CN111999917A - 一种电光移相器掺杂结构、制备方法及电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电光移相器掺杂结构、制备方法及电光调制器，属于半导体光电子器件领域，电光移相器掺杂结构包括脊形光波导，脊形光波导包括脊区以及位于脊区两侧的肋区，脊区包括N型掺杂脊区和P型掺杂脊区，N型掺杂脊区和P型掺杂脊区的分界面处形成两段纵向倾斜PN结以及连接该两段纵向倾斜PN结的横向倾斜PN结；其中，N型掺杂脊区和P型掺杂脊区的分界面与脊区的左右侧面不相交。本发明中的掺杂结构，增大移相器中光场与PN结的重叠面积，提高移相效率，具有更低的驱动电压，降低了移相器功耗，对移相器调制带宽影响非常小，与CMOS工艺兼容且具有较大的工艺容差，从而保证器件的良品率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，更具体地，涉及一种电光移相器掺杂结构、制备方法及电光调制器。
背景技术
光调制器具有高速率、低功耗、低成本的优点，在通信领域得到广泛关注。基于硅光平台的电光调制器是目前常用的一种电光调制器。电光移相器是电光调制器的重要组成部分，其性能直接决定了电光调制器的功耗和调制速率。电光移相器的光波导中通过掺杂形成PN结，当外加反偏电压变化时，PN结面积发生变化，引起光波导有效折射率变化，从而实现相位调制。
现有技术中，电光移相器掺杂结构通常采用简单的横向PN结掺杂结构或插指型掺杂结构。横向PN结掺杂结构沿着波导长度方向没有变化，PN结的变化区域与光场的重叠面积较少，有效折射率的变化量较小，电光移相器的移相效率较低。使用横向PN结掺杂结构的电光调制器具有较高的驱动电压，功耗较高。插指型掺杂结构增大了PN结的总面积，在提高移相效率的同时也显著地增加了移相器的结电容，导致调制器的动态功耗增加和电带宽下降。此外，为了兼顾调制效率和调制带宽，相关技术中出现了L型掺杂分布的PN结，这种PN结容易因掺杂掩模版和光波导之间的对准误差而形成极高的串联电阻，导致调制器的电带宽明显恶化，其对加工精度要求较高，良品率较低，不利于低成本大规模生产。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电光移相器掺杂结构、制备方法及电光调制器，其目的在于在不影响移相器调制带宽的基础上，提高移相效率，降低移相器功耗，提高器件良品率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电光移相器掺杂结构，包括脊形光波导，脊形光波导包括脊区以及位于所述脊区两侧的肋区，所述脊区包括N型掺杂脊区和P型掺杂脊区，所述N型掺杂脊区和P型掺杂脊区的分界面处形成两段纵向倾斜PN结以及连接所述两段纵向倾斜PN结的横向倾斜PN结；其中，所述N型掺杂脊区和P型掺杂脊区的分界面与所述脊区的左右侧面不相交。
更进一步地，所述横向倾斜PN结与水平面之间的夹角为-10°至+10°，且所述横向倾斜PN结与起始端位于脊区顶面的纵向倾斜PN结之间的夹角为95°至+135°，与另一纵向倾斜PN结之间的夹角为90°至+135°。
更进一步地，所述横向倾斜PN结沿其连接方向上的长度不小于d/3，其中，d为所述脊区的宽度。
更进一步地，起始端位于脊区顶面的纵向倾斜PN结的末端与脊区底面之间距离为h/3至h/2，其中，h为所述脊区的高度。
更进一步地，所述肋区包括N型掺杂肋区和P型掺杂肋区，所述N型掺杂肋区与N型掺杂脊区邻接，所述P型掺杂肋区与P型掺杂脊区邻接。
