本发明涉及光互连领域，尤其涉及一种锗硅电吸收调制器。
背景技术
随着集成电路的不断发展，集成密度不断提高，传统的电互连成为性能提高的主要瓶颈，主要表现在：时延增长、功耗升高和信号串扰增大等。由于光互连具有高速度、高带宽、低功耗等特点，以硅基光子器件为基础的片上光互连是有望解决传统电互连对集成电路发展限制的优选方案。其中，硅基电光调制器是硅基光互连的关键器件之一，也是近年来重要的研究课题。常见的硅基调制器主要有两种：基于自由载流子色散效应的调制器和基于电吸收的调制器。
基于自由载流子色散效应的调制器是利用电压调节硅调制层中载流子浓度，载流子浓度变化来改变光在硅中的折射率，为了把折射率的改变转换成强度调制，一般有mzi(mach-zehnderinterferometer)和微环两种结构。前者具有较高的调制速率和较大的光学调制带宽等优点，但是存在尺寸大、功耗高、插入损耗较大、需要设计行波电极等缺点；后者具有尺寸小、功耗低和调制速率高等优点，缺点是工艺容差很小、对温度极其敏感、光学调制带宽极小。
基于电吸收的调制器是指利用电压调节半导体的光吸收系数，从而实现光信号强度调节的器件。然而，硅是一种弱的电光材料，要实现电吸收调制器，需要引入第二种材料，这种材料至少要满足以下两个条件：(1)在通信波段c波段有显著的电光吸收调节效应；(2)与现有的cmos工艺兼容。锗材料正好满足这两个要求。首先锗虽然是间接带隙材料，但是其直接带隙为0.8ev，正好对应于通信波段，而且这个带隙可以通过引入硅组分进行调节。其次ge与si同属四族材料，因此完全与si的cmos工艺兼容。在电光吸收的调节中有两种基本物理机理：量子限制stark效应(quantum-confinedstarkeffect)和fk效应(franz-keldysh)。前者具有器件尺寸小、光吸收系数变化大、调制效率高等优点，但是ge/sige量子阱材料结构复杂，难以实现硅波导集成、插入损耗大，目前还无法工作在c波段；后者虽然光吸收系数相对较小，但是由于材料结构相对简单、工作波段可调、具备电吸收调制器的器件尺寸小、光学调制带宽较大、调制速率快、功耗低等优点，成为目前硅基电吸收调制器的研究热点。
基于fk效应的锗或锗硅调制器的调制层和硅基波导的耦合是这类调制器的主要课题。目前主要的耦合方式为：(1)锗或锗硅调制层和硅基波导直接对准耦合(butt-coupling)；(2)采用倏逝波进行耦合(evanescentcoupling)。前者由于硅和锗之间折射率差，直接对准耦合会在硅/锗耦合端面形成反射，从而造成耦合损耗。此外，通常需要对锗进行刻蚀形成波导，与硅波导对准难度较大，且pin结也均制作在锗调制层上，这使得器件暗电流漏电较大，从而功耗较大。后者工艺相对简单，但需要考虑光从调制层耦合进入硅波导的耦合效率问题。这种耦合结构包括根特大学以及华为公司提出的水平方向pin结的结构和中国科学院半导体研究所提出的垂直方向pin结的结构。根特大学提出的结构，需要对硅进行选择性腐蚀，锗硅选择外延后需要进行化学机械抛光，并制作光耦合器(taper)结构，工艺比较复杂；华为公司提出的结构，pn结均制作在硅上，锗直接选择外延在硅上，不需要后续刻蚀或减薄工艺，但是由于pn结均制作在硅上，硅锗界面存在势垒，锗中的分布电场很弱，需要很大的偏压才能工作，而且由于没有taper结构，器件的插入损耗对调制层长度非常敏感，工艺容差较小；而中国科学院半导体研究所提出的垂直pin结的结构制作工艺也比较复杂，需要多次生长、刻蚀和掺杂等工艺，而且为了使n++si容易制作，锗硅调制层较宽，造成调制层为多模，影响通信容量和传输距离。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提出一种硅基电吸收调制器及其制备方法，通过在弱电性材料硅中引入第二种材料锗，基于fk效应，设计了一种新型电吸收调制器结构，以达到调制层和硅基耦合过程中，耦合效率高、耦合损耗小和低功耗的目的。
(二)技术方案
本发明提供了一种硅基电吸收调制器，该调制器包括：
soi衬底100，该衬底由三部分叠加而成，由下至上分别为底部si材料层130、二氧化硅填埋层120和顶层硅110；
波导层111，由衬底100上的部分顶层硅110刻蚀而成，其上制备有掺杂区；
二氧化硅窗口层300，覆盖在波导层111和掺杂区的部分表面，其中间区域开有外延窗口；
调制层200，布置在外延窗口中，包括前三维光耦合器210、后三维光耦合器220、调制层i区230和调制层p型轻掺杂区240；
