【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光电材料与器件，具体为一种硅光调制器及其补偿掺杂方法。
技术介绍
1、全球通信产业已经进入新的大融合、大变革和大转型的发展时期。以下一代通信网络、云计算、物联网、智能电网以及人工智能等为代表的新一代信息技术，正成为下一轮国内乃至世界经济发展的重要推动力量。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，现代光通信网络越来越多地用到硅光技术。在光通信领域，硅光解决方案因其高集成度、低功耗、小型封装以及大规模可生产性的强劲竞争优势，承载着业界的期望。一直以来，硅光方案被认为是光技术大规模商用的重要支柱。
2、硅光调制器是实现硅基光电集成及其应用的最核心器件之一，其基本功能是实现信息从电域向光域的转换。但由于硅材料具有中心对称的结构，没有泡克耳斯效应，克尔效应也非常微弱，因此近年来展示的大多数最成功的硅光调制器都是通过等离子体色散效应工作的，其原理在于利用自由载流子浓度的变化对材料折射率产生影响，进而改变材料的光学性能。以载流子耗尽型的硅基电光调制器为例，通过对脊波导掺杂构成p-n结，随后在外加反向偏压下改变耗尽区的大小，从而改变载流子的浓度，实现对折射率的调制。
3、调制效率和插入损耗是衡量硅基电光调制器的两个重要技术指标。除此之外，随着通信带宽越来越大，也对硅光调制器的带宽提出了更高的要求。对于载流子耗尽型的硅光调制器而言，提升调制器带宽的优化方法本质上需要增加调制器平板区的掺杂浓度。通常的做法是调整平板区离子注入的位置使其更靠近波导脊区，此举会使硅光调制
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是：在已知技术中，对载流子耗尽型硅光调制器带宽和调制效率的优化通常是矛盾的两个方向。一方面，调整平板区离子注入的位置使其更靠近波导脊区，硅光调制器的带宽增加，同时会使调制器引入额外的插入损耗，但基本不会影响调制器的调制效率。而另一方面，此类硅光调制器的调制效率的提升需要增加脊区的离子掺杂浓度，但同时会带来调制器插入损耗的增加以及调制器带宽的降低。
2、为解决上述技术问题，本专利技术的第一目的是，提出一种硅光调制器，采取的具体技术方案如下：
3、一种硅光调制器，包括依次堆叠的硅衬底、绝缘氧化物层、顶层硅波导调制区和顶层覆盖氧化物层，所述顶层硅波导调制区沿第一方向依次包括n型重掺杂区、n型主掺杂区、p型主掺杂区和p型重掺杂区。
4、本专利技术的第二目的是，提出一种硅光调制器的补偿掺杂方法，使用iii-v族元素离子垂直注入的方法进行主掺杂构造p-n结，通过斜向离子注入的方式对平板区进行补偿掺杂，可以同时达到硅光调制器带宽提升和调制效率提高的效果。并且与此类硅光调制器单带宽优化方案以及单效率优化方案相比，其引入的额外插损均没有明显增加。
5、采取的具体技术方案如下：
6、一种硅光调制器的补偿掺杂方法，包括如下步骤：
7、s1、制备光刻胶掩膜，然后选定顶层硅波导调制区中心位置，去除中心位置一侧光刻胶；
8、s2、将v族元素离子沿着硅衬底的法线方向注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成n型主掺杂区；
9、s3、调整v族元素离子的注入浓度和注入能量，将v族元素离子由有光刻胶一侧向无光刻胶一侧斜向注入到顶层硅波导调制区中，注入方向与硅衬底的法线方向呈第一夹角，所述第一夹角大于0°且小于80°；
10、s4、重新制备光刻胶掩膜，去除顶层硅波导调制区中心位置另一侧的光刻胶；
11、s5、将iii族元素离子沿着硅衬底的法线方向注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成p型主掺杂区；
12、s6、调整iii族元素离子的注入浓度和注入能量，将iii族元素离子由有光刻胶一侧向无光刻胶一侧斜向注入到顶层硅波导调制区中，注入方向与硅衬底的法线方向呈第二夹角，所述第二夹角大于0°且小于80°；
13、s7、在顶层硅波导上方，沉积一层氧化硅做掩膜，在调制器波导调制区中心位置两侧刻蚀出带有平板区域的脊形波导结构；
14、s8、接着在上方沉积一层薄的屏蔽氧化层，制备光刻胶掩膜，调整iii族元素离子的注入浓度和注入能量，沿着硅衬底的法线方向将iii族元素离子注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成p型重掺杂区；接着，重新制备光刻胶掩膜后，调整v族元素离子的注入浓度和注入能量，沿着硅衬底的法线方向将v族元素离子注入到顶层硅波导调制区的硅材料中，在顶层硅波导调制区中形成n型重掺杂区；
15、s9、硅片升温，离子活化，退火降温；
16、s10、在整个器件上方沉积一层覆盖氧化硅层。
17、对本专利技术技术方案的进一步优选，步骤s2、s3和s8中，所述v族元素为磷，注入能量为20-200kev。
18、对本专利技术技术方案的进一步优选，步骤s3中的离子注入能量高于步骤s2中的离子注入能量。此举为将补偿掺杂的离子尽可能注入到顶层硅的底部区域，从而使得两侧平板受到补偿离子注入的位置有更高的离子浓度，但补偿掺杂步骤不会显著影响波导脊区的离子浓度。
19、对本专利技术技术方案的进一步优选，步骤s5、s6和s8中，所述iii族元素掺杂为硼或者氟化硼，注入能量为10-220kev。
