CN101842736A - 电光设备及其制备方法 - Google Patents

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CN101842736A CN200780100177A CN200780100177A CN101842736A CN 101842736 A CN101842736 A CN 101842736A CN 200780100177 A CN200780100177 A CN 200780100177A CN 200780100177 A CN200780100177 A CN 200780100177A CN 101842736 A CN101842736 A CN 101842736A
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Abstract

公开了一种电光设备。该电光设备包括：绝缘层，沉积于该绝缘层上方并掺杂有第一传导类型的掺杂原子的第一半导体区，沉积于该绝缘层上方并掺杂有第二传导类型的掺杂原子的第二半导体区，以及沉积于该绝缘层上方且位于该第一半导体区和第二半导体区之间的电光作用区。该电光作用区包括：掺杂有第一传导类型掺杂原子的第一半导体部分作用区，掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体部分作用区，以及位于该第一半导体部分作用区和第二半导体部分作用区之间的绝缘结构，其中，该绝缘结构垂直于该绝缘层的表面延伸，使得该第一半导体部分作用区与第二半导体部分作用区在垂直于该绝缘层的该表面的方向上不存在重叠。还公开了一种电光设备的制备方法。

Description

电光设备及其制备方法
技术领域
本发明的实施例涉及电光设备领域。举例来说，本发明的实施例涉及一种电光调制器及其制备方法。
背景技术
近年来，硅基调制器受到相当多的关注。硅中的调制机制受自由载流子等离子体分散效应(FCPD)的支配。当自由载流子的浓度变化致使折射率和消光系数或吸光系数相应发生改变时，将发生所述FCPD效应，其导致相移。可以通过使用p-i-n二极管或基于金属氧化物半导体(MOS)电容器的设备结构改变自由载流子的浓度。
pin提供高效的折射率变化并由此提供高的相位调制效率。尽管如此，由于其载流子重组过程较长，其调制速度很难高于1GHz。相反地，MOS调制方式能够提供高的调制速度和零直流功率。然而，在MOS的积累过程中，载流子聚集在栅介质附近很薄的区域内，例如，大约为10nm的薄层。因此，自由载流子光重叠很小，导致对于类似的施加的电场或功率，实际折射率变化效率相对较低。当需要产生π相移来获得信号调制时，将需要较长的移相器长度。
关于使用p-i-n二极管改变自由载流子浓度，Qianfan Xu等发表的“Micrometre-scale silicon electro-optic modulator”，Nature，卷435，325-327页，2005公开了一种方案，该出版物公开了一种硅电光调制器。该调制器由一耦合到单波导的环形谐振腔组成。其波导传输对信号波长高度敏感，并且在与整数个导波波长相对应的环周长的波长处大大减少。通过调整该环形谐振腔的有效指数来改变共振波长，这引起了对传输信号的强调制。因此，通过使用嵌入该环形谐振腔内的p-i-n结注入电子和空穴来对该环形谐振腔的有效指数进行电调制。
Fuwan Gan等发表的“High-speed silicon electrooptic modulatordesign”，IEEE Photonics Technology Letters，卷17，No.5，2005年5月，1007-1009，公开了另一种类似的使用p-i-n二极管的方案。该出版物公开了一种基于高指数对比度分裂脊(split-ridge)波导和集成p-i-n二极管区的高速电子载流子注入调制器。该分裂脊波导包括经由一薄的低指数层与一高指数板分离的高指数脊，由此结合了隐埋波导和脊波导的优点。分裂该脊波导的指数层相当薄，使得其可以充当散热片为该波导的板部分提供较好的散热。光学模式极好地沿水平方向限定于脊内，其大大减少了由于高掺杂的接触区域和侧壁粗糙度所导致的损失。
Ching Eng Png等发表的“Optical Phase Modulators for MHz andGHz Modulation in Silicon-On-Insulator(SOI)”，Journal of LightwaveTechnology，卷22，No.6，2004年6月，公开了又一种使用p-i-n二极管的方案。该出版物公开了一种基于绝缘体上覆硅(SOI)的材料的低损耗单模式光相位调制器。该调制器通过注入自由载流子改变导向区域内的折射率来工作。已优化了本征区域内的被注入的自由载流子和传播的光学模式之间的重叠，并且已应用了两个n+区结合为一个共阴极的特定的PIN器件几何结构。
关于使用MOS电容器改变自由载流子的浓度，美国专利6,845,198公开了一种方案。该专利公开了一种基于形成具有第一电导性的栅极区以与第二传导类型本体区部分重叠的、且具有插入并置于该栅极和本体区的连续部分之间的相对较薄的介电层的硅基电光调制器。该调制器可以形成于SOI平台上，且具有形成于该SOI结构的相对较薄的硅表面层中的本体区以及由相对较薄的硅层覆盖该SOI结构而形成的栅极区。控制该栅极和本体区中的掺杂质以在该电介质上方和下方形成轻掺杂区，从而限定该设备的作用区。该光电场本质上与该作用设备区内的自由载流子浓度区一致。调制信号的应用使得自由载流子同时在该介质的两侧同步积累、损耗或反向，从而高速工作。
