CN108490650A

CN108490650A - 周期性交错波导结构、以及电光调制结构和mzi结构

Info

Publication number: CN108490650A
Application number: CN201810314033.1A
Authority: CN
Inventors: 匡迎新; 李智勇; 刘阳; 刘磊; 李泽正
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2018-09-04
Anticipated expiration: 2038-04-09
Also published as: CN108490650B

Abstract

本发明提供了一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，周期性交错波导结构呈脊型，沿波导延伸方向在脊型波导中心形成有条状插指形n型Si掺杂区，在插指间形成有p型SiGe掺杂区，n型Si掺杂区和p型SiGe掺杂区周期性交错排列，n型Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，n型Si掺杂区的插指底部与在脊型波导中心底部连接的n型Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有p型SiGe掺杂区而使在插指间形成的p型SiGe掺杂区相连。由此，SiGe材料载流子有效质量减小，自由载流子等离子色散效应增强，而使SiGe材料的折射率变化增大，从而优化了调制效率、调制速度、调制功耗，获得了尺寸降低而调制性能提升的效果。

Description

周期性交错波导结构、以及电光调制结构和MZI结构

技术领域

本发明属于硅基光电子器件领域，具体涉及一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和马赫曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interference：MZI)结构，特别是一种能够提升材料基于等离子色散效应的折射率变化从而增加调制效率、提高器件工作速度、降低器件功耗的周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构。

背景技术

信息时代飞速发展，光通信技术中作为通信系统发射端重要构成的器件当属光调制器。通常，用于实现光信号的传输、产生、处理和探测等功能的光子组件，主要有光波导、激光器、调制器和探测二器等，它们是片间及片上光互连系统中的关键组成部分。而且，为了提升这些关键组成部分的性能，硅基光电子器件得以快速推进，从而开启了发展新阶段。其中，硅基电光调制器在高速率、低功耗、小尺寸等关键性能上逐步提升而受到广泛关注。

一般而言，硅基调制器至少可按电学调制结构和光学调制结构划分。一方面，电学调制结构主要有载流子注入结构、载流子耗尽结构和MOS电容结构等，其中，作为载流子注入结构的正向偏置pin结构的硅基电光调制器通过向作为波导的本征区注入自由载流子而实现波导材料的折射率改变，虽然其调制效率高，但是由于少子的复合时间较长故调制速度低至MHz量级；作为载流子耗尽结构的反向偏置pn结结构的硅基电光调制器，其利用多子的漂移运动，通过改变耗尽区的宽度实现载流子浓度的变化，进而改变材料的折射率，又因载流子的浓度变化由载流子的漂移运动引起故其调制速度会很高，可以达到几十GHz，然而由载流子耗尽作用引起的折射率变化很小，光场和电场的交叠区域很小，调制效率不会高。另一方面，光学调制结构主要包括马赫曾德尔干涉(MZI)结构和微环谐振(MRR)结构等，其中，MZI结构通过相位调制实现强度调制，其移相臂对在移相臂波导中传输的光的相位进行调制，而要达成π相位的调制则需要较大尺寸的器件结构；MRR结构将波导制成半径为微米量级的微型圆环从而在微型圆环即微环中传输的光波会产生谐振，而基于MRR结构的器件对工艺和外界环境温度较为敏感，光学带宽小。可见，这些电学调制结构、光学调制结构分别都各有优点和不足，而为了得到期望的器件性能就需要进行结构权衡折中，通过将电学调制结构、光学调制结构结合起来形成电光调制器。

