专利名称：一种双mos结构硅基电光调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅基电光调制器技术领域，具体涉及一种双MOS结构硅基电光调制
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背景技术：
硅材料作为微电子领域的传统材料，具有来源广、机械性良好、耐高温、光通讯波 段对光吸收小、成本低廉、工艺技术成熟等诸多优点，且易于与微电子工艺兼容，是制作低 成本0EIC(0ptics ElectronicIntegrated Circuit，光电子集成回路)的首选。目前工 作波长在1. 3um、l. 5um光通讯波段的硅基高速电光调制器是国际研究的重点，硅基高速电 光调制器不仅是未来光交叉互连(optical cross-connect, 0XC)和光分插复用(Optical Add-Drop Multiplexer, 0ADM)系统中的核心器件，而且在芯片光互联和光计算技术中也具 有很大的应用前景。硅基电光调制器主要是依据硅的自由载流子等离子色散效应，即硅的载流子浓度 变化将引起折射率的变化，有效折射率与载流子浓度变化的电场和光场的积分有关，当两 个场交叠越多，有效折射率改变越大。目前，基于等离子色散效应，已有多种结构的硅基电 光调制器，按光学结构划分，有马赫-曾德(MZI)结构、法布里-珀罗(F-P)结构、布拉格 (Bragg)光栅结构和微环共振结构等；按电学结构划分，主要包括正向PIN载流子注入式、 反向PIN载流子耗尽式和MOS电容结构。其中，载流子注入式具有较好的调制效率，能够 得到较大的折射率变化，但是调制速率较低，一般只能达到MHz量级；载流子耗尽式具有较 快的调制速率，目前已经达到40GHz，但是调制效率较差，不能得到较大的折射率变化；在 2004年，Intel提出了一种基于MOS电容型硅基电光调制器，其调制速度可达10GHz，这被 视为硅基调制器发展的里程碑。在如图2所示的传统MOS电容结构的硅基电光调制器的典 型结构中，在加电压时，绝缘栅层附近会感生出电荷，载流子浓度因此发生变化，从而材料 折射率发生改变。在此过程中，没有载流子的迁移过程，因此能够达到较大的调制速度，但 是其最大的缺点就是，调制效率低，器件尺寸长，这是因为有效折射率变化与载流子浓度发 生变化的电场和光场的积分有关，感应电荷层非常的薄，一般只有IOnm左右，载流子浓度 发生变化区域和光场的重叠很小，有效折射率的改变就小，所需器件长度就大。
发明内容
本发明的目的是提供一种调制速度快、效率高，且可采用不同栅材料、不同尺寸、 不同的掺杂浓度的双MOS结构硅基电光调制器，以克服现有技术的缺陷。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种双MOS结构硅基电光调制器，该结构由上到下分别为顶层硅波导层、顶层绝 缘栅层、中间层硅波导层、底层绝缘栅层、底层硅波导层、埋氧SiO2层、Si衬底。其中，所述顶层硅波导层、底层硅波导层以及所述中间层硅波导层采用单晶硅或 多晶硅或不同状态硅的组合。
其中，所述顶层硅波导层以及底层硅波导层均为N型掺杂硅层，所述中间层硅波导层为P型掺杂硅层。其中，所述P型掺杂硅层中间设置有分光层，将所述P型掺杂硅层分为同样厚度的 两层，所述分光层将入射光束分开成两束相同的光分别传播。其中，所述结构还包括设置在所述N型掺杂硅层的接地电极，以及设置在P型掺杂 硅层的金属电极，所述金属电极与P型掺杂硅层、以及接地电极与N型掺杂硅层接触处均为 重掺杂区。其中，所述分光层由SiO2材料制成。其中，所述顶层绝缘栅层、底层绝缘栅层均为SiO2材料制成。其中，所述P型掺杂硅层以及N型掺杂硅层掺杂浓度均为1017cm_3，所述顶层硅波 导层、底层硅波导层、以及所述中间层硅波导层被所述分光层分隔的两层厚度均为0. 6um, 所述分光层厚度为0. 3um，所述顶层绝缘层、底层绝缘层厚度均为lOnm。
图1为本发明双MOS结构硅基电光调制器的双MOS结构示意图；图2为传统MOS结构硅基电光调制器的典型结构示意图；图3为本发明双MOS结构硅基电光调制器的典型结构图；图4为本发明双MOS结构硅基电光调制器调制臂内光场分布示意图；图5为本发明双MOS结构硅基电光调制器的典型结构中，分光层厚度与有效折射 率变化的关系示意图。
