CN105629522A

CN105629522A - 硅基光调制器

Info

Publication number: CN105629522A
Application number: CN201410620813.0A
Authority: CN
Inventors: 甘甫烷; 汪敬; 盛振; 武爱民; 仇超; 王曦; 邹世昌
Original assignee: NANTONG OPTO-ELECTRONICS ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES; Jiangsu Sunfy Optoelectronics Technology Co ltd; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Nantong Xinwei Research Institute; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: CN105629522B

Abstract

本发明提供一种硅基光调制器，至少包括：脊型波导，所述脊型波导包括平板部和位于所述平板部中间的凸条，所述凸条高于所述平板部；所述脊型波导中形成有第一轻掺杂区和第二轻掺杂区，所述第一轻掺杂区形成于所述凸条中间，且沿所述凸条的延伸方向延伸；所述第二轻掺杂区形成于所述第一轻掺杂区两侧的凸条中和与所述凸条两侧相连的平板部中；所述第一轻掺杂区和所述第二轻掺杂区的掺杂类型相反。在本发明的技术方案中，在脊型波导的凸条内由第一轻掺杂区和第二轻掺杂区形成两个背对背的PN结，在硅基光调制器工作时可以形成两个耗尽区，弥补解决离子注入对准误差的问题，并且提高了硅基光调制器的调制效率。

Description

硅基光调制器

技术领域

本发明涉及一种半导体技术领域，特别是涉及一种硅基光调制器。

背景技术

硅基光调制器是片上光逻辑、光互联和光处理器的核心器件之一，用于将射频电信号转化为高速光信号。它可以与激光器、探测器和其他波分复用器件构成一个完整的功能性网络。近年来，通过大量的技术手段，硅基调制器已经在多种硅基、混合硅基、兼容硅基材料上面实现，包括绝缘体上硅(SOI)材料、SOI与三五族化合物混合材料、应变硅材料等。其中，由于在SOI材料上制作的基于等离子体色散效应的硅基调制器其制造工艺与现有电子工业中使用的CMOS工艺可完全兼容，为低成本，大批量的生产提供了可能性，受到业界的广泛关注。

基于等离子体色散效应的硅基调制器分为三种，分别利用了经过离子注入后的SOI脊型波导中载流子的积聚、注入和耗尽效应。在这三种之中，工作于反偏电压下的耗尽型调制器被公认为是能够提供最快调制速率的解决方案之一。所述耗尽型调制器的工作原理为：在SOI脊型波导中形成PN结，所述PN结被施加反偏电压后，载流子会向两边移动，在PN结交界面上面形成一个耗尽区。由于硅材料的折射率与载流子浓度有关，所以在上述过程中，脊型波导的折射率会发生变化。如果将这样的SOI脊型波导做成马赫曾德尔干涉仪或者微环谐振器，由于折射率的变化会导致光谱发生变化，故若在所述PN结两端施加一个高速变化的电信号，那么光谱也会随电信号的变化而快速变化，尤其是在工作波长处的光功率也发生了快速变化，实际上就发生了电信号到光信号的转变，完成了调制。

其中，由于相同浓度的电子和空穴对折射率的改变不一致，以及在脊型波导中模场的分布不均匀，导致PN结分界面的位置很重要，这影响到在一定电压情况下，光谱能否发生较多的位移(即有着较高的调制效率)。但是传统的PN结结构对离子注入的对准十分严格，几十个纳米的偏差就会引起硅基调制器性能的极大劣化。因此在脊型波导上设计一种工艺容差大，同时能够极大地改变模场折射率的PN结结构是当前开发的重点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基光调制器，用于解决现有技术中硅基光调制器的脊型波导上PN结对工艺容差较小的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅基光调制器，所述硅基调制器至少包括：

脊型波导，所述脊型波导包括平板部和位于所述平板部中间的凸条，所述凸条高于所述平板部；

所述脊型波导中形成有第一轻掺杂区和第二轻掺杂区，所述第一轻掺杂区形成于所述凸条中间，且沿所述凸条的延伸方向延伸；所述第二轻掺杂区形成于所述第一轻掺杂区两侧的凸条中和与所述凸条两侧相连的平板部中；

