CN104662456A - 使用半导体的光器件 - Google Patents

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Abstract

根据使用本发明优选实施例的半导体的光器件，基于具有p-n结结构和波导结构的半导体硅能达成光的折射或反射控制。并且，根据使用本发明半导体的光器件，通过使用反射或折射的控制能直接调制光的振幅。根据本发明优选实施例的光器件，包括：第一波导，入射光信号，且按与入射的光信号相同的方向而形成；第二波导，从所述第一波导起形成一定角度；和反射器，根据施加的电压而变化折射率，进而可按所述第一波导或第二波导选择光信号的通路，且与所述第一波导形成一定角度的倾斜角。

Description

使用半导体的光器件
技术领域
本发明涉及一种使用半导体的光器件(optical device)，更具体来讲，涉及一种利用硅材料的反射器，进而能按第一波导(waveguide)或第二波导选择性传送光或光信号的光器件。
背景技术
建议了一种通过控制小角度的反射而调制光信号的光调制器和变换(switching)光通路的光变换器结构(韩国公开专利第10-2010-0066834号，以下“现有发明1”)。但现有发明1中只揭示了使光反射或折射的反射器(reflector)的基本结构，并未揭示基于用于半导体芯片等中的信号传送之半导体器件的结构。
并且，现有发明也大多数建议了在其他半导体中使用最多的硅中用于折射率控制的p-n结(p-n junction)和波导结构(美国授权专利第7,116,853号，美国授权专利第7,751,654号，美国公开专利第2011/0058764号)。这些现有发明的结构以波导内进行的光的速度控制即控制光波的相位(phase)为目的。
发明内容
本发明的目的是要提供一种使用半导体的光器件，其基于具有p-n结结构和波导结构的半导体硅而能达成光的折射或反射控制。
并且，本发明的目的是提供一种使用半导体的光器件，其通过使用反射或折射的控制能直接调制光的振幅(amplitude)。
根据本发明优选实施例的光器件，包括：第一波导，入射光信号，且按与入射的光信号相同的方向而形成；第二波导，从所述第一波导起形成一定角度；和反射器，根据施加的电压而变化折射率，进而可按所述第一波导或第二波导选择光信号的通路，且与所述第一波导形成一定角度的倾斜角，其中，所述反射器是掺杂p型或n型杂质的半导体器件。
具体来讲，优选地，所述反射器包括：第一界面，与所述第一波导至少一部分相接，从而使所述光信号进入；和第二界面，与所述第一波导至少一部分相接，从而使所述光信号传出，为了形成用于所述反射器的电控制的电极，进一步掺杂n+型和p+型杂质。在此，优选地，n+型和p+型意味着相比n型和p型其杂质浓度更高，且n+型掺杂区域与n型掺杂区域相临近，且p+型掺杂区域与p型掺杂区域相临近。
本发明的反射器包括：下部覆层，形成在硅基板上；波导层，形成在所述下部覆层上；第一杂质层，形成在所述波导层的一端；第二杂质层，形成在所述波导层的另一端；上部覆层，形成在所述波导层上；第一电极，贯通所述上部覆层而形成在所述第一杂质层上；第二电极，贯通所述上部覆层而形成在所述第二杂质层上。所述第一杂质层和所述第二杂质层分别是p+型杂质层或n+型杂质层中的任意一个。
具体来讲，所述波导层的竖直方向的剖面包括：第一波导层，沿第一长度的横边和第二长度的纵边而形成；第二波导层，位于所述第一波导层上，沿第三长度的横边和第四长度的纵边而形成，所述第一长度长于所述第三长度。
根据使用本发明优选实施例的半导体的光器件，基于具有p-n结结构和波导结构的半导体硅能达成光的折射或反射控制。
并且，根据使用本发明半导体的光器件，通过使用反射或折射的控制能直接调制光的振幅(amplitude)。
附图说明
图1是根据本发明反射器30的第一动作模式的光通路控制方法的说明图。
图2是根据本发明反射器30的第二动作模式的光通路控制方法的说明图。
图3a至图3h是根据本发明第一实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图4a至图4h是根据本发明第二实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图5a至图5h是根据本发明第三实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图6a至图6h是根据本发明第四实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图7a至图7h是根据本发明第五实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图8a至图8c是根据本发明第六实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图9a至图9h是根据本发明第七实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图10a至图10f是根据本发明第八实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图11a和图11b是适用于本发明第一实施例至第八实施例的波导、覆层(clad)的结构和电极配置相关的示例图。
