硅基电光调制器及其制备方法
阅读说明：本技术 硅基电光调制器及其制备方法 (Silicon-based electro-optical modulator and preparation method thereof ) 是由 文花顺 许博蕊 孙甲政 翟鲲鹏 陈伟 祝宁华 李明 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种硅基电光调制器及其制备方法。方法包括选择SOI晶圆,SOI晶圆为多层结构,自下而上为硅衬底、第一二氧化硅埋层、顶部硅层；顶部硅层中制备第二二氧化硅埋层,将顶部硅层分为上下两层,上层为第一硅层,下层为波导层,第二二氧化硅埋层一部分向上凸起,使下方波导层形成脊形结构,脊形结构向上凸起部分为硅波导,第二二氧化硅埋层内部存在压应力,向外挤压第一硅层及波导层,使硅波导左、右上角因受挤压引起原子排列改变,在硅波导中诱导出二阶非线性极化率；第一硅层上设置GSG单驱动共面波导行波电极,使得其施加的电场可以到达硅波导。本发明克服了常规硅电光调制器的带宽受限于载流子运输时间很难再提高的问题且插损小、可3D光子集成。(The invention provides a silicon-based electro-optic modulator and a preparation method thereof. The method comprises selecting an SOI wafer, wherein the SOI wafer is of a multilayer structure and comprises a silicon substrate, a first silicon dioxide buried layer and a top silicon layer from bottom to top; preparing a second silicon dioxide buried layer in the top silicon layer, dividing the top silicon layer into an upper layer and a lower layer, wherein the upper layer is a first silicon layer, the lower layer is a waveguide layer, one part of the second silicon dioxide buried layer protrudes upwards to enable the lower waveguide layer to form a ridge structure, the upward protruding part of the ridge structure is a silicon waveguide, and a compressive stress exists in the second silicon dioxide buried layer and extrudes the first silicon layer and the waveguide layer outwards to enable the atomic arrangement of the left upper corner and the right upper corner of the silicon waveguide to be changed due to extrusion, so that a second-order nonlinear polarizability is induced in the silicon waveguide; the GSG single-driven coplanar waveguide traveling wave electrode is arranged on the first silicon layer, so that an electric field applied by the electrode can reach the silicon waveguide. The invention overcomes the problem that the bandwidth of the conventional silicon electro-optical modulator is limited by the carrier transport time and is difficult to improve, has small insertion loss and can realize 3D photon integration.)
