光波导器件及其制备方法

技术领域

本发明属于光学器件制造领域，特别是涉及一种光波导器件及其制备方法。

背景技术

硅基光子学是基于微米/纳米级光子、电子、及光电子器件的工作原理，利用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法，将相关光学器件单片或混合集成在同一硅衬底上的一门科学。硅基光子器件具有生产成本低、工艺稳定性高等特点，在通信、传感、生物等众多领域得到越来越广泛的关注和应用。中红外波段(2um～20um)是光谱中一个重要的波段范围，许多气体的吸收峰都集中在该波段，中红外波段的光学器件在包括传感、环境监测、生物医学应用、热成像的等各个科技领域有着十分重要的应用。因此，研制中红外硅基光学器件是一个非常重要和有意义的课题。

SOI(Silicon-On-Insulator)技术，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，SOI材料是近年来应用于硅基光电子学的一种重要的光波导材料。硅基光子学主要基于SOI衬底材料，在中红外波段，硅在3-8微米有低损耗窗口，锗在2～14.6微米有低损耗窗口，然而二氧化硅在大于3.6微米之后就有着非常大的吸收损耗。因此，如果直接采用一般的SOI或者GOI衬底材料，那么由于二氧化硅的吸收，制备所得的中红外硅基波导的传输损耗就会太高，基于此波导制备的相关器件的性能也会显著恶化。现有的一个方法是在形成光波导后将光波导的下方挖空形成悬空结构，以防止二氧化硅对中红外光波的吸收，但是这种方法存在不少问题。比如，由于在形成光波导后通过刻蚀等工艺进行挖空，在刻蚀过程中极有可能造成光波导的损伤导致器件性能下降；且基于这种方法制造的器件结构很可能使衬底暴露在空气中，空气中的水汽等可能扩散到器件中，导致器件的可靠性下降。由于挖空结构的存在，很难在光波导的基础上进行进一步的结构加工。如果需要将该挖空结构再次密封，那么需要选择对中红外波段的光波不吸收的介质层，工艺的复杂度就会进一步增加。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光波导器件及其制备方法，用于解决现有的光波导器件在制备过程中容易造成光波导的损伤，以及水汽可能扩散到器件中，造成器件性能下降甚至完全失效，以及制备复杂结构的光波导器件过程中存在的工艺集成困难等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光波导器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：形成图形化的复合衬底，所述复合衬底自下而上依次包括底部半导体层、绝缘层及顶部半导体层；所述复合衬底内形成有凹槽，所述凹槽贯穿所述绝缘层且被所述顶部半导体层所覆盖；对所述凹槽上方的所述顶部半导体层进行光刻刻蚀以形成光波导；对所述光波导进行第一浓度的离子注入以于所述光波导中形成第一P型注入区和与所述第一P型注入区相邻的第一N型注入区；对所述光波导外围的所述顶部半导体层进行第二浓度的离子注入以分别形成第二P型注入区和第二N型注入区，所述第二浓度大于所述第一浓度；所述第二P型注入区与所述第一P型注入区相连接，所述第二N型注入区与所述第一N型注入区相连接；于所述第二P型注入区及所述第二N型注入区表面形成金属电极。

可选地，所述凹槽的上表面与所述顶部半导体层的下表面相平齐，所述凹槽的下表面与所述底部半导体层的上表面相平齐。

可选地，所述凹槽向下延伸至所述底部半导体层内，所述凹槽的上表面与所述顶部半导体层的下表面相平齐。

可选地，所述光波导位于所述凹槽的正上方且所述光波导的水平面积小于所述凹槽的水平面积，所述第二N型注入区和所述第二P型注入区均位于所述凹槽或所述绝缘层的上方。

可选地，所述顶部半导体层和所述底部半导体层的材料为硅和锗中的一种或两种。

可选地，形成所述金属电极的方法包括步骤：于形成所述第二N型注入区和所述第二P型注入区后得到的结构表面形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行光刻刻蚀以形成对应所述金属电极所在位置的开口，所述开口暴露出所述第二N型注入区和所述第二P型注入区；形成金属电极层，所述金属电极层位于所述开口内及所述光刻胶层表面；去除所述光刻胶层及所述光刻胶层表面的所述金属电极层。

本发明还提供一种光波导器件，包括复合衬底，所述复合衬底自下而上依次包括底部半导体层、绝缘层及顶层半导体层；所述复合衬底内形成有凹槽，所述凹槽贯穿所述绝缘层且被所述顶部半导体层所覆盖；所述顶部半导体层中形成有光波导，所述光波导位于所述凹槽的上方；所述光波导内形成有第一掺杂浓度的第一N型注入区及第一掺杂浓度的第一P型注入区；所述顶部半导体层中还形成有第二掺杂浓度的第二N型注入区及第二掺杂浓度的第二P型注入区，位于所述光波导的外围；所述第二N型注入区与所述第一N型注入区相连接，所述第二P型注入区与所述第一P型注入区相连接，所述第二掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度；金属电极，位于所述第二N型注入区及所述第二P型注入区的表面。

