專利名稱：一種雙mos結構硅基電光調制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及硅基電光調制器技術領域，具體涉及一種雙MOS結構硅基電光調制
O
背景技術：
硅材料作為微電子領域的傳統材料，具有來源廣、機械性良好、耐高溫、光通訊波 段對光吸收小、成本低廉、工藝技術成熟等諸多優點，且易于與微電子工藝兼容，是制作低 成本0EIC(0ptics ElectronicIntegrated Circuit，光電子集成回路)的首選。目前工 作波長在1. 3um、l. 5um光通訊波段的硅基高速電光調制器是國際研究的重點，硅基高速電 光調制器不僅是未來光交叉互連(optical cross-connect, 0XC)和光分插復用(Optical Add-Drop Multiplexer, 0ADM)系統中的核心器件，而且在芯片光互聯和光計算技術中也具 有很大的應用前景。硅基電光調制器主要是依據硅的自由載流子等離子色散效應，即硅的載流子濃度 變化將引起折射率的變化，有效折射率與載流子濃度變化的電場和光場的積分有關，當兩 個場交疊越多，有效折射率改變越大。目前，基于等離子色散效應，已有多種結構的硅基電 光調制器，按光學結構劃分，有馬赫-曾德(MZI)結構、法布里-珀羅(F-P)結構、布拉格 (Bragg)光柵結構和微環共振結構等；按電學結構劃分，主要包括正向PIN載流子注入式、 反向PIN載流子耗盡式和MOS電容結構。其中，載流子注入式具有較好的調制效率，能夠 得到較大的折射率變化，但是調制速率較低，一般只能達到MHz量級；載流子耗盡式具有較 快的調制速率，目前已經達到40GHz，但是調制效率較差，不能得到較大的折射率變化；在 2004年，Intel提出了一種基于MOS電容型硅基電光調制器，其調制速度可達10GHz，這被 視為硅基調制器發展的里程碑。在如圖2所示的傳統MOS電容結構的硅基電光調制器的典 型結構中，在加電壓時，絕緣柵層附近會感生出電荷，載流子濃度因此發生變化，從而材料 折射率發生改變。在此過程中，沒有載流子的遷移過程，因此能夠達到較大的調制速度，但 是其最大的缺點就是，調制效率低，器件尺寸長，這是因為有效折射率變化與載流子濃度發 生變化的電場和光場的積分有關，感應電荷層非常的薄，一般只有IOnm左右，載流子濃度 發生變化區域和光場的重疊很小，有效折射率的改變就小，所需器件長度就大。

發明內容
本發明的目的是提供一種調制速度快、效率高，且可采用不同柵材料、不同尺寸、 不同的摻雜濃度的雙MOS結構硅基電光調制器，以克服現有技術的缺陷。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種雙MOS結構硅基電光調制器，該結構由上到下分別為頂層硅波導層、頂層絕 緣柵層、中間層硅波導層、底層絕緣柵層、底層硅波導層、埋氧SiO2層、Si襯底。其中，所述頂層硅波導層、底層硅波導層以及所述中間層硅波導層采用單晶硅或 多晶硅或不同狀態硅的組合。