具体实施方式
以下，参考附图对根据本发明实施例之使用半导体的光器件进行详细说明。
本发明的下述实施例只是用于具体化本发明而不是限制或限定本发明的权利范围。本发明所属技术领域的技术人员从本发明的详细说明和实施例中能很容易得推理出本发明应被认为是属于本发明的权利范围。
硅半导体中的折射率变化具有克尔电光效应(electro-optic Kerreffect)、非线性光学克尔效应(nonlinear optical Kerr effect)、弗朗兹-凯尔迪什效应(Franz-Keldysh effect)、等离子色散效应(plasma dispersion effect)(又称：载流子注入或耗尽效应；carrier injection or depletion effect)、热光效应(thermo-optic effect)等。其中可按p-n型掺杂(doping)和电场(electric field)提供的等离子色散效应由于折射率变化效果相对较大且控制速度高，因此使用最多。当在p-n型掺杂结构中施加电场时虽然也部分地包括弗朗兹-凯尔迪什效应和克尔电光效应，但由于等离子色散效应占主导地位，因此将以等离子色散效应为主来说明本发明的效果。
本发明根据硅半导体中因载流子(carrier)的折射率变化的趋势而说明本说明的功能，但本发明揭示的结构和方法并不局限于硅半导体，也可适用于其他半导体材料。
根据硅半导体中的等离子分散效果，当注入电子(electron)或空穴(hole)时，两种情况相比本征状态(intrinsic state)其折射率全部降低。本发明考虑这种折射率变化效果而揭示了用于使光反射或折射的p-n结结构和电流注入方法。
根据本发明优选实施例的光器件包括：第一波导10，入射光信号且按与入射的光信号相同方向对齐而形成；第二波导20，从第一波导10起形成预定角度；以及反射器30，配置于从第一波导10起第二波导20分支的区域中且根据施加的电压使折射率变化。即，本发明的反射器30作为掺杂p型或n型杂质的半导体器件，根据施加的电压而变化折射率，从而可按第一波导10或第二波导20选择光信号的通路。
具体来讲，反射器30的特征在于包括：第一界面，与第一波导10至少部分相接且接收光信号；和第二界面，与第一波导10至少部分相接且发送光信号，且掺杂n型和p型杂质。优选地，施加于反射器30的电压，通过在与掺杂n型和p型杂质的区域分别相邻的地方形成n+型和p+型杂质掺杂区域以及在形成在n+型和p+型区域上的电极而施加。当n型和p型杂质的浓度足够高时，施加于反射器30的电压可通过形成于n型和p型区域上的电极而施加。在此，本发明的说明中使用的n+型和p+型意味着相比n型和p型其杂质掺杂浓度更高。
本发明的第一波导10可是光直线穿过的主波导(main waveguide)，第二波导20可是光沿小角度偏离的分支波导(branch waveguide)。
在此，本发明中的小角度的含义如下。
当为硅半导体材料时，若掺杂p型或n型杂质，因电子和空穴的载流子，折射率相比本征状态而降低。其结果是，在受体(acceptor)和供体(donor)的浓度为5x1017至1x1020的范围中理论上的折射率相比本征状态的硅(n1约为3.5)降低5x10-4至1x10-1程度。即，掺杂状态的折射率和本征状态的折射率差异为△n＝n1-n2在-0.0005至-0.1范围，且(n1-n2)/n1在-0.00015至-0.03范围。在该范围中临界角为1°至15°范围。在其他材料中因电场或掺杂而引起的折射率变化也并不较大得超过上述折射率变化范围。考虑到在一般使用的材料中也能通过电场而获得的折射率变化范围，临界角可减小至20°以内的范围。因此，在本发明中小角度的反射意味着根据折射率变化能实际获得的全部反射的20°以内范围中的反射，但其并不局限于此。
本发明的光器件根据控制器(未图示)向反射器30施加电信号可使反射器30的折射率变化，通过控制反射和/或折射，能控制光信号的通路。
首先，图1是根据本发明反射器30的第一动作模式的光通路控制方法的说明图。
从图1中可知，本发明的反射器30的第一动作模式的结构用于：使反射器30的折射率nr小于第一波导10和第二波导20的折射率n1(nr<n1)，在与第一波导10至少一部分连接的第一界面中使用光的内部反射(internalreflection)，进而按第二波导20引导(guide)光。并且，在图1的结构中当控制nr使其接近于n1时，光按第一波导10直线穿过。
即，反射器30的第一界面(连接a1和b1的线)是反射光的界面。需要按使第一界面进入第二波导20的孔(aperture)即连接c1和d1的线的内侧而设置反射器30。即，使点b1接近于点d1，或进入连接c1和a1的线内部。第二波导20与第一波导10形成的角度θb等于或大于反射器30与第一波导10形成的角度θr1(θb≥θr1)。