目前，在传统硅基电光调制器中，有器件的工作速度和效率均较高的两梳指等高插合型反向偏置pn结波导的电光调制器，但由于硅材料因其等离子色散效应较弱(在载流子浓度变化为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的情况下折射率的变化为1×10^-4～3×10^-3)的自身劣势，例如在传统硅基MZI型电光调制器中要达成π相位的调制还需要对移相臂(也称调制臂)较高的调制电压，从而难以进一步提升调制器件的性能。也就是，硅材料中自由载流子等离子色散效应等可用于光调制物理效应有限，这就需要考虑硅化物、锗、有机聚合物等材料，还必须与微电子集成技术中的设计原理和工艺方法相兼容。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种周期性交错波导结构，其呈脊型，包括：沿波导延伸方向在脊型波导中心形成的条状插指形Si掺杂区；以及形成在插指之间的SiGe掺杂区；其中，Si掺杂区和SiGe掺杂区周期性交错排列，Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，Si掺杂区的插指底部与在脊型波导中心底部连接的Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有SiGe掺杂区而使在插指之间形成的SiGe掺杂区相连。

本发明的周期性交错波导结构中，Si掺杂区为n型Si掺杂区，SiGe掺杂区为p型SiGe掺杂区；n型Si掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，p型SiGe掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3。

本发明的周期性交错波导结构中，p型SiGe掺杂区能够以本征半导体材料或电光材料替换，本征半导体材料可以为SiGe或Ge。

根据本发明的另一方面，提供了一种周期性交错波导结构的电光调制结构。该周期性交错波导结构的电光调制结构包括：SOI硅衬底；SiO₂埋氧层，形成在SOI硅衬底上；硅层，外延生长于SiO₂埋氧层，包括：Si掺杂区，形成于硅层的中部，呈条状插指形；SiGe掺杂区，形成在Si掺杂区的插指之间；Si掺杂区和SiGe掺杂区周期性交错排列而形成脊型周期性交错波导结构，Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，Si掺杂区的插指底部与在脊型波导中心底部连接的Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有SiGe掺杂区而使在插指之间形成的SiGe掺杂区相连；第一Si接触区和第二Si接触区，分别形成在脊型周期性交错波导结构的平板区的两侧；第一电极和第二电极，分别形成在第一Si接触区和第二Si接触区之上；第一电极经由第一Si接触区与Si掺杂区电性连接，第二电极经由第二Si接触区与SiGe掺杂区电性连接。

本发明的周期性交错波导结构的电光调制结构中，Si掺杂区为n型Si掺杂区，SiGe掺杂区为p型SiGe掺杂区；n型Si掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，p型SiGe掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，n+型掺杂第一Si接触区和p+型掺杂第二Si接触区的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；SiGe掺杂区的在垂直于波导延伸方向上的厚度为30～150nm。

根据本发明的另一方面，提供了一种MZI结构。该MZI结构包括：输入波导；分束器，其与输入波导连接，两个调制臂，利用上述的周期性交错波导结构的电光调制结构对来自分束器的光的相位进行调制；合束器，其与两个调制臂连接，将来自两个调制臂的存在相位差的光进行干涉；输出波导，其与合束器连接，输出来自合束器的经由干涉而得到强度调制的光。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：

(1)在波导中引入SiGe材料，其载流子有效质量减小，自由载流子等离子色散效应增强，从而SiGe材料的折射率变化增大，有效实现波导结构对折射率的调制。因而，优化了调制的性能参数(调制速度、调制效率、调制功耗)，获得了尺寸降低而调制功能优异的效果。

(2)对由n型Si掺杂区和p型SiGe掺杂区形成的pn结施加反向偏置电压，耗尽区附近的载流子浓度发生变化，由于pn结的周期性排列，增加了光场与载流子浓度变化之间的相互作用，从而进一步增加调制效率、减小器件尺寸、提高器件工作速率、降低器件功耗。

(3)MZI结构在其调制臂利用周期性交错波导结构的电光调制结构对光的相位进行调制，再利用合束器来实现基于调制臂产生相位差的光的干涉，从而有效地将光的相位变化进一步转变为光的强度变化，实现对光的调制。