可选地，所述第二N型注入区和所述第二P型注入区均位于所述凹槽或所述绝缘层的上方。

可选地，所述绝缘层的厚度为1微米～5微米，所述顶部半导体层的厚度为100纳米～5微米。

可选地，所述金属电极与所述第一N型注入区、所述第一P型注入区及所述顶部半导体层之间具有间距。

如上所述，本发明的光波导器件及其制备方法，具有以下有益效果：本发明先在要形成光波导的位置下方形成凹槽，避免先形成光波导后进行挖空的传统制备方法中容易导致光波导的损伤以及避免水汽扩散至光波导器件中，解决制备复杂结构的光波导器件过程中存在的工艺集成困难等问题，有助于生产良率和器件性能的提高。本发明的制备方法简单，且可通过复合衬底的图形化定制实现规模化生产，有利于制备流程的进一步简化和生产成本的降低。依本发明的制备方法制备的光波导器件，在中红外波段的由于二氧化硅材料引入的材料吸收损耗可显著降低。

附图说明

图1显示为本发明的光波导器件的制备方法的流程图。

图2至图6b显示为本发明的光波导器件的制备方法各步骤所呈现的结构示意图；其中，图6a及图6b显示为依本发明的制备方法制备的光波导器件的结构示意图。

图7至图12显示为本发明的光波导器件的复合衬底的制备过程示意图。

元件标号说明

11 底部半导体层

12 绝缘层

13 顶部半导体层

14 凹槽

15 光波导

16 第一P型注入区

17 第一N型注入区

18 第二P型注入区

19 第二N型注入区

20 金属电极

21 第一硅片

22 第二硅片

23 氧化层

24 开口

S01～S05 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种光波导器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：

S01：形成图形化的复合衬底，所述复合衬底自下而上依次包括底部半导体层11、绝缘层12及顶部半导体层13；所述复合衬底内形成有凹槽14，所述凹槽14贯穿所述绝缘层12且被所述顶部半导体层13所覆盖，具体如图2所示；

S02：对所述凹槽14上方的所述顶部半导体层13进行光刻刻蚀以形成光波导15，具体如图3所示；

S03：对所述光波导15进行第一浓度的离子注入以于所述光波导15中形成第一P型注入区16和与所述第一P型注入区16相邻的第一N型注入区17，具体如图4所示；

S04：对所述光波导15外围的所述顶部半导体层13进行第二浓度的离子注入以分别形成第二P型注入区18和第二N型注入区19，所述第二浓度大于所述第一浓度；所述第二P型注入区18与所述第一P型注入区16相连接，所述第二N型注入区19与所述第一N型注入区17相连接，具体如图5所示；

S05：于所述第二P型注入区18及所述第二N型注入区19表面形成金属电极20，具体如图6a及图6b所示。

本发明先在要形成光波导的位置下方形成凹槽，避免先形成光波导后进行挖空的传统制备方法中容易导致光波导的损伤以及避免水汽扩散至光波导器件中，解决制备复杂结构的光波导器件中存在的工艺集成困难等问题，有助于生产良率和器件性能的提高。本发明的制备方法简单，且可通过复合衬底的图形化定制实现规模化生产，有利于制备流程的进一步简化和生产成本的进一步降低。

所述底部半导体层11和所述顶部半导体层13优选为硅和锗中的一种或多种，且两者优选相同，比如均为硅层、锗层或锗硅层，有利于降低光的传输损耗。作为示例，所述底部半导体层11的厚度优选大于所述顶部半导体层13的厚度。比如在一示例中，所述底部半导体层11的厚度为650μm～750μm；所述顶部半导体层13的厚度为100nm(纳米)～5μm(微米)，比如为220nm，340nm，3um等。所述凹槽14的水平面形状(即俯视形状)可以是矩形、圆形、环形或其他形状，本实施例中优选矩形或圆形，有利于简化器件的制备过程。所述绝缘层12优选为二氧化硅层，厚度优选为1～5μm，比如为2um、3um等。

在一示例中，如图2所示，所述凹槽14的上表面与所述顶部半导体层13的下表面相平齐，所述凹槽14的下表面与所述底部半导体层11的上表面相平齐，即所述凹槽14仅位于所述绝缘层12内而未延伸至所述底部半导体层11内。这种结构的光波导器件在制备上相对更加简单，有利于降低制备成本。本实施例中将主要以该结构作为示例来说明所述光波导器件的制备过程(图2至图6a都是基于该结构)。

