CN104393133A - 一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构，包括：P+型掺杂区域设置在一侧外脊区靠边缘部分，并与其上方金属进行欧姆接触；P型掺杂区域设置在与P+型掺杂区域相接的外脊区，并延至内脊区上；N+型掺杂区域设置另一侧外脊区靠边缘部分，并与其上方金属进行欧姆接触；N型掺杂区域设置在与N+型掺杂区域相接的外脊区，并延至内脊区上与P型掺杂区域插指互补；准I型掺杂区域设置在P型掺杂区域和N型掺杂区域间，与P型掺杂区域和N型掺杂区域形成准PIN结，本发明在硅基电光调谐器件的调制器速率、效率和插损方面得到了综合提升，同时降低了成本和离子注入工艺中对掩膜对准精度的要求，有利于器件的大规模制造。

Description

一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构
技术领域
本发明涉及光通信领域的硅基电光调制器，具体涉及一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构。
背景技术
在光通信系统中，可调谐硅基光波导是光关键部件，可以用在光调制器、光开关、路由器、可调光衰减器以及波长可调谐滤波器和激光器等有源光核心器件中。其中，可调谐硅基光波导的高速光调制功能通常基于高速硅基电光效应。
纯净非应变的硅单晶是一种中心反演对称的晶体，所以该硅单晶不存在线性电光效应(Pockels效应)，而硅的二阶电光效应(Kerr效应)和弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldish)效应也极其微弱；即使施加105V/cm的电场，产生的折射率改变仍小于10-5，利用Kerr效应和Franz–Keldysh效应来实现电光调制并不现实。
在硅材料中，最有效的电光效应就是等离子体色散效应，目前，商用化的硅基电光调制器主要通过等离子体色散效应实现。1987年，Soref等人利用克拉莫-克若尼(Kramers-Kronig)关系得出了单晶硅中等离子体色散效应的近似表达式，对于1.31μm波长的光信号，等离子体色散效应表达式为：
Δn = - [ 6.2 × 10 - 22 Δ N e + 6.0 × 10 - 18 ( ΔN h ) 0.8 ] Δα = 6.0 × 10 - 18 Δ N e + 4.0 × 10 - 18 Δ N h - - - ( 1 )
对于1.55μm波长的光，等离子色散关系表达式为：
Δn = - [ 8.8 × 10 - 22 Δ N e + 8.5 × 10 - 18 ( ΔN h ) 0.8 ] Δα = 8.5 × 10 - 18 Δ N e + 6.0 × 10 - 18 Δ N h - - - ( 2 )
其中Δn和Δα分别为自由载流子浓度变化引起的折射率和吸收系数的变化，ΔNe和ΔNh分别为电子和空穴浓度的变化量，单位为cm-3。实际上，光信号的有效折射率变化Δneff还与光场分布相关，其表达式为：
Δneff＝∫∫|E(x,y)|2·Δn(x,y)dxdy   (3)
其中，│E│2为光波导中光场的归一化强度分布，由表达式(3)可知，有效折射率Δneff的大小还取决于光场与载流子浓度变化区的重叠积分。
目前，由于PN结结构的理论调谐速度可达数ps，且加工工艺相对简单，完全与标准CMOS工艺兼容，因而PN结结构成为硅基调制器的最常用结构。基于PN结的硅基调制器是通过在PN结上加载反向偏压，调控PN结界面处的自由空间电荷区的宽度，来达到改变光波导中心处载流子浓度的目的。然而，当PN结的掺杂浓度处于1017～1018cm-3范围时，自由空间电荷区的宽度仅为100nm左右；而普通硅基光波导的宽度约为500nm，光场和自由空间电荷区的这种巨大尺寸失配导致基于反向PN结的硅基调制器的调制效率低下。
