基于插指型mos结构的硅基电光调谐波导结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光通信领域中的娃基电光可调波导器件，具体设及一种基于插指型 MOS(metal-〇xid-semiconducto;r，金属一氧化物一半导体场效应晶体管）结构的娃基电光 调谐波导结构。
【背景技术】
[0002] 可调谐娃基光波导是光通信系统中的关键部件，可调谐娃基光波导能够用在光调 制器、光开关、路由器、可调光衰减器W及波长可调谐滤波器和激光器等有源光核屯、器件 中；可调谐娃基光波导的高速光调制功能通常基于高速娃基电光效应。
[0003] 纯净非应变的娃单晶是一种中屯、反演对称的晶体，该娃单晶不存在化ckels(线性 电光）效应，而娃的Kerr(二阶电光）效应和Franz-Keldish(弗朗兹-凯尔迪什)效应也极其 微弱；即使施加 l〇5V/cm的电场，产生的折射率改变仍小于10-5,利用Kerr效应和Franz- Keldish效应来实现电光调制并不现实。
[0004] 在娃材料中，最有效的电光效应就是等离子体色散效应，目前，商用娃基电光调制 器主要通过等离子体色散效应实现;1987年，出现了离子体色散效应的近似表达式：
[0005] 对于1.31皿波长的光信号，等离子体色散效应的表达式为：
[0009] 公式（1)和(2)中，Δη自由载流子浓度变化引起的折射率变化，Δα为自由载流子 浓度变化引起的吸收系数的变化，A化为电子变化量，Δ化为空穴浓度变化量，单位为cnf3。 实际上，光信号的有效折射率变化A neff还与光场分布相关，其表达式为：
[0010] Δηβ?? = ]·?|Ε(χ，7)|2 . An(x，y)dxdy (3)
[OOW 公式（3)中|eP为光波导中光场的归一化强度分布，由公式（3)可知，Aneff的大 小还取决于光场与载流子浓度变化区的重叠积分。
[0012] 目前，基于娃基等离子色散效应的高速电光调制一般通过PN结(在一块完整的娃 片上，用不同的渗杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体)结构和M0S电容 结构来实现。
[0013] PN结结构加工工艺相对简单，完全与标准CMOS(Complementa;ry Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容。通过在PN结上加载反向偏压产生载流 子耗尽效应，调控PN结界面处的自由空间电荷区的宽度，来达到改变光波导中屯、处载流子 浓度的目的。然而，当PN结的渗杂浓度处于10"~IQiScnf3范围时，自由空间电荷区的宽度仅 为lOOnm左右；而普通娃基光波导的宽度约为500nm，光场和自由空间电荷区的运种巨大尺 寸失配导致基于反向PN结的娃基调制器的调制效率低下。
[0014] M0S电容结构工艺相对复杂，设及栅氧层制备和外延娃工艺，同时还需要多次光刻 与刻蚀。但M0S电容结构的调制效率比反向PN结高得多;通过在M0S结上施加正偏压，可W使 栅氧层两侧的载流子浓度变化达到10"~l〇i9cnf3量级。其Vn . L系数已被实验验证为 Q.2Y · cm,证明M0S结的调制效率约为反向PN结的10倍。
[0015] 但是，现有的M0S结构仅能在栅氧层附近几十纳米处产生载流子浓度变化，光场与 载流子积累区交叠较弱，调制效率难W进一步提高。
【发明内容】
[0016] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为:将光场充分与载流子积 累区交叠，大幅度提高调谐效率。本发明有利于实现更紧凑、更高效的娃基电光调谐器件。
[0017] 为达到W上目的，本发明提供的基于插指型M0S结构的娃基电光调谐波导结构，包 括SOI晶圆，该晶圆包括由下至上设置的单晶娃材质的娃衬底、填埋二氧化娃层和单晶娃材 质的外延娃层;外延娃层上设置有基于插指型M0S结构的娃基电光调谐波导，该波导包括由 下至上设置的娃波导下半层、栅氧层和娃波导上半层、W及设置于娃波导上半层上的第一 电极、设置于娃波导下半层上的第二电极；
[0018] 所述娃波导下半层包括渗杂类型均为P型或N型的下波导区、下平板区和下欧姆接 触区；下波导区用于承载光场，下波导区的渗杂浓度为1〇υ~IQiScnf3;下平板区位于下波导 区的外侧，下平板区用于降低波导串联电阻，下平板区的渗杂浓度为10"~l〇"cnf3;下欧姆 接触区位于下平板区的外侧，下欧姆接触区的渗杂浓度为1〇19~l〇2icnf3;第二电极位于下 欧姆接触区上;所述栅氧层位于下波导区的外表面，栅氧层的厚度为1~50nm;
