一种反向PN型掺杂结构及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构及制备方法。该掺杂结构集成在一个硅基鱼骨形条形波导上，包括P++型掺杂区域，N++型掺杂区域，P型掺杂区域，P‑型掺杂区域，N型掺杂区域，N‑型掺杂区域，条形光波导，电极，电极通孔，利用控制离子注入深度的方式制作竖直向反向PN型掺杂结构。本发明专利技术中条形光波导内的竖直方向反向PN结的形成主要靠选择不同的离子注入深度，简化了制备工艺步骤，同时降低了离子注入工艺中对掩膜对准精度的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光通信、光互连、高速光调制等
，特别涉及一种反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构及制备方法。
技术介绍
硅基光子器件由于能够实现超大规模、超高密度、超低功耗、超低成本的光子器件、以及和电子器件的单芯片集成、而且其制造工艺与传统CMOS工艺兼容，成为近些年来国际上光电子领域引人注目的研究热点。电光调制器是光互连、光计算、光通讯系统中的关键器件之一，它在功能上完成从电信号到光信号的转换，给光信号传输和计算等一切利用数字及模拟光信号实现信息处理和传输的系统提供起始数据信号。单晶硅是典型的中心反演对称晶体，不具有线性电光效应，高阶电光效应也很微弱，而热光效应的调制速度又无法满足高频通信的要求。在Si材料中，应用最广的调制机制是等离子体色散效应(plasmadispersioneffect)：材料中的载流子浓度在外加电场作用下变化，从而引起材料折射率和吸收系数的变化。反向PN型电光调制器由于其工作在反向偏压时PN结处于耗尽状态，载流子在电场的作用下主要是做漂移运动，因而其运动速度快，有利于实现高速电光调制，因此成为高速硅基电光调制器的常用结构。反向PN结结构根据P型和N型掺杂的相对位置关系主要分为竖直向和水平向两种结构类型。水平向的反向PN型结构的调制区波导中P型掺杂区和N型掺杂区基本处于同一高度，竖直向PN型结构的调制区波导中P型掺杂区在N型掺杂区上方(或者下方)。水平向反向PN型结构制作工艺简单并且成熟，但此种结构载流子浓度的变化区域较小，与光场的交叠积分也较小，调制效率较低；竖直向反向PN型结构载流子与光场的交叠积分较大，调制效率较高。常规的竖直型反向PN结结构制作工艺较为复杂，一般方法为先进行波导刻蚀与P型(或N型)掺杂，之后，在波导上生长硅，然后，再进行N型(或P型)掺杂。找到一种制备工艺步骤简单、精度要求不高的竖直PN型掺杂结构以及制作方法非常重要。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的主要目的在于提供一种反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构及制备方法，其CMOS工艺制备方法简单，并且能够提高耗尽型硅基电光调制器的调制效率。(二)技术方案本专利技术提供一种反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，集成在一个硅基鱼骨形条形波导上，该硅基鱼骨形条形波导中间为条形光波导113，用于通光，在条形光波导两侧，对称分布P++型掺杂区域101和N++型掺杂区域102，其特征在于，P++型掺杂区域101，位于硅基鱼骨形条形波导一侧，包括条形部分和至少一侧壁部分；N++型掺杂区域102，位于硅基鱼骨形条形波导另一侧，包括条形部分和至少一侧壁部分，与P++型掺杂区域101平行对称；条形光波导113，位于硅基鱼骨形条形波导的P++型掺杂区域101与N++型掺杂区域102之间，且平行于P++型掺杂区域101和N++型掺杂区域102的条形部分；其中，该条形光波导113自下而上依次包括N型掺杂区域109、耗尽层108和P型掺杂区域107，P型掺杂区域107与N型掺杂区域109构成PN结，该PN结其结构为竖直方向，耗尽层108位于该PN结的中间，P型掺杂区域107通过P型掺杂区域103与P++型掺杂区域101的侧壁部分相连，N型掺杂区域109通过N型掺杂区域105与N++型掺杂区域102的侧壁部分相连。其中，所述P++型掺杂区域101、P型掺杂区域103、光波导内的P型掺杂区域107为P型离子掺杂的区域，所述N++型掺杂区域102、N型掺杂区域105、光波导内的N型掺杂区域109为N型离子掺杂的区域，该P型离子掺杂的区域与该N型离子掺杂的区域相接触，形成衍生耗尽层112。