前期研究表明，利用插指型的PN结结构可以有效提升调制效率，并能降低对PN结定位精度的要求，但是此结构与普通PN结相比，结界面长度更长，单位长度的电容更大，严重牺牲了器件的调制速率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服基于PN结结构的硅基电光调谐器件难以兼顾调制效率和调制速率的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构，所述掺杂结构集成在一个有源硅基脊型光波导上，其外脊区高度低于内脊区高度，所述掺杂结构包括：
P+型掺杂区域，设置在一侧外脊区靠边缘部分，并与其上方金属进行欧姆接触；
P型掺杂区域，设置在与P+型掺杂区域相接的外脊区，并延至内脊区上；
N+型掺杂区域，设置另一侧外脊区靠边缘部分，并与其上方金属进行欧姆接触；
N型掺杂区域，设置在与N+型掺杂区域相接的外脊区，并延至内脊区上，在内脊区与P型掺杂区域插指互补；
准I型掺杂区域，设置在P型掺杂区域和N型掺杂区域之间，与P型掺杂区域和N型掺杂区域形成准PIN结。
在上述掺杂结构中，所述有源硅基脊型光波导的内脊区高度在300nm～600nm之间。
在上述掺杂结构中，
所述P+型掺杂区域和N+型掺杂区域的掺杂浓度为1019～1021cm-3；
所述P型掺杂区域和N型掺杂区域的掺杂浓度为5×1016cm-3～5×1018cm-3；
所述准I型掺杂区的掺杂浓度低于所述P型掺杂区域和N型掺杂区域的浓度，并在1×1016至5×1017cm-3之间。
在上述掺杂结构中，所述准I型掺杂区域厚度在30～200nm之间。
在上述掺杂结构中，所述准I型掺杂区域是掺杂浓度比所述P型掺杂区域和所述N型掺杂区域低的P型掺杂区域；或者是掺杂浓度比所述P型掺杂区域和所述N型掺杂区域低的N型掺杂区域；或者是掺杂浓度比所述P型掺杂区域和所述N型掺杂区域低的PN结。
在上述掺杂结构中，N型掺杂区域在内脊区与P型掺杂区域插指互补的宽度小于内脊区宽度。
在上述掺杂结构中，所述插指互补的边界形状为矩形、梯形、正弦曲线形、三角型的周期性或者非周期性图形。
本发明通过离子注入工艺在有源硅基脊型光波导内形成准PIN结，并使准I型掺杂区域的掺杂浓度低于P型掺杂区域和N型掺杂区域的浓度，以降低准PIN结电容，提高了器件的本征电学带宽，提升器件的调谐速率；而P型掺杂区域和N型掺杂区域形成插互补结构，该结构使光场可更充分地穿越准PIN结的载流子耗尽区，有助于增强光场与载流子耗尽区之间的空间交叠，增加结界面附近的电场强度，可以有效提高调谐效率。综上所述，应用该掺杂结构的耗尽型硅基电光调制器，在调制器速率、效率和插损方面得到了的综合提升，同时其制作工艺与传统PN结相同，为CMOS兼容的掺杂和退火工艺，且因其在波导中形成迂回结构，降低了离子注入工艺中对掩膜对准精度的要求，降低了成本，有利于器件的大规模制造。
附图说明
图1为本发明提供的一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构的结构图；
图2为采用本发明提供的插指互补的准PIN结与传统PN结的单位长度有源光波导在不同反向偏压下的电光调谐效率；
图3为采用本发明提供的插指互补的准PIN结与传统PN结的单位长度有源光波导在不同反向偏压下的3-dB调制带宽的比较；
图4为本发明中插指互补的边界形状为矩形的实施例一的俯视结构示意图；
图5为本发明中插指互补的边界形状为矩形的实施例一的正视结构示意图；
图6为本发明中插指互补的边界形状为三角形的实施例二的俯视结构示意图；
图7为本发明中插指互补的边界形状为三角形的实施例二的正视结构示意图；
图8为本发明中插指互补的边界形状为梯形的实施例三的俯视结构示意图；
图9为本发明中插指互补的边界形状为梯形的实施例三的正视结构示意图；
图10为本发明中插指互补的边界形状为正弦形的实施例四的俯视结构示意图；