附图说明

图1为本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的概要性立体图。

图2为本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的概要性俯视图。

图3为本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的垂直于光场传播方向的概要性剖视图。

图4为使用本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的MZI结构的概要性俯视图。

【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

101-本征Si衬底； 102-SiO₂埋氧层； 103-第一Si接触区；

104-第二Si接触区； 105-第一电极； 106-第二电极；

107-Si掺杂区； 108-非Si材料区；

a-3dB分束器； a’-3dB合束器； b-调制臂；

c-输入波导； c’-输出波导。

具体实施方式

本发明的申请人经过锐意的研究发现，SiGe材料的载流子有效质量比Si材料小，并且能够通过应变工程等技术来实现其材料带隙的调节及其他参数的改变，从而SiGe或Ge/SiGe量子阱中的等离子色散效应会得到有效增强，且制造工艺与传统CMOS工艺兼容。在此基础上，设计了一种新的在硅基SOI材料中引入SiGe材料的合理波导结构。

为此，本发明提供了一种作为基于Si/SiGe材料的合理波导结构的新颖的周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，其中，在周期性交错波导结构中周期性交错排布有Si掺杂区和SiGe掺杂区，SiGe材料载流子有效质量减小，其自由载流子等离子色散效应会得到增强，从而SiGe材料的折射率发生变化，来实现波导结构对折射率的调制。因而，优化了调制的性能参数(调制效率、调制速度、调制功耗)，获得了尺寸降低而调制功能优异的效果。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明具体实施例中，提供了一种周期性交错波导结构的电光调制结构。在本实施例中，采用SOI衬底。

图1为本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的概要性立体图。图2为本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的概要性俯视图。图3为本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的垂直于光场传播方向的概要性剖视图。结合图1、图2和图3来看，本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构包括：

如图1所示，本征Si衬底101；设置在本征Si衬底101上方的SiO₂埋氧层102；设置在SiO₂埋氧层102中心区域之上的Si掺杂区107和非Si材料区108，而Si掺杂区107和非Si材料区108在光场传播方向周期性交错排列；设置在SiO₂掩埋层两侧端上的第一Si接触区103和第二Si接触区104；设置在第一Si接触区103上的第一电极105；设置在第二Si接触区104上的第二电极106。

具体地，如图2和图3所示，周期性交错波导结构的电光调制结构包括：本征Si衬底101；SiO₂埋氧层102，其形成在本征Si衬底101上；硅层，其外延生长于SiO₂埋氧层102上，其中该硅层经刻蚀形成脊型波导结构，在其中部形成条状插指形结构而再经掺杂形成Si掺杂区107，在该硅条状插指形结构的插指间生长SiGe材料而再经掺杂形成SiGe掺杂区(即非Si材料区108，有时称为“SiGe掺杂区108”)，Si掺杂区107和SiGe掺杂区108在波导延伸方向相互交错排列而形成周期性交错波导结构，而该脊型波导两侧的硅层分别经掺杂形成n+型掺杂区103(也称第一Si接触区103)和p+型掺杂区104(也称第二Si接触区104)；第一电极105和第二电极106，分别形成在第一Si接触区103和第二Si接触区104的上方。

如图2和图3所示，具体而言，在俯视观察的情况下，在波导延伸方向，插指形Si掺杂区107和形成在插指间的SiGe掺杂区108相互交错排列而形成周期性交错波导结构；在垂直于光场传播方向的剖视观察的情况下，由Si掺杂区107和SiGe掺杂区108构成的周期性交错波导结构呈脊型波导结构。

需要说明的是，在垂直于光场传播方向的横穿了插指间的SiGe掺杂区108的剖视观察的情况下，脊型周期性交错波导结构中的Si掺杂区107占据了脊型截面形状的部分，如图3所示，考虑到SiGe材料在波导结构中的作用以及载流子分布与光场之间的相互作用，在脊型波导的中心上部，Si掺杂区107仅为上部截面面积的二分之一之下，但在脊型波导的中心下部，Si掺杂区107几乎占满了下部截面面积，而下部截面面积中的没有Si掺杂区107的其他部分由在上部形成的SiGe掺杂区108向下延伸且沿与SiGe掺杂区108相接的脊型波导的平板区的顶部内侧向外延伸而形成的SiGe掺杂区108占据，SiGe掺杂区108在下部延伸的厚度不足下部厚度的一半。另外，在脊型周期性交错波导结构的垂直于光场传播方向的两端邻接的SiGe掺杂区108，其在下部向外延伸，与第二Si接触区104相连(参照图2的SiGe掺杂区108中的实线)。

