一种大带宽硅基光调制器的制作方法

本发明属于硅光子技术领域，具体涉及一种利用铁电薄膜极化效应增大调制带宽的新型高速硅基光调制器。

背景技术：

随着智能设备的崛起和社交网络的普及，通信业务量呈现爆炸式增长。传统的电互联技术由于晶体管数量的增加和芯片吞吐量成倍增长面临着功耗过大和延时过高的问题，仅目前全球计算中心消耗的电量就占全球总发电量的0.8％。硅光子技术的发展，为解决这些问题提供了有效的途径。一方面，硅基集成光器件的制作工艺与微电子工艺完全兼容，而光波又是一种频率极高的电磁波(200-1000THz)，为信号的传输提供了非常大的带宽；另一方面，波分复用(wavelength division multiplex,WDM)又将通信带宽的利用率大幅度提升；此外，光通信还有延时小，发热少，抗电磁干扰等优势。因此，硅光子技术正成为信息科学技术的前沿和热点，包括美国、欧盟、日本等发达国家纷纷将硅光子技术列入科技战略规划，力争在新一轮的电子信息技术变革中占据优势。

硅光子技术的主要研究领域有光源、电光调制、光探测、光复用以及波导光纤耦合技术。目前商用的高速光调制器是基于镍酸锂、III-V族半导体等电光材料的，对于硅光子技术而言，需要引入新的材料，且与现有的CMOS技术不兼容。高速硅基光调制器是硅光子技术中的一大挑战，目前的研究有两个方向，一个是基于微环谐振腔的硅调制器，一个是基于等离子体色散效应的硅基光调制器，后者相对于前者而言，结构更加简单，体积更小，因此其发展也更受期待。等离子体色散效应是指半导体中自由载流子浓度发生变化时，其折射率和吸收系数发生变化的一种现象。目前有报道的一些基于等离子体色散效应的硅基光调制器，都是利用PN结中载流子浓度随外加电场的强度和方向变化而改变的原理，来电控光调制的目的的。然而，单纯的利用施加于PN结上的外加电场来调控载流子浓度的方法，载流子浓度的变化范围较小，对光的调制范围也较窄。目前此问题尚未得到解决。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大带宽硅基光调制器，用于解决现有技术中基于等离子体色散效应的硅基光调制器调制范围较窄的问题。本发明有效的将铁电薄膜与普通的硅基光调制器集成在一起，利用铁电薄膜极化时的场强，大幅度提升了光调制器中载流子浓度的变化范围及灵敏度，从而提升了光调制器的调制带宽。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大带宽硅基光调制器，包括：基底及其上的绝缘层；n型掺杂硅层，位于所述绝缘层之上；p型掺杂硅层，位于所述n型掺杂硅层之上；铁电薄膜，位于所述p型掺杂硅层之上；其中，所述n型掺杂硅层接地，所述p型掺杂硅层接控制信号，所述铁电薄膜接控制信号。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜的厚度为200～500nm。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜的取向为<111>取向。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜为铁酸铋薄膜。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜为锰酸镧薄膜。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，所述铁电薄膜为铌镁钛酸铅薄膜。

优选地，所述铌镁钛酸铅薄膜中铌镁酸铅和钛酸铅的比例为60-70:30-40。

优选地，所述p型掺杂硅层的取向为<111>取向。

作为本发明的大带宽硅基光调制器的一种优选方案，输入低电压控制信号时，p型掺杂硅层与n型掺杂硅层形成的p-n结中电流较小，自由载流子浓度较低，铁电薄膜处于正极化状态，在靠近p型掺杂硅层的一侧出现带负电的极化电荷，其极化场强使得p型掺杂硅层中的自由载流子浓度降低；输入高电压控制信号时，p型掺杂硅层与n型掺杂硅层形成的p-n结中电流较大，自由载流子浓度较大，铁电薄膜极化反转，在靠近p-型硅的一侧出现带正电的极化电荷，其极化场强使得p型掺杂硅层中的自由载流子浓度提高。

