CN110941108A - 一种掺杂结构及光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种掺杂结构及应用该掺杂结构的光调制器，该掺杂结构主要包括基板、第一半导体、第二半导体，所述基板用于承载所述第一半导体、第二半导体以及第一半导体外接电极、第二半导体外接电极；所述第一半导体、第二半导体水平交叉排列为至少一层；所述第一半导体与第二半导体交界面形成耗散区。调制器包括含该掺杂结构的上臂、下臂波导，上、下臂波导光输入端设置分波单元，光输出端设置合波单元。本发明通过通过增大/多载流子耗散区，从而增大光场所在区域与载流子耗散区重合面积，进而增大光电在调制区的相互做用以提高电光调制器的调制效率。
Description
技术领域
本发明涉及电光调制领域，具体地是一种内部优化的掺杂结构与应用该掺杂结构的光调制器。
背景技术
电光调制在光互连及光通信系统中发挥着不可替代的作用，电光调制器是实现电光信号转换的关键器件。传统电光调制的实现是通过外加电场的作用，使晶体的折射率发生了变化，而由此产生的效应被称为电光效应。当晶体折射率的改变与所加电场成正比时，即电场的一次项，这种电光效应称为线性电光效应，也称为Pokels效应，线性电光效应一般发生于无对称中心的晶体中。铌酸锂调制器正是基于线性电光效应实现电光调制的典型代表。
近年来，为了解决电子互连的带宽瓶颈，光互连逐渐替代电子线路来实现芯片间及芯片内部的信号传递。可集成在互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)芯片上的光子链路成为未来的研究方向。而作为光子链路中的重要组成部分，可集成的电光调制器越来越受到关注。硅基电光调制器具有尺寸小、成本低、与传统CMOS工艺兼容等特点，被广泛研究。由于硅是中心反演对称晶体，没有Pokels效应，高阶电光效应也很弱，因此只能通过其他效应实现电光调制。热光效应是早期采用的一种电光调制方法，其利用硅热光系数大的特点，通过外加热电极改变硅基波导(waveguide)的温度，从而导致等效折射率的变化，实现电光信号的转换。然而，该方式的调制速度受限于热扩散的速率，响应时间仅能达到亚微妙量级。
近年来，高速硅基电光调制器往往利用自由载流子色散效应。当外加电信号时，硅材料中自由载流子浓度的改变将导致硅材料折射率的变化，从而改变光在波导中的传输特性，再通过一定的光学结构，如马赫曾德干涉仪(MZI)或者微环谐振腔等，实现电光调制。目前，利用自由载流子色散效应的主要有三种结构，分别为基于外加正偏电压的载流子注入型P-I-N结构、基于载流子聚积效应的MOS电容结构、以及基于外加反偏电压的载流子耗散型P-N(Positive-Negative)结构。
以载流子注入型P-I-N结构为例，载流子注入型P-I-N结构基于绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)平台的波导区，该波导区采用脊形结构，在波导中的脊形区两侧的平台(slab)区掺杂P型离子和N型离子，中间脊形区为I区(即硅基)，如图1所示，其中，斜线阴影区表示最终形成的U型PN结耗散区，在外加正向偏置电压的作用下，载流子(即电子和空穴)从平台区注入到脊形区，从而引起波导有效折射率的改变。随着电压的增大，U型PN结的耗散区变宽，导致光模场内的载流子浓度降低。通过控制外加电压信号的变化可以控制波导有效折射率的改变，实现电光调制。但是，从图1中可以看出，波导的脊形区中，光模场所在区域中没有与载流子耗散区重合的区域，会带来额外的吸收损耗，限制了电光调制器的调制效率的提升。
综上所述，现有电光调制器使用的掺杂结构中，光模场所在区域中没有与载流子耗散区重合的区域，会带来额外的吸收损耗，限制了电光调制器的调制效率的提升。