这样，在脊型周期性交错波导结构中，Si掺杂区107为较高掺杂浓度的n型Si掺杂区，SiGe掺杂区108为较低掺杂浓度的p型SiGe掺杂区，对第一电极105施加正电压而对第二电极106施加负电压，实质上就对与第一电极105经由第一Si接触区103相连的n型Si掺杂区107施加正电压，而对与第二电极106经由第二Si接触区104相连的p型SiGe掺杂区108施加负电压，从而对由n型Si掺杂区107和p型SiGe掺杂区108形成的横向pn结施加了反向偏置电压，由此，pn结会处于耗尽模式，该模式下的耗尽区主要向低掺杂浓度的p型SiGe掺杂区108扩展，在耗尽区内及附近的载流子浓度发生变化，由于光场主要分布在脊型波导中心区，载流子浓度的变化将改变材料的折射率，进而改变光场模式的有效折射率，由于耗尽区既存在于垂直方向也存在于水平方向，从而载流子浓度变化的区域在p型SiGe掺杂区108增大，即p型SiGe掺杂区108的空穴载流子浓度变化区域增大，而使光场与载流子浓度变化区域的相互作用增强。由于Si掺杂区与SiGe掺杂区形成的pn结是周期性交错排列，这样的因反向偏置pn结导致载流子浓度的变化与光场之间的相互作用会进一步增强。同时，由于SiGe材料载流子有效质量与Si材料相比减小，使得自由载流子等离子色散效应增强，能够使波导结构对折射率的调制得到增强。这些因素共同作用，进而达到增加调制效率、减小器件尺寸、提高器件工作速率、降低器件功耗的目的。

还需要说明的是，Si掺杂区107的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，Si掺杂区107为n型Si掺杂区；SiGe掺杂区108的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，SiGe掺杂区108为p型SiGe掺杂区；第一Si接触区103和第二Si接触区104的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3，第一Si接触区103是n+型第一Si接触区，第二Si接触区104是p+型第二接触区；SiGe掺杂区108的厚度为30～150nm。

至此，本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构介绍完毕。

在本发明另一具体实施例中，提供了一种使用上述的周期性交错波导结构的电光调制结构的MZI结构。图4为使用本发明实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的MZI结构的概要性俯视图。如图4所示，该MZI结构包括：输入波导c、输出波导c’、3dB分束器a、3dB合束器a’、以及两个调制臂b，该调制臂b使用本申请实施例的周期性交错波导结构。具体地，外部输入的光信号(输入信号)经由输入波导c输入，通过与输入波导c连接的3dB分束器a的输入端口由3dB分束器a分束后分别进入两个调制壁b，由调制臂b实现波导结构中材料折射率的变化进而改变波导结构中传输的光的相位后从与两个调制臂b分别连接的3dB合束器a’的两个输入端口进入到3dB合束器a’，由3dB合束器a’使具有相位差的两路光信号相互干涉，而从3dB合束器a’的输出端口经由输出波导c’端口输出。如图4所示，MZI结构分别通过改变调制臂b上施加的反向偏置电压来改变传输的光的相位，再利用合束器来实现由两个调制臂b进行相位改变后的光的干涉，最终实现光的强度调制。由此，通过这样的MZI结构能够有效地将光的相位变化进一步转变为光的强度变化，实现对光的调制。

为了达到简要说明的目的，上述具体实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，本发明的另一具体实施例介绍完毕。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)非Si材料区108可以根据两电极间施加的电压所达成的性能的不同而选择不同的材料，除了上述那样的在基于施加电压进行载流子耗尽时采用掺杂SiGe材料以外，还可以在基于施加电压进行载流子注入时采用本征半导体材料如本征SiGe或Ge，在基于施加电压产生水平电场时采用电光材料；