其中，所述P++型掺杂区域101通过电极通孔110与调制器的电极111相连接形成欧姆接触，其掺杂浓度为1019cm-3～1022cm-3。其中，所述N++型掺杂区域102通过电极通孔110与调制器的电极111相连接形成欧姆接触，其掺杂浓度为1019cm-3～1022cm-3。其中，所述P型掺杂区域103，其掺杂浓度为1×1017cm-3～2×1018cm-3。其中，所述N型掺杂区域105，其掺杂浓度为1×1017cm-3～2×1018cm-3。其中，所述条形光波导内的耗尽层108，其厚度在10-200nm之间。其中，在所述PN结中，P型掺杂区域107与N型掺杂区域109的位置能够互换，P型掺杂区域107在上且N型掺杂区域109在下，或者P型掺杂区域107在下且N型掺杂区域109在上。本专利技术的另一方面提供一种反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构的制备方法，用于制备所述的反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，该方法包括：S101：选择原始材料SOI晶圆或晶片；S102：刻蚀SOI晶圆或晶片的顶层硅形成硅基鱼骨形条形波导结构；S103：在硅基鱼骨形条形波导结构之上形成P++型掺杂区域101、N++型掺杂区域102、P型掺杂区域103及N型掺杂区域105；S104：快速热退火，沉积二氧化硅并磨平；S105：光刻形成电极过孔窗口，刻蚀形成在P++区域和N++区域上的电极过孔沉积金属材料，剥离金属形成调制器电极，最终形成反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构。其中，步骤S101中所述SOI晶圆或晶片最底层为衬底硅，衬底硅之上为二氧化硅，二氧化硅之上为顶层硅，顶层硅厚度在200nm-400nm之间。其中，步骤S103中所述在硅基鱼骨形条形波导结构之上形成P++型掺杂区域101、N++型掺杂区域102、P型掺杂区域103及N型掺杂区域105包括：在硅基鱼骨形条形波导一侧的条形部分和与条形部分相连的部分侧壁处进行光刻，形成离子注入窗口，在形成的离子注入窗口处进行高浓度N型离子注入，形成N++型掺杂区域102；在硅基鱼骨形条形波导中间的条形部分及与N++型掺杂区域102的侧壁部分相连的侧壁部分进行光刻，形成离子注入窗口，控制离子注入深度，使得N型注入离子主要分布在顶层硅的下半部，形成N型掺杂区域105；在硅基鱼骨形条形波导另一侧的条形部分和与条形部分相连的部分侧壁处进行光刻，形成离子注入窗口，在形成的离子注入窗口处进行高浓度P型离子注入，形成P++型掺杂区域101；以及在硅基鱼骨形条形波导中间的条形部分及与P++型掺杂区域101的侧壁部分相连的侧壁部分进行光刻，形成离子注入窗口，控制离子注入深度，使得P型注入离子主要分布在顶层硅的上半部，形成P型掺杂区域103其中，对于P型掺杂区域107在上且N型掺杂区域109在下的PN结构，先进行N型离子注入后才能进行P型离子注入；对于P型掺杂区域107在下且N型掺杂区域109在上的PN结构，先进行P型离子注入后才能进行N型离子注入。其中，步骤S104中所述快速热退火，沉积二氧化硅并磨平包括：快速热退火，退火温度在850-1200℃之间，时间3-30秒，沉积0.5um-4um厚度的二氧化硅并磨平。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术的积极效果在于：(1)本专利技术中的掺杂结构的光波导采用鱼骨形条型波导，波导结构的形成是将特定区域的顶层硅全部刻蚀掉，相比于常规硅基光调制器使用的脊形波导，本专利技术中的波导结构的形成降低了波导刻蚀工艺中对刻蚀时间的精度控制要求。(2)本专利技术中调制区光波导中的PN结是竖直方向反向PN结，相比于水平方向反向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，集成在一个硅基鱼骨形条形波导上，该硅基鱼骨形条形波导中间为条形光波导(113)，用于通光，在条形光波导两侧，对称分布P++型掺杂区域(101)和N++型掺杂区域(102)，其特征在于，P++型掺杂区域(101)，位于硅基鱼骨形条形波导一侧，包括条形部分和至少一侧壁部分；N++型掺杂区域(102)，位于硅基鱼骨形条形波导另一侧，包括条形部分和至少一侧壁部分，与P++型掺杂区域(101)平行对称；条形光波导(113)，位于硅基鱼骨形条形波导的P++型掺杂区域(101)与N++型掺杂区域(102)之间，且平行于P++型掺杂区域(101)和N++型掺杂区域(102)的条形部分；其中，该条形光波导(113)自下而上依次包括N型掺杂区域(109)、耗尽层(108)和P型掺杂区域(107)，P型掺杂区域(107)与N型掺杂区域(109)构成PN结，该PN结其结构为竖直方向，耗尽层(108)位于该PN结的中间，P型掺杂区域(107)通过P型掺杂区域(103)与P++型掺杂区域(101)的侧壁部分相连，N型掺杂区域(109)通过N型掺杂区域(105)与N++型掺杂区域(102)的侧壁部分相连。...