接下来，图2是根据本发明反射器30的第二动作模式的光通路控制方法的说明图。
从图2中可知，本发明的反射器30的第二动作模式的结构用于：使反射器30的折射率nr大于第一波导10和第二波导20的折射率n1(nr>n1)，在第一界面中光的外部折射(external refraction)后，根据在第二界面中使光向内部反射，而按第二波导20引导光。并且，在图2的结构中当控制nr使其接近于n1时，光按第一波导10直线穿过。
即，在图2的结构中，由于在第二界面中内部反射的光在第一界面中会再次发生内部反射，因此光被关在反射器30内。因此，在反射器30的第一界面中折射进入的光在反射器30里面发生内部反射，进而被引导至第二波导20。为了反射器30里面的这种光的引导，使第二界面(连接a2和b2的线)与第一界面(连接a1和b1的线)进入第二波导20的孔即即连接c1和d1的线内侧。具体来讲，使点b2接近于点d1配置，或进入连接c1和d1的线内部，且使点b1接近于点c1配置，或进入连接c1和d1的线内部。优选地，第二波导20与第一波导10形成的角度θb等于或大于反射器30与第一波导10形成的角度θr2(θb≥θr2)。
但，当第二波导20与第一波导10形成的角度θb小于反射器30与第一波导10形成的角度θr2(θb<θr2)时，由于在第二界面中内部反射的光在第一界面内侧也会发生内部反射，因此可将光引导至第二波导20。即，在图2的结构中，第二波导20与第一波导10形成的角度θb大于或小于反射器30与第一波导10形成的角度θr2时，原则上都能将光引导至第二波导20。
在图1和图2中将光通过整个反射器30而按第一波导10直线穿过的状态称为“通过状态(pass state)”，且将光引导至第二波导20的状态在下述说明中称为“反射状态(reflection state)”。
通过适当控制反射器30的折射率进而将其变换为通过状态和反射状态两种状态，可变换光通路(path switching)，且可将经过第一波导10和第二波导20中的一个波导(10或20)的光信号的振幅按数字信号进行调制(modulation)。
按图1的结构获取光通路变换功能的p-n结结构的详细示例将在第一实施例至第六实施例中示出，且按图2的结构获取光通路变换功能的p-n结结构的详细示例将在第七实施例至第八实施例中示出。
图3a至图3h是根据本发明第一实施例的光器件的结构图和动作说明图。
具体来讲，根据本发明的第一实施例的光器件是将p-n结配置在与第一波导10的中央接近的内部且沿第一波导10的纵方向排列的结构。
图3a是p、n掺杂区域配置的顶视图(top view)，且图3b是沿反射器30的第一界面内侧的线a-b的剖面图。p+134与n+131是与用于电场施加的金属电极135和136相接触的区域。图3c是在不向p-n结施加电偏置电压(electric bias voltage)Vr时(Vr＝0)，示出沿第一界面(a1-b1)横向的折射率nab分布的示例，且图3d示出沿第一波导10的纵方向(e-f)的折射率nef分布的示例。图3e是在不施加偏置电压(bias voltage)Vr时(Vr＝0)，示出在反射器30的第一界面中光反射的反射状态的功能。图3f是在向p-n结施加电反偏置电压(reverse bias)时，示出沿第一界面(线a1-b1)横向的折射率分布的示例，且图3g示出沿第一波导10的纵方向(e-f)的折射率分布的示例。反偏置电压意味着向p133施加-电场、向n132施加+电场，且在本发明中按Vr<0来表示。图3h示出当Vr<0时在反射器30的第一界面中光通过进而按第一波导10直线穿过的通过状态。
具体来讲，在本发明的第一实施例中，当不向p-n结施加电偏置时(Vr＝0)，在掺杂的p区域133、n区域132中，如图3c所示，其折射率低于周围区域。因此，向反射器30的第一界面入(a1-b1)射的光，如图3d所示，经过从折射率高的状态至折射率低的状态的变化而发生内部反射。当入射角θ1小于第一界面的临界角θc1时，可发生内部全反射。在Vr＝0状态中根据此内部全反射，如图3e所示，光被引导至第一波导10进而能获得反射状态的功能。施加反偏置电压(Vr＝0)，进而在p133、n132区域中使空穴和电子载流子耗尽(depletion)而降低至载流子浓度基准，如图3f所示，在耗尽区域中折射率升为本征(intrinsic)基准。因此，在反射器30的第一界面中折射率差异，如图3g所示，变小，且在第一界面中临界角变更小。若施加适当电压基准的反向电压而使临界角θc1小于入射角θ1，如图3h所示，光通过第一界面折射而按第一波导10直线穿过进而可获得通过状态的功能。根据这种原理在本发明的第一实施例的结构中，通过施加适当电压基准的反向电压，可将光的通路由第二波导20变换为第一波导10。
也就是说，根据本发明第一实施例的光器件包含的反射器30的特征在于包括：第一界面，与第一波导10至少部分相接且接收光信号；和第二界面，与第一波导10至少部分相接且发送光信号，且掺杂n型132和p型133的杂质。并且在第一界面中位有n型132和p型133的杂质掺杂区域，n型132和p型133掺杂区域的接合部位于沿第一波导10的纵方向，进而向n型132和p型133的杂质掺杂区域入射光信号。优选地，在与n型132和p型133区域相邻的地方分别形成n+型131和p+型134的杂质掺杂区域以施加电压。