所述第一轻掺杂区和所述第二轻掺杂区的掺杂类型相反。

优选地，所述第一轻掺杂区的宽度为100nm～250nm。

优选地，所述第一轻掺杂区和所述第二轻掺杂区以与所述凸条的延伸方向平行的所述凸条的中线成轴对称。

优选地，所述脊型波导中，所述平板区的高度为50nm～200nm，所述凸条的高度为220nm～340nm，所述凸条的宽度为300nm～700nm。

优选地，所述平板部中还包括第一重掺杂区、第二重掺杂区和第三轻掺杂区；

其中，所述第一重掺杂区分别形成于所述第二轻掺杂区的两外侧，其中一第一重掺杂区的外侧形成有所述第二重掺杂区；

所述第三轻掺杂区为至少一个并排的长条型区域，每一所述第三轻掺杂区的一端连接所述第一轻掺杂区，另一端连接所述第二重掺杂区；

所述第一重掺杂区与所述第二轻掺杂区的掺杂类型相同；所述第二重掺杂区的掺杂类型、第三轻掺杂区和所述第一轻掺杂区的掺杂类型相同；

所述第一重掺杂区和第二重掺杂区中还形成有通孔，所述通孔中填充有金属电极，所述处于第一重掺杂区中的金属电极连接在一起，所述处于第二重掺杂区的金属电极连接在一起。

优选地，每两相邻的所述第三轻掺杂区之间形成有一金属电极。

优选地，所述第一重掺杂区与所述凸条相对的两边界的间距为1μm～2μm。

优选地，与所述第二重掺杂区紧邻的所述第一重掺杂区的宽度为1μm～10μm，另一所述第一重掺杂区的宽度为1μm～50μm，所述第二重掺杂区的宽度为1μm～50μm。

优选地，所述第一轻掺杂区的掺杂类型为P型。

优选地，所述第一轻掺杂区中掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁸cm^-3，所述第二轻掺杂区中掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁸cm^-3，所述第一重掺杂区中掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3，所述第二重掺杂区中掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3。

如上所述，本发明的技术方案中提供的硅基光调制器，具有以下有益效果：

在脊型波导的凸条中由第一轻掺杂区和第二轻掺杂区形成两个背对背的PN结，在硅基光调制器工作时可以形成两个耗尽区，如果离子注入对准偏左的话，右侧的PN结比较靠近最优值的地方，如果离子注入偏右的话，左侧的PN结会弥补，这样解决离子注入对准误差的问题；并且，两个PN结构的耗尽区的面积将大于一个PN结设计的耗尽区面积，提高了硅基光调制器的调制效率。

附图说明

图1和图2显示为本发明提供的硅基光调制器的结构示意图。

元件标号说明

400脊型波导

50平板部

70凸条

H1高度

H2高度

L1宽度

L2宽度

W1宽度

W2间距

W3宽度

W4间距

W5宽度

W6宽度

100无掺杂区

111纵向第一轻掺杂区

112横向第一轻掺杂区

211、212第二轻掺杂区

221、222第一重掺杂区

123第二重掺杂区

300金属电极

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供的技术方案中，在脊型波导中形成两个背靠背的PN结构，工作时候可以形成两个耗尽区。工作中，两个PN结构的耗尽区的面积将大于普通PN结设计的耗尽区面积，于是利用在脊型波导中形成两个PN结来解决离子注入对准误差的问题，提高了硅基光调制器的调制效率。

具体如图1所示，本发明提供一种硅基光调制器，包括脊型波导400，所述脊型波导400包括平板部50和位于所述平板部50中间的凸条70，所述凸条70高于所述平板部50。

本实施例中，所述脊型波导400形成在SOI衬底的顶层硅中(未图示)，所述脊型波导400周围还有其它的低折射率材料包围。具体可以为，所述脊型波导400的下面为SOI衬底的埋氧层，所述脊型波导400的上面为二氧化硅包层。

本实施例中的脊型波导400中，由于所述脊型波导400的材质为硅，下面或者上面包围所述脊型波导400的材质为二氧化硅。硅折射率比二氧化硅的折射率大，所以，在工作的时候，需要传输的电磁波(光)就沿着所述脊型波导400中凸条70的延伸方向传播。确定了所述脊型波导中各部分的尺寸，根据麦克斯韦方程组、边界条件还有光波导具体的尺寸，可以解出可以在所述脊型波导400中传播的电磁波(光)电磁场的具体情况(包括电场和磁场强度，方向，速度，衰减等)。

具体的，本实施例中，平板部50的高度H1为50nm～200nm，所述脊型波导400的高度(所述凸条70的高度)H2为220nm～340nm，所述凸条70的宽度L1为300nm～700nm，所述波导宽度L2为450nm～600nm。具体的，本实施例中，平板部50的高度H1为50nm～200nm，所述脊型波导400的高度(所述凸条70的高度)为H2为220nm～340nm，所述凸条70的宽度L1为300nm～700nm，所述波导宽度L2为450nm～600nm。