Ansheng Liu等发表的“Scaling the Modulation Bandwidth andPhase Efficiency of a Silicon Optical Modulator”，IEEE Journal ofselected topics in quantum electronics，卷11，No.2，2005年3/4月，公开了一种使用MOS电容器的类似方案。该出版物公开了一种基于包含MOS电容器的硅波导移相器的全硅光调制器。该出版物公开了如下内容：缩小波导尺寸以及减小栅氧化物层厚度能显著提高相位调制效率，因为该MOS电容器的电压感应电荷层的光场增强了，而这又导致折射率的变化，并且由此因自由载流子分散效应而改变了硅中的相位。
Ling Liao等发表的“Phase Modulation Efficiency and TransmissionLoss of Silicon Optical Phase Shifters”，IEEE Journal of QuantumElectronics，卷41，No.2，2005年2月，公开了另一种使用MOS电容器的方案。该出版物集中于分析基于MOS电容器的波导移相器的相位调制效率和光损失。在该出版物中，总共构造了9种使用多晶硅并且其特征在于波长为1.55μm左右的设计方案。详细的设计参数对照显示，减小波导尺寸、将电容器的栅极氧化物放置在光学模式中心附近以及减少氧化物厚度都显著提高了相位调制效率。
Xiaoguang Tu等发表的“A High-performance Si-based MOSElectrooptic Phase Modulator With a Shunt-Capacitor Configuration”，Journal of Lightwave Technology，卷24，No.2，2006年2月，公开了又一种使用MOS电容器的方案。该出版物提出通过引入两个介电层以及使用高封闭波导设计来加强光重叠。在长度为1cm的设备上加压1V时，为实现180度或π相移，其VπLπ品质因数近似为1.0Vcm。该出版物公开了一种包括集成于一个SOI波导上的两个旁路氧化物层电容器的新颖的硅基MOS电光相位调制器。通过在该电极上施加正偏置而产生的自由载流子分散效应改变该两个栅极氧化物层附近的折射率。已经完成了结合了光导模式传播特性的自由载流子分布的理论计算，并且分析了诸如作用区的宽度和掺杂等级等结构参数的影响。
K.E.Moselund等发表的“Compact gate-all-around silicon lightmodulator for ultra high speed operation”，Sensors and ActuatorsA130-131，220-227页，2006也通过提出一种全环栅极(GAA)亚微米级波导试图增强光重叠并且获得了～0.45Vcm的VπLπ。该出版物公开了一种由被薄栅极氧化和多晶硅栅极包围的硅纳米线(Si-NW)组成的GAA MOS电容器。光在整个GAA结构中传播，而不仅仅是在Si-NW中传播。
C.A.Barrios等发表的“Modeling and analysis of high-speedelectro-optic modulation in high confinement silicon waveguides usingmetal-oxide-semiconductor configuration”，Journal of Applied Physics，卷96，No.11，2004年12月，公开了又一种使用MOS电容器的方案。该出版物对一种使用了MOS结构的硅电光波导调制器的电学和光学特性进行了分析。在不同的MOS二极管工作模式和不同的栅极氧化厚度下对该设备的性能进行了研究。该波导调制器的结构由一个长宽比较高的肋状SOI波导组成，其具有限定在肋的每一侧的板中的高掺杂区。多晶硅层充当栅电极，而位于侧面的高掺杂区充当地电极。位于上方的SiO2包覆层覆盖所述整个结构。
发明内容
本发明的一个实施例中提供一种电光设备。该电光设备包括：绝缘层，沉积于该绝缘层上方并掺杂有第一传导类型掺杂原子的第一半导体区，沉积于该绝缘层上方并掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体区，以及沉积于该绝缘层上方且位于该第一半导体区和第二半导体区之间的电光作用区。该电光作用区包括掺杂有该第一传导类型掺杂原子的第一半导体部分作用区，掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体部分作用区，以及位于该第一半导体部分作用区和第二半导体部分作用区之间的绝缘结构，其中，该绝缘结构垂直于该绝缘层的表面延伸，使得该第一半导体部分作用区与第二半导体部分作用区在垂直于该绝缘层表面的方向上不存在重叠。
在本发明的一个实施例中提供了一种制备电光设备的方法。该方法包括：在一绝缘层上形成掺杂有第一传导类型掺杂原子的第一半导体区，在该绝缘层上形成掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体区，以及在该绝缘层上以及该第一半导体区和该第二半导体区之间形成一电光作用区。形成该电光作用区包括：形成一个掺杂有第一传导类型掺杂原子的第一半导体部分作用区，形成掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体部分作用区，以及在该第一半导体部分作用区和该第二半导体部分作用区之间形成绝缘结构，其中，该绝缘结构垂直于该绝缘层的表面延伸，使得该第一半导体部分作用区与第二半导体部分作用区在垂直于该绝缘层表面的方向上不存在重叠。
附图说明
在附图中，不同视图的相同的引用符号指代同一部件。该附图未必用于缩放，重点通常反而在于例示本发明的原理。在下面的说明中，将参照下面的附图描述本发明的多个实施，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的电光设备的剖视图；