其中，所述頂層硅波導層以及底層硅波導層均為N型摻雜硅層，所述中間層硅波導層為P型摻雜硅層。其中，所述P型摻雜硅層中間設置有分光層，將所述P型摻雜硅層分為同樣厚度的 兩層，所述分光層將入射光束分開成兩束相同的光分別傳播。其中，所述結構還包括設置在所述N型摻雜硅層的接地電極，以及設置在P型摻雜 硅層的金屬電極，所述金屬電極與P型摻雜硅層、以及接地電極與N型摻雜硅層接觸處均為 重摻雜區。其中，所述分光層由SiO2材料制成。其中，所述頂層絕緣柵層、底層絕緣柵層均為SiO2材料制成。其中，所述P型摻雜硅層以及N型摻雜硅層摻雜濃度均為1017cm_3，所述頂層硅波 導層、底層硅波導層、以及所述中間層硅波導層被所述分光層分隔的兩層厚度均為0. 6um, 所述分光層厚度為0. 3um，所述頂層絕緣層、底層絕緣層厚度均為lOnm。


圖1為本發明雙MOS結構硅基電光調制器的雙MOS結構示意圖；圖2為傳統MOS結構硅基電光調制器的典型結構示意圖；圖3為本發明雙MOS結構硅基電光調制器的典型結構圖；圖4為本發明雙MOS結構硅基電光調制器調制臂內光場分布示意圖；圖5為本發明雙MOS結構硅基電光調制器的典型結構中，分光層厚度與有效折射 率變化的關系示意圖。
具體實施例方式本發明提出的雙MOS結構的硅基電光調制器，結合附圖和實施例詳細說明如下。本實施例的雙MOS結構的硅基電光調制器，基于MOS電容結構，采用兩個絕緣柵 層，形成雙MOS結構。這種雙MOS結構能夠增大載流子濃度發生變化的區域，使得載流子濃 度變化區域與光場有更多的交疊，從而得到更大的有效折射率變化，縮短了調制器的長度， 減小器件的尺寸。這種雙絕緣柵層結構電光調制器的特征在于具有兩個絕緣柵層。在加電 壓時，兩個絕緣柵層都可以感生電荷，增大載流子濃度變化區域，提高有效折射率變化。具 有這種結構的電光調制器可以采用不同柵材料、不同尺寸、不同的摻雜濃度。 如圖3所示為具有雙MOS結構的硅基電光調制器的結構示意圖。這是一個Y分支 的MZI結構，輸入信號經過調制臂調制，從輸出端輸出調制信號。圖1所示即為采用本發明 提出的雙MOS結構的調制臂的截面圖，該結構由上到下分別為頂層硅波導層、頂層絕緣柵 層、中間層硅波導層、底層絕緣柵層、底層硅波導層、埋氧SiO2層、Si襯底。其中，頂層、中間層、底層硅波導層可以使用單晶硅、多晶硅等多種形式的硅，或者 是不同形式硅的組合，本實施例采用多晶硅。頂層多晶硅波導層以及底層多晶硅波導層為N型摻雜多晶硅層，中間層多晶硅波 導層為P型摻雜多晶硅層。該結構還包括設置在N型摻雜多晶硅層的接地電極，以及設置在 P型摻雜多晶硅層的金屬電極，金屬電極以及接地電極與P型摻雜多晶硅層以及N型摻雜多 晶硅層接觸處為重摻雜區，如圖1中陰影部分所示，形成良好的歐姆接觸。P型摻雜多晶硅層中間設置有由Sio2M料制成的分光層，將ρ型摻雜多晶硅層分為同樣厚度的兩層，當光 傳輸進入調制臂時，由于分光層的阻隔，光束將被分開成兩束相同的光在波導層中傳播，分 開的兩束光在各自的絕緣柵層附近會達到其光強的峰值，如圖4所示，在分光層左右，光場 出現了兩個峰值，并且集中在兩個絕緣柵層，有利于載流子濃度變化場與光場的重疊卷積， 當載流子變化區域與光場強度峰值交疊時，該調制器的效率能大大增加，然后在傳出調制 臂時再融合到一起。如圖5所示，分光層的厚度對調制器的效率也有顯著的影響，分光層厚 度的增大，會引起有效折射率變化隨之增大，分光層中心處的歸一化光場振幅值越小。頂層絕緣柵層、底層絕緣柵層均為SiO2材料制成，兩個絕緣柵層形成雙MOS電容 結構，加壓時，可以在4個薄層里產生載流子濃度變化，大大提高了載流子濃度變化區域電 場與光場的重疊，提高有效折射率的變化。