另外，在所述脊型波导400中还形成多个掺杂区。所述掺杂区通过多次离子注入形成。具体的，所述脊型波导中形成有第一轻掺杂区111和第二轻掺杂区211、212，所述第一轻掺杂区111形成于所述凸条70的中间，且沿所述凸条70的延伸方向延伸；所述第二轻掺杂区211、212形成于所述第一轻掺杂区111两侧的凸条70中和与所述凸条70两侧相连的平板部50中；所述第一轻掺杂区111和所述第二轻掺杂区211、212的掺杂类型相反。

本实施例中，所述硅基调制器的原理为：PN结两端的电压改变会引起PN结的耗尽区宽度的改变，而PN结的耗尽区宽度的改变可以引起波导的折射率分布改变，波导的折射率分布改变可以引起该波导支持的传播模式发生改变，进而导致模场的有效折射率发生改变，从而实现了调制器的电光调制的功能。

其中，电磁波的模场是指在所述脊型波导400中，传播的电磁波(光)电磁场强度的空间分布。在所述脊型波导400中，有些地方所述电磁波的模场的强度大，有些地方所述电磁波的模场的强度弱。具体的，本实施例中，在所述脊型波导400中，在所述凸条70的中间，所述模场的强度最大。

优选的，本实施例中，需要PN结的耗尽区在电磁波的模场强度最大的地方，这样的话，PN结的耗尽区的改变对所传播的电磁波的影响最大。

本实施例中，所述第一轻掺杂区111的掺杂类型为P型，即所述第一轻掺杂区111与所述第二轻掺杂区211、212在凸条70中形成了掺杂形式为NPN的结构，包括了两个PN结，在工作时可以形成两个耗尽区。这样的话，如果离子注入对准偏左的话，右侧的PN结比较靠近最优值的地方；如果离子注入偏右的话，左侧的PN结会弥补。所以利用两个PN结来达到解决离子注入对准误差的问题。并且，通过优化，工作中两个PN结的耗尽区的面积将大于普通PN结设计的耗尽区面积，提高了调制效率。

另外，所述平板部50中还包括第一重掺杂区221、222、第二重掺杂区123和第三轻掺杂区112；其中，所述第一重掺杂区221、222分别形成于所述第二轻掺杂区211、212的两外侧，其中一第一重掺杂区222的外侧形成有所述第二重掺杂区123；所述第三轻掺杂区112为至少一个并排的长条型区域，每一所述第三轻掺杂区112的一端连接所述第一轻掺杂区111，另一端连接所述第二重掺杂区123；所述第一重掺杂区221、222与所述第二轻掺杂区211、212的掺杂类型相同，即为N型。所述第二重掺杂区123的掺杂类型、第三轻掺杂区112和所述第一轻掺杂区111的掺杂类型相同，即为P型。

另外，如图2所示，所述第一重掺杂区221、222和第二重掺杂区123中还形成有通孔(未标示)，所述通孔中填充有金属电极300，所述处于第一重掺杂区221、222中的金属电极300连接在一起，所述处于第二重掺杂区123的金属电极300连接在一起。

所述第一重掺杂区221、222和第二重掺杂区123中的重掺杂，以与其中的所述金属电极300形成欧姆接触。因为不同的电极金属和重掺杂区形成欧姆接触，对掺杂浓度的要求是不一样的。所述第一重掺杂区221、222和所述第二重掺杂区123中不同的掺杂浓度对于不同的电极金属。

所述第三轻掺杂区112的作用为连接中间的第一轻掺杂区111和掺杂类型相同的第二重掺杂区123，使得电流能够从第二重掺杂区123的金属电极300沿着第三轻掺杂区112流入第一轻掺杂区111。

即如图1至2中所述各个掺杂区从左到右的情况具体为：

第一重掺杂区221为N重掺杂区，掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3，该区域放置通孔，用于连接金属电极300，本区域的金属电极300与第一重掺杂区222的金属电极300相连。第二轻掺杂区211为N轻掺杂区，掺杂浓度1×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁸cm^-3，该区域无通孔。

第一轻掺杂区111为P轻掺杂区，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁸cm^-3，该区域无通孔。

第二轻掺杂区212为N轻掺杂区，掺杂浓度1×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁸cm^-3，该区域无通孔。

第一重掺杂区222为N重掺杂区，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3，该区域有通孔，用于连接金属电极300，本区域的金属电极300与第一重掺杂区221的金属电极300相连。