图2A-2Q示出了例示根据本发明的实施例的电光设备和光探测器的制备过程的各个顶视图和剖视图；
图3示出了例示根据本发明的实施例的电光设备的制备方法的流程图；
图4A-4D示出了根据本发明的实施例的使用不同掺杂方案的电光设备的剖视图；
图5示出了根据本发明的实施例的电光设备的横向电(TE)光强图；
图6示出了根据本发明的实施例的在肋状物的高度的中间处水平切开时的光学模式分布概要载流子积累和消耗的图；
图7示出了根据本发明的实施例的效率和VπLπ对Vd的变化的图；
图8A示出了根据本发明的实施例的速度对板掺杂浓度的图；图8B示出了根据本发明的实施例的DC损耗板对层掺杂浓度的图。
具体实施方式
虽然已经结合具体实施例详细示出并描述了本发明的实施方式，本领域的技术人员应该能理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，还可以做出很多形式上和细节上的变化。因此，本发明的范围由所附权利要求书所限定，并且在所述权利要求书的等同物的含义和范围的范围内的所有改进因此也被包含在内。
在本发明的一个实施例中，提供了一种能够同时获得高相位效率和高速度的电光设备。
图1示出了根据本发明的一个实施例的电光设备100的剖视图。该电光设备100包括一个起始绝缘层102或介电层。该绝缘层102可以是氧化物层，例如二氧化硅(SiO2)，或隐埋氧化物层。不过，其它任何适用的绝缘材料都可以用于该绝缘层102。该电光设备100还包括沉积于该绝缘层102上方并掺杂有第一传导类型掺杂原子的第一半导体区域104以及沉积于该绝缘层102上方并掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体区106。典型地，该第一半导体区104为体硅(Si)基底(或晶片)并且该第二半导体区106为多晶硅(poly-Si)。不过，根据所选择的设备构造处理技术，该第一半导体区104也可以为poly-Si并且该第二半导体区域106也可以为块Si基底。其它任何适用的半导体材料都可以用于该第一半导体区104和第二半导体区106。典型地，该第一传导类型为p传导类型并且该第二传导类型为n传导类型。尽管如此，只要该第一和第二传导类型因所选择的电偏置条件而不同时，该第一传导类型也可以为n传导类型并且该第二传导类型也可以为p传导类型。
该电光设备100进一步包括沉积于该绝缘层102上方且位于该第一半导体区域104和第二半导体区域106之间的电光作用区108。该电光作用区108包括掺杂有第一传导类型掺杂原子的第一半导体部分作用区110，掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体部分作用区112，以及位于该第一半导体部分作用区110和第二半导体部分作用区112之间的绝缘结构114，其中，该绝缘结构114垂直于该绝缘层102的表面延伸，使得该第一半导体部分作用区110与第二半导体部分作用区112在垂直于该绝缘层102表面的方向上不存在重叠。该绝缘结构114自该绝缘层102的表面经过该电光作用区108延伸至该电光作用区108的顶部。该第一半导体部分作用区110与该第一半导体区104电接触，并且该第二半导体部分作用区112与该第二半导体区106电接触。
该电光作用区108具有一肋状物，其相对于该绝缘层102的表面具有高于该第一半导体区104和第二半导体区106的高度。该电光作用区108的宽度用W表示，宽度范围为大约1000A至7000A，并且其高度用H表示，高度范围为大约1000A至4000A。典型的W/H可以为4000A/2500A。该第一半导体区域104的宽度用Warm1表示，宽度范围为大约0A至3000A，并且该第二半导体区106的宽度用Warm2表示，宽度范围也为大约0A至3000A。臂长的选择为从接近光学轮廓的中心位置到高掺杂物区域的电阻相关值(concern)和光损耗之间。该第一半导体区104和第二半导体区106的高度用h表示，高度范围为大约1000A至7000A。
典型地，该第一半导体部分作用区110与该第一半导体区104为相同材质并且该第二半导体部分作用区112与该第二半导体区106为相同材质。典型地，该第一半导体部分作用区110与该第一半导体区104一样为体硅(Si)基底(或晶片)并且该第二半导体部分作用区112与该第二半导体区106一样为多晶硅(poly-Si)。不过，该第一半导体部分作用区110也可以为poly-Si并且该第二半导体部分作用区112也可以为块Si基底。其它任何适用的半导体材料都可以用于该第一半导体部分作用区110和第二半导体部分作用区112。
该绝缘结构114可以为介电层或氧化物层，例如SiO2。不过，其它任何适用的绝缘材料都可以用于该绝缘结构114。该绝缘结构114在自该第一半导体部分作用区110至该第二半导体部分作用区112的方向上具有用Tox表示的2nm左右至50nm左右范围内的厚度，典型地，该厚度介于5nm至30nm之间。该电介质应该能够以电学方式促使载流子密度发生变化，从而使其有效地积累或消耗，而对导光的光损耗很小。
该第一半导体区104进一步与一具有相应的传导性类型的电极116相接触，并且该第二半导体区106也进一步与一具有相应的传导性类型的电极118相接触。
该电光设备100进一步包括一氧化物包覆层120，其覆盖该电极116，118、该第一和第二半导体区104，106、该第一和第二半导体部分作用区110，112以及该绝缘结构114。典型地，该氧化物包覆层120为SiO2，但是其它任何适用的绝缘材料都可以用于该氧化物包覆层120。该包覆层用于提供包覆物至波导或移相器材料之间的足够的折射率比，这样光可以被限制并且由此在较低的传播损耗和最小的传播缺失的情况下有效地被导入该包覆层内。空气具有较大的折射率比，但在实际的设备应用中，仍需要该结构作为机械周边用于进一步的设备集成。氧化物具有较小的折射率并且通常用作包覆层以及电绝缘膜以便与用作偏压的电子电极相接触。
