[发明专利]硅基电光调制器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种硅基电光调制器及其制备方法。方法包括选择SOI晶圆，SOI晶圆为多层结构，自下而上为硅衬底、第一二氧化硅埋层、顶部硅层；顶部硅层中制备第二二氧化硅埋层，将顶部硅层分为上下两层，上层为第一硅层，下层为波导层，第二二氧化硅埋层一部分向上凸起，使下方波导层形成脊形结构，脊形结构向上凸起部分为硅波导，第二二氧化硅埋层内部存在压应力，向外挤压第一硅层及波导层，使硅波导左、右上角因受挤压引起原子排列改变，在硅波导中诱导出二阶非线性极化率；第一硅层上设置GSG单驱动共面波导行波电极，使得其施加的电场可以到达硅波导。本发明克服了常规硅电光调制器的带宽受限于载流子运输时间很难再提高的问题且插损小、可3D光子集成。

技术领域

本发明涉及一种硅基电光调制器及其制备方法。

背景技术

硅基具有尺寸小、能耗低、CMOS工艺兼容以及便于与现有的电子器件和光子器件实现单片、微纳集成等优点，利用硅基实现光的产生、调制、传输、操控以及探测等功能的硅光子学，已被公认为突破计算机和通信超大容量、超高速信息传输和处理瓶颈的理想技术之一，硅光子学受到研究者的高度关注，成为近年光电子研究领域的热点。目前，基于硅基的关键器件，如拉曼激光器、电光调制器、光电探测器、波长转换、光逻辑门、码型转换、光滤波等已经被提出，促进了硅基光子学的发展，这些研究成果在光通信、光传感等领域获得广泛应用，并且还在光子集成、光互连以及光计算等方面呈现出诱人前景。

硅电光调制器是硅基器件中最关键的器件，起到将电信号转换为光信号的重要作用。然而硅具有中心反演对称性晶体结构，其本身不具有二阶非线性极化率χ⁽²⁾，因而硅不具有电光调制特性(Pockels效应)。硅电光调制器一般都是基于等离子色散效应，通过掺杂引起自由载流子的注入、积累或者耗尽，改变自由载流子浓度而使硅的折射率发生变化，从而起到调制的作用。基于等离子色散效应的硅电光调制器的带宽受限于载流子运输时间很难再提高，并且掺杂致使调制速度以及非线性下降以及带来插入损耗。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种硅基电光调制器及其制备方法。

本发明的一个方面，提供一种硅基电光调制器，包括：SOI晶圆，SOI 晶圆为多层结构，自下而上依次为硅衬底、第一二氧化硅埋层、顶部硅层；第二二氧化硅埋层，埋设于顶部硅层中，将顶部硅层分割为上下两层，上层为第一硅层，下层为波导层，其中，第二二氧化硅埋层一部分向上凸起，使得下方波导层形成脊形结构，脊形结构的向上凸起部分为硅波导，第二二氧化硅埋层内部存在压应力，向外挤压第一硅层及波导层；GSG单驱动共面波导行波电极，设置于第一硅层上，使得GSG单驱动共面波导行波电极施加的电场可以到达硅波导。

本发明的另一个方面，提供一种硅基电光调制器制备方法，包括：选择SOI晶圆，SOI晶圆为多层结构，自下而上依次为硅衬底、第一二氧化硅埋层、顶部硅层；在顶部硅层中制备第二二氧化硅埋层，将顶部硅层分割为上下两层，上层为第一硅层，下层为波导层，其中，第二二氧化硅埋层一部分向上凸起，使得下方波导层形成脊形结构，脊形结构的向上凸起部分为硅波导，第二二氧化硅埋层内部存在压应力，向外挤压第一硅层及波导层；在第一硅层上设置GSG单驱动共面波导行波电极，使得GSG 单驱动共面波导行波电极施加的电场可以到达硅波导。

进一步地，本发明的一种硅基电光调制器制备方法，制备第二二氧化硅埋层包括：在顶部硅层上表面进行热氧化反应，使得顶部硅层上部形成第一二氧化硅层；将掩膜版图案转移至第一二氧化硅层，按照掩膜版图案刻蚀第一二氧化硅层，得到二氧化硅波导；在二氧化硅波导及因刻蚀暴露出的顶部硅层表面沉积二氧化硅，形成厚度一定的第二二氧化硅层；自上向下将氧离子透过第二二氧化硅层及二氧化硅波导注入到顶部硅层中，形成富氧离子层，其中，富氧离子层在二氧化硅波导下方的部分向上凸起；高温退火使得富氧离子层中的氧离子与富氧离子层中的硅原子发生反应，生成第二二氧化硅埋层。