当然，在另一示例中，所述凹槽14向下延伸至所述底部半导体层11内，所述凹槽14的上表面与所述顶部半导体层13的下表面相平齐，即所述凹槽14不仅贯穿所述绝缘层12，还部分位于所述底部半导体层11内但并未贯穿所述底部半导体层11，即所述凹槽14的下表面与所述底部半导体层11的下表面之间具有间距。

作为示例，所述光波导15的水平面积小于所述凹槽14的水平面积，所述光波导15的形状可以根据需要设置，比如为圆环柱状、矩形柱状、圆柱状、蜿蜒嵴状或其他形状等，以使光沿预定方向传输，减少传输损耗。

作为示例，对所述凹槽14上方的所述顶部半导体层13进行光刻刻蚀以形成所述光波导15的过程中，所述光波导15外围的所述顶部半导体层13仅是部分被刻蚀以确保所述顶部半导体层13还能起到机械支撑作用，只是经光刻刻蚀后位于所述凹槽14上方且位于所述光波导15外围的所述顶部半导体层13的厚度小于位于所述绝缘层12上的所述顶部半导体层13的厚度，也小于所述光波导15的厚度(也即高度)。

作为示例，所述第一浓度为1×10

作为示例，所述第二浓度大于1×10

作为示例，形成所述金属电极20的方法包括步骤：于形成所述第二N型注入区19和所述第二P型注入区18后得到的结构表面形成光刻胶层；对所述光刻胶层进行光刻刻蚀以形成对应所述金属电极20所在位置的开口，所述开口暴露出所述第二N型注入区19和所述第二P型注入区18；形成金属电极20层，所述金属电极20层位于所述开口内及所述光刻胶层表面；去除所述光刻胶层及所述光刻胶层表面的所述金属电极20层。形成的所述金属电极20与所述第一N型注入区17、所述第一P型注入区16及所述顶部半导体层13之间具有间距，该间距被空气填充，因为空气对中红外光的吸收较少，由此可以降低光的损耗。所述金属电极20可以为金、银、铜、铝等导电金属电极中的一种或多种。

需要说明的是，虽然在不同的示例中，所述凹槽14的具体形成位置可以有所差异，但所述图形化的复合衬底的形成过程可以基本相同，只要根据需要预先定义出所述凹槽14的形状和深度即可。本实施例中将示意性说明所述凹槽14仅位于所述绝缘层12内的复合衬底的形成过程，但该过程也同样适用于形成其他示例中的复合衬底。

如图7至图12所示，提供第一硅片21，比如一单晶硅片(如图7所示)，于所述第一硅片21表面形成氧化层23(如图8所示，该氧化层23对应本实施例的复合衬底的绝缘层12)，所述氧化层23优选为氧化硅，形成所述氧化层23的方法包括但不限于热氧化法或者气相沉积方法。且本实施例中，作为示例，所述氧化层23的厚度优选为1～5μm，比如为2um、3um等；

如图9所示，以所述氧化层23所在的表面为注入面对所述第一硅片21进行离子注入以将离子注入到所述第一硅片21内的预定深度(如图9中虚线所示位置处，预定深度上方的所述第一硅片21在本实施例中对应所述复合衬底的所述顶硅层13)，在本实施例中该预定深度对应所述复合衬底的所述顶硅层13的厚度；所述注入离子可以为H离子和He离子中的一种或多种，注入剂量均为1×10

如图10所示，对所述氧化层23进行光刻刻蚀以定义出开口24(该开口24对应所述复合衬底中的所述凹槽14)，本实施例中所述开口24仅位于所述氧化层23内且贯穿所述氧化层23；

提供第二硅片22(本实施例中，所述第二硅片22对应所述复合衬底的所述底硅层11)，比如另一单晶硅片，将所述第二硅片22与表面形成有所述开口24的所述第一硅片21键合，其中，所述开口24所在的面为键合面，具体如图11所示；之后将键合后得到的结构自所述预定深度处剥离，比如通过高温退火将所述第一硅片21预定深处下方的部分剥离，或者通过化学机械研磨工艺去除所述第一硅片21预定深处下方的部分即得到如图12中所示的复合衬底。