图2A-2Q示出了例示根据本发明的实施例的电光设备200和光探测器202的制备过程的各个顶视图和剖视图，其中，两个设备都是一体式的。
图2A示出了起始半导体基底204。作为示例，该起始半导体基底204为绝缘体上覆硅(SOI)结构。该SOI结构204包括一半导体设备层206，其通过一隐埋氧化(BOX)层210或一绝缘层垂直地与一支撑基底208分离。该绝缘层210将该设备层206与该支撑基底208电绝缘。该SOI结构204可以由诸如晶片键合或注氧隔离(SIMOX)技术的任意标准工艺制成。
在图2A中例示出的本发明的实施例中，该设备层206典型地为块Si，但其也可以由任何适用的半导体材料制成，包括但不限于poly-Si、砷化镓(GaAs)、锗(Ge)或硅锗(SiGe)。该设备层206的厚度典型地介于但不限于2nm左右至1μm左右之间。该支撑基底208可以由任何适用的半导体材料制成，包括但不限于Si、蓝宝石、多晶硅(polysilicon)、二氧化硅或氮化硅(Si3N4)。该支撑基底208的厚度典型地介于500μm左右至1000μm左右之间。典型地，该厚度由晶片的尺寸决定。典型地，该绝缘层210为对硅酸乙酯(TEOS)、硅烷(SiH4)或硅的热氧化、玻璃、氮化硅(Si3N4)或碳化硅进行处理而获得的SiO2。典型地，该绝缘层210的厚度介于但不限于500A左右至5μm左右的范围内。优选更薄的绝缘层用于上述结构中被导入该波导内的光的光限制。
接下来，图2B示出了沉积于该半导体设备层206上的介电层212.该介电层212可以为氧化物层，例如约100Armstrong的SiO2作为硬掩膜层沉积前的垫氧化物层。不过，其他任何绝缘材料都可以用于该介电层212。然后对该半导体设备层206掺杂p型杂质，例如硼(B)，以使该半导体设备层呈现为p型。硼的植入量的一些例子分别为6E12，60KeV；4E12，20Kev；3E12，100Kev。植入操作后存在退火步骤以激活该植入物。这一步骤之后为光阻去除(PRS)和湿清洁。
随后，图2C示出了沉积于该介电层212上的Si3N4硬掩膜层214。该Si3N4硬掩膜层214在随后的蚀刻步骤中保护该介电层212。
图2D至2Q示出了对电光设备200沿线A-A所做的剖视图和对电光设备202沿线B-B所做的剖视图。
图2D中，该Si3N4硬掩膜层214上沉积有光阻剂层(未示出)。然后通过标准光刻工艺将该光阻剂层图形化以形成硅波导216。随后，将该图形化的光阻剂层用作掩膜，该硬掩膜214的未被该光阻剂掩膜覆盖的部分经诸如反应离子刻蚀(RIE)的各向异性刻蚀处理后被蚀刻掉。然后，该介电层和该硅设备层206也经刻蚀形成硅波导216。这一步骤之后为PRS和湿清洁。
在图2E中，氧化物层218，例如SiO2，热生长为垂直栅极绝缘层以将一poly-Si层220与Si设备层206完全绝缘。接下来，poly-Si层220沉积在该Si3N4硬掩膜层214和该绝缘层210上方。随后，对该poly-Si220掺杂n型杂质，该杂质与该被掺杂的Si设备层206具有相反的传导性类型。通过植入或扩散完成掺杂过程。n型杂质的一些例子包括砷(As)和磷(p)。
在图2F中，该poly-Si层220上沉积有一光阻剂层(未示出)。然后通过标准光刻工艺将该光阻剂层图形化以形成poly-Si波导222。随后，将该图形化的光阻剂层用作掩膜，poly-Si 220的未被该掩膜覆盖的部分经诸如RIE的各向异性刻蚀处理后被蚀刻掉以形成该poly-Si波导222。
在图2G中，该poly-Si 220、Si3N4214和绝缘层210上方沉积有一介电层224。典型地，该介电层224为但不限于SiO2。
接下来，在图2H中，该介电层224上方沉积有一光阻剂层(未示出)并且形成有一Si波导反向掩膜图案。然后将该图形化的光阻剂层用作掩膜，对该介电层224进行刻蚀，并进行湿清洁处理。
在图2I中，对该poly-Si 220层进行化学机械抛光处理，使得大约500Armstrong的Si3N4层214被保留。然后通过湿清洁移除该Si3N4层214。
在图2J中，为该电光设备200或调制器刻蚀出N+区226和P+区228，并植入各自的n型和p型掺杂物。
然后在图2K中，为光探测器的Ge窗口的随后的选择性生长沉积一介电层230。
在图2L中，该光探测器的Ge窗口232被打开。并且在图2M中，Ge外延234在该光探测器的Ge窗口232中选择性生长。然后在图2N中，各n型和p型掺杂物被植入该Ge外延234内以形成各N+区236和P+区238。这一步骤之后是退火。
在图2O中，沉积有一厚介电层或绝缘结构240用于波导包覆，例如SiO2。然后在图2P中，将调制器接触空穴242和光探测器接触空穴244图形化。这一步骤之后是刻蚀和湿清洁。
最后，在图2Q中，在该接触空穴242和244中分别沉积有金属层246。该金属层246通常为氮化钛(TiN)或铝(Al)。然后将诸如该绝缘结构240上方所示出的的层的金属垫图形化。这一步骤之后是刻蚀和湿清洁。然后制备完成。