发明内容
本发明提供一种掺杂结构及光调制器，通过增大/多载流子耗散区，从而增大光场所在区域与载流子耗散区重合面积，进而增大光电在调制区的相互做用以提高电光调制器的调制效率。
本发明提供一种掺杂结构，包括基板、第一半导体、第二半导体，所述基板用于承载所述第一半导体、第二半导体以及第一半导体外接电极、第二半导体外接电极；所述第一半导体、第二半导体水平交叉排列为至少一层；所述第一半导体与第二半导体交界面形成耗散区。通过第一半导体、第二半导体交叉排列的方式，以增加光调制器的载流子耗散区，提高调制效率。
本发明提供一种掺杂结构，目的在于可以根据调制效率及应用要求设计光调制器内部载流子耗散区的面积与排列方式，可提高客户覆盖率，兼具个性化与通用性需求。更进一步可以将所述第一半导体、第二半导体交叉排列两层；第一层为第一半导体、第二半导体交错排列；第一半导体上为第二半导体，且有一定错位便于第二层上的第二半导体与第一层上的第二半导体接触并电连通。
更进一步地，所述第一半导体为P型掺杂半导体，所述第二半导体为N型掺杂半导体。
具体地，所述第一半导体外接电极包括第一掺杂区、第二掺杂区，所述第一掺杂区与所述第二掺杂区邻接，所述第二半导体外接电极包括第五掺杂区、第六掺杂区，所述第五掺杂区、第六掺杂区邻接；所述第二掺杂区与第五掺杂区之间为主掺杂区，所述主掺杂区由第三掺杂区与第四掺杂区组成，所述第三掺杂区与所述第四掺杂区交界面形成PN结。
具体地，所述主掺杂区为光调制区，通电后用作调制波导。
可选择地，所述调制波导在光传播方向上可以是直波导或弯曲波导。
更进一步地，所述基板为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
更进一步地，所述第一半导体为硅单晶掺杂三族或五族元素中的一种，所述第二半导体为硅单晶掺杂三族或五族元素的另一种。
本发明还提供一种光调制器，包括至少一个波导，所述波导包括上述条款中任一项掺杂结构，所述光调制器还包括分波单元、合波单元，所述分波单元设置在所述波导光输入端，所述合波单元设置所述波导的光输出端。
进一步，所述波导外接一驱动电路。
本发明通过增加交叉错位排列的不同类型掺杂半导体，设计出多PN结的掺杂结构及光调制器，可有效提高光调制效率。
附图说明
图1为背景技术中波导脊形结构
图2为实施例1中掺杂结构整体示意图
图3为实施例1中掺杂结构俯视示意图
图4为实施例1中掺杂结构调制区左视示意图
图5为实施例1中掺杂结构调制区右视示意图
图6为实施例1中光调制器示意图
图7为实施例2中掺杂结构示意图
图8为实施例3中掺杂结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
实施例1
如图2与图3所示，本实施例提供的是一种掺杂结构，该掺杂结构主要包括第一半导体、第二半导体，可以选择地第一半导体为P型半导体，第二半导体为N型半导体。该掺杂结构除了基板，其他部分均由P型半导体、N型半导体构成，主要材料组成一致，只是各部分功能不同。N型半导体外接电极也主要包括N型半导体，P型半导体外接电极也主要包括P型半导体，分别将N、P型半导体对外接电。
N型半导体外接电极包括相互邻接的第一掺杂区与第二掺杂区，P型外接电极包括相互邻接的第五掺杂区、第六掺杂区。第二掺杂区与第五掺杂区之间为主掺杂区，即调制区，起调制光波导的作用。
主掺杂区中两层交错P型半导体与N型半导体形成了交错的PN结，其基板上设置有P型半导体外接电极和N型半导体外接电极，用于外加电路，使内部PN结两端载流子浓度产生变化，以达到调制光信号的目的。第一层和第二层PN结由P型掺杂半导体与N型掺杂半导体交界面形成，P型半导体可选择P型掺杂单晶硅，N型半导体可选择N型掺杂单晶硅。基板也可以选择二氧化硅材质。
