(dǎo)邊緣距離大于0.2μm，所述的p型重?fù)诫s區(qū)與波導(dǎo)邊緣的距離大于0.2μm。

所述的n型輕摻雜區(qū)和p型輕摻雜區(qū)的摻雜濃度為1×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3,所述的n型重?fù)诫s區(qū)和p型重?fù)诫s區(qū)的摻雜濃度為1×10¹⁹～5×10²⁹cm^-3。

所述的二氧化硅隔離層的厚度小于100nm。

所述的金屬電極層材料為鋁、銅或金。

所述二氧化硅隔離層通過在SOI硅片頂層硅內(nèi)注入氧離子后退火氧化形成，厚度小于100nm。通過控制不同的氧離子注入劑量和注入能量可實現(xiàn)不同厚度及不同深度的二氧化硅隔離層。二氧化硅隔離層由離子注入形成，確保二氧化硅上下兩側(cè)的硅材料為單晶硅，以減小硅波導(dǎo)傳輸損耗。

所述金屬電極層為鋁、銅、金等用于傳輸高速電信號的金屬，填充通孔，與n型和p型重?fù)诫s區(qū)接觸，外部高速微波信號通過金屬層連接到波導(dǎo)內(nèi)電容。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明采用普通電容型結(jié)構(gòu)，通過氧離子注入及高溫退火氧化等步驟在硅波導(dǎo)中形成一層薄薄的二氧化硅隔離層，而隔離層的上硅層、下硅層分別通過不同極性離子注入摻雜，形成電容的上下極板，以此保證該結(jié)構(gòu)整個硅波導(dǎo)層均為單晶硅結(jié)構(gòu)，可減小調(diào)制器的傳輸損耗。

2)本發(fā)明采用氧離子注入隔離技術(shù)，實現(xiàn)硅基光子器件與硅基微電子器件的集成。所述的電容調(diào)制部分采用單晶硅波導(dǎo)，波導(dǎo)傳輸損耗更小，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、易設(shè)計制備和成本低的特點。的結(jié)構(gòu)簡單，易設(shè)計和制備，成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明硅基注氧電容型電光調(diào)制器的實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本發(fā)明硅基注氧電容型電光調(diào)制器的實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為本發(fā)明硅基注氧電容型電光調(diào)制器的工藝制作流圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。

請參閱圖1，圖1為本發(fā)明硅基注氧電容型電光調(diào)制器實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明硅基注氧電容型電光調(diào)制器，從下到上依次為：硅襯底11、二氧化硅下包層12、n型輕摻雜單晶硅層13、二氧化硅隔離層14、p型輕摻雜單晶硅層16、二氧化硅上包層19和金屬電極層10，所述的n型輕摻雜單晶硅層13、二氧化硅隔離層14和p型輕摻雜單晶硅層16構(gòu)成電容，所述的n型輕摻雜單晶硅層13和p型輕摻雜單晶硅層16形成電容的上下極板，所述的n型輕摻雜單晶硅層13、二氧化硅隔離層14和p型輕摻雜單晶硅層16的中間區(qū)域形成脊型波導(dǎo)，在所述的n型輕摻雜單晶硅層13的脊型波導(dǎo)的左側(cè)為n型重?fù)诫s區(qū)17，在p型輕摻雜單晶硅層16的脊型波導(dǎo)的右側(cè)為p型重?fù)诫s區(qū)15，在所述的二氧化硅上包層19中位于所述的脊型波導(dǎo)的兩側(cè)均具有通孔18，分別與所述的n型重?fù)诫s區(qū)17和p型重?fù)诫s區(qū)15相連，所述的金屬電極層10的金屬填充所述的通孔18，分別經(jīng)所述的n型重?fù)诫s區(qū)17和p型重?fù)诫s區(qū)15與所述的電容的下極板n型輕摻雜單晶硅層13和上極板p型輕摻雜單晶硅層16相連。

在本實施例中，二氧化硅下包層12厚度為2μm，n型輕摻雜單晶硅層13的厚度H₁為120nm、二氧化硅隔離層14的厚度為10nm、p型輕摻雜單晶硅層16的厚度H₂為90nm，區(qū)域13、14、16這三層材料構(gòu)成電容，通過形成凸條形狀，構(gòu)成脊型波導(dǎo)，該脊型波導(dǎo)的寬度W為0.5μm，凸條臺階高度H₃為160nm。