在本发明的第一实施例的结构中，即使在不施加偏置的状态中，在p型133和n型132之间也存在薄范围的耗尽区域。因此，会存有在Vr＝0的状态中部分光经由耗尽区域而泄露的问题。并且当施加反向偏置时，p型133和n型132间结合的耗尽范围随着偏置变大而变宽，且p型领域133的耗尽区域和n型区域132的耗尽区域非对称性地变宽。因此，反射器30的功能可受到p型和n型间接合位置的影响。为了解决这种接合中的问题，如图4的第二个实施例所示，可设计出使p-n型接合倾斜于第一波导10的周边侧而配置的结构。
图4a至图4h是根据本发明第二实施例的光器件的结构图和动作说明图。
从图4a至图4h可知，根据本发明第二实施例的光器件是沿第一波导10的一侧面端倾斜配置p-n结且沿关于第一波导10的纵方向排列p-n结的结构。图4a至图4h分别与图3a至图3h说明的结构和功能相对应。
即，根据本发明的第二实施例的光器件，示出反射器30的波导区域的大部分按p区域233配置的示例。与此相对应，将反射器30的波导区域的大部分按n区域232进行配置的情况也可获得类似的效果。在图4a至图4b的结构中，在Vr＝0的状态中，p区域233的折射率，如图4c所示，低于周围的本征状态，如图4d所示，在反射器30的第一界面中发生内部全反射，如图4e所示，可获取按第二波导20引导光的反射状态的功能。若施加适当电压的反向偏置，如图4f所示，耗尽的p区域233的折射率变高，如图4g所示，与周边的折射率差异减小，如图4h所示，可获得光通过第一波导10而穿过的通过状态的功能。
也就是说，根据图4a至图4h的本发明的第二实施例的光器件，特征在于，n型232和p型233的杂质掺杂区域中的一个杂质掺杂区域的全部或一部分，位于与第一波导10相接的区域，根据电压的施加可向n型232和p型233的杂质掺杂区域中的一个杂质掺杂区域入射光信号。
根据本发明第二实施例的光器件的结构当施加反向偏置时，耗尽区域的范围从反射器30的波导区域的一端侧面起扩大，因此会存在能获得耗尽效果的反射器30的波导区域的宽度变窄的问题。在本发明的第三实施例中示出了能解决这种问题并且也能解决第一实施例结构问题的结构的示例。
图5a至图5h是根据本发明第三实施例的光器件的结构图和动作说明图。
从图5a至图5h可知，根据本发明第三实施例的光器件是与按小角度倾斜的反射器30的第一界面平行(按小角度偏离于第一波导10的方向)而排列p-n结的结构。图5a至图5h分别与图3a至图3h说明的结构和功能相对应。
根据本发明的第三实施例的光器件，具有相比第一实施例和第二实施例可较短地设计为了耗尽而移动载流子的距离(相对于p-n结几乎竖直方向的距离)之优点。图5a示出在反射器30的第一界面端配置p区域333的示例。与此相对应，在反射器30的第一界面端配置n区域332的情况也可获得类似的效果。在图5的结构中在Vr＝0的状态下，p区域333的折射率，如图5c所示，相比周围的本征状态要小，如图5d所示，在反射器30的第一界面中发生内部全反射，如图5e所示，可获得按第二波导20引导光的反射状态的功能。若施加反方向偏置，耗尽区域扩大至反射器30的两侧界面端。若施加适当电压的反方向偏置，如图5f所示，耗尽之n332和p333区域的折射率增高，且耗尽的区域扩大接近于反射器30两端界面，如图5g所示，减少与周围的折射率差异，如图5h所示，可获得光按第一波导10通过的通过状态的功能。
也就是说，根据图5a至图5h的本发明第五实施例的光器件，特征在于，在第一界面或第二界面中的一个中位于有p型333的杂质掺杂区域，且在第一界面或第二界面中的另一个中位于有n型332的杂质掺杂区域。此外，第一界面的p型333或n型332的杂质掺杂区域的全部或一部分位于与第一波导10相接的区域，进而入射光信号。
图6a至图6h是根据本发明第四实施例的光器件的结构图和动作说明图。
从图6a至图6h可知，根据本发明第三实施例的光器件，是在第一波导10的剖面沿竖直方向排列p-n结的结构。图6a至图6h分别与图3a至图3h中说明的结构和功能相对应。
具体来讲，图6a和图6b示出在反射器30的波导区域的上部配置p区域433且在反射器30的波导区域的下部配置n区域432的示例。与此相对应，在反射器30的波导区域的上部配置n区域且在反射器30的波导区域的下部配置p区域433的的情况也可获得类似的效果。在图6b的结构中在Vr＝0的状态下，p型上述波导433和n型下部波导区域432的折射率，如图6c所示，相比周围的本征状态要小，如图6d所示，在反射器30的第一界面中发生内部全反射，如图6e所示，可获得按第二波导20引导光的反射状态的功能。若施加适当电压的反方向偏置，如图6f所示，耗尽之p区域433和n区域432的折射率增高，如图6g所示，减少与周围的折射率差异，如图6h所示，可获得光按第一波导10通过的通过状态的功能。
也就是说，根据本发明第四实施例的光器件，特征在于，在第一界面的下部位于有n型432或p型433杂质掺杂区域且在上部位于有p型433或n型432杂质掺杂区域。
