CN105093569A - 一种双异质结pin电光调制器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双异质结PIN电光调制器结构，包括有N-Sub型衬底，N-Sub型衬底的上部设置有SiO2埋层，SiO2埋层上部的两侧分别设置有P+阱区、N+阱区，P+阱区、N+阱区之间设置有本征N型锗硅调制区，P+阱区的上部设置有第一电极，N+阱区的上部设置有第二电极，第一电极、本征N型锗硅调制区及第二电极的上部覆盖有SiO2覆盖层。本发明的双异质结PIN电光调制器结构是一种高载流子注入，低调制功耗的PIN电光调制器，可代替常规硅基PIN电光调制器结构，在电光调制时能够获得更小的调制功耗，提升了光电转换效率，减小了光电集成中电学元件的比重，便于光电集成向更小尺寸的发展。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种双异质结PIN电光调制器结构。
背景技术
硅基电光调制器是一种利用电光效应、热光效应、等离子色散效应等方式来改变光波导折射率的微纳调制器。对于现有的光电子器件而言，其横截面尺寸都在微米数量级，长度则达到几个厘米；由于尺寸较大，不能满足大规模光光子集成的要求。
随着光电子工艺的进步，硅基调制器已进入了微纳尺寸，硅基电光调制器能够传输单模光波，具有速度高、损耗低及尺寸小的优点，并且与集成电路制作工艺相兼容，如今已经成为了硅基光电子器件的核心。
等离子色散效应是通过改变光波导中的自由载流子浓度，从而引起折射率和吸收系数的改变，硅基材料的等离子色散效应十分显著，能够实现高速的光波导调制，是目前硅基电光调制器的主要工作基础。
现有的硅基电光调制器结构主要有三种：PIN结构、PN结构和MOS电容结构；其中，PIN结构具有结构简单，调制效率高，易于工艺实现等特点，因此采用该结构的硅基电光调制器较多；但是，PIN结构是一种直流注入的工作方式，在调制的同时也增加了器件的调制功耗，如何降低器件的调制功耗一直是基于PIN电学调制结构的硅基电光调制器需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双异质结PIN电光调制器结构，不仅能大幅度提高调制器中调制区的载流子浓度，还能减小调制电压、降低调制功耗。
本发明所采用的技术方案是，一种双异质结PIN电光调制器结构，包括有N-Sub型衬底，N-Sub型衬底的上部设置有SiO2埋层，SiO2埋层上部的两侧分别设置有P+阱区、N+阱区，P+阱区、N+阱区之间设置有本征N型锗硅调制区，P+阱区的上部设置有第一电极，N+阱区的上部设置有第二电极，第一电极、本征N型锗硅调制区及第二电极的上部覆盖有SiO2覆盖层。
本发明的特点还在于，
P+阱区的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，掺杂剂为B离子，P+阱区的高度为0.17μm，宽度为0.1μm～1μm。
N+阱区的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，掺杂剂为P离子，N+阱区高度为0.17μm，宽度为0.1μm～1μm。
本征N型锗硅调制区采用锗硅材料制成，其掺杂浓度为1×1015cm-3，掺杂剂为P离子，本征N型锗硅调制区的中心高度为0.22μm，两侧高度为0.17μm，上部宽度为0.4μm～0.6μm，下部宽度为1μm～1.8μm。
SiO2覆盖层的高度为0.5μm～1μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
SiO2埋层的高度为0.5μm～1μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
N-Sub型衬底的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3，掺杂剂为P离子，N-Sub型衬底的高度为100μm～300μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的双异质结PIN电光调制器结构是一种双异质结调制结构，是在常规硅基PIN电光调制器结构的调制区中采用锗硅材料代替硅材料，调节锗含量及其他参数，形成横向双异质结，增加调制区中的载流子注入浓度，能够有效减小调制电压、降低调制功耗，更加利于光电集成。
(2)本发明的双异质结PIN电光调制器结构，由于器件的调制区采用了锗硅材料，它具有更大的折射率，因此对光波传输具有更好的收敛特性，降低了光传输损耗，进一步的提升了调制器的性能。
附图说明
图1是本发明的双异质结PIN电光调制器结构的纵向剖面图；
图2是常规硅基PIN调制器结构的纵向剖面图；
图3是常规硅基PIN调制器结构与本发明的双异质结PIN电光调制器结构的调制区载流子注入浓度纵向剖面图；
图4是在不同偏压下，常规硅基PIN调制器结构与本发明的双异质结PIN电光调制器结构的调制区载流子注入浓度对比曲线图。
