【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及集成电路，尤其是一种基于白光的单片硅光集成器件及其制备方法。
技术介绍
1、硅光集成技术是将光子器件与微电子器件利用cmos工艺集成在同一芯片上，以光作为信号传输媒介，实现片上光互连。与电互联相比，光互连更高的互连集成、更大的频带宽度、更低的功耗、极小的信号延迟和串扰等有点。光电集成技术是现代集成电路技术新的研究方向，该技术将引领集成电路技术新的革命。
2、目前，实现硅光集成的技术难点主要集中在硅基光源器件上，现有的对硅基光源的解决方案有三种：外置激光光源；将iii-v族发光二极管通过键合，混合集成在硅片上；硅基发光器件单片集成。然而，外置激光器无法满足大规模集成；混合集成对制备和封装的工艺要求极高，cmos兼容性差，且制备成本高不利于大规模集成；可单片集成的现有硅基发光器件，例如硅纳米线发光器件、超晶格量子阱材料硅基发光器件、错位环发光器件等，尚存在发光稳定性差、结构复杂、制备和封装成本较高等问题，制约着单片硅光集成技术的发展。
3、因此，制备一种可将光源器件与电子器件制备在同一si衬底上的单片硅光集成器件就显得尤为重要。
技术实现思路
1、本专利技术需要解决的技术问题是提供一种基于白光的单片硅光集成器件及其制备方法，以提供一种新型的硅基单片光电集成器件。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种基于白光单片硅光集成器件，包括：
4、p型掺杂si衬底；
5、sio2介质隔
6、mos结构发光器件，位于p型掺杂si衬底之上；
7、硅光电二极管光接收器件，位于p型掺杂si衬底之上；
8、mo控制电极，位于sio2介质隔离层之上；
9、mo检测电极，位于sio2介质隔离层之上；
10、si3n4斜劈光耦合器件，mos结构发光器件和硅光电二极管光接收器件之上；
11、si3n4平面光波导，连接两端si3n4斜劈光耦合器件，位于sio2介质隔离层之上；
12、mo共用底电极，位于p型掺杂si衬底之下。
13、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述mos结构发光器件依次包括p型掺杂硅衬底、hfo2高k介质层和ito透明顶电极；其中，p型掺杂硅衬底的掺杂浓度为1014个/cm3~ 1018个/cm3；hfo2高k介质层的厚度为3nm~ 30nm；ito透明顶电极的厚度为80nm~ 120nm。
14、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述mos结构发光器件施加电压范围为100mv~60v，发光光谱范围为350nm~ 950nm。
15、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述si3n4斜劈光耦合器件斜面与水平夹角为30°~ 60°。
16、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述si3n4平面光波导的厚度为200nm~300nm。
17、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述mo控制电极、mo检测电极与mo共用底电极的厚度为80nm~ 120nm。
18、一种基于白光单片硅光集成器件的制备方法，包括以下步骤：
19、在p型掺杂si衬底上，通过外延生长sio2介质隔离层；
20、在sio2介质隔离层指定位置通过光刻工艺，刻蚀出制备mos发光器件区域，在该区域处露出p型掺杂si衬底，并在该位置上通过磁控溅射工艺依次沉积hfo2发光介质层、ito透明顶电极层，通过刻蚀形成mos结构发光器件；
21、在sio2介质隔离层指定位置通过光刻工艺，刻蚀出制备硅光电二极管光接收器件区域，在该区域处露出p型掺杂si衬底，并在该位置上通过离子注入工艺形成n型掺杂区域，制备硅光电二极管，形成硅光电二极管光接收器件；
22、在sio2介质隔离层上通过磁控溅射工艺沉积金属mo，并通过光刻工艺形成mo控制电极，与ito透明顶电极连接但不遮挡发光区域；
23、在sio2介质隔离层上通过磁控溅射工艺沉积金属mo，并通过光刻工艺形成mo检测电极，并与硅光电二极管n型区域连接但不遮挡感光区域；
24、在已完成的结构上通过pecvd工艺沉积si3n4，并通过光刻工艺形成平面光波导，连接mos结构发光器件与硅光电二极管光接收器件；
25、在mos结构发光器件和硅光电二极管光接收器件正上方的si3n4平面光波导处通过光刻工艺露出需要刻蚀的si3n4部分波导，通过控制缓冲氧化物刻蚀液温度和光刻胶后烘坚膜的时间，以控制刻蚀液不同深度横向刻蚀的速率，形成斜劈光耦合器件；
