利用CVMOS工艺研制SOI基的光子器件

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1、利用CV-MOS工艺研制SOI基的光子器件*江晓清**，杨建义，王明华浙江大学信息与电子工程学系，杭州310027摘要：电子的“瓶颈效应”限制了硅材料微电子器件在超高速、大容量信息传输处理的能力。如何利用光子的并行、高速和传输容量大的特性，在光子层面实行光子器件的集成是集成光子技术一直追求的目标。本文介绍了基于硅的p-i-n结和载流子色散效应，利用0.8微米的VD－MOS工艺，在SOI材料上研制光子器件的工作。我们针对硅基光子器件的要求，采用硅刻蚀等特殊的工艺流程，成功的研制出1×2、1×3和2×2等光开关以及光调制器等硅基光子器件。基本的1×2干涉型光开关器件的消光比

2、可大于20dB,开关速度约20ns量级，而且制作的重复性和稳定性好。关键词：硅；CMOS工艺，载流子色散效应；光子器件，集成光学回路1引言集成光子技术研究已经历近四十年，一直在追求能在光子器件层面上的光子集成（PIC），以弥补微电子器件在高速、大容量和全光信息处理方面的不足。由于集成光子器件的材料和器件制作工艺的多样性，虽然集成光子技术在光收发模块、光上下波分服用模块等获得成功，但像微电子器件一样的全面集成设想一直没有完全实现。2004年Intel公司基于硅的CMOS技术研制的高速硅电光调制器，以及近年来的硅基Raman激光器、混合集成激光器、光缓存器件和高速探测器等的

3、报道，将现有成熟的微电子技术和光子技术结合，使基于硅基CMOS光子集成技术的发展上了一个新的台阶。现阶段基于硅基的光电效应主要是利用载流子色散效，即指载流子的注入或抽取导致的半导体中自由载流子的变化引起折射率的变化，主要以pin结、pn结和MOS结构等基本结构来实现，而这些制作工艺完全同成熟的商业CMOS工艺线兼容。本文介绍我们利用国内0.8um的商业微电子工艺线，采用pin结的基本结构研制基于SOI材料光子器件的工作。2基本参数和工艺流程根据企业提供的0.8um半导体制作工艺流程和具体技术要求，我们采用pin结结构设计和研制了一系列载流子色散型的硅基CMOS光子器件，

4、包括基本的MZI调制器/可变衰减器（VOA）、分束器、多模干涉（MMI）结构的光开关与微环谐振腔等基本单元功能器件，以及分束器与VOA集成、AWG与VOA集成的基本OADM单元模块等器件，经过二次流片试验证明，我们的设计和技术路线是可行的，研制基本的pin结结构截面及其设计参数和制作基本波导的SEM照片（图1）。SOI材料的SiO2层厚约1µm，顶层硅为1µm；基本脊波导宽1µm，高约0.4µm，这样设计可保证单模条件。器件有源控制区的长度从750～2000µm，再加上输入输出端的耦合过渡波导（从1微米扩展到3微米），器件总长度约为7000µm。~10umAl1umAl

5、~10um(anode)(cathode)SiO2~0.4umP+p-SiN+SiO21um~0.55um2um~0.3um5um图1基本pin结截面设计参数和制作的波导SEM照片*国家重大基础研究发展计划资助项目（No:2007CB613405）,**通讯作者：iseejxq@zju.edu.cn器件的制作主要流程如下：1.SOI硅片清洗处理，2.脊波导光刻和刻蚀，3.隔离槽光刻和刻蚀，4.热氧化，5.N区光刻和注入，6.P区光刻和注入，7.溅射SiO2，8.通孔区光刻和刻蚀，9.蒸金属膜，10.金属电极光刻和刻蚀，11钝化处理，12.Pad区光刻和刻蚀。共需要7张掩

6、模光刻板，分别是波导层、隔离槽，N注入层、P注入层、通孔层、铝电极层和Pad区。图8为研制的六英寸样片和AWG与可变衰减器件集成功能模块的显微照片。与普通的微电子器件工艺相比，硅波导刻蚀是比不可少的一道工艺，从实际制作照片来看，波导刻蚀工艺没有达到理想要求，带来的直波导损耗约在3dB/cm左右。图2研制的六英寸样片和AWG与可变衰减器件集成的照片3器件制作和测试结果研制的基本pin结开启电压约0.7伏，直流电阻在35～70欧姆之间，π相移的电流可在20～30mA，典型的MZ干涉性光调制器的消光比在15～18dB左右，图3分布为基于MMI分束器的2×2光开关和基本pin结

7、SEM照片，其光开关的特性如图4。2×2干涉型光开关器件的串扰可达20dB,开关速度约20～50ns量级，并在C波段具有对波长不敏感的特性，而且制作的重复性和稳定性好。1475µmCathodeA500µmi500µmEoE112×2MMI2×2MMIAnodecouplercoupleriEoE22+NregionVIACathodeB+PregionE-Wire图3基于MMI分束器的2×2光开关和基本pin结SEM照片图42×2光开关的测试特性曲线研制的半径为300微米的谐振环，Q值可达30000以上，消光比一般在8～12dB，图5是