图中，1.P+阱区，2.本征N型锗硅调制区，3.N+阱区，4.第一电极，5.第二电极，6.SiO2覆盖层，7.SiO2埋层，8.N-Sub型衬底，9.本征N型硅调制区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种双异质结PIN电光调制器结构，如图1所示，包括有N-Sub型衬底8，N-Sub型衬底8的上部设置有SiO2埋层7，SiO2埋层7上部的两侧分别设置有P+阱区1、N+阱区3，P+阱区1、N+阱区3之间设置有本征N型锗硅调制区2，P+阱区1的上部设置有第一电极4，N+阱区3的上部设置有第二电极5，第一电极4、本征N型锗硅调制区2及第二电极5的上部覆盖有SiO2覆盖层6。
本发明一种双异质结PIN电光调制器结构主要由硅材料和锗硅材料构成。
P+阱区1的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，掺杂剂为B离子；P+阱区1的高度为0.17μm，宽度为0.1μm～1μm。
N+阱区3的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，掺杂剂为P离子；N+阱区3的高度为0.17μm，宽度为0.1μm～1μm。
本征N型锗硅调制区2采用锗硅材料制成，其掺杂浓度为1×1015cm-3，掺杂剂为P离子，本征N型锗硅调制区2的中心高度为0.22μm，两侧高度为0.17μm，上部宽度为0.4μm～0.6μm，下部宽度为1μm～1.8μm。
SiO2覆盖层6的高度为0.5μm～1μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
SiO2埋层7的高度为0.5μm～1μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
N-Sub型衬底8的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3，掺杂剂为P离子，N-Sub型衬底8的高度为100μm～300μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
常规硅基PIN调制器结构全部是硅材料构成，其结构如图2所示，主要有N-Sub型衬底8，N-Sub型衬底8的上方设置有SiO2埋层7，SiO2埋层7上方分别设置有本征N型硅调制区9，P+阱区1、N+阱区3，P+阱区1和N+阱区3分别位于本征N型硅调制区2的两侧，P+阱区1上配设有第一电极4、N+阱区3上配设有第二电极5，第一电极4、第二电极5及本征N型硅调制区9的上方覆盖有SiO2覆盖层6。
本发明的双异质结PIN电光调制器结构与常规硅基PIN调制器结构相比，其区别在于：本发明的双异质结PIN电光调制器结构中采用锗硅材料代替硅材料，形成一个横向双异质结PIN电学调制器结构；与常规PIN电学调制器结构相比，本发明的双异质结PIN电光调制器结构的调制功耗明显下降。
本发明的双异质结PIN电光调制器结构的工作原理如下：
本发明的双异质结PIN电光调制器结构是通过第一电极4和第二电极5来控制器件的电光调制，具体工作过程为：
当第一电极4上加正电压时，第二电极5上接负电压，可以控制电光调制器开通，空穴和电子分别从P+阱区1和N+阱区3向本征N型锗硅调制区2中注入，载流子数目的改变会引起本征N型锗硅调制区2的折射率变化，从而达到光波调制的目的。由于横向双异质结的作用，PI结处的空穴势垒高度和NI结处的电子势垒高度明显降低，因此向本征N型锗硅调制区2中注入的载流子浓度明显增强，从而使得本征N型锗硅调制区2的折射率改变量增大，更加易于光波调制；当第二电极5上加正电压时，第一电极4上接负电压，可以控制电光调制器关闭，本征N型锗硅调制区2中的载流子被抽取，本征N型锗硅调制区2的折射率变为原来初始材料的折射率，光波调制结束。由于横向双异质结的作用，PI结处的空穴势垒高度和NI结处的电子势垒高度明显降低，因此理论上外加负电压时本征N型锗硅调制区2中载流子抽取速度也应加快，从而使得双异质结PIN电光调制器结构的调制速度变快。
而常规硅基PIN调制器结构是通过第一电极4和第二电极5来控制器件的电光调制，具体工作过程为：
当第一电极4上加正电压时，第二电极5上接负电压，可以控制电光调制器开通，空穴和电子分别从P+阱区1和N+阱区3向本征N型硅调制区9中注入，在横向双异质结的作用下，载流子注入明显增强，从而改变本征N型硅调制区9的折射率，达到光波调制的目的；当第二电极5上加正电压时，第一电极4上接负电压，可以控制电光调制器关闭，本征N型硅调制区9中的载流子被抽取，本征N型硅调制区9的折射率变为原来初始材料的折射率，光波调制结束。由于横向不存在异质结，载流子注入和抽取只和硅材料的特性相关，载流子注入数目和载流子抽取速度低于本发明的双异质结PIN电光调制器结构。
本发明的双异质结PIN电光调制器结构在仿真应用过程中发现：
本征N型锗硅调制区2折射率的改变是电光调制的重点，本征N型锗硅调制区2的锗含量和本征N型锗硅调制区2的下部宽度对本征N型锗硅调制区2载流子注入浓度的影响非常大，本征N型锗硅调制区2的锗含量越高，本征N型锗硅调制区2的下部宽度越小载流子注入浓度越高；但是若本征N型锗硅调制区2的锗含量过高，会引起晶格失配增大，造成光波传输损耗增大；而本征N型锗硅调制区2的下部宽度过小，则会影响载流子的分布，造成载流子散射损耗增大。为了得到更好的调制特性，本征N型锗硅调制区2的锗含量控制在0.2～0.3之间，本征N型锗硅调制区2的下部宽度控制在1μm～1.8μm之间。除此以外，还可以调节P+阱区1和N+阱区3的尺寸与掺杂浓度控制电光调制器的特性。