26、在已完成结构的si衬底底部通过磁控溅射工艺沉积mo，形成共用底电极，用作mos结构发光器件回路电极，以及硅光电二极管光接收器件回路电极。
27、本专利技术技术方案的进一步改进在于：缓冲氧化物刻蚀液的组分为hf: nh4f = 15:2，刻蚀温度为25℃~80℃。
28、本专利技术技术方案的进一步改进在于：斜面光耦合器件刻蚀之前，光刻胶坚膜温度为120℃，时间为60s~150s。
29、由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术进步是：
30、1、本专利技术提出的一种基于白光的单片硅光集成器件及制备方法，利用可直接制备在si基底上mos结构白光发光器件作为光源为基础，将控制电极、光源、光耦合器、光波导以及光接收器件制备在同一si基底上，制备流程符合cmos工艺要求，同时不用引入外部光。
31、2、与现有技术相比省去了制备成本较高的ⅲ-ⅴ族发光器件键合工艺，实现低成本、易制备的单片硅光集成器件。
32、3、本专利技术基于的mos结构发光器件具有不需要封装，可在空气中直接激发出白光，利用控制电极，可实现对信号的稳定调控。本专利技术器件的结构与特性使得该种硅光集成器件不需要针对发光器件进行特殊封装，进一步拓展了该硅光集成器件的应用范围与场景。
33、4、本专利技术提出了一种新型的单片硅光集成器件及制备方法，简化了硅光集成工艺流程，降低了制备成本，实现了低成本的单片集成硅基光电器件。
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1.一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，所述MOS结构发光器件依次包括p型掺杂硅衬底、HfO2高k介质层和ITO透明顶电极；其中，p型掺杂硅衬底的掺杂浓度为1014个/cm3~ 1018个/cm3；HfO2高k介质层的厚度为3nm~ 30nm；ITO透明顶电极的厚度为80nm~ 120nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，所述MOS结构发光器件施加电压范围为100mV~60V，发光光谱范围为350nm~ 950nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，所述Si3N4斜劈光耦合器件斜面与水平夹角为30°~ 60°。
5.根据权利要求1所述的一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，所述Si3N4平面光波导的厚度为200nm~ 300nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，所述Mo控制电极、Mo检测电极与Mo共用底电极的厚度为80nm~ 120n
7.一种基于白光单片硅光集成器件的制备方法，其特征在于，应用于制备如权利要求1~6任一项所述的一种基于白光单片硅光集成器件，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于白光单片硅光集成器件的制备方法，其特征在于，缓冲氧化物刻蚀液的组分为HF: NH4F = 15: 2，刻蚀温度为25℃~80℃。
9.根据权利要求7所述的一种基于白光单片硅光集成器件的制备方法，其特征在于，斜面光耦合器件刻蚀之前，光刻胶坚膜温度为120℃，时间为60s~150s。
...【技术特征摘要】
1.一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，所述mos结构发光器件依次包括p型掺杂硅衬底、hfo2高k介质层和ito透明顶电极；其中，p型掺杂硅衬底的掺杂浓度为1014个/cm3~ 1018个/cm3；hfo2高k介质层的厚度为3nm~ 30nm；ito透明顶电极的厚度为80nm~ 120nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，所述mos结构发光器件施加电压范围为100mv~60v，发光光谱范围为350nm~ 950nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于白光单片硅光集成器件，其特征在于，所述si3n4斜劈光耦合器件斜面与水平夹角为30°~ 60°。
5.根据权利要求1所述的一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘凌光，张少琼，陈卓，赵爽，岳睿燕，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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