所述的n型重?fù)诫s區(qū)域17，與波導(dǎo)邊緣距離0.35μm，寬為7μm，所述的p型重?fù)诫s區(qū)域15，與波導(dǎo)邊緣距離為0.35μm，寬為7μm。

所述的n型和p型輕摻雜區(qū)濃度均為1×10¹⁸cm^-3，n型和p型重?fù)诫s區(qū)濃度為1×10²⁰cm^-3。

所述二氧化硅隔離層14通過在SOI硅片頂層硅內(nèi)注入氧離子后退火氧化形成，氧離子注入劑量為5×10¹⁷cm^-2，能量為100keV，而后經(jīng)1300℃高溫退火進(jìn)行氧化，以確保二氧化硅隔離層14上下兩側(cè)的硅材料為單晶硅。

所述的二氧化硅上包層19中制作有通孔18，分別位于脊型波導(dǎo)兩側(cè)，與n型重?fù)诫s區(qū)17和p型重?fù)诫s區(qū)15相連，所述的距離重?fù)诫s區(qū)域15、17與所述的脊型波導(dǎo)的距離為2μm，所述的通孔寬為3μm。

所述金屬電極層10為鋁用于傳輸高速電信號，并填充通孔18，與n型重?fù)诫s區(qū)17和p型重?fù)诫s區(qū)15接觸，外部高速微波信號通過金屬層18連接到波導(dǎo)內(nèi)電容。

圖3是本發(fā)明硅基注氧電容型電光調(diào)制器實施例1的工藝制作流圖，包括以下步驟：

1)對清洗后的SOI硅基芯片的頂層硅波導(dǎo)層進(jìn)行低濃度n型磷離子注入，使得頂層硅波導(dǎo)層為均勻的n型輕摻雜單晶硅波導(dǎo)層13；

2)對n型輕摻雜單晶硅波導(dǎo)層13注入氧離子，為實現(xiàn)凸起形狀的中間隔離層，在n型波導(dǎo)上覆蓋部分氮化硅作為硬掩膜版，以此減緩掩膜版覆蓋以下區(qū)域的氧離子注入深度，氧離子注入完畢后進(jìn)行高溫退火，以實現(xiàn)均勻的二氧化硅隔離薄層14；

3)干法刻蝕所述的n型輕摻雜單晶硅波導(dǎo)層13形成脊型結(jié)構(gòu)；

4)對脊型硅波導(dǎo)進(jìn)行低濃度p型硼離子淺層16注入，使得二氧化硅隔離薄層14以上為p型輕摻雜單晶硅波導(dǎo)層16；

5)在遠(yuǎn)離所述的脊型硅波導(dǎo)的左側(cè)，干法刻蝕p型輕摻雜單晶硅波導(dǎo)層13和二氧化硅隔離薄層14，在該左側(cè)進(jìn)行高濃度n型磷離子注入，形成n型重?fù)诫s區(qū)17；

6)對所述的脊型區(qū)域的右側(cè)遠(yuǎn)離所述的脊型硅波導(dǎo)的p型輕摻雜單晶硅波導(dǎo)層16進(jìn)行高濃度p型硼離子注入，形成p型重?fù)诫s區(qū)域15；

7)在所有摻雜結(jié)束后進(jìn)行快速熱退火激活摻雜離子；

8)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積法在上述結(jié)構(gòu)上表面沉積二氧化硅上包層19；

9)在二氧化硅上包層19中刻蝕通孔18；

10)在通孔18的上表面濺射金屬鋁，填充通孔，并刻蝕鋁形成金屬電極層10。

圖2為本發(fā)明硅基注氧電容型電光調(diào)制器實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，實施例2的制備工藝與實施例1的制備工藝與的不同在于：

在完成實施例1的硅波導(dǎo)層工藝制作步驟2)后，對圖1中波導(dǎo)右側(cè)的n型輕摻雜單晶硅波導(dǎo)層13進(jìn)一步采用氧離子注入技術(shù)，高溫氧化成二氧化硅隔離層14；另外，在第二次刻蝕步驟5)中將波導(dǎo)層脊型區(qū)的左側(cè)的p型輕摻雜單晶硅全部刻蝕掉，以此減小波導(dǎo)電容大小，實現(xiàn)更高的調(diào)制速率。