技术领域
本发明涉及一种硅基电光调制器及其制备方法。
背景技术
硅基具有尺寸小、能耗低、CMOS工艺兼容以及便于与现有的电子器件和光子器件实现单片、微纳集成等优点，利用硅基实现光的产生、调制、传输、操控以及探测等功能的硅光子学，已被公认为突破计算机和通信超大容量、超高速信息传输和处理瓶颈的理想技术之一，硅光子学受到研究者的高度关注，成为近年光电子研究领域的热点。目前，基于硅基的关键器件，如拉曼激光器、电光调制器、光电探测器、波长转换、光逻辑门、码型转换、光滤波等已经被提出，促进了硅基光子学的发展，这些研究成果在光通信、光传感等领域获得广泛应用，并且还在光子集成、光互连以及光计算等方面呈现出诱人前景。
硅电光调制器是硅基器件中最关键的器件，起到将电信号转换为光信号的重要作用。然而硅具有中心反演对称性晶体结构，其本身不具有二阶非线性极化率χ(2)，因而硅不具有电光调制特性(Pockels效应)。硅电光调制器一般都是基于等离子色散效应，通过掺杂引起自由载流子的注入、积累或者耗尽，改变自由载流子浓度而使硅的折射率发生变化，从而起到调制的作用。基于等离子色散效应的硅电光调制器的带宽受限于载流子运输时间很难再提高，并且掺杂致使调制速度以及非线性下降以及带来插入损耗。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种硅基电光调制器及其制备方法。
本发明的一个方面，提供一种硅基电光调制器，包括：SOI晶圆，SOI 晶圆为多层结构，自下而上依次为硅衬底、第一二氧化硅埋层、顶部硅层；第二二氧化硅埋层，埋设于顶部硅层中，将顶部硅层分割为上下两层，上层为第一硅层，下层为波导层，其中，第二二氧化硅埋层一部分向上凸起，使得下方波导层形成脊形结构，脊形结构的向上凸起部分为硅波导，第二二氧化硅埋层内部存在压应力，向外挤压第一硅层及波导层；GSG单驱动共面波导行波电极，设置于第一硅层上，使得GSG单驱动共面波导行波电极施加的电场可以到达硅波导。
本发明的另一个方面，提供一种硅基电光调制器制备方法，包括：选择SOI晶圆，SOI晶圆为多层结构，自下而上依次为硅衬底、第一二氧化硅埋层、顶部硅层；在顶部硅层中制备第二二氧化硅埋层，将顶部硅层分割为上下两层，上层为第一硅层，下层为波导层，其中，第二二氧化硅埋层一部分向上凸起，使得下方波导层形成脊形结构，脊形结构的向上凸起部分为硅波导，第二二氧化硅埋层内部存在压应力，向外挤压第一硅层及波导层；在第一硅层上设置GSG单驱动共面波导行波电极，使得GSG 单驱动共面波导行波电极施加的电场可以到达硅波导。
进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，制备第二二氧化硅埋层包括：在顶部硅层上表面进行热氧化反应，使得顶部硅层上部形成第一二氧化硅层；将掩膜版图案转移至第一二氧化硅层，按照掩膜版图案刻蚀第一二氧化硅层，得到二氧化硅波导；在二氧化硅波导及因刻蚀暴露出的顶部硅层表面沉积二氧化硅，形成厚度一定的第二二氧化硅层；自上向下将氧离子透过第二二氧化硅层及二氧化硅波导注入到顶部硅层中，形成富氧离子层，其中，富氧离子层在二氧化硅波导下方的部分向上凸起；高温退火使得富氧离子层中的氧离子与富氧离子层中的硅原子发生反应，生成第二二氧化硅埋层。
进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，高温退火之前，包括：刻蚀第二二氧化硅层及二氧化硅波导，以使暴露出顶部硅层；在顶部硅层上沉积高密度二氧化硅保护层，以防止顶部硅层被氧化。
进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，高温退火之后，刻蚀高密度二氧化硅保护层，以使暴露出第一硅层。
进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，顶部硅层厚度为 600nm。
进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，第一二氧化硅层厚度为100nm。
进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，第二二氧化硅层厚度为50nm。
进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，氧离子注入总剂量范围为2×1017～7×1017/cm2，氧离子注入能量范围为150-200KeV。
进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，高温退火温度为 1200℃，时间为2～3小时。