按照本发明的另一个方面，提供了一种电光移相器掺杂结构的制备方法，包括：在脊形本征硅的第一区域和第二区域注入磷离子后，在第三区域和第二区域注入硼离子，以将第二区域沿纵向方向划分为净剩N掺杂区域和净剩P掺杂区域，其中，第二区域为脊区中间部分的区域，第一区域包括第二区域一侧的脊区和肋区，第三区域包括第二区域另一侧的脊区和肋区；快速热退火，使得P型掺杂和N型掺杂分界面处的PN结向离子浓度低的方向倾斜，以在第二区域中形成两段纵向倾斜PN结以及连接所述两段纵向倾斜PN结的横向倾斜PN结。
更进一步地，所述在脊形本征硅的第一区域和第二区域注入磷离子，包括：在第一区域和第二区域进行m次磷离子注入，且所述第二区域中注入深度最深的一次磷离子注入的离子浓度峰值所处位置与脊区底面之间的距离为10nm至60nm，注入深度最浅的一次磷离子注入的离子浓度峰值所处位置与脊区顶面之间的距离为20nm至100nm，m≥2。
更进一步地，所述在第三区域和第二区域注入硼离子，包括：在第三区域和第二区域进行n次硼离子注入，且所述第二区域中注入深度最深的一次硼离子注入的离子浓度峰值位于所述第二区域中心点之下，n≥1。
更进一步地，所述第二区域的宽度不小于d/3，其中，d为所述脊区的宽度。
按照本发明的另一个方面，提供了一种电光调制器，包括电光移相器，所述电光移相器包括如上所述的电光移相器掺杂结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)将掺杂结构分界面处的PN结设置为包括两段纵向倾斜PN结和横向倾斜PN结的旋转“Z”字型结构，增大了移相器中光场与PN结的重叠面积，提高了移相效率，当需要提供相同相移量时，该掺杂结构形成的移相器具有更低的驱动电压，降低了移相器功耗；
(2)旋转“Z”字型结构对PN结面积进行了限制，避免PN结面积过大而显著降低移相器调制带宽，以同时实现高调制效率和高带宽；
(3)掺杂区域的分界面与脊区侧面不相交，即掺杂区域的一端无需和脊形光波导脊区的侧边缘紧密贴合，降低了器件制作过程对加工精度的要求，具有较大的工艺容差，提升了器件良品率；
(4)与CMOS工艺兼容，制备过程中仅需两层掩模版通过离子注入便可实现，无需额外的掩模版和特殊工艺，有利于器件的规模制作和低成本实现；
(5)多次注入磷离子和硼离子，通过深注入形成PN结，通过浅注入调整器件P区和N区的电阻，降低PN结串联的电阻。
附图说明
图1为本发明提出的电光移相器掺杂结构的截面结构示意图；
图2为本发明提出的脊形本征硅的截面结构示意图；
图3为本发明提出的制备方法中磷离子注入后的截面结构示意图；
图4为本发明提出的制备方法中硼离子注入后的截面结构示意图；
图5为本发明提出的制备方法中热退火后的截面结构示意图；
图6为本发明提出的制备方法在工艺流程仿真后得到的载流子浓度分布图；
图7为本发明提出的电光移相器掺杂结构与传统横向掺杂结构的移相效率对比示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为脊形光波导，11为N型掺杂脊区，12为P型掺杂脊区，13为N型掺杂肋区，14为P型掺杂肋区，2为脊形本征硅，21为第一区域，22为第二区域，22a为净剩N掺杂区域，22b为净剩P掺杂区域，23为第三区域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
参阅图1，对本实施例中的电光移相器掺杂结构(以下简称为掺杂结构)进行详细说明。
