CN109031706A - 一种硅基电光调制器的掺杂结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种硅基电光调制器的掺杂结构，包括脊型波导，包括平板部与位于平板部的中部的条形波导；脊型波导中形成第一掺杂区域、第二掺杂区域、第三掺杂区域及第四掺杂区域；第二掺杂区域越过条形波导的中心与第三掺杂区域的交界处形成PN结掺杂耗尽区，PN结掺杂耗尽区包括依次排列的具有一PN结掺杂周期的圆弧状结构，PN结掺杂耗尽区与第二掺杂区域相通，PN结掺杂耗尽区的掺杂离子与第二掺杂区域的掺杂离子相同。有益效果：在不显著增加PN结电容的情况下，增加PN结耗尽区的宽度，改善PN结掺杂耗尽区与光模场的重叠因子，提高调制器的工艺容差，并且这种掺杂结构工艺简单，与传统工艺兼容，可用于大规模生产，成本较低，具有很高的产业利用价值。

Description

一种硅基电光调制器的掺杂结构
技术领域
本发明涉及电光调制器技术领域，尤其涉及一种硅基电光调制器的掺杂结构。
背景技术
电光调制器用于将高速的电信号转变为光信号，是实现光互连的重要组成部分。高速硅基调制器通常采用马赫增德尔干涉仪结构(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)，如图1所示，通过改变两臂中的光传输相位差实现对光强度的调制。调制器的相移元件为嵌入在硅脊形波导中的PIN二极管，如图2所示，光的传播方向设为x方向，波导宽度方向设为y方向，高度方向设为z方向。通过外加电压在PIN二极管的P区和N区，在波导中央产生载流子的注入和耗尽，由于自由载流子的等离子色散效应，硅材料的折射率发生改变，经过波导的光的相移发生改变，从而使通过干涉仪的光功率发生干涉相涨或相消，最终实现电信号对光功率的调制。
在1550nm波长处，硅中自由载流子等离子色散效应导致的折射率及吸收系数改变可以表示为：
Δn＝Δne+Δnh＝-[8.8×10-22×Δde+8.5×10-18×(Δdh)0.8]
Δα＝Δαe+Δαh＝8.5×10-18×Δde+6.0×10-18×Δdh (公式1)
Δne和Δnh分别表示由于自由电子及自由空穴浓度改变导致的折射率变化，而Δαe及Δαh则表示由于自由电子及自由空穴浓度改变导致的吸收系数改变。
由于调制器的相移效率由载流子注入导致的有效折射率改变所决定，因此PIN管的杂质分布对调制器的相移效率很大的影响。提高PIN管的掺杂水平可以提高调制器的相移效率，但由于载流子的吸收效应，会使芯片的损耗增加。从公式1中可以看出，折射率n对P型载流子浓度的变化更为敏感，为提高调制效率，对P型掺杂和N型掺杂在波导中心位置进行优化，P型掺杂越过波导中心位置距离为d，如图2所示，在实际制作过程中，对准精度通常受工艺节点和光刻机影响，对于130nm或者90nm以下工艺节点，光刻机通常采用248nm或者193nm，其工艺对准误差通常在30nm-50nm。
图3为基于zig-zag掺杂形貌的硅基电光调制器相移单元示意图，该结构通过把耗尽区从波导宽度y方向改为光的传播方向x方向，从而降低了对工艺对准精度的要求。同时由于其耗尽区长度为掺杂单元数N*(d1*2+d2+d3)，与图2相比，通过调节d1，实际耗尽区长度远大于器件长度L，有利于减小器件尺寸，但同时导致器件电容增加，不利于调制速度的提高。图4与图5分别为基于zig-zag掺杂形貌的硅基电光调制器的调制效率和等效PN结单位长度电容测试结果曲线图。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种硅基电光调制器的掺杂结构。
具体技术方案如下：
一种硅基电光调制器的掺杂结构，其中包括：
一脊型波导，所述脊型波导包括一平板部与一位于所述平板部的中部的条形波导；所述脊型波导中形成一第一掺杂区域、一第二掺杂区域、一第三掺杂区域及一第四掺杂区域；