本发明的双异质结PIN电光调制器结构在仿真中主要针对其正向偏压下调制区载流子注入浓度进行仿真，在仿真中发现，双异质结PIN光电调制器结构的本征N型锗硅调制区2载流子注入浓度比同规模的常规硅基PIN光电调制器结构高的多，具体仿真结果分别如图3和图4所示：
从图3中可以看出，当调制电压为1V时，常规硅基PIN光电调制器结构的本征N型硅调制区9的载流子浓度为1e18cm-3，而双异质结PIN电光调制器结构的本征N型锗硅调制区2的载流子浓度达到了8e18cm-3，比常规硅基PIN光电调制器结构的载流子浓度高了800％，双异质结PIN电光调制器结构的载流子注入能力明显增强。
从图4中可以看出，随着调制电压的增加，当调制电压大于0.5V后，双异质结PIN电光调制器结构的载流子浓度明显大于常规硅基PIN光电调制器结构；双异质结PIN电光调制器结构在0.8V调制电压下，本征N型锗硅调制区2中的载流子浓度相当于常规硅基PIN光电调制器结构在1V调制电压下本征N型硅调制区9中的载流子浓度，双异质结PIN电光调制器结构的调制功耗降低20％；双异质结PIN电光调制器结构在0.9V调制电压下，本征N型锗硅调制区2中的载流子浓度相当于常规硅基PIN光电调制器结构在2V调制电压下本征N型硅调制区9中的载流子浓度，双异质结PIN电光调制器结构的调制功耗降低55％。
本发明的双异质结PIN电光调制器结构结合理论能得出调制器在调制速度方面也应当具有一定的优势，本发明的双异质结PIN电光调制器结构主要以调制区载流子注入浓度的仿真为重点。
本发明的双异质结PIN电光调制器结构是在常规硅基PIN电光调制器结构的调制区中采用锗硅材料代替硅材料，调节锗含量及其他参数，形成横向双异质结，不仅能大幅度提高调制器结构中调制区的载流子浓度，还能减小调制电压、降低调制功耗。
Claims (7)
1.一种双异质结PIN电光调制器结构，其特征在于，包括有N-Sub型衬底(8)，所述N-Sub型衬底(8)的上部设置有SiO2埋层(7)，所述SiO2埋层(7)上部的两侧分别设置有P+阱区(1)、N+阱区(3)，所述P+阱区(1)、N+阱区(3)之间设置有本征N型锗硅调制区(2)，所述P+阱区(1)的上部设置有第一电极(4)，所述N+阱区(3)的上部设置有第二电极(5)，所述第一电极(4)、本征N型锗硅调制区(2)及第二电极(5)的上部覆盖有SiO2覆盖层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种双异质结PIN电光调制器结构，其特征在于，所述P+阱区(1)的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，掺杂剂为B离子；
所述P+阱区(1)的高度为0.17μm，宽度为0.1μm～1μm。
3.根据权利要求1所述的一种双异质结PIN电光调制器结构，其特征在于，所述N+阱区(3)的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，掺杂剂为P离子；
所述N+阱区(3)的高度为0.17μm，宽度为0.1μm～1μm。
4.根据权利要求1所述的一种双异质结PIN电光调制器结构，其特征在于，所述本征N型锗硅调制区(2)采用锗硅材料制成，其掺杂浓度为1×1015cm-3，掺杂剂为P离子；
所述本征N型锗硅调制区(2)的中心高度为0.22μm，两侧高度为0.17μm，上部宽度为0.4μm～0.6μm，下部宽度为1μm～1.8μm。
5.根据权利要求1所述的一种双异质结PIN电光调制器结构，其特征在于，所述SiO2覆盖层(6)的高度为0.5μm～1μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
6.根据权利要求1所述的一种双异质结PIN电光调制器结构，其特征在于，所述SiO2埋层(7)的高度为0.5μm～1μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
7.根据权利要求1所述的一种双异质结PIN电光调制器结构，其特征在于，所述N-Sub型衬底(8)的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3，掺杂剂为P离子；
所述N-Sub型衬底(8)的高度为100μm～300μm，宽度为1.2μm～3.8μm。
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| CN105093569B (zh) | 2018-12-07 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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