CN110989212B - 一种垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构及制造方法 - Google Patents

一种垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构及制造方法，涉及光通信器件技术领域，所述有源区结构包括两个左右分布的掺杂区，其中一个掺杂区注有P型杂质，另一掺杂区注有N型杂质，两个掺杂区的交界处为有源区结构的脊形波导中心线；每个掺杂区均包括至少两个垂直分布的掺杂单元，同一掺杂区内的不同掺杂单元的掺杂浓度不同，且两个掺杂区内的掺杂单元沿所述脊形波导中心线对应设置，对应设置的两个掺杂单元中掺杂浓度越高的掺杂单元的宽度越小。本发明提供的垂直分层的硅基电光调制器的有源区结构，不仅具有较低的光学损耗，而且结构简单，成本较低，易于批量制造。

Description

一种垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构及制造方法
技术领域
本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构及制造方法。
背景技术
在硅基电光调制器的设计中，对于有源区来说由于其基于等离子体色散效应，这一效应在改变有源区波导折射率的同时还会引入损耗。而且，等离子体色散效应引起的折射率改变较弱，通常需要较高的掺杂浓度来实现有效的相位调制过程，这就使得硅基电光调制器的有源区损耗比较大。因此为了使得调制器的损耗尽量的低，需要通过一些特殊的设计来保证有源区的损耗尽量的低。
目前常用的降低损耗方法是在调制器有源区脊波导左上角和右上角进行一步补偿掺杂工艺，使得这两个区域的掺杂得到中和进而不会对波导中的光信号产生吸收，以此来达到降低损耗的目的。
同时，也有一些方法是通过在有源区中引入一个或者数个本征区域，如PIN(PIN分别指P型掺杂、本征未掺杂和N型掺杂区域)结构的有源区的方法来降低有源区的损耗。
然而，上述几种方案中都会对掺杂工艺提出更高的要求，如需要更多的掺杂步骤或者掺杂次数，导致结构复杂，制造困难，而且需要增加光刻版的数量，进而增加芯片的制作成本。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种垂直分层的硅基电光调制器的有源区结构，不仅具有较低的光学损耗，而且结构简单，成本较低，易于批量制造。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，包括两个左右分布的掺杂区，其中一个掺杂区注有P型杂质，另一掺杂区注有N型杂质，两个掺杂区的交界处为有源区结构的脊形波导中心线；
每个掺杂区均包括至少两个垂直分布的掺杂单元，同一掺杂区内的不同掺杂单元的掺杂浓度不同，且两个掺杂区内的掺杂单元沿所述脊形波导中心线对应设置，对应设置的两个掺杂单元中掺杂浓度越高的掺杂单元的宽度越小。
在上述技术方案的基础上，靠近所述脊形波导中心线的掺杂单元的掺杂浓度大于远离所述脊形波导中心线的掺杂单元的掺杂浓度。
在上述技术方案的基础上，位于最外侧的两个掺杂单元至少部分位于脊形波导的脊背内。
在上述技术方案的基础上，同一掺杂区内的不同掺杂单元位于脊背内的宽度不同，沿所述脊形波导中心线对称的两个掺杂单元位于脊背内的宽度相同。
在上述技术方案的基础上，靠近所述脊形波导中心线的掺杂单元位于脊背内的宽度大于远离所述脊形波导中心线的掺杂单元位于脊背内的宽度。
在上述技术方案的基础上，位于最外侧的两个掺杂单元均包括左右分布的第一部分和第二部分，所述第一部分的宽度等于脊两边的宽度，所述第二部分的宽度等于该掺杂单元位于脊背内的宽度。
在上述技术方案的基础上，两个所述掺杂区沿所述脊形波导中心线对称分布，两个掺杂区对应设置的两个掺杂单元的掺杂浓度和宽度相同。
在上述技术方案的基础上，每个掺杂区包括三个掺杂单元，从靠近所述脊形波导中心线到远离所述脊形波导中心线的方向上所述三个掺杂单元依次为第一分层、第二分层和第三分层。
在上述技术方案的基础上，所述第一分层的掺杂浓度为5*1017cm-3，所述第二分层的掺杂浓度为3*1017cm-3，所述第三分层的掺杂浓度为2*1017cm-3，所述有源区结构的脊背宽度为500nm，所述第一分层的宽度为150nm，所述第二分层的宽度为70nm，所述第三分层位于脊背内的宽度为30nm。
本发明还提供了一种上述垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构的制造方法，包括步骤：