所述第二掺杂区域越过所述条形波导的中心与所述第三掺杂区域的交界处形成一PN结掺杂耗尽区，所述PN结掺杂耗尽区包括依次排列的具有一PN结掺杂周期的圆弧状结构，所述PN结掺杂耗尽区与所述第二掺杂区域相通，所述PN结掺杂耗尽区的掺杂离子与所述第二掺杂区域的掺杂离子相同。
优选的，所述圆弧状结构包括半圆形结构。
优选的，所述圆弧状结构包括圆形结构。
优选的，所述半圆形结构的直径至少为200nm。
优选的，所述PN结掺杂周期至少为400nm。
优选的，所述PN结掺杂耗尽区的掺杂浓度为2×1017cm3。
优选的，所述第一掺杂区域为P+型掺杂区域；
所述第四掺杂区域为N+型掺杂区域。
优选的，所述第二掺杂区域为P型掺杂区域；
所述第三掺杂区域为N型掺杂区域。
本发明的技术方案有益效果在于：通过优化硅基电光调制器的掺杂结构，在不显著增加PN结电容的情况下，可以增加PN结掺杂耗尽区的宽度，有效改善调制器的PN结耗尽区与光模场的重叠因子，从而提高调制器的工艺容差，并且这种掺杂结构工艺简单，与传统CMOS工艺兼容，可用于大规模生产，成本较低，具有很高的产业利用价值。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为现有技术中，关于马赫增德尔干涉仪结构的硅基电光调制器的结构示意图；
图2为现有技术中，关于硅基电光调制器相移单元的结构示意图；
图3为现有技术中，关于基于zig-zag掺杂形貌的硅基电光调制器相移单元示意图；
图4为现有技术中，关于基于zig-zag掺杂形貌的硅基电光调制器的调制效率曲线图；
图5为现有技术中，关于基于zig-zag掺杂形貌的硅基电光调制器的单位长度电容的曲线图；
图6为本发明中，关于硅基电光调制器的半圆形结构的PN结掺杂区的整体结构图；
图7为本发明中，关于硅基电光调制器的圆形结构的PN结掺杂区的整体结构图；
图8为本发明中，关于调制效率随掺杂中心相对条形波导中心位移d变化的曲线；
图9为本发明中，关于PN结单位长度电容随偏置电压的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括一种硅基电光调制器的掺杂结构，其中包括：
一脊型波导1，脊型波导1包括一平板部10与一位于平板部10的中部的条形波导11；脊型波导1中形成一第一掺杂区域12、一第二掺杂区域13、一第三掺杂区域14及一第四掺杂区域15；
第二掺杂区域13越过条形波导11的中心与第三掺杂区域14的交界处形成一PN结掺杂耗尽区2，PN结掺杂耗尽区2包括依次排列的具有一PN结掺杂周期P的圆弧状结构，PN结掺杂耗尽区2与第二掺杂区域13相通，PN结掺杂耗尽区2的掺杂离子与第二掺杂区域13的掺杂离子相同。
通过上述硅基电光调制器的掺杂结构的技术方案，如图6所示，光的传播方向设置为x方向，宽度方向设置为y方向，高度方向设置为z方向，通过优化硅基电光调制器的掺杂结构，及采用脊型波导1的设计，改进了硅基电光调制器的调制效率；
具体地，脊型波导1中形成第一掺杂区域12、第二掺杂区域13、第三掺杂区域14及第四掺杂区域15，其中第一掺杂区域12为P+型掺杂区域，第二掺杂区域13为P型掺杂区域，第三掺杂区域14为N型掺杂区域，第四掺杂区域15为N+型掺杂区域；
进一步地，在不显著增加PN结电容的情况下，第二掺杂区域13越过条形波导11的中心与第三掺杂区域14的交界处形成PN结掺杂耗尽区2，PN结掺杂耗尽区2包括依次排列的具有一PN结掺杂周期P的圆弧状结构；其中，PN结掺杂周期P至少为400nm，PN结掺杂耗尽区2的掺杂浓度为2×1017cm3；
进一步地，PN结掺杂耗尽区2包括依次排列的圆弧状结构，与zig-zag型掺杂相比，本申请PN结掺杂耗尽区2具有以下优点：根据Maxwell方程，PN结掺杂耗尽区2界面处电场的法向分量相等，进而说明PN结掺杂耗尽区2界面两边区域中存在相等数量的电荷，其中，PN结掺杂耗尽区2与第二掺杂区域13相通，PN结掺杂耗尽区2的掺杂离子与第二掺杂区域13的掺杂离子相同，具体地，P型掺杂区域位于圆内，N型掺杂区域位于圆外，P型掺杂区域的半径小于N型掺杂区域，相等数量的电荷在P型掺杂中对应了更大的耗尽区宽度，从而增加了P型耗尽区和波导模场的重叠因子，更大的耗尽区宽度有利于降低对对准工艺的要求，进一步提高器件的工艺容差。