图3示出了例示根据本发明的一个实施例的电光设备的制备方法的流程图。该方法300由具有起始半导体基底204的302开始。然后在304中，在该半导体基底204上沉积一介电层212。进一步，在306中，在该介电层212上沉积一Si3N4硬掩模层214。接下来，在308中，在该Si3N4硬掩模层214上沉积一光阻剂层。使用光刻蚀工艺将该光阻剂层图形化以形成硅导波图案。将该图形化光阻剂层用作掩膜，将Si3N4硬掩模中未被该光阻剂掩膜覆盖的部分刻蚀掉。然后，该介电层212和Si设备层206也经刻蚀以形成硅波导216。这一步骤之后是PRS和湿清洁。然后在310中，氧化物层218热生长，紧接着进行poly-Si 220沉积和poly-Si层掺杂处理。在312中，形成poly-Si波导图案222，并在Si3N4硬掩模214和介电层210上沉积聚乙烯蚀刻蚀刻阻止层。在314中，进一步沉积一介电层224。然后316中，在该介电层224上将波导反向掩模图形化。这一步骤之后是刻蚀和湿清洁。在318中，在该poly-Si 220上执行CMP处理并且将该Si3N4硬掩模214湿移除。在320中，刻蚀出电光调制器的N+区226和P+区228，并分别植入n型和p型掺杂原子。在322中，为SEG Ge窗口沉积一介电层230。步骤324中，形成光探测器Ge窗口开口232。然后在326中，Ge外延234在该光探测器锗窗口开口232中生长。然后步骤328中，将各n型和p型掺杂原子植入该光探测器的N+区236和P+区238内。这一步骤之后是退火。步骤330中，为波导包覆沉积一厚介电层240。然后在332中，将调制器接触空穴242和光探测器接触空穴244图形化，之后进行刻蚀和湿清洁处理。最后，在334中，将金属层246沉积进入各接触空穴242和244内。这一步骤之后是将金属垫图形化、刻蚀和湿清洁处理。然后制备完成。
图4A至4D示出了根据本发明的实施例的采用不同的掺杂方案的电光设备的各个剖视图。该第一半导体部分作用区402包括第一掺杂区406和第二掺杂区408，并且该第二半导体部分作用区404包括第一掺杂区410和第二掺杂区412。该第一掺杂区406和410被限定为一邻近于该绝缘结构的垂直拉长的区，并且该第二掺杂区408和412被限定为更邻近各自的第一半导体区414和第二半导体区416的水平拉长的区域。
典型地，各第一和第二半导体部分作用区402和404的第一掺杂区406和410通常具有与该第一和第二半导体部分作用区402和404相近的高度。典型地，该高度在100至500A的范围内。典型地，各第一和第二半导体部分作用区402和404的第一掺杂区406和410具有在自该绝缘结构418的方向上延伸而出的0nm至300nm范围内的厚度或宽度。
典型地，各第一和第二半导体部分作用区402和404的第二掺杂区408和412具有与该第一和第二半导体区414和416相近的高度。典型地，该高度在250A至1000A的范围内。此外，各第一和第二半导体部分作用区402和404的第二掺杂区408和412具有在自该绝缘结构418的方向上延伸而出、与该第一和第二半导体部分作用区402和404相近的厚度或宽度。典型地，各第一和第二半导体部分作用区402和404的第二掺杂区408和412的宽度在0至3000A的范围内。
图4A示出了该第一半导体部分作用区402的第一掺杂区406的一部分和第二掺杂区域408的一部分在交集处重叠。类似，该第二半导体部分作用区404的第一掺杂区410的一部分和第二掺杂区412的一部分在交集处重叠。
该第一半导体部分作用区402的第一掺杂区406和第二掺杂区408的掺杂浓度高于该第一半导体部分作用区402的剩余区域的掺杂浓度。类似地，该第二半导体部分作用区404的第一掺杂区410和第二掺杂区412的掺杂浓度高于该第二半导体部分作用区404的剩余区域的掺杂浓度。
该第一半导体部分作用区402的第一掺杂区406和第二掺杂区408具有与该第一半导体区414相同的掺杂浓度。类似地，该第二半导体部分作用区404的第一掺杂区410和第二掺杂区412具有与该第二半导体区416相同的掺杂浓度。
该第一半导体部分作用区402的第一掺杂区406和第二掺杂区408以及该第一半导体区414具有与该第二半导体部分作用区404的第一掺杂区410和第二掺杂区412以及该第二半导体区416相近的掺杂浓度。高掺杂的目的是为了减少接触电阻和层电阻。
该第一半导体部分作用区402的第一掺杂区406和第二掺杂区408以及该第一半导体区414的掺杂浓度在1019cm-3至1020cm-3的范围内。该第二半导体部分作用区404的第一掺杂区410和第二掺杂区412以及该第二半导体区416的掺杂浓度在1017cm-3至1019cm-3的范围内。掺杂区406、408、410，412为载流子从接触位置至该第一半导体部分作用区402和第二半导体部分作用区404更快速地流入流出提供了低阻路径，为SiO2界面处的累积更高的载流子浓度提供了来自本体(即，邻近于该垂直电介质的区域，418)的更丰富的载流子源存储量，并且由此更好的改变了相位变化。
图4B示出了第一半导体部分作用区402的第二掺杂区408的掺杂浓度高于该第一半导体部分作用区402的剩余区域的掺杂浓度。类似地，该第二半导体部分作用区404的第二掺杂区412的掺杂浓度高于该第二半导体部分作用区404的剩余区域的掺杂浓度。
该第一半导体部分作用区402的第二掺杂区408具有与该第一半导体区414相同的掺杂浓度。类似地，该第二半导体部分作用区404的第二掺杂区412具有与该第二半导体区416相同的掺杂浓度。可以使用不同的掺杂方案并且进行特定优化。稍后还可以引入分级浓度曲线以将电阻最优化并且将影响第一半导体部分作用区402或绝缘结构418或第二半导体部分作用区404中的光传输的传播损耗的掺杂物减少到最少。
该第一半导体部分作用区402的第二掺杂区408以及该第一半导体区414具有与该第二半导体部分作用区404的第二掺杂区412以及该第二半导体区416相近的掺杂浓度。
该第一半导体部分作用区402的第二掺杂区408以及该第一半导体区414的掺杂浓度在1016cm-3至1020cm-3的范围内。该第二半导体部分作用区404的第二掺杂区412以及该第二半导体区416的掺杂浓度在1016cm-3至1020cm-3的范围内。
图4C示出了第一半导体部分作用区402的第一掺杂区406的掺杂浓度高于该第一半导体部分作用区402的剩余区域的掺杂浓度。类似地，该第二半导体部分作用区404的第一掺杂区410的掺杂浓度高于该第二半导体部分作用区404的剩余区域的掺杂浓度。
该第一半导体部分作用区402的剩余区域具有与该第一半导体区414相同的掺杂浓度。类似地，该第二半导体部分作用区404的剩余区域具有与该第二半导体区416相同的掺杂浓度。