绝缘介质层400，覆盖于二氧化硅窗口层300和调制层200之上；
n电极510和p电极520，设于二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400的电极窗口中。
可选地，通过选择外延获得前三维光耦合器210和后三维光耦合器220，通过控制二氧化硅窗口层300的窗口形状和大小获得调制层200的不同形状。
可选地，掺杂区在波导层111上中间区域，从左至右依次为n型重掺杂区114、n型轻掺杂区112、p型轻掺杂区113、p型重掺杂区115，其中n型轻掺杂区112和p型轻掺杂区113之间存在间隙。
可选地，调制层p型轻掺杂区240位于偏向p型轻掺杂区113的一侧，与p型轻掺杂区113电性连接。
可选地，n型轻掺杂区112、p型轻掺杂区113、调制层i区230和调制层p型轻掺杂区240形成一非对称纵向pin结，通过施加外部电压控制调制层i区230中的电场，实现对光速光场功率的电光调制。
可选地，n型轻掺杂区112、p型轻掺杂区113、调制层p型轻掺杂区240在前三维光耦合器210和后三维光耦合器220中分别形成非对称纵向pin结。
可选地，n电极510和p电极520分别位于调制层200的两侧区域，分别制作在二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400的电极窗口中，分别与n型重掺杂区114和p型重掺杂区115电学连接。
本发明还提供了一种硅基电吸收调制器制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在soi衬底100的顶层硅110制作台面，形成波导层111；
步骤2：在波导层111上制作掺杂区；
步骤3：在顶层硅110和波导层111之上制作二氧化硅窗口层300；
步骤4：在二氧化硅窗口层300上开外延窗口，该外延窗口中间为矩形，两端为渐变锥形；
步骤5：在外延窗口中的矩形外延窗口中选择外延调制层200，在长条形外延窗口两端的渐变锥形外延窗口中生长前三维光耦合器210和后三维光耦合器220；
步骤6：在调制层200上制作调制层p型轻掺杂区240；
步骤7：在调制层200和二氧化硅窗口层300上制作绝缘介质层400；
步骤8：在二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开电极窗口；
步骤9：在电极窗口中分别制作n电极510和p电极520。
可选地，通过刻蚀顶层硅110制备波导层111，其中，当刻蚀深度小于220nm时，刻蚀顶层硅110所得到的波导层111为脊形波导，当刻蚀深度大于等于220nm时，刻蚀顶层硅110所得到的波导层111为条形波导。
可选地，调制层200的材料为锗硅合金、纯锗或锗锡合金中的一种。
(三)有益效果
本发明通过在弱电光材料硅中加入材料锗，实现电吸收调制器，通过调制层和调制层两端的三维光耦合器，实现了光束平滑地耦合进入和耦合出调制层，而不产生光束光场功率在调制层和波导层之间的震荡，消除器件插入损耗与调制层长度之间的依赖关系，提高了器件的工艺性容差。同时，通过设计形成非对称纵向pin结，可通过调节调制层i区的电场强度，实现对光束光场功率的电光调制，调制效率高。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2为本发明的截面结构示意图；
图3为本发明的制备流程图。
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。
图1、图2所示分别为本发明硅基电吸收调制器的三维结构示意图和截面结构示意图，可以看出该硅基电吸收调制器包括以下部分：soi衬底100，掺杂层，二氧化硅窗口层300，调制层200，绝缘介质层400和电极。
soi衬底100：该衬底由三部分叠加而成，由下至上分别为底部si材料层130、二氧化硅填埋层120和顶层硅110，而后在该衬底100的顶层硅110上刻有波导层111。其中，顶层硅110为轻掺杂或本征材料，电阻率大于1欧姆/厘米；波导层111为脊形波导，也可以为条形波导，当波导层为条形波导时，制作顶层硅110除波导层111外，其余均刻蚀或腐蚀至二氧化硅填埋层129，且波导层111满足单模条件时更好。
