一種矽基並聯mos電容結構高速電光調製器及製作方法
2023-10-24 15:09:27 1
專利名稱：一種矽基並聯mos電容結構高速電光調製器及製作方法
技術領域：
本發明涉及光子學技術領域，特別是一種矽基並聯MOS電容結構高速電光調製器及製作方法。
背景技術：
近年來，隨著矽基材料在光子學領域不斷取得的突破性進展，人們不得不對矽材料在光電集成領域的發展前景加以重新認識。矽光子器件正向體積小、速度快和穩定性高的方向發展。
目前的矽光調製器主要包括熱光調製、電光調製以及光光調製。熱光調製器性能穩定，但是器件速度往往較低。光光調製器多處於研究開發階段，距離實際應用還有一段距離。電光調製最有希望率先實現大規模應用，但其性能還不能滿足未來光通訊的發展要求。
由於體矽材料自身的間接帶隙特性的局限，矽電光調製器大都利用等離子色散效應。即通過改變材料內部的自由載流子的濃度，實現對材料折射率和吸收係數的改變。傳統的p-i-n結構矽電光調製器利用的就是等離子色散原理。在有外加電流注入時，改變有源區自由載流子濃度，從而改變波導材料折射率，實現光調製。然而，當外加電流停止注入時，載流子的複合本身要持續一段時間，因而限制了開關時間不能達到很高的水平。利用p-i-n結構，最近出現了一種採用鍺矽多量子阱材料作為有源區製作矽光調製器的辦法實現了高速光調製。但是其調製區橫截面積小，因而調製效率低，器件長度長，而且製作成本高，應用前景有待探討。
光子晶體結構製作的矽光調製器曾一度成為國際研究熱點。它通過設計特殊的周期性結構並在結構中引入缺陷來改變材料的能帶特性，從而利用矽材料實現了光子晶體波導和光調製器。類似原理製成的光子晶體電光開關在文獻上也多有報導。目前，人們對光子晶體理論方面的研究已經相對成熟，但光子晶體製備技術還不是很成熟，因而器件的製作成本非常高，這也許將會是它在未來的發展道路上的一個難以逾越的障礙。
Intel公司在SOI(絕緣層上矽)襯底上外延柵氧化層和多晶矽製作了MOS電容結構矽光調製器，獲得了優良的性能。測試結果表明其調製速率超過1GHz。此結構在有源區中心附近製作薄柵氧化層充當電容來積累電荷，在外加電壓下，自由電荷將集中於柵氧化層表面，變化的電荷濃度改變了材料的折射率從而實現光調製。MOS結構避免了載流子的複合過程對器件調製速率的影響，但調製區域和光場重疊面積小，調製效率有待提高。
發明內容
本發明的目的在於提供一種並聯MOS電容矽光調製器結構。特別是一種矽基並聯MOS電容結構高速電光調製器及製作方法。它與其他調製器相比，達到相同調製效果所需的器件長度縮短，所需外加電壓降低，而且可以達到高速和高效調製，並將廣泛應用在未來的光電集成當中。
本發明是一種矽基並聯電容結構高速電光調製器，該結構由SOI(絕緣層上矽)襯底，電極，雙柵氧化層，多晶矽波導層以及氧化矽包層構成，對稱的MOS並聯電容結構構成了器件的有源區，電極和重摻雜多晶矽層形成良好歐姆接觸，電極由引線孔引出並在調製區表面形成叉指型結構。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，外加電壓後，大量自由電荷聚集在由兩個柵氧化層構成的電容器的表面，使其臨近的矽材料的有效折射率發生相應改變。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，柵氧化層厚度只有10納米左右，並且在其附近有高強度的光場分布。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，柵氧化層附近自由電荷濃度的變化帶來材料折射率的變化，集中在折射率變化區域附近的高強度光場的相位可以得到有效的調製。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，正、負電極分別製作在p型和n型重摻雜多晶矽上，形成了良好的歐姆接觸，電極和重摻雜層的位置都遠離核心有源區，它們對光場的吸收損耗小。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，矽和氧化矽之間大折射率差可以實現對光場的強限制，有高強度的光場集中在有源區。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，有源區橫截面積大，且其光場強度分布包絡函數為高斯分布函數，與光纖耦合效率高。