该第一半导体部分作用区402的第一掺杂区406的掺杂浓度接近但区别于该第二半导体部分作用区404的第一掺杂区410的掺杂浓度。
该第一半导体部分作用区402的第一掺杂区406中的掺杂浓度在1016cm-3至1020cm-3的范围内。该第二半导体部分作用区404的第一掺杂区410的掺杂浓度在1019cm-3至1020cm-3的范围内。
图4D示出了该第一半导体区414的掺杂浓度高于该第一半导体部分作用区402的掺杂浓度。类似地，该第二半导体区416的掺杂浓度高于该第二半导体部分作用区404的掺杂浓度。
实验结果
采用一种二维电子仿真包Avant！MEDICI模拟施加有任何偏置的波导内的电学特性。所提出的电光设备或调制器将在纯消耗模式下工作。该设备的仿真建议平带电压为VFB＝0.93V。其中，硅介质和氧化物介质各自的击穿电场为大约3.0e5Vcm-1和5.5e6Vcm-1，仿真建议消耗模式下的最小Vd为0.15V，由硅击穿效应限定。
图5示出了根据本发明的实施例的电光设备的横向电(TE)光强图500。局部掺杂模式致使高掺杂带与除该介电层外的最高光强区域的较薄的部分重叠。而较高的掺杂浓度可以产生更高的运行速度以及更好的相位效率，载流子吸收损耗也将增加。完成了包括瞬时速度分析、相位效率分析和损耗分析的三级分析，且除介电层外，还采用了约25nm的最优掺杂带厚度。
图6示出了根据本发明的一个实施例的在肋状物的高度的中间处水平切开时的光学模式分布概要对载流子积累和消耗的图600。该肋状物波导中心宽度为大约0.45μm。曲线602表示光学模式分布。曲线604表示Vd＝VFB＝0.93V时的直流(DC)载流子累积。氧化物边缘附近的载流子波峰是由采用了图4D中的掺杂方案的高掺杂带产生的。因为有效的载流子调制区域较窄，载流子主要向该氧化物边缘聚集。
曲线606表示Vd＝0.15V时的载流子消耗概要。在Vd＝0.15V时，左侧的空穴和右侧的电子被耗尽，在该氧化物边缘附近形成槽。这显然是因为在最高光强区域附近发生了载流子调制。在图6中，最强的TE电场区域与垂直的氧化物位置一致。
图7示出了根据本发明的实施例的效率和VπLπ分别对Vd的变化的图。曲线702表示效率相对Vd的变化，704表示VπLπ对Vd的变化。图7中，VπLπ的品质因数为0.36Vcm(Lp或Vp的定义是指在VP的偏置下，为获得Pi的总相移，光在波导内的传播距离，这样，MZI的输出处的光界面将被取消以生成信号0)，此时Vπ≈Vd-VFB。VπLπ的这一值意味着对于0.78Vpp左右的调制信号，设备长度Lπ仅为4.5nm左右(MZI结构的输出处光强由最高至最低)。图7中示出，VπLπ的值随着|Vd-VFB|的值的增加而增加。由此可以将该品质因数的值改进为在Vd为0.8V左右时降低到0.1Vcm，然而传输损耗将会很高。经计算，Vd＝0.15V时DC损耗为11dB/Lπ(每Lπ)。多晶硅损耗占11dB/Lπ中的约6.7dB/Lπ，表现为DC损耗的60％。这一结果是在多晶硅具有大约50dB/cm的损耗率的假设条件下得出的。因此，可以清楚地看出，减少多晶硅损耗对于改善传输损耗是必不可少的。还可以通过将多晶硅置换为单晶硅来减小这一数值，其有可能将总损耗减少到小于5dB/Lπ左右。Vd＝0.15V时，将每Lπ的电压依赖损耗(VDL)的仿真值设为-1.5dB/Lπ左右，由于载流子撤离效应，其为负值。由于该数值小于DC损耗，减少损耗的关键仍在于改进Poly-Si的品质或置换多晶硅。
为了对结构的瞬时反应进行仿真，在p侧电极上施加Von＝0.15V并且Voff＝VFB＝0.93V的矩形脉冲，并保持n侧电极接地。逐渐上升过程和逐渐下降过程之间的一个100ps的时间间隙产生了一个1/(2*100ps)＝5GHz的伪信号，其高于1MHz以确保不会产生反向。获得了Tr(10-90％)＝4ps以及Tf(10-90％)＝13.5ps的瞬时上升时间，其中，Tr和Tf分别代表上升时间和下降时间。然后根据所示出的方程式(1)可以获得3dB的调制带宽。经计算，固有截止带宽为40GHz。
F 3 dB = 0.70 Tr ( 10 - 90 % ) + Tf ( 90 - 10 % ) [ 20 ] - - - ( 1 )
基于MOS的设备具有DC功率为0的优势。仅在开关过程中消耗功率并且最大理论AC功率发生在最小电阻状态下。由于损耗区将损耗电容而不是电阻，最强损耗状态将具有最低的电阻。在Vd＝0.15V时，经计算，电阻为大约2.74e3Ω.um，并且采用Vpp＝2*Vss＝0.93V-0.15V，最大理论AC功率可以确定为Pac＝1/2*Vss2/Rlowest＝1/2*(1/2*(0.93V-0.15V))2/(2.74e3Ω.um)＝2.7755e-5W/um。对于约4.5mm的相移距离Lπ来说，最大理论Pac近似为0.125W。
图8A示出了根据本发明的实施例的速度对板掺杂浓度的图。曲线802表示载流子积累速度对板浓度，曲线804表示载流子消耗速度对板浓度。各曲线802和804显示，使用载流子消耗模式，设备能够具有达到或超过80GHz的很高的速度，但使用积累模式时仍能获得高于20GHz的速度。由消耗获得的高速通常被理解为归因于额外的连续模式消耗电容所导致的总有效电容的降低。
图8B示出了根据本发明的实施例的DC损耗对(vs)板掺杂浓度的图。曲线808表示载流子积累的DC损耗对(vs)板浓度，曲线810表示载流子消耗的DC损耗对(vs)板浓度。图8B显示了由掺杂物载流子吸收机制产生的高损耗的代价与更高速度性能之间的权衡。

Claims (56)

1.一种电光设备，包括：
绝缘层；
沉积于所述绝缘层上方并掺杂有第一传导类型掺杂原子的第一半导体区；
沉积于所述绝缘层上方并掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体区；
沉积于所述绝缘层上方且位于所述第一半导体区和所述第二半导体区之间的电光作用区，所述电光作用区包括：
