CN105137620B - 一种波状pin电光调制器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种波状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埋层上部的两侧各设置分别设置有波状P+阱区、波状N+阱区,SiO2埋层上部的波状P+阱区、波状N+阱区之间设置有本征N型调制区,波状P+阱区的上部配设有第一电极,波状N+阱区的上部配设有第二电极,第一电极、本征N型调制区及第二电极的上部覆盖有SiO2覆盖层。本发明的波状PIN电光调制器结构,不仅有效降低PIN电光调制器的发热,抑制热光效应对PIN电光调制器的影响,还能高载流子注入,增强等离子色散效应。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件技术领域,具体涉及一种波状PIN电光调制器结构。
背景技术
PIN电光调制器是一种利用等离子色散效应方式来改变PIN结构中本征调制区折射率的硅基电光调制器。
近年来,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。
常规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二极管在较小的正向偏压下,就可以产生大量的注入载流子,而且本征区的载流子分布比较均匀,因此调制区的电荷变化总量很大,使得这种结构的电光调制器有很高的调制效率。除此之外,PIN结构还具有结构简单、调制速度快及易于工艺实现的特点,如今PIN结构已被广泛应用于半导体电光调制器的设计中,但是由于PIN结构对折射率的变化非常敏感,当器件进行电光调制时,由于电流的注入会使器件发热,而热光效应对折射率的改变正好和等离子色散效应相反,抑制了电光调制。若器件设计不合理,等离子色散效应甚至会淹没在热光效应里,因此如何抑制热光效应的同时增强等离子色散效应,是PIN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波状PIN电光调制器结构,不仅有效降低PIN电光调制器的发热,抑制热光效应对PIN电光调制器的影响,还能高载流子注入,增强等离子色散效应。
本发明所采用的技术方案是,一种波状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埋层上部的两侧各设置分别设置有波状P+阱区、波状N+阱区,SiO2埋层上部的波状P+阱区、波状N+阱区之间设置有本征N型调制区,波状P+阱区的上部配设有第一电极,波状N+阱区的上部配设有第二电极,第一电极、本征N型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,
波状P+阱区的掺杂浓度为1×1019cm-3~5×1019cm-3,掺杂剂为B离子;波状P+阱区的高度为0.05μm,宽度为0.5μm~0.8μm,波状区间距为0.1μm~0.3μm。
波状N+阱区的掺杂浓度为1×1019cm-3~5×1019cm-3,掺杂剂为P离子;波状N+阱区的高度为0.05μm,宽度为0.5μm~0.8μm,波状区间距为0.1μm~0.3μm。
本征N型调制区的掺杂浓度为1×1015cm-3,掺杂剂为P离子,本征N型调制区的中心高度为0.22μm,两侧高度为0.05μm,上部宽度为0.5μm~0.6μm,下部宽度为1.1μm~1.6μm。
SiO2覆盖层的高度为1μm~2μm,宽度为2.1μm~2.6μm。
SiO2埋层的高度为1μm~2μm,宽度为2.1μm~2.6μm。
N-Sub型衬底的掺杂浓度为1×1014cm-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2.1μm~2.6μm。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明的波状PIN电光调制器结构是在常规PIN电光调制器结构的基础上,将重掺杂的P+阱区和N+阱区形状设计成波状结构,增大了结面积,不仅大大降低热能的产生,减小热光效应对电光调制器的影响,而且提高了调制区中的载流子注入浓度,更加利于电光调制。
(2)本发明的波状PIN电光调制器结构,在制作过程中只需要改变重掺杂区的光刻版图形状,不需要增加额外的工艺,易于实现,是一种理想的新型电光调制器。
(3)本发明的波状PIN电光调制器结构,不仅有效降低PIN电光调制器的发热,抑制热光效应对PIN电光调制器的影响,还能高载流子注入,增强等离子色散效应。
附图说明
图1是本发明一种波状PIN电光调制器结构的结构示意图;
图2是常规PIN电光调制器结构的结构示意图;
图3是常规PIN电光调制器结构与本发明的波状PIN电光调制器结构的温度对比曲线图;