将有源区结构划分为左右分布的两个掺杂区，并将每个掺杂区划分为至少两个垂直分布的掺杂单元；
在其中一个掺杂区的不同掺杂单元内分别注入不同掺杂浓度的P型杂质；
在另一个掺杂区的不同掺杂单元内分别注入不同掺杂浓度的N型杂质。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的垂直分层的硅基电光调制器的有源区结构，不仅具有较低的光学损耗，而且结构简单，成本较低，易于批量制造。
附图说明
图1为本发明实施例一中的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构的结构示意图；
图2为本发明实施例二中的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构的结构示意图；
图3为本发明实施例二中的脊形波导的基模光场分布。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中的脊形光波导器件包括但不限于硅基电光调制器，在实际应用中，也可以为其他基于载流子致折射率效应的电光调制器或任何脊形波导的元器件皆可，灵活性好，适用范围较广。
实施例一
参见图1所示，本发明实施例提供一种垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，包括两个左右分布的掺杂区，其中一个掺杂区注有P型杂质，另一掺杂区注有N型杂质，两个掺杂区的交界处为有源区结构的脊形波导中心线；
每个掺杂区均包括至少两个垂直分布的掺杂单元，同一掺杂区内的不同掺杂单元的掺杂浓度不同，且两个掺杂区内的掺杂单元沿所述脊形波导中心线对应设置，对应设置的两个掺杂单元中掺杂浓度越高的掺杂单元的宽度越小。
在本发明实施例中，两个掺杂区内的掺杂单元对应设置理解为两个掺杂区内掺杂单元的数量相同，位置大致相同，一一对应设置。
比如，两个掺杂区从左到右依次为P型掺杂区和N型掺杂区，两个掺杂均包括三个垂直分布的掺杂单元，P型掺杂区内的三个掺杂单元从右到左依次为P型掺杂1、P型掺杂2和P型掺杂3，N型掺杂区的三个掺杂单元从左到右依次为N型掺杂1、N型掺杂2和N型掺杂3，P型掺杂1和N型掺杂1对应设置，P型掺杂2和N型掺杂2对应设置，P型掺杂3和N型掺杂3对应设置。其中，若P型掺杂1的掺杂浓度比N型掺杂1高，则对应使P型掺杂1的宽度比N型掺杂1小，具体差值多少，则需要结合两个掺杂区的大小而定，使得整个调制器的调制效率最大化即可。
本发明实施例的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，由于进行了垂直分层，且不同分层的掺杂单元的掺杂浓度不同，且两个掺杂区内的掺杂单元沿所述脊形波导中心线对应设置，对应设置的两个掺杂单元中掺杂浓度越高的掺杂单元的宽度越小，不仅可以使得左右两侧对应的掺杂单元可以得到中和，不会对波导中的光信号产生吸收，具有较低的光学损耗，而且每个分层划分明确、掺杂浓度也确定，结构简单，在制造时，只需要分区域注入设定的掺杂浓度即可，易于批量制造，成本较低。
更进一步地，在本发明实施例中，靠近所述脊形波导中心线的掺杂单元的掺杂浓度大于远离所述脊形波导中心线的掺杂单元的掺杂浓度。越靠近所述脊形波导中心线，光强最强，即光强最强的地方掺杂浓度越高，补偿损耗的效果越好。
更进一步地，在本发明实施例中，位于最外侧的两个掺杂单元至少部分位于脊形波导的脊背内。
更进一步地，在本发明实施例中，同一掺杂区内的不同掺杂单元位于脊背内的宽度不同，沿所述脊形波导中心线对称的两个掺杂单元位于脊背内的宽度相同。
更进一步地，在本发明实施例中，靠近所述脊形波导中心线的掺杂单元位于脊背内的宽度大于远离所述脊形波导中心线的掺杂单元位于脊背内的宽度。
具体地，在本发明实施例中，位于最外侧的两个掺杂单元均包括左右分布的第一部分和第二部分，所述第一部分的宽度等于脊两边的宽度，所述第二部分的宽度等于该掺杂单元位于脊背内的宽度。
优选地，在本发明实施例中，两个所述掺杂区沿所述脊形波导中心线对称分布，两个掺杂区对应设置的两个掺杂单元的掺杂浓度和宽度相同。此种对称分布的结构，结构简单，应用起来更加方便，在调整参数使调制器的调制效率更高的过程中，效率更高。
在本发明实施例中，以三层为例，每个掺杂区包括三个掺杂单元，从靠近所述脊形波导中心线到远离所述脊形波导中心线的方向上所述三个掺杂单元依次为第一分层、第二分层和第三分层。
更进一步地，在本发明实施例中，所述第一分层的掺杂浓度为5*1017cm-3，所述第二分层的掺杂浓度为3*1017cm-3，所述第三分层的掺杂浓度为2*1017cm-3。