掺杂有所述第一传导类型掺杂原子的第一半导体部分作用区；
掺杂有所述第二传导类型掺杂原子的第二半导体部分作用区；
位于所述第一半导体部分作用区和所述第二半导体部分作用区之间的绝缘结构，其中，所述绝缘结构垂直于所述绝缘层的表面延伸，使得所述第一半导体部分作用区和所述第二半导体部分作用区在垂直于所述绝缘层表面的方向上不存在重叠。
2.一种电光设备，包括：
绝缘层；
沉积于所述绝缘层上方并掺杂有第一传导类型掺杂原子的第一半导体区；
沉积于所述绝缘层上方并掺杂有第二传导类型掺杂原子的第二半导体区；
沉积于所述绝缘层上方且位于所述第一半导体区和所述第二半导体区之间的电光作用区，所述电光作用区包括：
掺杂有所述第一传导类型掺杂原子的第一半导体部分作用区；
掺杂有所述第二传导类型掺杂原子的第二半导体部分作用区；
位于所述第一半导体部分作用区和所述第二半导体部分作用区之间的绝缘结构，其中，所述绝缘结构自所述绝缘层的表面经过所述电光作用区延伸至所述电光作用区的顶部。
3.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述绝缘层为氧化物层。
4.如权利要求3所述的电光设备，
其中，所述氧化物层为二氧化硅层。
5.如权利要求3所述的电光设备，
其中，所述氧化物层为隐埋氧化物层。
6.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体区由硅制成。
7.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体区由多晶硅制成。
8.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一传导类型为p传导类型。
9.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二传导类型为n传导类型。
10.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述电光作用区具有肋状物，其相对于所述绝缘层的表面具有高于所述第一半导体区和所述第二半导体区的高度。
11.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体部分作用区与所述第一半导体区电接触。
12.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体部分作用区与所述第二半导体区电接触。
13.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体部分作用区由硅制成。
14.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体部分作用区由多晶硅制成。
15.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述绝缘结构在从所述第一半导体部分作用区至所述第二半导体部分作用区的方向上具有2nm左右至50nm左右范围内的厚度。
16.如权利要求15所述的电光设备，
其中，所述绝缘结构在从所述第一半导体部分作用区至所述第二半导体部分作用区的方向上具有5nm左右至30nm左右范围内的厚度。
17.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区具有与所述第二掺杂区大致相同的掺杂浓度。
18.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区具有与所述第二掺杂区大致相同的掺杂浓度。
19.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂浓度低于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
20.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂浓度低于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
21.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
22.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
23.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体区的掺杂浓度高于所述第一半导体部分作用区的掺杂浓度。
24.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体区的掺杂浓度高于所述第二半导体部分作用区的掺杂浓度。
25.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体区的掺杂浓度为1017cm-3左右。
26.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第一半导体区的掺杂浓度为1018cm-3左右。
27.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体区的掺杂浓度为1017cm-3左右。
28.如权利要求1或2所述的电光设备，
其中，所述第二半导体区的掺杂浓度为1018cm-3左右。
29.一种电光设备的制备方法，所述方法包括：
在绝缘层上形成第一半导体区并且掺杂所述第一传导类型掺杂原子；
在所述绝缘层上形成第二半导体区并且掺杂所述第二传导类型掺杂原子；
在所述绝缘层上以及在所述第一半导体区和所述第二半导体区之间形成电光作用区，形成所述电光作用区包括：