一種矽基並聯電容結構高速電光調製器製作方法，其製作方法分為以下步驟，(1)SOI片襯底首先經過清洗，然後對其進行直接熱氧化，在氧化層上依次外延p型多晶矽和n型多晶矽，夾在它們中間的柵氧化層通過幹氧快速熱氧化(RTO)多晶矽實現；(2)在n型多晶矽表面進行大面積高濃度硼離子注入，製作歐姆接觸，經過一次光刻和刻蝕形成淺臺面；(3)用厚膠作掩模，在p型多晶矽表面進行大面積高濃度磷離子注入，經過二次光刻和刻蝕形成深臺面；(4)再用厚膠作掩模，在n型多晶矽表面進行高濃度硼離子注入，並經過快速熱退火將注入雜質激活；(5)在整個結構表面生長氧化矽包層並在其上開窗口，形成歐姆接觸後蒸鍍電極。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器製作方法，所述步驟(1)是這樣進行的，SOI片經過直接熱氧化後，形成第一層柵氧層，在柵氧化層上外延無定形矽，然後高溫退火形成多晶矽，摻雜可在外延時進行也可以在退火後離子注入，第二層薄柵氧化層由直接氧化多晶矽形成。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器製作方法，所述步驟(2)是這樣進行的，一次光刻採用光刻膠作掩模，幹法ICP刻蝕形成臺面。
所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器製作方法，調製區電極採用交叉電極結構，正、負電極間距大於套刻精度。
基於矽光波導材料的高速電光相位調製器結構。該結構可有效降低器件縱向尺寸，和半波電壓，廣泛應用於光通訊，晶片光互聯以及高速矽基光集成中。
為進一步說明本發明的內容及特點，以下結合附圖及實施例對本發明作一詳細的描述，其中圖1是普通的矽基MOS結構電光調製器橫截面示意圖；圖2是本發明實施例的並聯MOS電容結構電光調製器橫截面示意圖；圖3是器件立體結構4是器件橫截面光場分布情況；圖5是電容器表面電荷積累情況；圖6是調製器相移隨外加電壓變化模擬7是調製器件速度特性模擬8是器件工藝製作流程圖。
具體實施例方式
圖1所示為普通的矽基MOS結構電光調製器橫截面圖。折射率變化區域處於矽波導層中柵氧化層下部的一個有限的範圍內，氧化矽包層和核心矽波導層的大的折射率差將光場限制在矽核心層中。
請參閱圖2所示的並聯MOS電容結構電光調製器橫截面示意圖和圖3器件立體結構圖。如圖2，圖3所示，該結構包括SOI襯底、多晶矽--二氧化矽對稱結構(B1-A-B2)以及交叉結構電極。
其中多晶矽——二氧化矽對稱結構包括核心P摻雜多晶矽、內包層氧化矽以及外包層N摻雜多晶矽。它們的厚度分別為1.3μm，10nm和1.4μm。考慮到光刻工藝的製作容差，器件在橫向上尺寸設計預先進行了合理優化。最窄臺面寬度4μm，整個器件最小線寬2μm。
圖4，圖5是器件橫截面光場分布圖以及電容器表面電荷積累情況。從圖中可以看出光場分布與電場分布有充分交疊。
電容器表面電荷積累情況(a)不加電情況；(b)加電情況。
圖6是器件調製效率特性和開關速度特性模擬圖，其性能均達到目前世界先進水平。不同調製長度情況下相移隨外加電壓的變化。內脊寬度W＝4μm。
圖7是調製器件速度特性模擬圖。器件折射係數隨時間變化特性。器件內脊寬度W＝1μm，脈衝柵壓幅值1v，上升和下降時間均為0.01ns。
如圖8所示的是器件工藝流程圖。器件製作流程中共需要6塊光刻版圖。涉及工藝包括熱氧化、多晶矽外延退火、離子注入、光刻、刻蝕以及電極蒸鍍。通過兩次光刻形成臺面以便後面的電極引出。形成臺面後，在對稱結構(B1-A-B2)的表面生長氧化矽包層並再次光刻製作引線孔。最後在器件表面製作交叉電極結構4。
首先，將清洗好的SOI片進行直接熱氧化，形成第一層柵氧化層。
採用LPCVD沉積無定形矽然後退火的辦法在氧化層表面形成P型多晶矽有源層，摻入雜質離子磷，摻雜濃度1×1017cm-3。然後再次直接熱氧化，形成第二層柵氧層，同樣辦法形成頂層N型多晶矽，摻入雜質離子硼，摻雜濃度與P型多晶矽相同。
在頂層多晶矽表面大面積注入高濃度硼離子，然後塗膠，曝光，進行第一次光刻，通過ICP刻蝕形成內脊。然後用光刻膠做掩模，對內脊進行保護，進行第二次大面積磷離子注入，然後通過相同辦法形成外脊，外脊高2.4μm。再用光刻膠做掩模，將外脊保護住，進行第三次大面積硼離子注入。
用氧化矽鈍化整個器件表面，再氧化矽表面開窗，沉積電極。最後光刻電極，將電極引出。
具體測試時，可將器件通過Mach-Zenhder結構做成強度調製器，通過拉椎光纖將入射光耦合進器件端面，器件另一端輸出的光強通過高速光電探測器轉換為電信號，將電信號接入示波器，觀測波形變化。