图11为本发明中插指互补的边界形状为正弦形的实施例四的正视结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构，该掺杂结构通过离子注入和快速热退火工艺灌注在一个有源硅基脊型光波导上，该有源硅基脊型光波导的材料通常是SOI(silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)晶圆，其内脊高度在300nm～600nm之间(包含300nm和600nm)，其外脊高度低于内脊高度；通过感应耦合等离子体刻蚀法(ICP)、通过反应离子刻蚀法(RIE)、湿法腐蚀或者热氧化法加工而成。
该掺杂结构包括：
P+型掺杂区域101，设置在一侧外脊区靠边缘部分，掺杂浓度为1019～1021cm-3；
P型掺杂区域102，设置在与P+型掺杂区域101相接的外脊区，并延至内脊区上；其掺杂浓度在5×1016cm-3～5×1018cm-3之间；
N+型掺杂区域105，设置另一侧外脊区靠边缘部分，掺杂浓度为1019～1021cm-3；N+型掺杂区域105和P+型掺杂区域101与上方金属形成欧姆接触，实现电学驱动信号的加载；
N型掺杂区域104，设置在与N+型掺杂区域105相接的外脊区，并延至内脊区上，在内脊区与P型掺杂区域102插指互补，其掺杂浓度在5×1016cm-3～5×1018cm-3之间；在图1中插指互补的宽度小于内脊区宽度；
准I型掺杂区103，设置在P型掺杂区域102和N型掺杂区域104之间，将P型掺杂区域102与N型掺杂区域104分隔开，并与P型掺杂区域102和N型掺杂区域104形成准PIN结，即形成插指型的掺杂结构，由于硅基电光调谐器件的调谐效应基于硅材料的等离子色散效应，而这种插指型的掺杂结构有助于增强光场与载流子耗尽区之间的空间交叠，增加结界面附近的电场强度，从而提高电光调制的调谐效应；准I型掺杂区103的掺杂浓度低于P型掺杂区域102和N型掺杂区域104的浓度，在1×1016至5×1017cm-3之间，其厚度小于内脊区宽度，一般在30～200nm之间，用于增加载流子耗尽区的宽度，有利于降低单位长度的结电容。
在本发明中，准I型掺杂区域103是掺杂浓度比P型掺杂区域102和N型掺杂区域104低的P型掺杂区域；或者是掺杂浓度比P型掺杂区域102和N型掺杂区域104低的N型掺杂区域；或者是掺杂浓度比P型掺杂区域102和N型掺杂区域104低的PN结。
在本发明中，准I型掺杂区103一般通过补偿性离子注入工艺降低PN结界面附近的掺杂浓度来形成；也可以通过错位掺杂将P型掺杂区域102与N型掺杂区域104分开，利用SOI顶硅的本征掺杂浓度来形成；还可以控制退火工艺的温度和时间，通过P型掺杂区域102和N型掺杂区域104边界的离子扩散来形成。
在本发明中，P型掺杂区域102和N型掺杂区域104中的载流子浓度可以通过施加偏压来调谐，从而实现电光调谐功能；当本发明在用于高速电光调制器时可以工作在载流子耗尽区；当用于对速度要求不高的电光调谐器件时可以工作在反向击穿区。
下面通过与传统PN结对比，具体说明本发明在调谐效率以及带宽方面的优势。
如图2所示，为采用本发明提供的插指互补的准PIN结与传统PN结的单位长度有源光波导在不同反向偏压下的电光调谐效率(由单位长度波导产生的相移来衡量)，由图2可知，在插指互补的准PIN结的重复周期、插指宽度、准I区宽度和掺杂浓度经过优化后，插指互补的准PIN结的有源波导的调谐效率比传统PN结高出45％以上。
如图3所示，为采用本发明提供的插指互补的准PIN结与传统PN结的单位长度有源光波导在不同反向偏压下的3-dB调制带宽的比较。由图可知，集成了插指互补的准PIN结的调制器的3-dB带宽会随着反向偏压的增加而提高，而在足够高的偏压下，插指互补的准PIN结与传统PN结的调制带宽相当，而达到该效果的原因是由于准I型区103对PN结的隔离使结电容降低所导致。
在本发明中，插指互补的边界形状具体可以是矩形、正弦形、三角型以及其它任意的周期性或者非周期性图形。
如图4和图5所示，分别为本发明中插指互补的边界形状为矩形的实施例一的俯视和正视结构示意图。其中，401为P+型掺杂区域，402为P型掺杂区域，403为准I型掺杂区域，404为N型掺杂区域，405为N+型掺杂区域，与图1所示结构不同之处在于，矩形的插指互补的结构，其交叠的侧向宽度大于或等于内脊区宽度，其制备工艺和工作机理与图1所述结构类似，不重复说明。