20、对本专利技术技术方案的进一步优选，当步骤s5和s6注入离子种类同为硼或者同为氟化硼时，步骤s6中的离子注入能量高于步骤s5中的离子注入能量；当步骤s5和s6注入离子种类不同，则没有此限定关系。
21、对本专利技术技术方案的进一步优选，光刻胶掩膜的厚度为1um至4um。通过控制光刻胶掩膜的厚度来调整补偿掺杂离子在平板区注入的位置以及对波导脊区离子浓度的影响程度，从而优化此方案硅光调制器的性能。
22、对本专利技术技术方案的进一步优选，离子斜向注入的方向均为自有光刻胶一侧向无光刻胶一侧向下注入。
23、对本专利技术技术方案的进一步优选，步骤s2和s5中，主掺杂区离子注入的浓度范围为1×1012至1×1014ions/cm2；步骤s3和s6中，斜向补偿掺杂时离子注入的浓度范围为1×1013至1×1015ions/cm2；步骤s8中，重掺杂区离子注入的浓度范围为1×1015至1×1017ions/cm2。
24、对本专利技术技术方案的进一步优选，步骤s7中，所述波导为脊形掺杂波导，波导形状的确定参数包括但不限于波导脊区宽度、脊区两侧平板高度、波导中心与掺杂中心位置的距离。
25、本专利技术与现有技术相比具有的有益效果：
26、本专利技术的硅光调制器，通过斜向离子注入的方式对平板区进行补偿掺杂，可以同时达到硅光调制器带宽提升和调制效率提高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硅光调制器，其特征在于，包括依次堆叠的硅衬底（4）、绝缘氧化物层（3）、顶层硅波导调制区（2）和顶层覆盖氧化物层（1），所述顶层硅波导调制区（2）沿第一方向依次包括n型重掺杂区（5）、n型主掺杂区（6）、p型主掺杂区（7）和p型重掺杂区（8）。
2.一种硅光调制器的补偿掺杂方法，根据权利要求1所述的硅光调制器进行补偿掺杂，其特征在于，包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，步骤S2、S3和S8中，所述V族元素为磷，注入能量为20-200keV。
4.根据权利要求3所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，步骤S3中的离子注入能量高于步骤S2中的离子注入能量。
5.根据权利要求2所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，步骤S5、S6和S8中，所述III族元素掺杂为硼或者氟化硼，注入能量为10-220keV。
6.根据权利要求5所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，当步骤S5和S6注入离子种类同为硼或者同为氟化硼时，步骤S6中的离子注入能量高于步骤S5中的离子注入能量
7.根据权利要求2所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，光刻胶掩膜的厚度为1um至4um。
8.根据权利要求2所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，离子斜向注入的方向均为自有光刻胶一侧向无光刻胶一侧向下注入。
9.根据权利要求2所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于：步骤S2和S5中，主掺杂区离子注入的浓度范围为1×1012至1×1014 ions/cm2；步骤S3和S6中，斜向补偿掺杂时离子注入的浓度范围为1×1013至1×1015 ions/cm2；步骤S8中，重掺杂区离子注入的浓度范围为1×1015至1×1017 ions/cm2。
10.根据权利要求2所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于：步骤S7中，所述波导为脊形掺杂波导，波导形状的确定参数包括但不限于波导脊区宽度、脊区两侧平板高度、波导中心与掺杂中心位置的距离。
...【技术特征摘要】
1.一种硅光调制器，其特征在于，包括依次堆叠的硅衬底（4）、绝缘氧化物层（3）、顶层硅波导调制区（2）和顶层覆盖氧化物层（1），所述顶层硅波导调制区（2）沿第一方向依次包括n型重掺杂区（5）、n型主掺杂区（6）、p型主掺杂区（7）和p型重掺杂区（8）。
2.一种硅光调制器的补偿掺杂方法，根据权利要求1所述的硅光调制器进行补偿掺杂，其特征在于，包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，步骤s2、s3和s8中，所述v族元素为磷，注入能量为20-200kev。
4.根据权利要求3所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，步骤s3中的离子注入能量高于步骤s2中的离子注入能量。
5.根据权利要求2所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，步骤s5、s6和s8中，所述iii族元素掺杂为硼或者氟化硼，注入能量为10-220kev。
6.根据权利要求5所述的硅光调制器的补偿掺杂方法，其特征在于，当步骤s5和s6注入离子种类同为硼或...
【专利技术属性】
技术研发人员：史弘康，李磊，张晓波，陈泽，方舟，
申请(专利权)人：希烽光电科技南京有限公司，
类型：发明
国别省市：
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