本发明还提供一种光调制器装置，包括：光入口；至少两个如上述任意一项所述的大带宽硅基光调制器，其光输入端分别与所述光入口连接；光出口，连接于各大带宽硅基光调制器的光输出端。

如上所述，本发明的大带宽硅基光调制器，具有以下有益效果：

本发明有效的将铁电薄膜与普通的硅基光调制器集成在一起，利用铁电薄膜极化时的场强，大幅度提升了光调制器中载流子浓度的变化范围及灵敏度，从而提升了光调制器的调制带宽。本发明可直接用于硅基光调制器，也可以用于马赫-曾德尔型光调制器的两臂，后者可以进一步增大调制器的调制宽度。本发明结构简单，控制方便，工艺与CMOS兼容，很适合工业推广。

附图说明

图1显示为本发明的大带宽硅基光调制器的结构示意图。

图2显示为本发明的大带宽硅基光调制器在控制信号电压较小时的工作状态的示意图。

图3显示为本发明的大带宽硅基光调制器在控制信号电压较大时的工作状态的示意图。

图4显示为本发明的大带宽硅基光调制器用于马赫-曾德尔型光调制器的两臂的结构示意图。

元件标号说明

1 大带宽硅基光调制器

101 单晶硅衬底

102 绝缘层

103 n型掺杂硅层

104及105 n型高浓度掺杂区

106及107 二氧化硅层

108及109 p型高浓度掺杂区

112 p型掺杂硅层

113 铁电薄膜

110、111及114 金属电极

2 光入口

3 光出口

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种大带宽硅基光调制器1，包括：基底及其上的绝缘层102；n型掺杂硅层103，位于所述绝缘层102之上；p型掺杂硅层112，位于所述n型掺杂硅层103之上；铁电薄膜113，位于所述p型掺杂硅层112之上；其中，所述n型掺杂硅层103接地，所述p型掺杂硅层112接控制信号，所述铁电薄膜113接控制信号。

作为示例，所述铁电薄膜113的厚度为200～500nm。所述铁电薄膜113的取向为<111>取向。所述p型掺杂硅层112的取向为<111>取向。本发明所述的铁电薄膜113可以是铁酸铋薄膜、锰酸镧薄膜、铌镁钛酸铅薄膜等铁电材料，其中铁酸铋是一种室温铁电材料，同时还是一种多铁材料，可应用于需要磁电耦合的场合；铌镁钛酸铅是一种新型弛豫铁电材料，与传统铁电材料相比具有高介电常数、大压电系数和更优异的铁电极化性能，同样适合于本发明的应用。铌镁钛酸铅是一种由铌镁酸铅和钛酸铅组成的固溶体，所述铌镁钛酸铅薄膜中铌镁酸铅和钛酸铅的比例可以为60-70:30-40。当铌镁酸铅与钛酸铅的比例约为65:35时，其铁电性能最佳。铌镁钛酸铅在硅表面外延生长时，应选用<111>取向的硅，此时外延薄膜质量最好。综合考虑铁电薄膜113的极化场强度和薄膜制备难度，本发明所述铁电薄膜113厚度应在200～500nm为宜。铁电薄膜113的不同取向其极化性能也有不同，一般而言，<111>取向的铁电薄膜113具有最大的极化强度。

作为示例，输入低电压控制信号时，p型掺杂硅层112与n型掺杂硅层103形成的p-n结中电流较小，自由载流子浓度较低，铁电薄膜113处于正极化状态，在靠近p型掺杂硅层112的一侧出现带负电的极化电荷，其极化场强使得p型掺杂硅层112中的自由载流子浓度降低；输入高电压控制信号时，p型掺杂硅层112与n型掺杂硅层103形成的p-n结中电流较大，自由载流子浓度较大，铁电薄膜113极化反转，在靠近p-型硅的一侧出现带正电的极化电荷，其极化场强使得p型掺杂硅层112中的自由载流子浓度提高。

