CN103226252A - 一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构 - Google Patents

一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，该掺杂结构包括一硅基电光调制器调制区波导，该波导为脊型光波导结构，在该波导内分别有第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域，其中在该第二掺杂区域与第三掺杂区域的交界处形成类似U形的PN结电学调制结构，第一掺杂区域和第四掺杂区域分别接金属导线并与高频驱动电路相连接。将该掺杂结构应用到耗尽型硅基电光调制器中，能够提高调制器的调制效率，同时降低载流子吸收损耗。

Description

一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构
技术领域
本发明涉及光互连、高速光调制、光开关等技术领域，特别是一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构。
背景技术
电光调制器是光互连系统中实现电光信号转换的关键器件。随着光互连向电路板间、芯片间甚至芯片内部逐渐渗透，电光调制器也从分立器件逐渐走向集成化。硅基电光调制器具有集成度高，成本低，与传统的CMOS工艺兼容等特点，近年来受到越来越多的关注。
由于硅是中心反演对称晶体，没有线性电光效应，而高阶电光效应又非常微弱，只能通过其他效应来实现光调制。硅的热光系数很大，通过外加热电极改变硅基波导的温度可以改变波导的折射率，能够实现电光信号的转换。但是受限于热扩散的速率，该方式的调制速度较慢，响应时间仅能达到亚微秒量级。因此硅基电光调制器往往利用硅材料中自由载流子的等离子色散效应。这一效应表示为：材料的折射率随材料中的载流子浓度的增大而减小，材料对光场的吸收系数随着载流子浓度的增大而增大。利用这一效应，通过外加电压信号改变硅波导中的载流子浓度，可以改变光在波导中的传输特性，再通过一定的光学结构，如马赫曾德干涉仪(MZI)或者微环谐振腔(MRR)等，便能达到电光调制的目的。
基于绝缘体上的硅(SOI)平台的脊型光波导具有很强的光场限制能力，可以将波导的尺寸降到微米量级以下，同时，它也非常适合于硅材料中的N型和P型杂质掺杂，因此硅基电光调制器往往采用脊型光波导。根据掺杂方式，可以分为P-I-N型和P-N型。P-I-N型结构是基于载流子的注入效应，在波导平板区作P型和N型掺杂，中间脊型区作为I区，在外加正偏电压的作用下，载流子(电子和空穴)从波导两侧的平板区注入到脊型区，从而引起波导有效折射率的变化。基于正偏PIN结的结构其载流子的改变区与光波导中的光场模式有很大的重叠积分，具有较高的调制效率，但是受限于较缓慢的载流子注入过程，调制速率仅仅能达到几GHz。反向电压偏置的P-N型结构是基于载流子的耗尽效应，在波导的平板区和脊型区都做杂质掺杂，脊型区内形成PN结。随着PN结反偏电压的升高，载流子耗尽区越来越大，从而导致波导有效折射率的变化。基于反偏PN结的结构载流子的耗尽速度很快，因此调制速率通常较高，可以达到几十GHz，能应用于高速数据传输。
传统的PN结往往是简单的横向或者纵向平面掺杂结构，然而由于在较高掺杂浓度下载流子耗尽区域的变化很小，其与波导内光场模式的重叠积分也很小，所以调制效率较低。对于MRR型调制器来说，低调制效率意味着在同样的调制信号电压下，很难得到高消光比。对于MZI型调制器来说，低调制效率意味着在同样的信号电压下，若要实现高消光比，只能采用较长的调制臂，而较长的调制臂不仅不利于器件的高密度集成，也会带来电压信号沿着调制臂长度方向的衰减。因此，提高基于反偏PN结电光调制器性能的关键是提高调制区的调制效率。采用提高掺杂浓度的方法可以在一定程度上提高调制效率，然而根据等离子色散效应，高掺杂浓度将会致使载流子吸收损耗的增加，高的吸收损耗对器件同样有非常不利的影响，会对光源和探测器提出更高的要求。为了提高调制效率，目前较流行采用PN结交错排列的插指型电极结构，但是该结构需要高精度套刻工艺，难度较大。因此找到一种在低吸收损耗情况下仍能有高调制效率、而且制备工艺简单易行的电光调制结构至关重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，以提高耗尽型硅基电光调制器调制效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，该掺杂结构包括一硅基电光调制器调制区波导，该波导为脊型光波导结构，在该波导内分别有第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域，其中在该第二掺杂区域与第三掺杂区域的交界处形成类似U形的PN结电学调制结构，第一掺杂区域和第四掺杂区域分别接金属导线并与高频驱动电路相连接。
上述方案中，该波导采用的材料为硅或SOI材料，具有载流子色散效应。
上述方案中，第一、第二、第三、第四掺杂区域分别为P++、P+、N+、N++区。
上述方案中，第一、第二、第三、第四掺杂区域也可分别为N++、N+、P+、P++区。
上述方案中，其光学结构可以采用微环谐振腔或者马赫曾德干涉仪，电光调制器工作在载流子耗尽状态。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，由于调制区内采用类似U形的电学调制结构，增大了波导内载流子耗尽区与波导内光场的重叠积分，提高了耗尽型硅基电光调制器调制区的调制效率；
(2)本发明提供的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，调制区波导脊形区内载流子浓度有所降低，从而降低了调制区的载流子吸收损耗；
(3)本发明提供的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，基于该结构的器件制作工艺与传统的超大规模集成电路CMOS工艺兼容，无需特殊工艺，有利于器件的大规模制造和成本的降低。