根据本发明第四实施例的光器件，当在第一界面的下部位于有n型432时，优选地，n+型431和434的杂质掺杂区域与n型432区域的两端相接，且p+型435的杂质掺杂区域与p型433的上部相接。此时，大部分的光通过p型433的杂质掺杂区域而入射。
并且，根据本发明第四实施例的光器件，当在第一界面的下部位于有p型时，优选地，p+型的杂质掺杂区域与p型区域的两端相接，且n+型的杂质掺杂区域与n型上部相接。此时，大部分的光通过n型的杂质掺杂区域而入射。
图7a至图7h是根据本发明第五实施例的光器件的结构图和动作说明图。
从图7a至图7h可知，根据本发明第五实施例的光器件的结构为：按使用p-i-n结之结构的示例在第一波导10的内部设置i(本征，intrinsic)区域，且将p534和n532区域配置为接近第一波导10两端侧面，进而以正向偏置(forward bias)(Vf>0)向i(intrinsic)区域沿波导剖面的水平方向注入载流子而变换反射器30的折射率。图7a至图7h分别与图3a至图3h中说明的结构和功能相对应。
具体来讲，根据本发明第五实施例的光器件的结构为，按使用p-i-n结之结构的示例将本征区域533，如图7a和图7b所示，设置在第一波导10的内部，且将p534和n532区域配置在接近第一波导10两侧边的位置。在图7b的结构中在Vr＝0的状态下，如图7c和7d所示，反射器30的内部为本征状态因此几乎不存在与周围的本征状态的折射率差异，如图7e所示，在反射器30的第一界面中光可通过而直线穿过。若在图7b中施加适当电压的正向偏置，则向反射器30的本征区域533注入电子和本征的载流子，如图7f所示，注入载流子的区域的折射率降低，如图7g所示，在反射器30的第一界面中发生-n的折射率差异，进而如图7h所示，光根据内部反射而沿第一波导10发出。
也就是说，根据本发明第五实施例的光器件，特征在于，在n型532和p型534的杂质掺杂区域之间位于有本征区域533。并且向本征区域533入射光信号。
然而，根据本发明第五实施例的光器件，由于当施加正向偏置时沿横向发生载流子注入，因此当反射器30的波导区域的宽度为宽时，则会存有注入时间变长从而器件的动作速度变慢的问题。图6的实施例中示出了能解决这种问题之结构的示例。
图8a至图8c是根据本发明第六实施例的光器件的结构图和动作说明图。
从图8a至图8c可知，其是按使用p-i-n结之结构的示例沿波导剖面的竖直方向注入载流子的结构。在反射体30的波导区域的内部设置本征区域633，且将n区域632和634配置于接近反射体30的波导区域的两端侧面。并且，在本征区域633的上部配置p+区域636，进而在反射体30的波导区域的两端向上部(第一波导10剖面的竖直方向)注入载流子。作为竖直配置的另一示例，如图8c所示，可在本征区域633下部配置n区域640进而竖直注入载流子。即，在图8b和图8c中示出在反射体30的波导区域的上部配置p+区域636，且在反射体30的波导区域的侧面或下部配置n区域632、634和640。与此相对应，在反射体30的波导区域的上部配置n+区域且在反射体30的波导区域的侧面或下部配置p区域的情况也可获得类似的效果。
具体来讲，根据本发明第六实施例的光器件的第一结构为，在第一界面中第一n型632和第二n型634的杂质掺杂区域按次序排列，进而在第一n型632和第二n型634的杂质掺杂区域之间配置有本征区域633。特征在于，在本征区域633的上述配置有p+型636的杂质掺杂区域。光信号可入射至本征区域633。
并且，在本征区域下部，在第一n型632和第二n型634的杂质掺杂区域之间追加配置有第三n型640杂质掺杂区域。
并且，根据本发明第六实施例的光器件的第二结构(未图示)为，特征在于，在第一界面中第一p型和第二p型的杂质掺杂区域按次序排列，进而在第一p型和第二p型的杂质掺杂区域之间配置有本征区域。并且，特征在于，在本征区域的上述配置有n+型的杂质掺杂区域。
并且，光信号可入射至本征区域。并且，在本征区域下部，在第一p型和第二p型的杂质掺杂区域之间追加配置有第三p型杂质掺杂区域。
图9a至图9h是根据本发明第七实施例的光器件的结构图和动作说明图。
从图9a至9h可知，根据本发明第七实施例的光器件，作为用于达到使用折射和反射的图2形态的反射器30功能的结构，是具有p-n结的结构。图9a是示出p733和n732掺杂区域的配置的顶视图，图9b是沿线g-h的剖面图。图9c在不向p-n结施加电偏压时(Vr＝0)，示出沿第一波导的纵向(e-f)的折射率分布示例。图9d示出当Vr＝0时在反射器30的第一界面中光通过进而按第一波导10直线穿过的通过状态的功能。图9e和图9f示出向p-n结施加小电压的正向偏置(Vr>0)进而除去自然形成在结中的耗尽区域从而提高光的直线性的功能。图9f示出在小电压的正向偏置中光直线穿过的通过状态的功能。图9g示出向p-n结施加电反向偏置(Vr<0)时，沿第一波导10的纵向之折射率分布示例。图9h示出当Vr<0时，在反射体30的内部光反射进而被引导至第二波导20的反射状态的功能。
针对根据图9a至图9h的本发明的第七实施例的光器件的结构和动作进行更具体地说明。