權利要求
1.一種矽基並聯電容結構高速電光調製器，其特徵在於，該結構由SOI襯底，電極，雙柵氧化層，多晶矽波導層以及氧化矽包層構成，對稱的MOS並聯電容結構構成了器件的有源區，電極和重摻雜多晶矽層形成良好歐姆接觸，電極由引線孔引出並在調製區表面形成交叉指型結構。
2.根據權利要求1所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，其特徵在於，外加電壓後，大量自由電荷聚集在由兩個柵氧化層構成的電容器的表面，使其臨近的矽材料的有效折射率發生相應改變。
3.根據權利要求1所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，其特徵在於，柵氧化層厚度只有10納米左右，並且在其附近有高強度的光場分布。
4.根據權利要求1所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，其特徵在於，柵氧化層附近自由電荷濃度的變化帶來材料折射率的變化，集中在折射率變化區域附近的高強度光場的相位可以得到有效的調製。
5.根據權利要求1所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，其特徵在於，正、負電極分別製作在p型和n型重摻雜多晶矽上，形成了良好的歐姆接觸，電極和重摻雜層的位置都遠離核心有源區，它們對光場的吸收損耗小。
6.根據權利要求1所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，其特徵在於，矽和氧化矽之間大折射率差可以實現對光場的強限制，有高強度的光場集中在有源區。
7.根據權利要求1所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器，其特徵在於，有源區橫截面積大，且其光場強度分布包絡函數為高斯分布函數，與光纖耦合效率高。
8.一種矽基並聯電容結構高速電光調製器製作方法，其製作方法分為以下步驟，(1)SOI片襯底首先經過清洗，然後對其進行直接熱氧化，在氧化層上依次外延p型多晶矽和n型多晶矽，夾在它們中間的柵氧化層通過幹氧快速熱氧化(RTO)多晶矽實現；(2)在n型多晶矽表面進行大面積高濃度硼離子注入，製作歐姆接觸，經過一次光刻和刻蝕形成淺臺面；(3)用厚膠作掩模，在p型多晶矽表面進行大面積高濃度磷離子注入，經過二次光刻和刻蝕形成深臺面；(4)再用厚膠作掩模，在n型多晶矽表面進行高濃度硼離子注入，並經過快速熱退火將注入雜質激活；(5)在整個結構表面生長氧化矽包層並在其上開窗口，形成歐姆接觸後蒸鍍電極。
9.根據權利要求8所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器製作方法，其特徵在於，所述步驟(1)是這樣進行的，SOI片經過直接熱氧化後形成第一層柵氧層，在柵氧化層上外延無定形矽，然後高溫退火形成多晶矽，摻雜可在外延時進行也可以在退火後離子注入，第二層薄柵氧化層由直接氧化多晶矽形成。
10.根據權利要求8所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器製作方法，其特徵在於，所述步驟(2)是這樣進行的，一次光刻採用光刻膠作掩模，幹法ICP刻蝕形成臺面。
11.根據權利要求8所述的矽基並聯電容結構高速電光調製器製作方法，其特徵在於，調製區電極採用交叉電極結構，正、負電極間距大於套刻精度。
全文摘要
本發明涉及光子學技術領域，特別是一種矽基並聯MOS電容結構高速電光調製器及製作方法。由SOI襯底，電極，雙柵氧化層，多晶矽波導層以及氧化矽包層構成，對稱的MOS並聯電容結構構成了器件的有源區，電極和重摻雜多晶矽層形成良好歐姆接觸，電極由引線孔引出並在調製區表面形成交叉型結構。雙柵氧化層對稱地夾在摻雜類型分別為n、p、n的多晶矽層之間，正、負電極分別製作在p、n多晶矽上，形成並聯電容結構。整個結構製作在SOI襯底上。自由載流子濃度在調製區的分布的範圍和大小由外加電壓控制。核心有源區面積小，光場強度高。器件具有高速，高調製效率的優點，並且製作工藝與傳統微電子工藝兼容。
文檔編號G02F1/35GK1908795SQ20051008897
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月4日 優先權日2005年8月4日
發明者屠曉光, 陳少武 申請人:中國科學院半導體研究所