如图6和图7所示，分别为本发明中插指互补的边界形状为三角形的实施例二的俯视和正视结构示意图。其中，501为P+型掺杂区域，502为P型掺杂区域，503为准I型掺杂区域，504为N型掺杂区域，505为N+型掺杂区域，与图1所示结构不同之处在于，由P型掺杂区域502、准I准I型掺杂区域503和型掺杂区域504构成的准PIN结在波导内形成三角形的插指互补的结构，其交叠的侧向宽度可以小于、大于或等于内脊区宽度。其制备工艺和工作机理与图1所述结构类似，不重复说明。
如图8和图9所示，分别为本发明中插指互补的边界形状为梯形的实施例三的俯视和正视结构示意图。其中，601为P+型掺杂区域，602为P型掺杂区域，603为准I型掺杂区域，604为N型掺杂区域，605为N+型掺杂区域，与图1所示结构不同之处在于，由P型掺杂区域602、准I型掺杂区域603和N型掺杂区域604构成的准PIN结在波导内形成梯形的插指互补的结构，其交叠的侧向宽度可以小于、大于或等于内脊区宽度。其制备工艺和工作机理与图1所述结构类似，不重复说明。
如图10和图11所示，分别为本发明中插指互补的边界形状为正弦形的实施例四的俯视和正视结构示意图。其中，701为P+型掺杂区域，702为P型掺杂区域，703为准I型掺杂区域，704为N型掺杂区域，705为N+型掺杂区域。与图1所示结构不同之处在于，由型掺杂区域702、准I型掺杂区域703和N型掺杂区域704构成的准PIN结在波导内形成正弦形的插指互补的结构，其交叠的侧向宽度可以小于、大于或等于内脊区宽度。其制备工艺和工作机理与图1所述结构类似，不重复说明。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构，所述掺杂结构集成在一个有源硅基脊型光波导上，其外脊区高度低于内脊区高度，其特征在于，所述掺杂结构包括：
P+型掺杂区域，设置在一侧外脊区靠边缘部分，并与其上方金属进行欧姆接触；
P型掺杂区域，设置在与P+型掺杂区域相接的外脊区，并延至内脊区上；
N+型掺杂区域，设置另一侧外脊区靠边缘部分，并与其上方金属进行欧姆接触；
N型掺杂区域，设置在与N+型掺杂区域相接的外脊区，并延至内脊区上，在内脊区与P型掺杂区域插指互补；
准I型掺杂区域，设置在P型掺杂区域和N型掺杂区域之间，与P型掺杂区域和N型掺杂区域形成准PIN结。
2.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述有源硅基脊型光波导的内脊区高度在300nm～600nm之间。
3.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，
所述P+型掺杂区域和N+型掺杂区域的掺杂浓度为1019～1021cm-3；
所述P型掺杂区域和N型掺杂区域的掺杂浓度为5×1016cm-3～5×1018cm-3；
所述准I型掺杂区的掺杂浓度低于所述P型掺杂区域和N型掺杂区域的浓度，并在1×1016至5×1017cm-3之间。
4.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述准I型掺杂区域厚度在30～200nm之间。
5.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述准I型掺杂区域是掺杂浓度比所述P型掺杂区域和所述N型掺杂区域低的P型掺杂区域；或者是掺杂浓度比所述P型掺杂区域和所述N型掺杂区域低的N型掺杂区域；或者是掺杂浓度比所述P型掺杂区域和所述N型掺杂区域低的PN结。
6.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，N型掺杂区域在内脊区与P型掺杂区域插指互补的宽度小于内脊区宽度。
7.如权利要求6所述的掺杂结构，其特征在于，所述插指互补的边界形状为矩形、梯形、正弦曲线形、三角型的周期性或者非周期性图形。
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