图4是常规PIN电光调制器结构与本发明的波状PIN电光调制器结构的电子浓度对比曲线图;
图5是常规PIN电光调制器结构与本发明的波状PIN电光调制器结构的空穴浓度对比曲线图。
图中,1.波状P+阱区,2.本征N型调制区,3.波状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.P+阱区,10.N+阱区。
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。
本发明一种波状PIN电光调制器结构,其结构如图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上部的两侧各设置分别设置有波状P+阱区1、波状N+阱区3,SiO2埋层7上部的波状P+阱区1、波状N+阱区3之间设置有本征N型调制区2,波状P+阱区1的上部配设有第一电极4,波状N+阱区3的上部配设有第二电极5,第一电极4、本征N型调制区2及第二电极5的上部覆盖有SiO2覆盖层6。
本发明一种波状PIN电光调制器结构主要由硅材料构成。
在本发明一种波状PIN电光调制器结构中:
波状P+阱区1的掺杂浓度为1×1019cm-3~5×1019cm-3,掺杂剂为B离子,波状P+阱区1的高度为0.05μm,宽度为0.5μm~0.8μm,波状区间距为0.1μm~0.3μm。
波状N+阱区3的掺杂浓度为1×1019cm-3~5×1019cm-3,掺杂剂为P离子,波状N+阱区3的高度为0.05μm,宽度为0.5μm~0.8μm,波状区间距为0.1μm~0.3μm。
本征N型调制区2的掺杂浓度为1×1015cm-3,掺杂剂为P离子,本征N型调制区2的中心高度为0.22μm,两侧高度为0.05μm,上部宽度为0.5μm~0.6μm,下部宽度为1.1μm~1.6μm。
SiO2覆盖层6的高度为1μm~2μm,宽度为2.1μm~2.6μm。
SiO2埋层7的高度为1μm~2μm,宽度为2.1μm~2.6μm。
N-Sub型衬底8的掺杂浓度为1×1014cm-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2.1μm~2.6μm。
对于常规PIN电光调制器结构结构而言,其主要采用硅材料构成;常规PIN调制器结构如图2所示,采用N-Sub型衬底8,在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2,P+阱区9、N+阱区10,P+阱区9和N+阱区10分别位于本征N型硅调制区2的两侧,P+阱区9上配设有第一电极4、N+阱区10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2的上方覆盖有SiO2覆盖层6。
本发明的波状PIN电光调制器结构与常规PIN调制器结构相比,其区别在于本发明的波状PIN电光调制器结构中将重掺杂的P+阱区和N+阱区形状设计成波状结构,增大了结面积,与常规PIN电学调制器结构相比,本发明的波状PIN电光调制器结构减小了热光效应对电光调制器的影响,提高了调制区中的载流子注入浓度。
本发明的波状PIN电光调制器结构的工作原理具体如下:
本发明的波状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,空穴和电子分别从波状P+阱区1和波状N+阱区3向本征N型调制区2中注入,载流子数目的改变会引起本征N型调制区2的折射率变化,从而达到光波调制的目的。由于PI结和NI结采用了波状设计,增大了结面积,载流子碰撞减少,不仅大大降低乐热能的产生,减小了热光效应对电光调制器的影响,而且提高了调制区中的载流子注入浓度,更加利于电光调制;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型调制区2中的载流子被抽取,本征N型调制区2的折射率变为原来初始材料的折射率,光波调制结束。
常规硅基PIN电光调制器结构是虽然也是通过第一电极4和第二电极5来控制器件的电光调制,但工作过程与本发明的工作不同,常规硅基PIN调制器结构的具体工作过程如下:
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9和N+阱区10向本征N型硅调制区2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2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2中的载流子被抽取,本征N型硅调制区2的折射率变为原来初始材料的折射率,光波调制结束。
本发明一种波状PIN电光调制器结构在仿真应用过程中发现:
其内部的本征N型调制区2折射率的改变是电光调制的重点,波状P+阱区1和波状N+阱区3可以有效增大PI结和NI结的结面积,减少了载流子碰撞,调制区内热能减小,抑制了热光效应对电光调制的影响;同时结面积的增大也提高了载流子注入量,本征N型调制区2折射率的变化增大,更加利于电光调制。在波状P+阱区1和波状N+阱区3的设计过程中,波状结构越尖,结面积越大,载流子在波状结构尖端堆积,热能上升;波状结构尖端之间的间距越小,结面积越大,载流子在波状结构凹处堆积,热能上升。为了得到更好的调制特性,波状P+阱区1和波状N+阱区3的尖端角度控制在55~65度之间,波状区间距控制在0.1μm~0.3μm之间;除此以外,还可以调节波状P+阱区1和波状N+阱区3的掺杂浓度和本征N型调制区2的下部宽度控制电光调制器的特性。
本发明一种波状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热能变化和载流子注入浓度进行仿真,在仿真中发现,波状PIN电光调制器结构的本征N型调制区2热能低于常规PIN光电调制器结构,波状PIN电光调制器结构的本征N型调制区2载流子注入浓度高于常规PIN光电调制器结构,具体仿真结果分别如图3、图4及图5所示。
从图3中可以看出,相同外置偏压下,由于波状PIN电光调制器结构具有更大的结面积,减少了注入载流子的碰撞几率,从而降低了器件内由于载流子碰撞而产生的热能,波状PIN电光调制器结构的本征N型调制区2的温度明显低于常规PIN光电调制器结构,温度大约降低了46%,更好的抑制了热光效应对电光调制器的影响。
图4和图5分别为电子浓度分布和空穴浓度分布,从图4和图5中可以看出,相同外置偏压下,波状PIN电光调制器结构的本征N型调制区2的电子(空穴)浓度为1.18e18cm-3,常规PIN电光调制器结构的本征N型调制区2的电子(空穴)浓度为1e18cm-3,波状PIN电光调制器结构的本征N型调制区2的载流子浓度比常规PIN电光调制器结构高了大约18%,波状PIN电光调制器结构的载流子注入能力明显增强。
本发明一种波状PIN电光调制器结构中的调制器结构结合理论会得出调制器在调制速度方面应该也有一定的优势,本发明主要以调制区热能变化和载流子注入浓度的仿真为重点。
本发明一种波状PIN电光调制器结构是在常规PIN电光调制器结构的基础上,将重掺杂的P+阱区和N+阱区形状设计成波状结构,增大了结面积,减少了注入载流子的碰撞几率,降低了器件内由于载流子碰撞而产生的热能,减小了热光效应对电光调制器的影响,而且提高了调制区中的载流子注入浓度,更加利于电光调制。
Claims (4)
1.一种波状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)上部的两侧各设置分别设置有波状P+阱区(1)、波状N+阱区(3),所述SiO2埋层(7)上部的波状P+阱区(1)、波状N+阱区(3)之间设置有本征N型调制区(2),所述波状P+阱区(1)的上部配设有第一电极(4),所述波状N+阱区(3)的上部配设有第二电极(5),所述第一电极(4)、本征N型调制区(2)及第二电极(5)的上部覆盖有SiO2覆盖层(6);
所述波状P+阱区(1)的掺杂浓度为1×1019cm-3~5×1019cm-3,掺杂剂为B离子;所述波状P+阱区(1)的高度为0.05μm,宽度为0.5μm~0.8μm,波状区间距为0.1μm~0.3μm;
所述波状N+阱区(3)的掺杂浓度为1×1019cm-3~5×1019cm-3,掺杂剂为P离子;所述波状N+阱区(3)的高度为0.05μm,宽度为0.5μm~0.8μm,波状区间距为0.1μm~0.3μm;
所述本征N型调制区(2)的掺杂浓度为1×1015cm-3,掺杂剂为P离子,所述本征N型调制区(2)的中心高度为0.22μm,两侧高度为0.05μm,上部宽度为0.5μm~0.6μm,下部宽度为1.1μm~1.6μm。
2.根据权利要求 1所述的一种波状PIN电光调制器结构,其特征在于,所述SiO2覆盖层(6)的高度为1μm~2μm,宽度为2.1μm~2.6μm。
3.根据权利要求 1所述的一种波状PIN电光调制器结构,其特征在于,所述SiO2埋层(7)的高度为1μm~2μm,宽度为2.1μm~2.6μm。
4.根据权利要求 1所述的一种波状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1×1014cm-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2.1μm~2.6μm。
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Title |
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