更进一步地，在本发明实施例中，所述有源区结构的脊背宽度为500nm，所述第一分层的宽度为150nm，所述第二分层的宽度为70nm，所述第三分层位于脊背内的宽度为30nm。
在本发明实施例中，左侧的掺杂区为P型掺杂区，右侧的掺杂区为N型掺杂区，P型掺杂区的三个掺杂单元从右往左依次为P型掺杂1、P型掺杂2和P型掺杂3，N型掺杂区的三个掺杂单元从左往右依次为N型掺杂1、N型掺杂2和N型掺杂3。对应地，P型掺杂1和N型掺杂1为第一分层，P型掺杂2和N型掺杂2为第二分层，P型掺杂3和N型掺杂3为第三分层。
P型掺杂1和N型掺杂1的掺杂浓度均为5*1017cm-3，P型掺杂2和N型掺杂2的掺杂浓度均为3*1017cm-3，P型掺杂3和N型掺杂3的掺杂浓度均为2*1017cm-3。
P型掺杂1和N型掺杂1全部位于脊背内，P型掺杂1和N型掺杂1的宽度为150nm，P型掺杂2和N型掺杂2也全部位于脊背内，P型掺杂2和N型掺杂2的宽度为70nm，P型掺杂3和N型掺杂3部分位于脊背内，且P型掺杂3和N型掺杂3还包括脊两边的区域，P型掺杂3和N型掺杂3位于脊背内的宽度为30nm，P型掺杂3和N型掺杂3的总宽度等于位于脊背内的宽度与脊两边的宽度之和。
实施例二
参见图2所示，实施例二与实施例一的区别在于：每个掺杂区包括两个掺杂单元，从靠近所述脊形波导中心线到远离所述脊形波导中心线的方向上所述三个掺杂单元依次为第一分层和第二分层。
所述第一分层的掺杂浓度为5*1017cm-3，所述第二分层的掺杂浓度为2*1017cm-3。所述有源区结构的脊背宽度为600nm，所述第一分层的宽度为200nm，所述第二分层的宽度为100nm。
在本发明实施例中，左侧的掺杂区为P型掺杂区，右侧的掺杂区为N型掺杂区，P型掺杂区的两个掺杂单元从右往左依次为P型掺杂1和P型掺杂2，N型掺杂区的两个掺杂单元从左往右依次为N型掺杂1和N型掺杂2。对应地，P型掺杂1和N型掺杂1为第一分层，P型掺杂2和N型掺杂2为第二分层。
P型掺杂1和N型掺杂1的掺杂浓度均为5*1017cm-3，P型掺杂2和N型掺杂2的掺杂浓度均为2*1017cm-3。
P型掺杂1和N型掺杂1全部位于脊背内，P型掺杂1和N型掺杂1的宽度为200nm，P型掺杂2和N型掺杂2部分位于脊背内，且P型掺杂2和N型掺杂2还包括脊两边的区域，P型掺杂2和N型掺杂2位于脊背内的宽度为100nm，P型掺杂2和N型掺杂2的总宽度等于位于脊背内的宽度与脊两边的宽度之和。
在本发明实施例中，根据脊形波导的基模光场分布设置掺杂单元的宽度。
参见如3所示的脊形波导的基模光场分布，脊形波导的基模光场分布的外轮廓由两个椭圆纵横相交而成，这两个椭圆中，竖直分布的椭圆为椭圆1，水平分布的椭圆为椭圆2，脊形波导中心线为椭圆1的长轴。当分层为两层时，即每个掺杂区包括两个掺杂单元，则可以设定靠近脊形波导中心线的掺杂单元的宽度为椭圆1的半径。
在本发明实施例中，也可以根据有源区结构的脊背宽度来设置掺杂单元的宽度。
例如，当有源区结构的脊背宽度为2a时，若分层为两层，即每个掺杂区包括两个掺杂单元，则可以设定靠近脊形波导中心线的掺杂单元的宽度为2a/3，远离脊形波导中心线的掺杂单元的宽度为a/3。
在本发明实施例中，同一个掺杂区内垂直分布的掺杂单元数量越多，即分层越多，性能越好，但是同时也会使工艺的复杂性增加，因此，在实际使用中，优选地，分为如上示例的两层或三层结构，这样不会带来工艺步骤的增加和加工难度的提升。并且，同时保证越靠近脊形波导中心的分层越宽，且掺杂浓度越高，越远离脊形波导中心的分层越窄，且掺杂浓度越低，则效果更好。
实施例三
本发明实施例提供了一种上述垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构的制造方法，包括步骤：
将有源区结构划分为左右分布的两个掺杂区，并将每个掺杂区划分为至少两个垂直分布的掺杂单元；
在其中一个掺杂区的不同掺杂单元内分别注入不同掺杂浓度的P型杂质；
在另一个掺杂区的不同掺杂单元内分别注入不同掺杂浓度的N型杂质。
优选地，在本发明实施例中，将有源区结构划分为左右对称分布的两个掺杂区，且使两个掺杂区的所有掺杂单元对应设置，两个掺杂区的对应设置的两个掺杂单元的掺杂浓度和宽度均相同。此种对称分布的结构，结构简单，应用起来更加方便，在调整参数使调制器的调制效率更高的过程中，效率更高。
更进一步地，在本发明实施例中，以三层分层为例，将每个掺杂区划分为三个垂直分布的掺杂单元，左侧的掺杂区为P型掺杂区，右侧的掺杂区为N型掺杂区，P型掺杂区的三个掺杂单元从右往左依次为P型掺杂1、P型掺杂2和P型掺杂3，N型掺杂区的三个掺杂单元从左往右依次为N型掺杂1、N型掺杂2和N型掺杂3。
