專利名稱：一種雙mos結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅基電光調(diào)制器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制
O
背景技術(shù)：
硅材料作為微電子領(lǐng)域的傳統(tǒng)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(shù)成熟等諸多優(yōu)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(diào)制器是國際研究的重點，硅基高速電 光調(diào)制器不僅是未來光交叉互連(optical cross-connect, 0XC)和光分插復(fù)用(Optical Add-Drop Multiplexer, 0ADM)系統(tǒng)中的核心器件，而且在芯片光互聯(lián)和光計算技術(shù)中也具 有很大的應(yīng)用前景。硅基電光調(diào)制器主要是依據(jù)硅的自由載流子等離子色散效應(yīng)，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(guān)，當(dāng)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(yīng)，已有多種結(jié)構(gòu)的硅基電 光調(diào)制器，按光學(xué)結(jié)構(gòu)劃分，有馬赫-曾德(MZI)結(jié)構(gòu)、法布里-珀羅(F-P)結(jié)構(gòu)、布拉格 (Bragg)光柵結(jié)構(gòu)和微環(huán)共振結(jié)構(gòu)等；按電學(xué)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。其中，載流子注入式具有較好的調(diào)制效率，能夠 得到較大的折射率變化，但是調(diào)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(diào)制速率，目前已經(jīng)達到40GHz，但是調(diào)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(diào)制器，其調(diào)制速度可達10GHz，這被 視為硅基調(diào)制器發(fā)展的里程碑。在如圖2所示的傳統(tǒng)MOS電容結(jié)構(gòu)的硅基電光調(diào)制器的典 型結(jié)構(gòu)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(fā)生變化，從而材料 折射率發(fā)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(diào)制速度，但 是其最大的缺點就是，調(diào)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(fā) 生變化的電場和光場的積分有關(guān)，感應(yīng)電荷層非常的薄，一般只有IOnm左右，載流子濃度 發(fā)生變化區(qū)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種調(diào)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(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，該結(jié)構(gòu)由上到下分別為頂層硅波導(dǎo)層、頂層絕 緣柵層、中間層硅波導(dǎo)層、底層絕緣柵層、底層硅波導(dǎo)層、埋氧SiO2層、Si襯底。其中，所述頂層硅波導(dǎo)層、底層硅波導(dǎo)層以及所述中間層硅波導(dǎo)層采用單晶硅或 多晶硅或不同狀態(tài)硅的組合。
其中，所述頂層硅波導(dǎo)層以及底層硅波導(dǎo)層均為N型摻雜硅層，所述中間層硅波導(dǎo)層為P型摻雜硅層。其中，所述P型摻雜硅層中間設(shè)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(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在所述N型摻雜硅層的接地電極，以及設(shè)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(qū)。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(dǎo)層、底層硅波導(dǎo)層、以及所述中間層硅波導(dǎo)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(fā)明雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器的雙MOS結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為傳統(tǒng)MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器的典型結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器的典型結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器調(diào)制臂內(nèi)光場分布示意圖；圖5為本發(fā)明雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器的典型結(jié)構(gòu)中，分光層厚度與有效折射 率變化的關(guān)系示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的雙MOS結(jié)構(gòu)的硅基電光調(diào)制器，結(jié)合附圖和實施例詳細說明如下。本實施例的雙MOS結(jié)構(gòu)的硅基電光調(diào)制器，基于MOS電容結(jié)構(gòu)，采用兩個絕緣柵 層，形成雙MOS結(jié)構(gòu)。這種雙MOS結(jié)構(gòu)能夠增大載流子濃度發(fā)生變化的區(qū)域，使得載流子濃 度變化區(qū)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(diào)制器的長度， 減小器件的尺寸。這種雙絕緣柵層結(jié)構(gòu)電光調(diào)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(qū)域，提高有效折射率變化。具 有這種結(jié)構(gòu)的電光調(diào)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(jié)構(gòu)的硅基電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖。這是一個Y分支 的MZI結(jié)構(gòu)，輸入信號經(jīng)過調(diào)制臂調(diào)制，從輸出端輸出調(diào)制信號。圖1所示即為采用本發(fā)明 提出的雙MOS結(jié)構(gòu)的調(diào)制臂的截面圖，該結(jié)構(gòu)由上到下分別為頂層硅波導(dǎo)層、頂層絕緣柵 層、中間層硅波導(dǎo)層、底層絕緣柵層、底層硅波導(dǎo)層、埋氧SiO2層、Si襯底。其中，頂層、中間層、底層硅波導(dǎo)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(dǎo)層以及底層多晶硅波導(dǎo)層為N型摻雜多晶硅層，中間層多晶硅波 導(dǎo)層為P型摻雜多晶硅層。該結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在N型摻雜多晶硅層的接地電極，以及設(shè)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(qū)，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(shè)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(dāng)光 傳輸進入調(diào)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(dǎo)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(xiàn)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(dāng)載流子變化區(qū)域與光場強度峰值交疊時，該調(diào)制器的效率能大大增加，然后在傳出調(diào)制 臂時再融合到一起。如圖5所示，分光層的厚度對調(diào)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(jié)構(gòu)，加壓時，可以在4個薄層里產(chǎn)生載流子濃度變化，大大提高了載流子濃度變化區(qū)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(diào)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(dǎo)層、底層多晶硅波導(dǎo)層、以及所述中間層多晶硅波導(dǎo)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(shù)也可以根據(jù)實際需要取另外適當(dāng)?shù)闹怠Ｔ谏鲜鰠?shù)取值的結(jié)構(gòu) 中，采用光波長為1. 55um時，通過模擬，得出以上這種結(jié)構(gòu)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(diào)制速度可達15GHz。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)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(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，其特征在于，該結(jié)構(gòu)由上到下分別為頂層硅波導(dǎo)層、頂層絕緣柵層、中間層硅波導(dǎo)層、底層絕緣柵層、底層硅波導(dǎo)層、埋氧SiO2層、Si襯底。
2.如權(quán)利要求1所述的雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，其特征在于，所述頂層硅波導(dǎo)層、 底層硅波導(dǎo)層以及所述中間層硅波導(dǎo)層采用單晶硅或多晶硅或不同狀態(tài)硅的組合。
3.如權(quán)利要求1所述的雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，其特征在于，所述頂層硅波導(dǎo)層以 及底層硅波導(dǎo)層均為N型摻雜硅層，所述中間層硅波導(dǎo)層為P型摻雜硅層。
4.如權(quán)利要求2所述的雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，其特征在于，所述P型摻雜硅層中 間設(shè)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(quán)利要求4所述的雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置 在所述N型摻雜硅層的接地電極，以及設(shè)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(qū)。
6.如權(quán)利要求4所述的雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，其特征在于，所述分光層由SiO2 材料制成。
7.如權(quán)利要求1所述的雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)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(quán)利要求1-7任一項所述的雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)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(dǎo)層、底層硅波導(dǎo)層、以及所 述中間層硅波導(dǎo)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(fā)明涉及一種雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器，該結(jié)構(gòu)由上到下分別為頂層硅波導(dǎo)層、頂層絕緣柵層、中間層硅波導(dǎo)層、底層絕緣柵層、底層硅波導(dǎo)層、埋氧SiO2層、Si襯底。其中，頂層硅波導(dǎo)層以及底層硅波導(dǎo)層均為N型摻雜硅層，中間層硅波導(dǎo)層為P型摻雜硅層，該P型摻雜硅層中間設(shè)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(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在N型摻雜硅層的接地電極，以及設(shè)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(fā)明的雙MOS結(jié)構(gòu)硅基電光調(diào)制器調(diào)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(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者周治平, 朱夢霞, 毛岸, 郜定山 申請人:北京大學(xué)