[0019] 所述娃波导上半层包括渗杂类型相同、且与娃波导下半层相反的上波导区、上平 板区和上欧姆接触区；上波导区覆盖于栅氧层上，上波导区用于承载光场，上波导区的渗杂 浓度为10"~IQiScnf3,所述下波导区、栅氧层和上波导区形成插指型M0S结;所述上平板区 位于上波导区的外侧，上平板区用于降低波导串联电阻，上平板区的渗杂浓度为l〇is~ l〇i9cnf3;所述上欧姆接触区位于上平板区的外侧，上欧姆接触区的渗杂浓度为1〇1 9~ IQUcnf3,所述第一电极位于上欧姆接触区上。
[0020] 在上述技术方案的基础上，所述基于插指型M0S结构的娃基电光调谐波导上沉积 有起纯化作用的Si02覆盖层。
[0021] 在上述技术方案的基础上，所述上波导区、上平板区和上欧姆接触区通过CMP工艺 形成平整的上表面。
[0022] 在上述技术方案的基础上，该结构实现电光调制时，将基于插指型M0S结构的娃基 电光调谐波导构成常用调制器结构;对第一电极和第二电极施加不同电压时，在栅氧层附 近形成载流子积聚或耗尽，通过等离子色散效应调谐波导中光场的有效折射率和吸收损 耗;将有效折射率和吸收损耗的变化转变为光信号的强度、相位或偏振变化，从而实现电光 调制功能。
[0023] 在上述技术方案的基础上，所述娃衬底的电阻率为10~lOOOOohm · cm。
[0024] 在上述技术方案的基础上，所述填埋二氧化娃层的折射率为1.42~1.47,厚度为 0. l~5um〇
[0025]在上述技术方案的基础上，所述外延娃层的本征渗杂类型为P型或N型，本征渗杂 浓度为1〇15~1〇16畑1-3,厚度为0.1~1皿。
[00%] 在上述技术方案的基础上，所述栅氧层的材质为Si02、Si0N、Si3N4、A1203Ja205、 Ti02、Hf02、Zr02 中的至少一种。
[0027] 在上述技术方案的基础上，所述下波导区、下平板区和下欧姆接触区均为N型时， 所述上波导区、上平板区和上欧姆接触区均为P型；所述下波导区、下平板区和下欧姆接触 区均为P型时，所述上波导区、上平板区和上欧姆接触区均为N型。
[0028] 在上述技术方案的基础上，所述插指型M0S结的界面形状为矩形、梯形、Ξ角型或 者弧形。
[0029] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0030] 本发明通过娃基波导中形成插指型的M0S结，扩展了单位长度M0S结界面的面积， 进而使得光场充分地与载流子积聚区交叠。有鉴于此，与传送的M0S结波导相比，本发明能 够大幅度提到调谐效率，有利于实现更紧凑、更高效的娃基电光调谐器件。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明实施例中的基于插指型M0S结构的娃基电光调谐波导结构的结构示 意图；
[0032] 图2为本发明实施例中的插指M0S结界面形状为单个矩形的结构示意图；
[0033] 图3为本发明实施例中的插指M0S结界面形状为梯形的结构示意图；
[0034] 图4为本发明实施例中的插指M0S结界面形状为Ξ角形的结构示意图；
[0035] 图5为本发明实施例中的插指M0S结界面形状为弧形的结构示意图；
[0036] 图6为本发明实施例中的插指型M0S结、传统M0S结、传统PN结在不同反向偏压下的 电光调谐效率趋势图。
[0037] 图中：10-娃衬底，20-填埋二氧化娃层，301-下波导区，302-下平板区，303-下欧姆 接触区，40-栅氧层，501-上波导区，502-上平板区，503-上欧姆接触区，60-Si02覆盖层， 701-第一电极，702-第二电极。
【具体实施方式】
[0038] W下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0039] 参见图1所示，本发明实施例中的基于插指型M0S结构的娃基电光调谐波导结构， 包括SOI (Si 1 icon-化-Insulator，绝缘衬底上的娃)晶圆，该晶圆包括单晶娃材质的娃衬底 10，为了降低微波电学信号的传输损耗，娃衬底10的电阻率为10~1 OOOOohm · cm(本实施例 中为5000ohm · cm)。娃衬底10上设置有填埋二氧化娃层20,填埋二氧化娃层20的折射率为 1.42~1.47，厚度为0.1~5um(本实施例中填埋二氧化娃层20的折射率为1.45，厚度为 3um)。填埋二氧化娃层20上设置有单晶娃材质的外延娃层，外延娃层的本征渗杂类型为P型 或N型，本征渗杂浓度为l〇is~l〇i6cnf3，厚度为0.1~lum(本实施例中外延娃层的本征渗杂 类型为P型，厚度为0.5皿)。
[0040] 外延娃层上设置有基于插指型M0S结构的娃基电光调谐波导，该波导包括由下至 上设置的娃波导下半层、栅氧层40和娃波导上半层、W及设置于娃波导上半层上的第一电 极701、设置于娃波导下半层上的第二电极702。
[0041] 娃波导下半层经过光刻、刻蚀、离子注入和退火等工艺形成，其包括渗杂类型相同 (P型或N型）的下波导区3