在前述本发明的第一实施例至第六实施例的结构中，P或n区域根据反射器30的形态而制造为接近于平行四边形，且在p或n区域的第一界面中发生反射。与此不同，根据本发明第七实施例的光器件的结构，其中，p733或n732区域制作为接近于梯形，且在梯形区域中在水平的边(几乎与第一波导10垂直的边)中使光通过且在具有倾斜边的p733和n732区域的接合处形成耗尽区域，且在该倾斜的耗尽区域的内部发生全反射，进而将光引导至第二波导20。在图9a的结构中示出，在入射光的一端配置p区域733且在其后端配置n区域732的示例。与此相对应，在入射光的一端配置n区域732且在其后端配置p区域733的情况也可获得类似的效果。用图9a的结构的示例来说明，光入射的p区域733的空穴通过几乎与第一波导10相垂直，光在该界面(i1)中即使降低折射率的差异，当其折射率差异小时，也可机会无反射而通过。在实际硅中由于根据掺杂的折射率变化非常小，在该界面(i1)可忽视反射。同样地，在后端的n区域732中通过使光发出的p区域733的空穴机会垂直于波导，光在该界面(i4)中可几乎无反射而通过。即，i1和i4处于的外部界面几乎不对光的进行产生影响。
在图9a和图9b的结构中当不施加偏置时，根据第一波导10的进行方向(线e-f)折射率如与9c分布。在p-n结附近根据载流子再分布可自然形成薄的耗尽区域，且该耗尽区域相比周围的掺杂区域折射率高。在p-n结附近自然形成的耗尽区域随着掺杂浓度变高而变薄。p、n掺杂浓度足够高时，该自然耗尽区域就非常薄，因此光不受耗尽区域产生的大影响，如图9d所示，可通过。作为为了能更确切地获取使光通过的状态之优选方法，如图9e所示，可施加小电压的正向偏置。若施加正向偏置，由于在p-n结附近会除去(或缩减)耗尽区域，因此如图9f所示，光可在结中几乎不经受折射率差异而通过。
图9g示出施加反方向偏置而获取使光反射之状态的方法。若施加反方向偏置，如图9g所示，在p-n结附近扩大耗尽区域。该扩大的耗尽区域相比周围的掺杂区域折射率高。由于在扩大的耗尽区域的第一界面(点i2位于的界面)中折射率高，因此大部分的光不经过外部折射而能进入耗尽区域内部。在耗尽区域的第二界面(点i3位于的界面)中折射率再次降低，若其折射率差异足够大，进入耗尽区域内部的光在第二界面中可发生内部全反射。由于该内部全反射的光在耗尽区域的第一界面中也发生内部全反射，如图9h所示，光被关在扩大的耗尽区域中进而可被引导至第二波导20。
也就是说，根据本发明的第七实施例的光器件，特征在于，从反射器30的平面上观看时，n型732和p型733相接的线具有斜线形状，且在该斜线的接合部形成有第一界面和第二界面，光信号被引导至第一界面和第二界面之间从而按第二波导输出。并且，本发明的第七实施例的光器件，特征在于，在反射器30中掺杂n型732和p型733的区域的外部界面与第一波导10形成直交或接近于直角的倾斜角，从而不对光信号的进行产生影响。
并且，光信号从第一界面的p型杂质掺杂区域733中入射，使用第二界面的n型杂质掺杂区域732从而按第一波导10输出，或使用在第二界面的n型732和p型733的杂质掺杂区域相接的区域间形成的耗尽层(depletion layer)而按第二波导20输出。
并且，光信号从第一界面的n型杂质掺杂区域732中入射，使用第二界面的p型杂质掺杂区域733从而按第一波导10输出，或使用在第二界面的n型732和p型733的杂质掺杂区域相接的区域间形成的耗尽层(depletion layer)而按第二波导20输出。
图10a至图10f是根据本发明第八实施例的光器件的结构图和动作说明图。
图10a是示出p833和n832掺杂区域的配置的顶视图(top view)，且图10b是沿线g-h的剖面图。根据本发明第八实施例的光器件，是为了按p-i-n结达成使用折射和反射的图2形态的反射器30功能的结构。通过形成p-i-n结，在不施加偏置电压的状态中也可获得如图9g和图9h的反射状态。即，本征区域835相比周围的p833或n832区域折射率高，在不施加偏置的状态中，如图10c所示，在反射器30的第一界面(点i2位于的界面)中折射率高，因此大部分的光不经过外部折射可进入本征区域835内部。在本征区域835的第二界面(点i3位于的界面)中折射率再次降低，若其折射率差异足够大，进入本征区域835内部的光在第二界面中可发生内部全反射。由于该内部全反射的光在本征区域835的第一界面中也发生内部全反射，如图10d所示，光被关在本征区域835中进而可被引导至第二波导20。
在图10a结构中若施加正向偏置，载流子注入至本征区域835从而折射率降低。施加足够电压的正向偏置，如图10e所示，若本征区域835的折射率降低接近于周围的p833和n832区域的折射率，如图10f所示，光可通过第一波导10。
也就是说，根据本发明的第八实施例的光器件，特征在于，反射器30从平面上观看时，在n型832和p型833之间包括两边具有斜线形状的本征区域835。并且在具有斜线形状的本征区域的两边形成有第一界面和第二界面，光信号从第一界面的n型832或p型833杂质掺杂区域入射，使用第二界面的p型833或n型832杂质掺杂区域而向第一波导10输出，或使用第二界面的本征区域835而向第二波导20输出。