掺杂结构包括脊形光波导1，脊形光波导1包括脊区以及位于脊区左右两侧的肋区。脊区包括N型掺杂脊区11和P型掺杂脊区12，N型掺杂脊区11和P型掺杂脊区12的分界面处形成两段纵向倾斜PN结以及连接该两段纵向倾斜PN结的横向倾斜PN结，这两段纵向倾斜PN结和横向倾斜PN结形成旋转“Z”字型结构，如图1所示。纵向倾斜PN结是指沿纵向延伸且与竖直线之间具有一夹角的PN结，横向倾斜PN结是指沿横向延伸且与水平线之间具有一夹角的PN结。
肋区包括N型掺杂肋区13和P型掺杂肋区14。位于脊区中N型掺杂脊区11侧的肋区为N型掺杂肋区13，N型掺杂肋区13与N型掺杂脊区11邻接；位于脊区中P型掺杂脊区12侧的肋区为P型掺杂肋区14，P型掺杂肋区14与P型掺杂脊区12邻接，以形成脊形光波导1。脊形光波导1中的PN结位于脊区，即N型掺杂脊区11和P型掺杂脊区12的分界面处所形成的PN结。
N型掺杂脊区11和P型掺杂脊区12的分界面与脊区的左右侧面不相交，即该分界面与脊区左右两侧面之间均无重合部分。以图1中示出的结构为例，N型掺杂脊区11形成分界面的一端与脊区右侧边缘之间相距一定距离，P型掺杂脊区12形成分界面的一端与脊区左侧边缘之间也相距一定距离，该距离例如为脊区宽度的1/4，由此，N型掺杂脊区11和P型掺杂脊区12无需和脊区侧边缘紧密贴合，降低了器件制作过程对加工精度的要求，提升了器件良品率。
掺杂结构中，第一段纵向倾斜PN结起始于脊区顶面，并斜向下延伸，直到延伸至距脊区底面h/3至h/2位置处，h为脊区的高度，脊区高度例如为220nm。第一段纵向倾斜PN结与竖直线之间具有一夹角，夹角例如为10°。横向倾斜PN结起始于第一段纵向倾斜PN结的末端，横向倾斜PN结与该第一段纵向倾斜PN结之间的夹角为95°至+135°，且与水平面之间的夹角为-10°至+10°，使得横向倾斜PN结近似水平分布。横向倾斜PN结沿着满足上述角度需求的方向延伸，直至横向倾斜PN结延伸的长度不小于d/3，其中，d为脊区的宽度。第二段纵向倾斜PN结起始于横向倾斜PN结的末端，并斜向下延伸，直到延伸至脊区底面。第二段纵向倾斜PN结与横向倾斜PN结之间的夹角为90°至+135°。
本实施例中，该掺杂结构用于电光移相器，位于电光移相器的脊形光波导内，提高移相效率的同时，兼顾调制带宽。优选地，当该掺杂结构用于耗尽型电光移相器时，掺杂结构利用自由载流子色散效应进行电光调制，该旋转“Z”字型掺杂结构能够显著提高耗尽型电光移相器的移相效率，对耗尽型电光移相器的性能改进最为显著。
本发明另一实施例提供了一种电光移相器掺杂结构的制备方法。结合图2-图6，对该制备方法进行详细说明。制备方法包括步骤1-步骤3。
步骤1，在脊形本征硅2的第一区域21和第二区域22注入磷离子。
脊形本征硅2为绝缘体上硅形成的本征半导体，包括脊区以及位于脊区两侧的肋区，脊区的硅厚度例如为220nm。本实施例中，根据脊形光波导材料折射率、其所传输的光波波长和肋区刻蚀深度设计脊形光波导的尺寸参数。
离子注入过程中，脊形本征硅2划分为第一区域21、第二区域22和第三区域23三个区域，并分别在不同区域进行不同的离子注入操作。脊区中间部分的区域为第二区域22，且第二区域22的宽度不小于脊区宽度的1/3。第二区域一侧的脊区以及肋区为第一区域21，第二区域另一侧的脊区以及肋区为第三区域23，如图2所示。
在第一区域21和第二区域22注入磷离子，如图3所示。本发明实施例中，在第一区域21和第二区域22进行m次磷离子注入，且第二区域22中注入深度最深的一次磷离子注入的离子浓度峰值所处位置与脊区底面之间的距离为10nm至60nm，注入深度最浅的一次磷离子注入的离子浓度峰值所处位置与脊区顶面之间的距离为20nm至100nm，m≥2。