本发明具有如下有益效果：
(1)通过氧离子注入与高温退火，将波导图案转移至埋层，形成埋层脊形硅波导结构，通过高温退火温度与时间的控制，调节脊形硅波导中的应力水平，打破硅的中心反演对称结构，在脊形硅波导中诱导出二阶非线性极化率χ(2)，从而使脊形硅波导具有电光调制特性，实现高速电光调制器，克服了常规硅电光调制器的带宽受限于载流子运输时间很难再提高的问题。
(2)利用埋层脊形硅波导结构中的二阶非线性极化率实现电光调制，埋层脊形硅波导结构通过将波导图案转移至埋层而形成，避免了常规硅电光调制器中制备硅波导方案刻蚀所带来的侧壁粗糙度高与离子注入而导致的插入损耗大的问题，因而插入损耗小。
(3)硅电光调制器处于埋层中，第一硅层可用于制备其它光电器件，从而可实现3D光子集成。
附图说明
图1是本发明的硅基电光调制器的结构示意图；
图2是本发明的硅基电光调制器制备方法流程示意图；
图3是本发明一些实施例的硅基电光调制器制备方法在制备第二二氧化硅埋层时的流程示意图；
图4是本发明一个实施例的硅基电光调制器制备方法步骤示意图；
图5是本发明一个实施例的硅基电光调制器的光场与电场分布图。
图中：
1-硅衬底；2-第一二氧化硅埋层；3-顶部硅层；4-第二二氧化硅埋层；5-第一硅层；6-波导层；7-硅波导；8-GSG单驱动共面波导行波电极；9- 第一二氧化硅层；10-二氧化硅波导；11-第二二氧化硅层；12-富氧离子层； 13-高密度二氧化硅保护层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示为本发明的硅基电光调制器结构示意图。
本发明的硅基电光调制器包括SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)晶圆，该SOI晶圆为多层结构，自下而上依次为硅衬底1、第一二氧化硅埋层2、顶部硅层3。在顶部硅层3中埋设有第二二氧化硅埋层4，使得第二二氧化硅埋层4将顶部硅层3分割为上下两层，上层为第一硅层 5，下层为波导层6。其中，第二二氧化硅埋层4一部分向上凸起，使得下方波导层6形成脊形结构，脊形结构的向上凸起部分为硅波导7。
第二二氧化硅埋层4内部存在压应力，向外挤压第一硅层5及波导层 6，使得硅波导7左上角及右上角因受挤压而引起原子排列结构改变，在硅波导7中诱导出二阶非线性极化率。
GSG单驱动共面波导行波电极8设置于第一硅层5上，使得GSG单驱动共面波导行波电极8施加的电场可以到达硅波导7。
下面介绍本发明的硅基电光调制器制备方法。如图2是本发明的硅基电光调制器制备方法流程示意图，包括：
S201，选择SOI晶圆，SOI晶圆为多层结构，自下而上依次为硅衬底1、第一二氧化硅埋层2、顶部硅层3。顶部硅层3的厚度优选为600nm。
S202，在顶部硅层3中制备第二二氧化硅埋层4，将顶部硅层3分割为上下两层，上层为第一硅层5，下层为波导层6。
在步骤S202，制备的第二二氧化硅埋层4一部分向上凸起，使得下方波导层6形成脊形结构，脊形结构的向上凸起部分为硅波导7。
第二二氧化硅埋层4内部存在压应力，向外挤压第一硅层5及波导层 6，使得硅波导7左上角及右上角因受挤压而引起原子排列结构改变，在硅波导7中诱导出二阶非线性极化率。
S203，在第一硅层5上设置GSG单驱动共面波导行波电极8，使得 GSG单驱动共面波导行波电极8施加的电场可以到达硅波导7。在一些实施例中，本发明采用蒸镀或电镀的方式将GSG单驱动共面波导行波电极8 连接到第一硅层5上。
如图3是本发明一些实施例的硅基电光调制器制备方法在制备第二二氧化硅埋层时的流程示意图。本发明的一些实施例，在制备第二二氧化硅埋层4时还包括：
S2021，在顶部硅层3上表面进行热氧化反应，使得顶部硅层3上部形成第一二氧化硅层9。第一二氧化硅层9的厚度优选为100nm。
S2022，将掩膜版图案转移至第一二氧化硅层9，按照掩膜版图案刻蚀第一二氧化硅层9，得到二氧化硅波导10。刻蚀可采用等离子刻蚀、反应离子刻蚀等干法刻蚀，或者采用湿法刻蚀。
S2023，在二氧化硅波导10及因刻蚀暴露出的顶部硅层3表面沉积二氧化硅，形成厚度一定的第二二氧化硅层11。沉积二氧化硅可采用等离子体增强化学(PECVD)的气相沉积，沉积厚度为50nm。
S2024，自上向下将氧离子透过第二二氧化硅层11及二氧化硅波导10 注入到顶部硅层3中，形成富氧离子层12，其中，富氧离子层12在二氧化硅波导10下方的部分向上凸起。
在步骤S2024，在注入氧离子时，由于第二二氧化硅层11及二氧化硅波导10在顶部硅层3上方形成的二氧化硅阻挡层厚度不一，使得注入氧离子时在二氧化硅波导10下方的部分位置比其他位置注入更浅，因此形成的富氧离子层12在二氧化硅波导10下方的部分向上凸起。