如图4、图5所示，本实施例中掺杂结构每一层半导体依次排列为N型半导体、P型半导体、N型半导体……，如此循环排列，其循环次数主要根据调制器设计规格确定。靠近基板的为第一层，第一层上排列的为第二层。第二层半导体与第一层半导体对应，例如，第一层首部为N型半导体，第二层首部对应的为P型半导体。第二层半导体第i个半导体总是与第一层的第i及第i+1个接触，以保证各层所有半导体均能与外接电极电连通。可以选择地，第一层半导体数量比第二层半导体数量至少多1个，以保证两层半导体均与外接电极电连通。
如图6所示，本实施例还提供一种包含上述掺杂结构的光调制器，包含上臂波导、下臂波导，分波单元设置在光路光输入端，合波单元设置在波导光输出端。上臂波导、下臂波导均采用上述掺杂结构。各P型或N型半导体掺杂浓度可以根据光调制器设计调制效率进行配置，以达到目标调制效率。光波经分波单元按照一定比例分到上臂波导、下臂波导，经波导调制形成信号光，调制后的信号光经合波单元合束。
本实施例中的光调制器通过控制载流子耗散区面积来控制电光调制效率。
调制效率可以用 Vπ*L 来表示，Vπ表示实现一个π相位改变需要的电压，L表示移相器长度，即掺杂结构长度。Vπ*L其含义为在一定移相器长度(L)下实现π相移所需要的电压。调制效率越高，实现π相移所需的驱动电压就越小，不仅降低了功耗而且利于器件的集成。理论上，光场与电场的相互作用越强，电光调制效率越大。对于载流子耗尽型的调制器，PN或PIN结耗尽区与光场的交叠部分越大则该调制器的调制效率越高。本发明主要是增大耗尽区，从而增大光场与电场的相互作用，实现提高电光调制效率的目的。
实施例2
本实施例提供一种四层的掺杂结构与包含该四层掺杂结构的光调制器，四层掺杂结构设置于氮化硅基板上，每层结构都由第一半导体与第二半导体交叉排列，在垂直方向上排列四层。本实施例中的第一半导体选用N型半导体，第二半导体选用P型半导体。N型半导体与P型半导体形成的掺杂区具体可以划分为第一掺杂区、第二掺杂区、若干个第三掺杂区、若干个第四掺杂区、第五掺杂区、第六掺杂区。第一掺杂区与第二掺杂区邻接，第二掺杂区与第三掺杂区邻接。第三掺杂区与第四掺杂区交错排列，交界面形成PN结。第四掺杂区与第五掺杂区邻接，第五掺杂区与第六掺杂区邻接。
第一掺杂区与第二掺杂区组合构成了N型半导体外接电极，第五掺杂区与第六掺杂区构成了P型半导体外接电极。采用交叉错位方式排列，可以有效保障各N型半导体与N型半导体外接电极电连通、各P型半导体与P型半导体外接电极电连通。
第三掺杂区与第四掺杂区交界面形成的耗散区为Z型耗散区，Z型耗散区由水平方向的PN结与垂直方向的PN结组成，垂直方向的PN结包括没有掺杂的本征区。垂直方向耗散区的第三掺杂区至少包含一个本征区与第四掺杂区邻接，第四掺杂区至少有一个本征区与所述第三掺杂区邻接。
同时，N型半导体与P型半导体掺杂浓度不相同，可以选择地至少有一个第三掺杂区掺杂浓度小于其他第三掺杂区。同理可以选择地至少有一个第四掺杂区掺杂浓度小于其他第四掺杂区。
本实施例中N型半导体采用的是硅掺杂磷元素，P型半导体采用的是硅掺杂硼元素。可以选择地，N型半导体为空穴导电型半导体，只要满足其本征材料与掺杂元素配合所产生的空穴多于自由电子，也可以作为本实施例的延伸方案。同样可选择地，P型半导体为自由电子导电型半导体，只要满足其本征材料与掺杂元素配合所产生的自由电子多于空穴，也可以作为本实施例的延伸方案。
本实施例还提供一种包含上述掺杂结构的光调制器，该光调制器包括上臂波导、下臂波导、分波单元、合波单元，上臂、下臂波导均采用了上述掺杂结构。光经分波单元按一定比例分波到上臂波导和下臂波导，经调制后，通过合波单元合波。
实施例3