具体实施例方式本发明提出的双MOS结构的硅基电光调制器，结合附图和实施例详细说明如下。本实施例的双MOS结构的硅基电光调制器，基于MOS电容结构，采用两个绝缘栅 层，形成双MOS结构。这种双MOS结构能够增大载流子浓度发生变化的区域，使得载流子浓 度变化区域与光场有更多的交叠，从而得到更大的有效折射率变化，缩短了调制器的长度， 减小器件的尺寸。这种双绝缘栅层结构电光调制器的特征在于具有两个绝缘栅层。在加电 压时，两个绝缘栅层都可以感生电荷，增大载流子浓度变化区域，提高有效折射率变化。具 有这种结构的电光调制器可以采用不同栅材料、不同尺寸、不同的掺杂浓度。 如图3所示为具有双MOS结构的硅基电光调制器的结构示意图。这是一个Y分支 的MZI结构，输入信号经过调制臂调制，从输出端输出调制信号。图1所示即为采用本发明 提出的双MOS结构的调制臂的截面图，该结构由上到下分别为顶层硅波导层、顶层绝缘栅 层、中间层硅波导层、底层绝缘栅层、底层硅波导层、埋氧SiO2层、Si衬底。其中，顶层、中间层、底层硅波导层可以使用单晶硅、多晶硅等多种形式的硅，或者 是不同形式硅的组合，本实施例采用多晶硅。顶层多晶硅波导层以及底层多晶硅波导层为N型掺杂多晶硅层，中间层多晶硅波 导层为P型掺杂多晶硅层。该结构还包括设置在N型掺杂多晶硅层的接地电极，以及设置在 P型掺杂多晶硅层的金属电极，金属电极以及接地电极与P型掺杂多晶硅层以及N型掺杂多 晶硅层接触处为重掺杂区，如图1中阴影部分所示，形成良好的欧姆接触。P型掺杂多晶硅层中间设置有由Sio2M料制成的分光层，将ρ型掺杂多晶硅层分为同样厚度的两层，当光 传输进入调制臂时，由于分光层的阻隔，光束将被分开成两束相同的光在波导层中传播，分 开的两束光在各自的绝缘栅层附近会达到其光强的峰值，如图4所示，在分光层左右，光场 出现了两个峰值，并且集中在两个绝缘栅层，有利于载流子浓度变化场与光场的重叠卷积， 当载流子变化区域与光场强度峰值交叠时，该调制器的效率能大大增加，然后在传出调制 臂时再融合到一起。如图5所示，分光层的厚度对调制器的效率也有显著的影响，分光层厚 度的增大，会引起有效折射率变化随之增大，分光层中心处的归一化光场振幅值越小。顶层绝缘栅层、底层绝缘栅层均为SiO2材料制成，两个绝缘栅层形成双MOS电容 结构，加压时，可以在4个薄层里产生载流子浓度变化，大大提高了载流子浓度变化区域电 场与光场的重叠，提高有效折射率的变化。在本实施例中，调制臂宽度为4um，P型掺杂多晶硅层以及N型掺杂多晶硅层掺杂浓度均为IO17CnT3，顶层多晶硅波导层、底层多晶硅波导层、以及所述中间层多晶硅波导层 被所述分光层分隔的两层厚度h2 = 0. 6um，分光层厚度Ill = 0. 3um，顶层绝缘层、底层绝缘 层厚度均为lOnm，这些参数也可以根据实际需要取另外适当的值。在上述参数取值的结构 中，采用光波长为1. 55um时，通过模拟，得出以上这种结构的νπ Ln = 0. 8 (V · cm)，器件的 上升时间和下降时间分别为0. 05ns和0. Olns,即器件的调制速度可达15GHz。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
一种双MOS结构硅基电光调制器，其特征在于，该结构由上到下分别为顶层硅波导层、顶层绝缘栅层、中间层硅波导层、底层绝缘栅层、底层硅波导层、埋氧SiO2层、Si衬底。
2.如权利要求1所述的双MOS结构硅基电光调制器，其特征在于，所述顶层硅波导层、 底层硅波导层以及所述中间层硅波导层采用单晶硅或多晶硅或不同状态硅的组合。
3.如权利要求1所述的双MOS结构硅基电光调制器，其特征在于，所述顶层硅波导层以 及底层硅波导层均为N型掺杂硅层，所述中间层硅波导层为P型掺杂硅层。
4.如权利要求2所述的双MOS结构硅基电光调制器，其特征在于，所述P型掺杂硅层中 间设置有分光层，将所述P型掺杂硅层分为同样厚度的两层，所述分光层将入射光束分开 成两束相同的光分别传播。
5.如权利要求4所述的双MOS结构硅基电光调制器，其特征在于，所述结构还包括设置 在所述N型掺杂硅层的接地电极，以及设置在P型掺杂硅层的金属电极，所述金属电极与P 型掺杂硅层、以及接地电极与N型掺杂硅层接触处均为重掺杂区。
6.如权利要求4所述的双MOS结构硅基电光调制器，其特征在于，所述分光层由SiO2 材料制成。
7.如权利要求1所述的双MOS结构硅基电光调制器，其特征在于，所述顶层绝缘栅层、 底层绝缘栅层均为SiO2材料制成。
8.如权利要求1-7任一项所述的双MOS结构硅基电光调制器，其特征在于，所述P型掺 杂硅层以及N型掺杂硅层掺杂浓度均为1017cm_3，所述顶层硅波导层、底层硅波导层、以及所 述中间层硅波导层被所述分光层分隔的两层厚度均为0. 6um，所述分光层厚度为0. 3um，所 述顶层绝缘层、底层绝缘层厚度均为lOnm。
全文摘要
本发明涉及一种双MOS结构硅基电光调制器，该结构由上到下分别为顶层硅波导层、顶层绝缘栅层、中间层硅波导层、底层绝缘栅层、底层硅波导层、埋氧SiO2层、Si衬底。其中，顶层硅波导层以及底层硅波导层均为N型掺杂硅层，中间层硅波导层为P型掺杂硅层，该P型掺杂硅层中间设置有分光层，将其分为同样厚度的两层，分光层将入射光束分开成两束相同的光传播，该结构还包括设置在N型掺杂硅层的接地电极，以及设置在P型掺杂硅层的金属电极，缘栅层均为SiO2材料制成。本发明的双MOS结构硅基电光调制器调制速度快、效率高、器件尺寸小，可采用不同栅材料、不同尺寸，选择不同的掺杂浓度。
文档编号G02F1/025GK101813834SQ20091012940
公开日2010年8月25日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年2月19日
发明者周治平, 朱梦霞, 毛岸, 郜定山 申请人:北京大学