在一种较优的实施例中，如图6所示，PN结掺杂耗尽区2中包括半圆形结构，半圆形结构的直径D至少为200nm；PN结掺杂耗尽区2与条形波导11的中心具有一预设距离d，预设距离d通常在50nm附近，由于工艺对准精度误差，在实际制作过程中预设距离d的位置并不能保证，本发明中以预设距离d为50nm作为最优实施例来说明，此时硅基电光调制器的调制效率最高；如图7所示，PN结掺杂耗尽区2中也可以包括圆形掺杂结构；
进一步地，图8为关于调制效率随掺杂中心相对条形波导中心位移d变化的曲线；对于图2所示的调制器，其调制效率受d的影响较大，而本发明中具有新型掺杂结构的硅基调制器，影响大大减弱，降低了对工艺误差的要求；并且与图4相比，具有新型掺杂结构的硅基电光调制器的调制效率与其相当；图9为本发明中，关于PN结单位长度电容随偏置电压的变化曲线，从图中可以看出，具有新型掺杂结构的硅基电光调制器单位长度电容与图2所示调制器的相当；与图5比较，同样的掺杂水平，具有新型掺杂结构的硅基电光调制器单位长度电容远远小于图5所示的基于zig-zag调制器的单位长度电容；
进一步地，通过增加PN结掺杂耗尽区的宽度，有效改善调制器的PN结耗尽区与光模场的重叠因子，从而提高调制器的工艺容差，并且这种掺杂结构工艺简单，与传统CMOS工艺兼容，可用于大规模生产，成本较低，具有很高的产业利用价值。
本发明的技术方案有益效果在于：通过优化硅基电光调制器的掺杂结构，在不显著增加PN结电容的情况下，可以增加PN结掺杂耗尽区的宽度，有效改善调制器的PN结掺杂耗尽区与光模场的重叠因子，从而提高调制器的工艺容差，并且这种掺杂结构工艺简单，与传统CMOS工艺兼容，可用于大规模生产，成本较低，具有很高的产业利用价值。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，包括：
一脊型波导，所述脊型波导包括一平板部与一位于所述平板部的中部的条形波导；所述脊型波导中形成一第一掺杂区域、一第二掺杂区域、一第三掺杂区域及一第四掺杂区域；
所述第二掺杂区域越过所述条形波导的中心与所述第三掺杂区域的交界处形成一PN结掺杂耗尽区，所述PN结掺杂耗尽区包括依次排列的具有一PN结掺杂周期的圆弧状结构，所述PN结掺杂耗尽区与所述第二掺杂区域相通，所述PN结掺杂耗尽区的掺杂离子与所述第二掺杂区域的掺杂离子相同。
2.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述圆弧状结构包括半圆形结构。
3.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述圆弧状结构包括圆形结构。
4.根据权利要求2所述的硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述半圆形结构的直径至少为200nm。
5.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述PN结掺杂周期至少为400nm。
6.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述PN结掺杂耗尽区的掺杂浓度为2×1017cm3。
7.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述第一掺杂区域为P+型掺杂区域；
所述第四掺杂区域为N+型掺杂区域。
8.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的掺杂结构，其特征在于，所述第二掺杂区域为P型掺杂区域；
所述第三掺杂区域为N型掺杂区域。
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