掺杂层：掺杂层制作在波导层111上，在该波导层111上中间区域从左至右依次为n型重掺杂区114、n型轻掺杂区112、p型轻掺杂区113和p型重掺杂区115，顶部保持平齐并位于同一平面上，长度相同，略短于调制层200的长度。其中，n型轻掺杂区112和p型轻掺杂区113之间存在间隙；n型轻掺杂区112和n型重掺杂区114，可以通过离子注入或杂质扩散的方式，较佳地，采用离子注入的方式注入如磷、砷等离子，后退火激活；p轻掺杂区113和p型重掺杂区115，可以通过离子注入或杂质扩散的方式，较佳地，采用离子注入的方式注入如硼、镓等离子，后退火激活；n型轻掺杂区112和p轻掺杂区113的掺杂浓度需要大于1x1017/cm3，n型重掺杂区114和p型重掺杂区115，其掺杂浓度需要大于5x1018/cm3，以实现良好的欧姆接触。
二氧化硅窗口层300：二氧化硅窗口层300覆盖在波导层111、n型重掺杂区114、n型轻掺杂区112、p型轻掺杂区113和p型重掺杂区115的部分表面上，可以通过化学气相沉淀方法制得；该二氧化硅窗口层300中间区域开有长条形的外延窗口，可以通过湿法腐蚀或干法刻蚀等方式制备该外延窗口，当采用湿法腐蚀时，可以避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷，从而提高后续外延调制层200的质量，但图形转移精度不佳；而干法刻蚀图形转移精度高，但会引入刻蚀缺陷，因此，可以采用先干法刻蚀和后湿法腐蚀混合刻蚀法，既保证图形转移精度，又避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷。同时，二氧化硅窗口层300的外延窗口可以控制调制层200的形状，保证生长出来的调制层200的长度和厚度满足预定的需求，从而获得最小的输入输出耦合损耗以及最大的调制效率，且满足横向单模、纵向单模两种导波模式。
调制层200：调制层200，是通过选择外延直接实现的，其形状由二氧化硅窗口层300的外延窗口和外延工艺共同控制，不需要通过后期的刻蚀或腐蚀来改变其形状，包括前三维光耦合器210、后三维光耦合器220、调制层i区230和调制层p型轻掺杂区240。其中，调制层p型轻掺杂区240和p型轻掺杂区113电性连接；n型轻掺杂区112、p型轻掺杂区113、调制层i区230和调制层p型轻掺杂区240形成一非对称纵向pin结，可以通过施加外部电压控制调制层i区230中的电场，实现对特定波长的输入光束的吸收系数变化，从而实现对光束光场功率的电光调制，当采用相反的掺杂类型时，可以实现类似的非对称纵向nip结构，该结构亦可通过施加外部电压控制调制层i区230中的电场，实现相同的调制功能，另外n型轻掺杂区112、p型轻掺杂区113、调制层p型轻掺杂区240也可以在前三维光耦合器210、后三维光耦合器220中实现类似的非对称纵向pin结的功能，可以增加调制层200中的调制电场的范围，提高调制效率；前三维光耦合器210和后三维光耦合器220，采用锥形的外延窗口，利用不同宽度外延窗口层中的材料生长速率的差异，实现在三个维度上的尺寸渐变，该前三维光耦合器210和后三维光耦合器220可以实现光在波导层111和调制层200之间的平滑光耦合进出，降低器件插入损耗。为了达到较佳的调制效果，调制层200的长度应大于20μm且小于100μm，宽度应大于1μm；前三维光耦合器210和后三维光耦合器220的长度应大于3μm且小于10μm；调制层p型轻掺杂区240制作在调制层200上表面，可以通过离子注入或杂质扩散的方式实现，较佳地，采用离子注入的方式注入如硼、镓等离子，后退火激活，其掺杂浓度需要大于1x1017/cm3。
绝缘介质层400：制作在调制层200和二氧化硅窗口层300上，以保护所覆盖的材料与外界环境的电性隔绝，免受外物的污染或外力损坏等。其中，n型重掺杂区114和p型重掺杂区115上的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400均开有电极窗口。
电极：包括n电极510和p电极520，分别制作在二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400的窗口中，分别与n型重掺杂区114和p型重掺杂区115电学连接，并形成良好的欧姆接触。需要说明的是，在调制层200两侧的区域光场较弱，因而n电极510和p电极520制作在调制层200两侧的区域，以降低由于较小的金属光吸收导致的光损耗。
图3所示为本发明硅基电吸收调制器的制备流程图，主要包括以下步骤：