附图说明
图1为本发明提供的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构的截面示意图；
图2为本发明所涉及结构在工艺流程仿真后得到的载流子浓度分布图；
图3为本发明所涉及结构在不同光学结构中应用的俯视图；
图4为波导有效折射率的改变值随外加反偏电压的变化；
图5为波导载流子吸收损耗随外加反偏电压的变化。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，是利用载流子色散效应进行电光调制，通过引入一种非平面的类似U型的波导截面掺杂结构，增大了波导中光场模式与载流子耗尽区的重叠积分，与传统的横向或纵向平面掺杂结构相比实现了调制效率的提升。同时，由于杂质掺杂浓度不需要改变，并不引来载流子吸收损耗的增加，相反，由于PN结耗尽层区域的增大，调制区载流子吸收损耗反而有所降低。该结构的制作工艺与传统的CMOS工艺兼容，只需要采用多次离子注入，并控制每次离子注入的剂量和深度即可实现。
请参阅图1所示，本发明涉及一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，包括：一硅基电光调制器调制区波导10，为脊型光波导结构，其具体结构参数由芯片尺寸和刻蚀工艺来定义。在波导10内包含第一掺杂区域111，第二掺杂区域112，第三掺杂区域113和第四掺杂区域114。其掺杂类型分别为P++、P+、N+、N++(或N++、N+、P+、P++)。该第二掺杂区域112和第三掺杂区域113的交界处形成理想上直角U形的PN结电学调制结构115。U形的具体结构由光刻、离子注入来定义。在本实施例中，通过四次不同的离子注入掺杂来实现，首先采用不同剂量的磷离子注入形成N+掺杂区113，注入剂量和对应的注入能量分别为3×1013cm-2(160KeV)、8×1012cm-2(80KeV)、1×1013cm-2(20KeV)；第二次采用硼离子注入形成P+掺杂区112，注入剂量和对应的注入能量为4.5×1013cm-2(60KeV)；第三次采用高剂量的硼离子注入形成P++掺杂区111，注入剂量和对应的注入能量为5×1014cm-2(30KeV)；第四次采用高剂量的磷离子注入形成N++掺杂区114，注入剂量和对应的注入能量为5×1014cm-2(10KeV)；每次离子注入的倾斜和旋转角度都为7°和30°，最终形成如图2所示的实际上为圆角U形的PN结电学调制结构115’。第一掺杂区域111和第四掺杂区域114分别接金属导线并与高频驱动电路11相连。在外加反偏电压的情况下，随着电压的增大，PN结的载流子耗尽区变宽，由于等离子色散作用，光波导的光场模式与波导中的载流子浓度的重叠积分减小，导致波导有效折射率增大，因此通过控制外加电压信号的变化就可以控制波导有效折射率的改变。
图3为本发明所涉及结构在不同光学结构调制器中应用的俯视图，包括微环谐振腔(MRR)和马赫曾德干涉仪(MZI)。MRR调制结构可以采用all-pass型或者add-drop型，由直波导1a、1a’和环形波导1b构成。MZI调制结构由两个耦合器2a、2a’和两个调制臂2b、2b’构成，其中耦合器可以采用Y分支或者多模干涉仪(MMI)。在MRR或者MZI的调制区中采用如图1所示的波导截面结构，在合理设定输入光波长的情况下，调制区有效折射率的改变就会带来输出光强的变化，从而实现电光调制。
图4表示波导有效折射率的改变值随外加反偏电压的变化。在本实施例中，波导脊形区宽度选择500nm，脊形区和平板区的高度分别为220nm和90nm。通过计算机模拟结果可以看出，在同样的掺杂浓度和驱动信号电压下，采用本发明所涉及掺杂结构的调制区其波导有效折射率的改变值要明显大于传统横向PN结结构(W＝0时)，而且U形区的宽度越大，二者的差距越大。由此可以看出本发明所涉及结构在调制效率上的优势。对于MRR型电光调制器来说，较高的调制效率能够使同样输入信号电压的调制器有更大的消光比。对于MZI电光调制器来说，较高的调制效率能够使器件在同样的电压下有更短的器件尺度，从而有利于器件更高的集成度，并能有效减少电压信号沿调制臂的衰减。在载流子吸收损耗方面，根据等离子色散效应，硅材料的载流子吸收系数随载流子浓度的增大而增大。在本发明所提供的结构中，PN结所占波导脊型区的面积要比传统横向PN结型的大，因此在同样的掺杂浓度和驱动信号电压下，其载流子吸收损耗要略小，如图5所示。较低的载流子吸收损耗对电光调制器的性能提高是十分有利的。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，其特征在于，该掺杂结构包括一硅基电光调制器调制区波导，该波导为脊型光波导结构，在该波导内分别有第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域和第四掺杂区域，其中在该第二掺杂区域与第三掺杂区域的交界处形成类似U形的PN结电学调制结构，第一掺杂区域和第四掺杂区域分别接金属导线并与高频驱动电路相连接。
2.根据权利要求1所述的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，其特征在于，该波导采用的材料为硅或SOI材料，具有载流子色散效应。
3.根据权利要求1所述的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，其特征在于，第一、第二、第三、第四掺杂区域分别为P++、P+、N+、N++区。
4.根据权利要求1所述的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，其特征在于，第一、第二、第三、第四掺杂区域分别为N++、N+、P+、P++区。
5.根据权利要求1所述的提高耗尽型硅基电光调制器调制效率的掺杂结构，其特征在于，其光学结构可以采用微环谐振腔或者马赫曾德干涉仪，电光调制器工作在载流子耗尽状态。
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