图11a和图11b是适用于本发明第一实施例至第八实施例的波导、覆层(clad)的结构和电极配置相关的示例图。
图11a是在波导的两端水平配置p+932、n+931以及电极933和934的层叠形态。硅基板911上面形成有下部硅氧化物(Si oxide)层912，且在硅氧化物层上形成有肋骨状波导(rib waveguide)936，在肋骨状波导936上覆盖有上部硅氧化物层913。下部硅氧化物层912和上部硅氧化物层913起到波导的覆层(clad)作用。在肋骨状波导936的反射器30部分形成有p、n、或i区域和p-n结或p-i-n结。图11a的主要特征是在硅肋骨状波导914两端配置有p+电极932和n+电极931。上述电极931和932形成为用于向p、n区域施加偏置电压。由于位于波导914两端的p+区域932和n+区域931埋入硅氧化物覆层内部，因此穿过上述硅氧化物层913，且使金属电极933和934与p+区域932和n+区域931相电接触。
图11b示出在波导两端配置有p+或n+电极中一个种类的电极931和935，余下的n+或p+电极中另一种类的电极937配置于波导上部。在波导上部薄薄地形成有p+936或n+区域，且穿过其上的上部硅氧化物层913而与金属电极937相电接触。波导两端的电极933和934通过相同的电极而连接，且向上述电极933和934与波导上部的电极937之间施加偏置电压。
在图11a和图11b中，覆盖硅波导的核心(core)部分的硅氧化物相比硅波导的折射率低，且起到波导的覆层的作用。因此可使用如硅氮化物(Sinitride)之相比硅波导折射率低的绝缘材料而代替硅氧化物。并且，硅波导也可使用硅晶体(Si crystal)、多晶硅(poly-silicon)、非晶硅(amorphous Si)或其他半导体材料。
p+电极934和937以及n+电极933和934的电连接可使用通常半导体芯片中使用的电配线。但，图11a和图11b中只按单纯的实线进行了表示。
图11a的结构可用于波导两端水平连接之本发明的第一、二、三、五、七、八实施例。图11b的结构则是用于在硅波导上部形成电极且与波导两端竖直连接之本发明的第四和第六实施例的结构。
也就是说，本发明的反射器30包括：波导层914，横贯第一波导10的剖面而形成进而能使入射的光信号通过；第一杂质层，形成在波导层914的一端；第二杂质层，形成在波导层914的另一端；第一电极933，贯通形成在波导层914上的上部覆层913进而形成在第一杂质层上；以及第二电极934，贯通形成在波导层914上的上部覆层913进而形成在第二杂质层上。优选地，第一杂质层和第二杂质层分别是p+型杂质层或n+型杂质层中的一个。
并且，本发明的光器件，可进一步包括：光基板911、形成在光基板911上的下部覆层912、形成在下部覆层912上的波导层914以及形成在波导层914上的上部覆层913。
并且，波导层914的纵剖面包括：第一波导层，沿第一长度的横边和第二长度的纵边形成，以及第二波导层，位于第一波导层上的中央部分，由第三长度的横边和第四长度的纵边形成。具体来讲，第一长度长于第三长度，波导层914形成形成肋骨状波导。
并且，优选地，本发明的反射器30当第一杂质层和第二杂质层中掺杂的杂质的种类是相同种类的杂质层时，进一步包括：第三杂质层936，形成在第二波导层的上部，以及第三电极937，贯通上述覆层913，进而形成在第三杂质层上。此外，当第一杂质层和第二杂质层为相同的n+型杂质层时，第三杂质层是p+型杂质层，当第一杂质层和第二杂质层为相同的p+型杂质层时，第三杂质层是n+型杂质层。
并且，优选地，上部覆层913和下部覆层912使用硅氧化物材料而形成。此外，波导层914使用硅半导体材料而形成。
根据本发明，提供了一种使用半导体的光器件，基于具有p-n结结构和波导结构的半导体硅能达成光的折射或反射控制。并且，根据使用本发明半导体的光器件，通过使用反射或折射的控制能直接调制光的振幅(amplitude)。

Claims (19)

1.光器件，其特征在于，包括：
第一波导，入射光信号，且按与入射的光信号相同的方向而形成；
第二波导，从所述第一波导起形成一定角度；和
反射器，根据施加的电压而变化折射率，进而可按所述第一波导或所述第二波导选择光信号的通路，且与所述第一波导形成一定角度的倾斜角，
所述反射器包括：
第一界面，与所述第一波导至少一部分相接，从而使所述光信号进入；和
第二界面，与所述第一波导至少一部分相接，从而使所述光信号传出，
其中，所述反射器是掺杂p型或n型杂质的半导体器件。
2.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，向所述反射器的掺杂p型和n型杂质的区域施加电压，所述反射器根据所述施加的电压而变化折射率，为了向所述反射器的掺杂p型和n型杂质的区域施加电压，在与p型杂质掺杂区域相接近之处进一步掺杂p+型杂质，且在与n型杂质掺杂区域相接近之处进一步掺杂n+型杂质。