通过掩模版选择第一区域21和第二区域22进行m次磷(P)离子注入。具体地，磷离子注入之前，使用气相沉积法在第一区域21、第二区域22和第三区域23上生长10nm厚的二氧化硅薄膜作为屏氧层，然后选择第一区域21和第二区域22进行m次磷离子注入。m次磷离子注入中，一次磷离子注入时例如注入的剂量为2×1013cm-2、能量为90KeV，该次磷离子注入的注入深度最深，磷离子浓度峰值位于脊区底面向上约60nm处；一次磷离子注入时例如注入的剂量为9×1012cm-2、能量为25KeV，该次磷离子注入的注入深度最浅，磷离子浓度峰值位于脊区顶面向下约40nm处；其余m-2次离子注入的注入深度介于最浅注入深度和最深注入深度之间。每次磷离子注入时的倾斜角和旋转角均为0°。
步骤2，在第三区域23和第二区域22注入硼离子。
在第三区域23和第二区域22注入硼离子，硼离子注入后形成的结构如图4所示。本发明实施例中，在第三区域23和第二区域22进行n次硼离子注入，且第二区域22中注入深度最深的一次硼离子注入的离子浓度峰值处于脊区中心点之下，n≥1。
通过掩模版选择第三区域23和第二区域22进行n次硼(B)离子注入。n次硼离子注入中，一次硼离子注入时例如注入的剂量为2.8×1013cm-2、能量为40KeV，该次硼离子注入的注入深度最深，硼离子浓度峰值位于脊区中心点以下约50nm处；其余n-1次离子注入的注入深度小于最深注入深度。本实施例中，例如进行两次硼离子注入，另一次硼离子注入时例如注入的剂量为1×1012cm-2，能量为4KeV，注入深度约为40nm。每次硼离子注入时的倾斜角和旋转角均为0°。本实施例中，注入深度是指离子浓度峰值所处位置与脊区顶面之间的距离。
第一区域21中只有磷离子注入，形成为N掺杂类型区域。第三区域23中只有硼离子注入，形成为P掺杂类型区域。第二区域22中注入有磷离子和硼离子，其掺杂类型由注入的磷离子和硼离子的浓度差决定。离子注入过程中，硼离子的注入深度较深，主要集中分布在脊区下半部分；磷离子的注入深度较浅，主要集中分布在脊区上半部分，使得第二区域22沿纵向方向被划分为上下两部分。第二区域22上部分中磷离子的浓度高于硼离子的浓度，成为净剩N掺杂区域22a；下部分中磷离子的浓度高于硼离子的浓度，成为净剩P掺杂区域22b。
步骤3，快速热退火，使得P型掺杂和N型掺杂分界面处的PN结向离子浓度低的方向倾斜，以在第二区域22中形成两段纵向倾斜PN结以及连接该两段纵向倾斜PN结的横向倾斜PN结。
对离子掺杂后形成的结构进行快速热退火，例如在一千多度的高温下进行3-10s的退火。退火过程中，注入的磷离子和硼离子被激活产生电子和空穴，在P型掺杂和N型掺杂分界面处，由于电子和空穴的浓度分布既不相等也不均匀，使得PN结耗尽区向离子浓度低的一侧倾斜，以形成如图5所示的旋转“Z”字型PN结，该旋转“Z”字型PN结的结构参数与图1所示实施例中PN结的结构参数相同，此处不再赘述。
本实施例中，该制备方法的工艺流程仿真结果如图6所示，载流子浓度为0的区域即为PN结所在位置，可以看出该制备方法可以制备出图1和图5中示出的具有旋转“Z”字型PN结的掺杂结构。
参阅图7，可以看出，在相同的外加驱动电压下，本发明实施例中的掺杂结构比传统横向掺杂结构能够提供更多的有效折射率变化量，即具有更高的移相效率。
本发明另一实施例提供了一种电光调制器。电光调制器包括电光移相器，通过电光移相器实现相位调制，电光移相器中包括如图1所示实施例中的电光移相器掺杂结构，以提高电光调制器的移相效率。