如图8所示，本实施例描述的是一种掺杂结构阵列，包括承载掺杂结构阵列的基板，该基板采用氮氧化硅材料。该掺杂结构阵列主要包括N型半导体和P型半导体、以及用于对外接电的N型半导体外接电极和P型半导体外接电极，该阵列中的N型半导体均通过N型半导体外接电极阵列与外部电连通，P型半导体也都通过P型半导体外接电极阵列与外部电连通。
该结构阵列主要有2层，与基板接触的为下层，远离基板的一层为上层阵列结构。该层阵列结构为N型半导体与P型半导体交叉错位排列，以保证所有的N型半导体和P型半导体均能对外导通。
N型半导体可以选择为硅单晶掺杂磷元素，N型半导体外接电极包括有微掺杂的硅单晶及硅本征区，可以根据掺杂结构阵列应用不同而设计不同的掺杂浓度。
本实施例还提供一种包含掺杂结构阵列的光调制器，该调制器波导分为上臂波导、下臂波导，上臂波导、下臂波导并联，光输入端设计有一分光单元，将信号光按比例分到上臂波导、下臂波导中，经波导实现电光调制后的信号光由合波单元合束，实现信号加载。
上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，例如硅半导体可选择氮化铝、氮化镓、磷化铟等其他半导体替代，也应当理解为本发明要求保护的内容。上述实施例所采用的“上”、“下”、“第一”、“第二”等方位或者序号描述性的词汇，应当理解为是为了方便公众理解本发明实施例的内容，不作为对发明保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种掺杂结构，其特征在于：包括基板、第一半导体、第二半导体，所述基板用于承载所述第一半导体、第二半导体以及第一半导体外接电极、第二半导体外接电极；所述第一半导体、第二半导体水平交叉排列为至少一层；所述第一半导体与第二半导体交界面形成耗散区。
2.根据权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于：所述第一半导体、第二半导体交叉排列两层；第一层为第一半导体、第二半导体交错排列；第一半导体上为第二半导体，且有一定错位便于第二层上的第二半导体与第一层上的第二半导体接触并电连通。
3.根据权利要求1或2所述的掺杂结构，其特征在于：所述第一半导体为P型掺杂半导体，所述第二半导体为N型掺杂半导体。
4.根据权利要求3所述的掺杂结构，其特征在于：所述第一半导体外接电极包括第一掺杂区、第二掺杂区，所述第一掺杂区与所述第二掺杂区邻接，所述第二半导体外接电极包括第五掺杂区、第六掺杂区，所述第五掺杂区、第六掺杂区邻接；所述第二掺杂区与第五掺杂区之间为主掺杂区，所述主掺杂区由第三掺杂区与第四掺杂区组成，所述第三掺杂区与所述第四掺杂区交界面形成PN结。
5.根据权利要求4所述的掺杂结构，其特征在于：所述主掺杂区为光调制区，通电后用作调制波导。
6.根据权利要求5所述的掺杂结构，其特征在于：所述调制波导在光传播方向上可以是直波导或弯曲波导。
7.根据权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于：所述基板为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
8.根据权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于：所述第一半导体为硅单晶掺杂三族或五族元素中的一种，所述第二半导体为硅单晶掺杂三族或五族元素中的另一种。
9.一种光调制器，其特征在于：包括至少一个波导，所述波导包括权利要求1-7中任一项掺杂结构；所述光调制器还包括分波单元、合波单元；所述分波单元设置在所述波导光输入端，所述合波单元设置在所述波导的光输出端。
10.根据权利要求9所述的光调制器，其特征在于：所述波导外接一驱动电路。
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