在本實施例中，調制臂寬度為4um，P型摻雜多晶硅層以及N型摻雜多晶硅層摻雜濃度均為IO17CnT3，頂層多晶硅波導層、底層多晶硅波導層、以及所述中間層多晶硅波導層 被所述分光層分隔的兩層厚度h2 = 0. 6um，分光層厚度Ill = 0. 3um，頂層絕緣層、底層絕緣 層厚度均為lOnm，這些參數也可以根據實際需要取另外適當的值。在上述參數取值的結構 中，采用光波長為1. 55um時，通過模擬，得出以上這種結構的νπ Ln = 0. 8 (V · cm)，器件的 上升時間和下降時間分別為0. 05ns和0. Olns,即器件的調制速度可達15GHz。以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
一種雙MOS結構硅基電光調制器，其特征在于，該結構由上到下分別為頂層硅波導層、頂層絕緣柵層、中間層硅波導層、底層絕緣柵層、底層硅波導層、埋氧SiO2層、Si襯底。
2.如權利要求1所述的雙MOS結構硅基電光調制器，其特征在于，所述頂層硅波導層、 底層硅波導層以及所述中間層硅波導層采用單晶硅或多晶硅或不同狀態硅的組合。
3.如權利要求1所述的雙MOS結構硅基電光調制器，其特征在于，所述頂層硅波導層以 及底層硅波導層均為N型摻雜硅層，所述中間層硅波導層為P型摻雜硅層。
4.如權利要求2所述的雙MOS結構硅基電光調制器，其特征在于，所述P型摻雜硅層中 間設置有分光層，將所述P型摻雜硅層分為同樣厚度的兩層，所述分光層將入射光束分開 成兩束相同的光分別傳播。
5.如權利要求4所述的雙MOS結構硅基電光調制器，其特征在于，所述結構還包括設置 在所述N型摻雜硅層的接地電極，以及設置在P型摻雜硅層的金屬電極，所述金屬電極與P 型摻雜硅層、以及接地電極與N型摻雜硅層接觸處均為重摻雜區。
6.如權利要求4所述的雙MOS結構硅基電光調制器，其特征在于，所述分光層由SiO2 材料制成。
7.如權利要求1所述的雙MOS結構硅基電光調制器，其特征在于，所述頂層絕緣柵層、 底層絕緣柵層均為SiO2材料制成。
8.如權利要求1-7任一項所述的雙MOS結構硅基電光調制器，其特征在于，所述P型摻 雜硅層以及N型摻雜硅層摻雜濃度均為1017cm_3，所述頂層硅波導層、底層硅波導層、以及所 述中間層硅波導層被所述分光層分隔的兩層厚度均為0. 6um，所述分光層厚度為0. 3um，所 述頂層絕緣層、底層絕緣層厚度均為lOnm。
全文摘要
本發明涉及一種雙MOS結構硅基電光調制器，該結構由上到下分別為頂層硅波導層、頂層絕緣柵層、中間層硅波導層、底層絕緣柵層、底層硅波導層、埋氧SiO2層、Si襯底。其中，頂層硅波導層以及底層硅波導層均為N型摻雜硅層，中間層硅波導層為P型摻雜硅層，該P型摻雜硅層中間設置有分光層，將其分為同樣厚度的兩層，分光層將入射光束分開成兩束相同的光傳播，該結構還包括設置在N型摻雜硅層的接地電極，以及設置在P型摻雜硅層的金屬電極，緣柵層均為SiO2材料制成。本發明的雙MOS結構硅基電光調制器調制速度快、效率高、器件尺寸小，可采用不同柵材料、不同尺寸，選擇不同的摻雜濃度。
文檔編號G02F1/025GK101813834SQ20091012940
公開日2010年8月25日 申請日期2009年3月18日 優先權日2009年2月19日
發明者周治平, 朱夢霞, 毛岸, 郜定山 申請人:北京大學