形成掺杂有所述第一传导类型掺杂原子的第一半导体部分作用区；
形成掺杂有所述第二传导类型掺杂原子的第二半导体部分作用区；
在所述第一半导体部分作用区和第二半导体部分作用区之间形成绝缘结构，其中，所述绝缘结构垂直于所述绝缘层的表面延伸，使得所述第一半导体部分作用区和所述第二半导体部分作用区在垂直于所述绝缘层表面的方向上不存在重叠。
30.一种电光设备的制备方法，所述方法包括：
在绝缘层上形成第一半导体区并且掺杂第一传导类型掺杂原子；
在所述绝缘层上形成第二半导体区并且掺杂第二传导类型掺杂原子；
在所述绝缘层上以及在所述第一半导体区和所述第二半导体区之间形成电光作用区，形成所述电光作用区包括：
形成掺杂有所述第一传导类型掺杂原子的第一半导体部分作用区；
形成掺杂有所述第二传导类型掺杂原子的第二半导体部分作用区；
在所述第一半导体部分作用区和所述第二半导体部分作用区之间形成绝缘结构，其中，所述绝缘结构自所述绝缘层的表面经过所述电光作用区延伸至所述电光作用区的顶部。
31.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述绝缘层为氧化物层。
32.如权利要求31所述的方法，
其中，所述氧化物层为二氧化硅层。
33.如权利要求31所述的方法，
其中，所述氧化物层为隐埋氧化层。
34.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体区由硅制成。
35.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体区由多晶硅制成。
36.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一传导类型为p传导类型。
37.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二传导类型为n传导类型。
38.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述电光作用区具有肋状物，其相对于所述绝缘层的表面具有高于所述第一半导体区和所述第二半导体区的高度。
39.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体部分作用区与所述第一半导体区电接触。
40.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体部分作用区与所述第二半导体区电接触。
41.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体部分作用区由硅制成。
42.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体部分作用区由多晶硅制成。
43.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述绝缘结构在从所述第一半导体部分作用区至所述第二半导体部分作用区的方向上具有2nm左右至50nm左右范围内的厚度。
44.如权利要求43所述的方法，
其中，所述绝缘结构在从所述第一半导体部分作用区至所述第二半导体部分作用区的方向上具有5nm左右至30nm左右范围内的厚度。
45.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区具有与所述第二掺杂区大致相同的掺杂浓度。
46.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区具有与所述第二掺杂区大致相同的掺杂浓度。
47.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂浓度低于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
48.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂浓度低于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
49.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
50.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体部分作用区包括第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂浓度高于所述第二掺杂区的掺杂浓度。
51.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体区的掺杂浓度高于所述第一半导体部分作用区的掺杂浓度。
52.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体区的掺杂浓度高于所述第二半导体部分作用区的掺杂浓度。
53.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体区的掺杂浓度为1017cm-3左右。
54.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第一半导体区的掺杂浓度为1018cm-3左右。
55.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体区的掺杂浓度为1017cm-3左右。
56.如权利要求29或30所述的方法，
其中，所述第二半导体区的掺杂浓度为1018cm-3左右。
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