当然，所述复合衬底的形成方法和步骤还可以有其他选择，比如上述示例中，可以在所述第一硅片21表面形成所述氧化层23后不进行离子注入而先通过光刻刻蚀形成所述开口24，对表面未形成有氧化层23的第二硅片22进行离子注入并注入到预定深度，之后将所述第一硅片21和所述第二硅片22键合，并将键合片自所述预定深度所在的区域进行剥离即得到所述复合衬底，则此步骤中所述第一硅片21对应所述复合衬底的所述底硅层11而所述第二硅片22与所述氧化层23相键合的未被剥离的部分则对应所述复合衬底的所述顶硅层13。

在其他示例中，也可以将表面形成有所述开口24的所述第一硅片21与一中间形成有剥离结构层(通常为氧化材质的结构层)的SOI结构/GOI结构相键合，将键合后得到的结构自所述SOI结构/GOI结构的剥离结构层处进行剥离并去除该剥离结构层即得到本申请中的复合衬底。

依据上述方法做适当调节(比如调节所述开口24的深度)，即可得到其他实施例中所需的复合衬底，对此不做进一步展开。

所述复合衬底可根据需要进行定制实现规模化生产，有利于所述光波导器件的制备流程的进一步简化和生产成本的进一步降低。

依本发明制备的光波导器件可用作中红外波段电光调制器，并可进一步用于制作更复杂的中红外硅基光学器件。采用本发明的制备方法有利于制备工艺的简化和生产成本的降低，依本发明制备的光波导器件可以有效降低光的传输损耗，提高器件性能。

如图6a及图6b所示，本发明还提供一种光波导器件。所述光波导器件包括复合衬底，所述复合衬底自下而上依次包括底部半导体层1311、绝缘层12及顶层半导体层；所述复合衬底内形成有凹槽14，所述凹槽14贯穿所述绝缘层12且被所述顶部半导体层所覆盖，所述凹槽14可如图6a所示仅位于所述绝缘层12内，也可以如图6b所示自所述绝缘层12向下延伸至所述底部半导体层1311中；所述顶部半导体层中形成有光波导15，所述光波导15位于所述凹槽14的上方；所述光波导15内形成有第一掺杂浓度的第一N型注入区17及第一掺杂浓度的第一P型注入区16；所述顶部半导体层中还形成有第二掺杂浓度的第二N型注入区19及第二掺杂浓度的第二P型注入区18，位于所述光波导15的外围；所述第二N型注入区19与所述第一N型注入区17相连接，所述第二P型注入区18与所述第一P型注入区16相连接，所述第二掺杂浓度大于所述第一掺杂浓度；金属电极20，位于所述第二N型注入区19及所述第二P型注入区18的表面。所述光波导器件依前述任一制备方法制备而成，故前述对所述光波导器件的介绍完全适用于此处，具体可参考前述内容，出于简洁的目的对相同的内容尽量不重复记载。

在一示例中，所述第二N型注入区19和所述第二P型注入区18均位于所述凹槽14的上方；当然，在其他示例中，所述第二N型注入区19和所述第二P型注入区18也可以均位于所述绝缘层12上，本实施例中并不严格限制；

作为示例，所述绝缘层12的厚度为1微米～5微米，所述顶部半导体层的厚度为100纳米～5微米。

作为示例，所述金属电极20与所述第一N型注入区17、所述第一P型注入区16及所述顶部半导体层之间具有间距，该间距被空气填充，因为空气对中红外光的吸收较少，由此可以降低光的损耗。

综上，本发明提供一种光波导器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：形成一图形化的复合衬底，所述复合衬底自下而上依次包括底部半导体层、绝缘层及顶部半导体层；所述复合衬底内形成有凹槽，所述凹槽贯穿所述绝缘层且被所述顶部半导体层所覆盖；对所述凹槽上方的所述顶部半导体层进行光刻刻蚀以形成光波导，对所述光波导进行第一浓度的离子注入以于所述光波导中形成第一P型注入区和与所述第一P型注入区相邻的第一N型注入区；对所述光波导外围的所述顶部半导体层进行第二浓度的离子注入以分别形成第二P型注入区和第二N型注入区，所述第二浓度大于所述第一浓度；所述第二P型注入区与所述第一P型注入区相连接，所述第二N型注入区与所述第一N型注入区相连接；于所述第二P型注入区及所述第二N型注入区表面形成金属电极。本发明先在要形成光波导的位置下方形成凹槽，避免先形成光波导后进行挖空的传统制备方法中容易导致光波导的损伤以及避免水汽扩散至光波导器件中，可有效解决制备复杂结构的光波导器件过程中存在的工艺集成难等问题，有助于生产良率和器件性能的提高。本发明的制备方法简单，且可通过复合衬底的图形化定制实现规模化生产，有利于制备流程的进一步简化和生产成本的降低。依本发明的制备方法制备的光波导器件，在中红外波段的由于二氧化硅材料引入的材料吸收损耗显著降低。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。