步骤1：通过刻蚀或腐蚀的方法，在soi衬底100的顶层硅110制作台面，形成波导层111。在本发明实施例中，soi衬底100的顶层硅110的厚度为220nm，晶向为(001)方向，导电类型为p型，电阻率为10欧姆/厘米；采用光刻和干法刻蚀的方法刻蚀顶层硅110，刻蚀深度为60～220nm，形成所述波导层111，当刻蚀深度未达到220nm时，波导层111为脊形波导；当刻蚀深度达到220nm时，波导层111则为条形波导，无论脊形波导还是条形波导，均可实现该发明的功能。
步骤2：通过离子注入或扩散的方式，在波导层111上分别制作n型轻掺杂区112、p轻掺杂区113、n型重掺杂区114和p型重掺杂区115。在本发明实施例中，以光刻胶为掩膜，通过离子注入的方式，在波导层111上先后制作n型轻掺杂区112、p型轻掺杂区113、n型重掺杂区114和p型重掺杂区115，其中，n型轻掺杂区112和p型轻掺杂区113的掺杂浓度为1x1017/cm3～1x1018/cm3，掺杂深度小于150nm；n型重掺杂区114和p型重掺杂区115的掺杂浓度为1x1019/cm3～1x1020/cm3，掺杂深度小于150nm。n型轻掺杂区112的宽度较大，跨过波导层111宽度的中心一部分，p型轻掺杂区113宽度较小，未跨过波导层111宽度的中心，且两者之间留有未掺杂的间隙，该间隙宽度为300-1000nm。
步骤3：在顶层硅110和波导层111之上制作二氧化硅窗口层300。在本发明实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)制得。
步骤4：在二氧化硅窗口层300上开外延窗口，该外延窗口中间为矩形，两端为渐变锥形。通过光刻和干法刻蚀的方法在二氧化硅窗口层300上刻蚀出长条形的外延窗口，该长条形的外延窗口两端为渐变等腰锥形窗口，中间为矩形窗口，其中，渐变等腰锥形窗口的长度为3～10μm，一头宽度小于100nm，另一头宽度等于选择外延窗口的宽度，为1～3μm，外延窗口中部的矩形长度为10～80μm。外延窗口中露出部分n型轻掺杂区112和p型轻掺杂区113，n型轻掺杂区112的露出部分宽度较大，p轻掺杂区113露出部分较小。
步骤5：在外延窗口中的矩形外延窗口中选择外延调制层200，在长条形外延窗口两端的渐变锥形外延窗口中生长前三维光耦合器(210)和后三维光耦合器220。在本发明实施例中，衬底经过清洗后，放入超高真空化学气相沉积系统(uhv-cvd)，在二氧化硅窗口层300的长条形外延窗口中选择外延调制层200。调制层200的材料为锗硅合金、纯锗或锗锡合金，外延厚度为400～800nm。当调制层200材料为硅锗合金时，通过调节锗硅合金中的硅组分，可实现工作波长在1300～1650nm，例如，当材料是硅组分为0.5～1.5％的锗硅合金时，可实现c波段的工作窗口，调制器的工作波长在1550nm附近；当所述调制层200材料为纯锗时，其工作波长在1610～1670nm；当所述调制层200材料为锗锡合金时，通过调节锗锡合金中的锡组分，可实现工作波长在1650～2400nm。
步骤6：通过离子注入或扩散的方式，在调制层200上制作调制层p型轻掺杂区240，其掺杂浓度为1x1017/cm3～1x1018/cm3，掺杂深度小于150nm。在本发明实施例中，采用光刻胶为掩膜，离子注入的方式，在调制层200上制作调制层p型轻掺杂区240，但调制层p型轻掺杂区240位于偏向p型轻掺杂区113一侧，与调制层200的底边边缘距离分别为0和300～1000nm。调制层p型轻掺杂区240与所述p型轻掺杂区113存在离子注入的重叠区，以此实现电性连接。
步骤7：在调制层200和二氧化硅窗口层300上制作绝缘介质层400。本发明实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积sio2或si3n4的方法实现，厚度为300-1000nm。
步骤8：以光刻胶为掩膜，通过干法刻蚀的方式，在n型重掺杂区114和p型重掺杂区115上的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开电极窗口。
步骤9：在步骤8制得的电极窗口中分别制作n电极510和p电极520，实现欧姆接触，完成制备。
需要说明的是，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，并非用来限制本发明的保护范围。
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。