(2)非Si材料区的材料可以采用应变半导体材料，其厚度小于材料生长的临界厚度；非Si材料区的材料也可以采用体半导体材料，其厚度大于材料生长的临界厚度；

依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制器和MZI结构有了清楚的认识。

综上所述，本发明提供一种通过材料载流子有效质量减小而使其载流子等离子色散效应增强的周期性交错波导结构、进一步通过反向偏置电压而使载流子浓度变化区域增大由此材料折射率改变的周期性交错波导结构的电光调制结构、以及将光的相位调制改变成强度调制的MZI结构，从而可以广泛应用于有源高速电光调制、光发射模块、片上光集成等诸多领域。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种周期性交错波导结构，其呈脊型，包括：

沿波导延伸方向在脊型波导中心形成的条状插指形Si掺杂区；以及

形成在所述插指之间的SiGe掺杂区；

其中，所述Si掺杂区和所述SiGe掺杂区周期性交错排列。

2.根据权利要求1所述的周期性交错波导结构，其中，

所述Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，所述Si掺杂区的插指底部与在所述脊型波导中心底部连接的Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有SiGe掺杂区而使在所述插指之间形成的所述SiGe掺杂区相连。

3.根据权利要求1所述的周期性交错波导结构，其中，

所述Si掺杂区为n型Si掺杂区，所述SiGe掺杂区为p型SiGe掺杂区。

4.根据权利要求3所述的周期性交错波导结构，其中，

所述n型Si掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，所述p型SiGe掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3。

5.根据权利要求3所述的周期性交错波导结构，其中，

所述p型SiGe掺杂区能够以本征半导体材料或电光材料替换。

6.根据权利要求5所述的周期性交错波导结构，其中，

所述本征半导体材料为SiGe或Ge。

7.一种周期性交错波导结构的电光调制结构，包括：

SOI硅衬底；

SiO₂埋氧层，其形成在SOI硅衬底上；

硅层，外延生长于所述SiO₂埋氧层，包括：

Si掺杂区，形成于所述硅层的中部，呈条状插指形；

SiGe掺杂区，形成在所述Si掺杂区的插指之间；

所述Si掺杂区和所述SiGe掺杂区周期性交错排列而形成脊型周期性交错波导结构，所述Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，所述Si掺杂区的插指底部与在所述脊型波导中心底部连接的Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在所述空隙设置有SiGe掺杂区而使在所述插指之间形成的所述SiGe掺杂区相连；

第一Si接触区和第二Si接触区，分别形成在所述脊型周期性交错波导结构的平板区的两侧；

第一电极和第二电极，分别形成在所述第一Si接触区和所述第二Si接触区之上；

所述第一电极经由所述第一Si接触区与所述Si掺杂区电性连接，所述第二电极经由所述第二Si接触区与所述SiGe掺杂区电性连接。

8.根据权利要求7所述的周期性交错波导结构的电光调制结构，其中，

9.根据权利要求8所述的周期性交错波导结构的电光调制结构，其中，

所述n型Si掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，所述p型SiGe掺杂区的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，所述第一Si接触区和所述第二Si接触区的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

10.根据权利要求8所述的周期性交错波导结构的电光调制结构，其中，

所述SiGe掺杂区的在垂直于波导延伸方向上的厚度为30～150nm。

11.一种MZI结构，包括：

输入波导；

分束器，其与所述输入波导连接，

两个调制臂，利用权利要求7至10中任一项所述的周期性交错波导结构的电光调制结构对来自所述分束器的光的相位进行调制；

合束器，其与所述两个调制臂连接，将来自所述两个调制臂的存在相位差的光进行干涉；

输出波导，其与所述合束器连接，输出来自所述合束器的经由干涉而得到强度调制的光。