在一些实施例中，氧离子注入的总剂量范围为2×1017～7×1017/cm2，氧离子注入能量范围为150-200KeV。
在一些实施例中，为了使得富氧离子层12中的氧离子分布均匀，每次注入总剂量的1/4，然后将SOI晶圆绕晶圆圆心向某一方向旋转90°，重复注入氧离子并向同一方向将SOI晶圆绕晶圆圆心旋转90°，直至将所有氧离子均匀注入到顶部硅层3中。
S2025，高温退火使得富氧离子层12中的氧离子与富氧离子层12中的硅原子发生反应，生成第二二氧化硅埋层4。
在步骤S2025，高温退火使得富氧离子层12中位于硅原子间隙中的氧离子与此位置处原本的硅原子发生反应，形成均匀的第二二氧化硅埋层4。由于富氧离子层12存在部分向上凸起，使得反应生成的第二二氧化硅埋层4也有相应的一部分向上凸起。此时下方波导层6形成脊形结构，脊形结构的向上凸起部分为硅波导7。
由于由于硅和二氧化硅具有不同的摩尔体积(molar volume)，硅的摩尔体积是12.17cm3/mol，二氧化硅的摩尔体积是27.27cm3/mol，所以当富氧离子层12中的氧离子与硅原子发生反应，形成均匀的第二二氧化硅埋层4时，会使该处体积膨胀2.2倍。体积膨胀会使第二二氧化硅埋层4内部产生压应力，压缩周围物质，如压缩第一硅层5与波导层6。由于波导层6是脊形结构，第二二氧化硅埋层4的体积膨胀可以压缩硅波导7左上角与右上角，引起硅波导7内部原子排列结构改变，打破硅的中心反演对称结构，在硅中诱导出二阶非线性极化率。
此外，在高温退火阶段，高温环境可以催化SiO2的形成，从而加速应力的产生，随着高温退火温度提高与时间增加，硅与二氧化硅介于固体与液体的状态，其粘性降低，应力逐渐释放，因而通过对高温退火温度与时间的控制，可以对硅波导7中的应力水平进行调节。
为了使硅波导7中的应力尽量高，并且同时降低第一硅层5中的应力，在一些实施例中退火温度为1200℃，退火时间为2～3小时。
第一硅层5中由于氧离子注入带来的损伤在高温退火中被修复，可以用来制备其他的光电子器件，从而与所形成的超低损耗硅波导7进行垂直集成，实现3D集成，以适应未来大规模光电子集成。
在一些实施例中，高温退火之前还包括：刻蚀第二二氧化硅层11及二氧化硅波导10，以使暴露出顶部硅层3，刻蚀可采用等离子刻蚀方法；在顶部硅层3上沉积高密度二氧化硅保护层13，以防止顶部硅层3在高温退火过程中被氧化。
在一些实施例中，沉积高密度二氧化硅保护层13采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积(ICPECVD)，沉积的高密度二氧化硅保护层13厚度为350nm。在完成高温退火之后，将高密度二氧化硅保护层13移除，如直接采用刻蚀方式移除。此时露出第一硅层5的上表面。
下面以一个具体的实施例来详细说明本发明的硅基电光调制器制备方法。如图4是本发明一个实施例的硅基电光调制器制备方法步骤示意图。
(1)选择一个SOI晶圆，SOI晶圆包括三层结构，自下而上依次为硅衬底1、第一二氧化硅埋层2、顶部硅层3，其中顶部硅层3厚度为600nm。
(2)在顶部硅层3上表面进行热氧化反应，使得顶部硅层3上部形成第一二氧化硅层9，其中第一二氧化硅层9的厚度为100nm。
(3)将掩膜版图案转移至第一二氧化硅层9，按照掩膜版图案，采用等离子刻蚀方法刻蚀第一二氧化硅层9，得到二氧化硅波导10。
(4)在二氧化硅波导10及因刻蚀暴露出的顶部硅层3表面采用等离子体增强化学的气相沉积方法沉积二氧化硅，形成厚度为50nm的第二二氧化硅层11。
(5)自上向下将氧离子透过第二二氧化硅层11及二氧化硅波导10 注入到顶部硅层3中，形成富氧离子层12，其中，富氧离子层12在二氧化硅波导10下方的部分向上凸起。氧离子注入总剂量为2×1017/cm2，氧离子注入能量为150KeV。
(6)采用等离子刻蚀方法刻蚀第二二氧化硅层11及二氧化硅波导10，以使暴露出顶部硅层3。
(7)采用感应耦合等离子体增强化学气相沉积方法在顶部硅层3上沉积高密度二氧化硅保护层13，以防止顶部硅层3在高温退火过程中被氧化。
(8)高温退火使得富氧离子层12中的氧离子与富氧离子层12中的硅原子发生反应，生成第二二氧化硅埋层4。
(9)采用等离子刻蚀方式将高密度二氧化硅保护层13移除，露出第一硅层5的上表面。
(10)采用电镀的方式将GSG单驱动共面波导行波电极8连接到第一硅层5上。
至此，本实施例制得如本发明技术方案所述的硅基电光调制器。其光场与电场分布图如图5所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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