第二重掺杂区123为P重掺杂区，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3，该区域有通孔，用于连接金属电极300。

具体的，本实施例中，所述第一轻掺杂区111和所述第二轻掺杂区211、212以与所述凸条70的延伸方向平行的所述凸条的中线成轴对称。所述第一轻掺杂区111在中间，需要比较宽，原因是所述第一轻掺杂区111和所述第二轻掺杂区211、212的两个分界面都要形成耗尽区，太近的话，两个耗尽区会重叠。另外由于现有技术工艺的局限，第一轻掺杂区111的宽度W3最小应该>150nm。

本实施例中，所述第一重掺杂区221、222与所述凸条70相对的两边界的间距W2、W4为1μm～2μm。这是由于金属电极300形成在第一重掺杂区221、222和第二重掺杂区123中，所以第一重掺杂区221、222要离脊型波导中间远一些，否则金属电极300的电场有可能会破坏光波导中的光场。

本实施例中，与所述第二重掺杂区123紧邻的所述第一重掺杂区222的宽度W5为1μm～10μm，另一所述第一重掺杂区221的宽度W1为1μm～50μm，所述第二重掺杂区123的宽度W6为1μm～50μm。这是由于第一重掺杂区221和第二重掺杂区123都有电极，所以第一重掺杂区221和第二重掺杂区123需要比较宽，以优化金属电极300，保证电信号的低损耗传输。

因为第三轻掺杂区112在到达第二重掺杂区123的过程中会穿过第二轻掺杂区211和第一重掺杂区221，因此有可能会在这些区域形成耗尽区，但是因为这些区域的模场强度已经很小，这些区域中形成耗尽区并不能提高调制效率，反而会引起电流的损耗。具体的，设置所述第三轻掺杂区112的宽度为g，间距为l，则每个周期长度可以用g+l来表示，所述第三轻掺杂区112所占比例是a＝g/(g+l)。本实施例中，所述g的范围为50nm～1000nm，所述l的范围为50nm～1000nm，所述a的范围为0～1。

另外，当驱动调制器工作的电信号是低频时，波长远比调制器尺寸要大，因此可以使用集总电极。但是当电信号频率超过10GHz时，即为微波信号，因为微波信号波长接近于电极长度，所以必须需要使用行波电极。本实施例中，设置所述金属电极300的厚度为0.5μm～3μm，两个金属电极300之间的间距为2μm～20μm，金属电极300的宽度为5μm～500μm。

综上所述，本发明在脊型波导中形成两个背靠背的PN结结构，工作时可以形成两个耗尽区，达到解决离子注入对准误差的问题，提高硅基光调制器的调制效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种硅基光调制器，其特征在于，所述硅基调制器至少包括：

所述第一轻掺杂区和所述第二轻掺杂区的掺杂类型相反。

2.根据权利要求1所述的硅基光调制器，其特征在于：所述第一轻掺杂区的宽度为100nm～250nm。

3.根据权利要求1所述的硅基光调制器，其特征在于：所述第一轻掺杂区和所述第二轻掺杂区以与所述凸条的延伸方向平行的所述凸条的中线成轴对称。

4.根据权利要求1所述的硅基光调制器，其特征在于：所述脊型波导中，所述平板区的高度为50nm～200nm，所述凸条的高度为220nm～340nm，所述凸条的宽度为300nm～700nm。

5.根据权利要求4所述的硅基光调制器，其特征在于：

所述平板部中还包括第一重掺杂区、第二重掺杂区和第三轻掺杂区；

其中，所述第一重掺杂区分别形成于所述第二轻掺杂区的两外侧，其中一所述第一重掺杂区的外侧形成有所述第二重掺杂区；

6.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于：每两相邻的所述第三轻掺杂区之间形成有一金属电极。

7.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于：所述第一重掺杂区与所述凸条相对的两边界的间距为1μm～2μm。

8.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于：与所述第二重掺杂区紧邻的所述第一重掺杂区的宽度为1μm～10μm，另一所述第一重掺杂区的宽度为1μm～50μm，所述第二重掺杂区的宽度为1μm～50μm。

9.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于：所述第一轻掺杂区的掺杂类型为P型。

10.根据权利要求5或9中任一项所述的硅基光调制器，其特征在于：所述第一轻掺杂区中掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁸cm^-3，所述第二轻掺杂区中掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁸cm^-3，所述第一重掺杂区中掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3，所述第二重掺杂区中掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3至5×10²⁰cm^-3。