如图1所示，在一个具体的实施过程中，本实施例的大带宽硅基光调制器1由单晶硅衬底101，绝缘层102，n型掺杂硅层103，n型高浓度掺杂区104及105，二氧化硅层106及107，p型掺杂硅层112，p型高浓度掺杂区108及109，铁电薄膜113，金属电极110、111及114组成，其中，所述n型高浓度掺杂区104及105接地，所述p型高浓度掺杂区108及109和所述铁电薄膜113分别通过金属电极110、111及114接控制信号。所述n型掺杂硅层103厚度1.5微米，掺杂浓度2×10¹⁶cm^-3；所述p型掺杂硅层112为光学窗口，宽度为2.8微米，高度为1.1微米，掺杂浓度为4×10¹⁶cm^-3；所述铁电薄膜113与p型掺杂硅层112宽度相同，厚度为300nm。

在本实施例中，用p型掺杂硅层112作为光信号传输区域，控制信号的大小可以控制信号传输区域中自由载流子的浓度，从而控制光信号输出的大小。铁电薄膜113的加入是本发明的关键创新点，在信号电压较低时，p-n结中电流较小，自由载流子浓度较低，铁电薄膜113处于正极化状态，在靠近p型掺杂硅层112的一侧出现带负电的极化电荷，其极化场强使得p型掺杂硅层112中的自由载流子浓度更低；在信号电压较高时，p-n结中电流较大，自由载流子浓度较大，铁电薄膜113极化反转，在靠近p型掺杂硅层112的一侧出现带正电的极化电荷，其极化场强使得p型掺杂硅层112中的自由载流子浓度更高；这样，在原有的信号变化幅度下，通过铁电薄膜113极化电场的增强，使得光信号传输区域的自由载流子浓度的变化范围扩大，从而增大了光调制器对光信号的调制带宽。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种如实施例1中的大带宽硅基光调制器1在控制信号电压较小时的工作状态。此时铁电薄膜113处于正极化状态，铁电极化层与p型掺杂硅层112的接触面出现负的极化电荷，p型掺杂硅层112中的自由载流子即电子被驱离，使得p型掺杂硅层112中的自由载流子浓度减小。

实施例3

如图3所示，本实施例提供一种如实施例1中的大带宽硅基光调制器1在控制信号电压较大时的工作状态。此时铁电薄膜113处于极化反转状态，铁电极化层与p型掺杂硅层112的接触面出现正的极化电荷，极化电荷的吸引使得p型掺杂硅层112中出现额外的电子，使得p型掺杂硅层112中的自由载流子浓度增大。

实施例4

如图4所示，本实施例提供一种光调制器装置，包括：光入口2；至少两个如实施例1所述的大带宽硅基光调制器1，其光输入端分别与所述光入口2连接；光出口3，连接于各大带宽硅基光调制器1的光输出端。

例如，本发明的可直接用于硅基光调制器，也可以用于马赫-曾德尔型光调制器的两臂，可以进一步增大调制器的调制宽度。图4显示为实施例1的大带宽硅基光调制器1用于马赫-曾德尔型光调制器时的应用状态。光从光入口2进入，被分成等同的两束，分别进入光调制器被调制，然后在光出口3处再合为一束。光的整体调制结果由两个调制器分别作用，因而增大了调制带宽。

如上所述，本发明的大带宽硅基光调制器1，具有以下有益效果：

本发明有效的将铁电薄膜113与普通的硅基光调制器集成在一起，利用铁电薄膜113极化时的场强，大幅度提升了光调制器中载流子浓度的变化范围及灵敏度，从而提升了光调制器的调制带宽。本发明可直接用于硅基光调制器，也可以用于马赫-曾德尔型光调制器的两臂，后者可以进一步增大调制器的调制宽度。本发明结构简单，控制方便，工艺与CMOS兼容，很适合工业推广。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。