3.如权利要求1或2中任意一项所述的光器件，其特征在于，与所述第一波导相接的所述反射器的第一界面，由n型和p型杂质掺杂区域相接合而形成，且所述n型和所述p型杂质掺杂区域的接合部沿所述第一波导的纵向而配置，从而所述光信号入射至所述n型和所述p型杂质掺杂区域。
4.如权利要求1或2中任意一项所述的光器件，其特征在于，与所述第一波导相接的所述反射器的第一界面，由所述n型或所述p型杂质掺杂区域中的一个杂质掺杂区域而形成，且所述光信号入射至所述n型或所述p型杂质掺杂区域中的一个杂质掺杂区域。
5.如权利要求1或2中任意一项所述的光器件，其特征在于，与所述第一波导相接的所述第一界面或所述第二界面中的一个，由p型杂质掺杂区域而形成，且所述第一界面或所述第二界面中的另一个，由n型杂质掺杂区域而形成。
6.如权利要求1或2中任意一项所述的光器件，其特征在于，与所述第一波导相接的所述反射器的第一界面是所述p型和n型杂质掺杂区域相接的接合部，所述接合部在所述反射器的竖直方向的剖面上按上下排列。
7.如权利要求1或2中任意一项所述的光器件，其特征在于，所述n型杂质掺杂区域位于所述反射器的下部，且n+型杂质掺杂区域与所述n型杂质掺杂区域的两端相接，所述p型杂质掺杂区域位于所述n型杂质掺杂区域的上部，且p+型杂质掺杂区域与所述p型杂质掺杂区域的上端相接；或，
所述p型杂质掺杂区域位于所述反射器的下部，且p+型杂质掺杂区域与所述p型杂质掺杂区域的两端相接，所述n型杂质掺杂区域位于所述p型杂质掺杂区域的上部，且n+型杂质掺杂区域与所述n型杂质掺杂区域的上端相接。
8.如权利要求3所述的光器件，其特征在于，所述反射器具有位于所述n型和所述p型杂质掺杂区域之间的本征区域，且所述光信号入射至所述本征区域。
9.如权利要求8所述的光器件，其特征在于，
所述本征区域位于所述反射器包含的所述第一波导区域的内部；
第一n型和第二n型杂质掺杂区域位于所述本征区域下部的两端，且p+型杂质掺杂区域位于所述本征区域的上部；或，
第一p型和第二p型杂质掺杂区域位于所述本征区域下部的两端，且n+型杂质掺杂区域位于所述本征区域的上部；
所述光信号入射至所述本征区域。
10.如权利要求9所述的光器件，其特征在于，
在所述本征区域的下部，在所述第一n型和第二n型杂质掺杂区域之间配置有第三n型杂质掺杂区域，或
在所述本征区域的下部，在所述第一p型和第二p型杂质掺杂区域之间配置有第三p型杂质掺杂区域。
11.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，从所述反射器的顶视图来看时，所述n型和所述p型相接的线为斜线形状。
12.如权利要求11所述的光器件，其特征在于，
所述光信号从所述第一界面的所述p型或所述n型杂质掺杂区域中入射，
使用所述第二界面的所述n型或所述p型杂质掺杂区域而向所述第一波导输出，或使用所述第二界面的n型和p型杂质掺杂区域相接的区域之间形成的耗尽层而向所述第二波导输出。
13.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，从所述反射器的水平方向的剖面来看时，本征区域位于掺杂所述n型杂质的区域与掺杂所述p型杂质的区域之间，且所述本征区域的两边为斜线形状。
14.如权利要求13所述的光器件，其特征在于，
所述光信号从所述第一界面的所述n型或所述p型杂质掺杂区域中入射，
使用所述第二界面的所述所述p型或所述n型杂质掺杂区域而向所述第一波导输出，或使用所述第二界面的所述本征区域而向所述第二波导输出。
15.如权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述反射器包括：
下部覆层，形成在硅基板上；
波导层，形成在所述下部覆层上；
第一杂质层，形成在所述波导层的一端；
第二杂质层，形成在所述波导层的另一端；
上部覆层，形成在所述波导层上；
第一电极，贯通所述上部覆层而形成在所述第一杂质层上；
第二电极，贯通所述上部覆层而形成在所述第二杂质层上，
所述第一杂质层和所述第二杂质层分别是p+型杂质层或n+型杂质层中的任意一个。
16.如权利要求15所述的光器件，其特征在于，所述波导层的竖直方向的剖面包括：
第一波导层，沿第一长度的横边和第二长度的纵边而形成；
第二波导层，位于所述第一波导层上，沿第三长度的横边和第四长度的纵边而形成，
所述第一长度长于所述第三长度。
17.如权利要求16所述的光器件，其特征在于，当掺杂于所述第一杂质层和所述第二杂质层的杂质的种类为相同种类的杂质层时，进一步包括：
第三杂质层，形成在所述第二波导层的上部；
第三电极，贯通所述上部覆层而形成在所述第三杂质层上，
当所述第一杂质层和所述第二杂质层为相同的n+型杂质层时，所述第三杂质层为p+型杂质层，
当所述第一杂质层和所述第二杂质层为相同的p+型杂质层时，所述第三杂质层为n+型杂质层。
18.如权利要求15至17中任意一项所述的光器件，其特征在于，所述上部覆层或所述下部覆层使用硅氧化物材料而形成。
19.如权利要求15至17中任意一项所述的光器件，其特征在于，所述波导层使用硅半导体材料而形成。
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