P型掺杂1和N型掺杂1的掺杂浓度均为5*1017cm-3，P型掺杂2和N型掺杂2的掺杂浓度均为3*1017cm-3，P型掺杂3和N型掺杂3的掺杂浓度均为2*1017cm-3。
P型掺杂1和N型掺杂1全部位于脊背内，P型掺杂1和N型掺杂1的宽度为150nm，P型掺杂2和N型掺杂2也全部位于脊背内，P型掺杂2和N型掺杂2的宽度为70nm，P型掺杂3和N型掺杂3部分位于脊背内，且P型掺杂3和N型掺杂3还包括脊两边的区域，P型掺杂3和N型掺杂3位于脊背内的宽度为30nm，P型掺杂3和N型掺杂3的总宽度等于位于脊背内的宽度与脊两边的宽度之和。
本发明实施例的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构的制造方法，由于进行了垂直分层，且不同分层的掺杂单元的掺杂浓度不同，不仅可以使得左右两侧对应的掺杂单元可以得到中和，不会对波导中的光信号产生吸收，具有较低的光学损耗，而且每个分层划分明确、掺杂浓度也确定，结构简单，在制造时，只需要分区域注入设定的掺杂浓度即可，易于批量制造，成本较低。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，其特征在于，包括两个左右分布的掺杂区，其中一个掺杂区注有P型杂质，另一掺杂区注有N型杂质，两个掺杂区的交界处为有源区结构的脊形波导中心线；
每个掺杂区均包括至少两个垂直分布的掺杂单元，同一掺杂区内的不同掺杂单元的掺杂浓度不同，且两个掺杂区内的掺杂单元沿所述脊形波导中心线对应设置，对应设置的两个掺杂单元中掺杂浓度越高的掺杂单元的宽度越小；
靠近所述脊形波导中心线的掺杂单元的掺杂浓度大于远离所述脊形波导中心线的掺杂单元的掺杂浓度；
位于最外侧的两个掺杂单元至少部分位于脊形波导的脊背内。
2.如权利要求1所述的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，其特征在于：同一掺杂区内的不同掺杂单元位于脊背内的宽度不同，沿所述脊形波导中心线对称的两个掺杂单元位于脊背内的宽度相同。
3.如权利要求2所述的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，其特征在于：靠近所述脊形波导中心线的掺杂单元位于脊背内的宽度大于远离所述脊形波导中心线的掺杂单元位于脊背内的宽度。
4.如权利要求3所述的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，其特征在于：位于最外侧的两个掺杂单元均包括左右分布的第一部分和第二部分，所述第一部分的宽度等于脊两边的宽度，所述第二部分的宽度等于该掺杂单元位于脊背内的宽度。
5.如权利要求1所述的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，其特征在于：两个所述掺杂区沿所述脊形波导中心线对称分布，两个掺杂区对应设置的两个掺杂单元的掺杂浓度和宽度相同。
6.如权利要求5所述的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，其特征在于：每个掺杂区包括三个掺杂单元，从靠近所述脊形波导中心线到远离所述脊形波导中心线的方向上所述三个掺杂单元依次为第一分层、第二分层和第三分层。
7.如权利要求6所述的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构，其特征在于：所述第一分层的掺杂浓度为5*1017cm-3，所述第二分层的掺杂浓度为3*1017cm-3，所述第三分层的掺杂浓度为2*1017cm-3，所述有源区结构的脊背宽度为500nm，所述第一分层的宽度为150nm，所述第二分层的宽度为70nm，所述第三分层位于脊背内的宽度为30nm。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的垂直分层的脊形光波导器件的有源区结构的制造方法，其特征在于，包括步骤：
将有源区结构划分为左右分布的两个掺杂区，并将每个掺杂区划分为至少两个垂直分布的掺杂单元；
在其中一个掺杂区的不同掺杂单元内分别注入不同掺杂浓度的P型杂质；
在另一个掺杂区的不同掺杂单元内分别注入不同掺杂浓度的N型杂质。
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