【技术特征摘要】
1.一种反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，集成在一个硅基鱼骨形条形波导上，该硅基鱼骨形条形波导中间为条形光波导(113)，用于通光，在条形光波导两侧，对称分布P++型掺杂区域(101)和N++型掺杂区域(102)，其特征在于，P++型掺杂区域(101)，位于硅基鱼骨形条形波导一侧，包括条形部分和至少一侧壁部分；N++型掺杂区域(102)，位于硅基鱼骨形条形波导另一侧，包括条形部分和至少一侧壁部分，与P++型掺杂区域(101)平行对称；条形光波导(113)，位于硅基鱼骨形条形波导的P++型掺杂区域(101)与N++型掺杂区域(102)之间，且平行于P++型掺杂区域(101)和N++型掺杂区域(102)的条形部分；其中，该条形光波导(113)自下而上依次包括N型掺杂区域(109)、耗尽层(108)和P型掺杂区域(107)，P型掺杂区域(107)与N型掺杂区域(109)构成PN结，该PN结其结构为竖直方向，耗尽层(108)位于该PN结的中间，P型掺杂区域(107)通过P型掺杂区域(103)与P++型掺杂区域(101)的侧壁部分相连，N型掺杂区域(109)通过N型掺杂区域(105)与N++型掺杂区域(102)的侧壁部分相连。2.根据权利要求1所述的反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述P++型掺杂区域(101)、P型掺杂区域(103)、光波导内的P型掺杂区域(107)为P型离子掺杂的区域，所述N++型掺杂区域(102)、N型掺杂区域(105)、光波导内的N型掺杂区域(109)为N型离子掺杂的区域，该P型离子掺杂的区域与该N型离子掺杂的区域相接触，形成衍生耗尽层(112)。3.根据权利要求1所述的反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述P++型掺杂区域(101)通过电极通孔(110)与调制器的电极(111)相连接形成欧姆接触，其掺杂浓度为1019cm-3～1022cm-3。4.根据权利要求1所述的反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述N++型掺杂区域(102)通过电极通孔(110)与调制器的电极(111)相连接形成欧姆接触，其掺杂浓度为1019cm-3～1022cm-3。5.根据权利要求1所述的反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述P型掺杂区域(103)，其掺杂浓度为1×1017cm-3～2×1018cm-3。6.根据权利要求1所述的反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述N型掺杂区域(105)，其掺杂浓度为1×1017cm-3～2×1018cm-3。7.根据权利要求1所述的反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述条形光波导内的耗尽层(108)，其厚度在10-200nm之间。8.根据权利要求1所述的反向PN型硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，在所述PN结中，P型掺杂区域(107)与N型掺杂区域(109)的位置能够互换，P型掺杂区域(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚东，储涛，张华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，青岛海信宽带多媒体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11