电光调制器中电光移相器掺杂结构与图1所示实施例中电光移相器掺杂结构相同，其制备过程与图2-图6所示实施例中电光移相器掺杂结构的制备过程相同，此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电光移相器掺杂结构，其特征在于，包括：
脊形光波导(1)，包括脊区以及位于所述脊区两侧的肋区，所述脊区包括N型掺杂脊区(11)和P型掺杂脊区(12)，所述N型掺杂脊区(11)和P型掺杂脊区(12)的分界面处形成两段纵向倾斜PN结以及连接所述两段纵向倾斜PN结的横向倾斜PN结；
其中，所述N型掺杂脊区(11)和P型掺杂脊区(12)的分界面与所述脊区的左右侧面不相交。
2.如权利要求1所述的电光移相器掺杂结构，其特征在于，所述横向倾斜PN结与水平面之间的夹角为-10°至+10°，且所述横向倾斜PN结与起始端位于脊区顶面的纵向倾斜PN结之间的夹角为95°至+135°，与另一纵向倾斜PN结之间的夹角为90°至+135°。
3.如权利要求1所述的电光移相器掺杂结构，其特征在于，所述横向倾斜PN结沿其连接方向上的长度不小于d/3，其中，d为所述脊区的宽度。
4.如权利要求1所述的电光移相器掺杂结构，其特征在于，起始端位于脊区顶面的纵向倾斜PN结的末端与脊区底面之间距离为h/3至h/2，其中，h为所述脊区的高度。
5.如权利要求1-4任一项所述的电光移相器掺杂结构，其特征在于，所述肋区包括N型掺杂肋区(13)和P型掺杂肋区(14)，所述N型掺杂肋区(13)与N型掺杂脊区(11)邻接，所述P型掺杂肋区(14)与P型掺杂脊区(12)邻接。
6.一种电光移相器掺杂结构的制备方法，其特征在于，包括：
在脊形本征硅(2)的第一区域(21)和第二区域(22)注入磷离子后，在第三区域(23)和第二区域(22)注入硼离子，以将第二区域(22)沿纵向方向划分为净剩N掺杂区域(22a)和净剩P掺杂区域(22b)，其中，第二区域(22)为脊区中间部分的区域，第一区域(21)包括第二区域(22)一侧的脊区和肋区，第三区域(23)包括第二区域(22)另一侧的脊区和肋区；
快速热退火，使得P型掺杂和N型掺杂分界面处的PN结向离子浓度低的方向倾斜，以在第二区域(22)中形成两段纵向倾斜PN结以及连接所述两段纵向倾斜PN结的横向倾斜PN结。
7.如权利要求6所述的电光移相器掺杂结构的制备方法，其特征在于，所述在脊形本征硅(2)的第一区域(21)和第二区域(22)注入磷离子，包括：
在第一区域(21)和第二区域(22)进行m次磷离子注入，且所述第二区域(22)中注入深度最深的一次磷离子注入的离子浓度峰值所处位置与脊区底面之间的距离为10nm至60nm，注入深度最浅的一次磷离子注入的离子浓度峰值所处位置与脊区顶面之间的距离为20nm至100nm，m≥2。
8.如权利要求6所述的电光移相器掺杂结构的制备方法，其特征在于，所述在第三区域(23)和第二区域(22)注入硼离子，包括：
在第三区域(23)和第二区域(22)进行n次硼离子注入，且所述第二区域(22)中注入深度最深的一次硼离子注入的离子浓度峰值位于所述第二区域(22)中心点之下，n≥1。
9.如权利要求6-8任一项所述的电光移相器掺杂结构的制备方法，其特征在于，所述第二区域(22)的宽度不小于d/3，其中，d为所述脊区的宽度。
10.一种电光调制器，包括电光移相器，其特征在于，所述电光移相器包括如权利要求1-5任一项所述的电光移相器掺杂结构。
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