CN112433395A - 硅光调制器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅光调制器及其制造方法，硅光调制器包括脊型结构，相邻的P型掺杂区和N型掺杂区位于脊型结构内；P型掺杂区包括从脊型结构的中部向边部依次设置、掺杂浓度依次增大的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区和第三P型掺杂区，第一P型掺杂区的掺杂浓度沿脊型结构的轴向逐渐增大；N型掺杂区包括从脊型结构的中部向边部依次设置、掺杂浓度依次增大的第一N型掺杂区、第二N型掺杂区和第三N型掺杂区，第一N型掺杂区的掺杂浓度沿脊型结构的轴向逐渐增大。本发明的硅光调制器在沿脊型结构的轴向上保持PN结性能参数的稳定，保证特征阻抗的稳定和微波折射率的稳定，提高调制效率、带宽和整体性能。

Description

硅光调制器及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成光学领域，更为具体来说，本发明涉及一种硅光调制器及其制造方法。

背景技术

光调制器是高速光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。它是通过电压或电场的变化调制输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、载流子色散效应等。硅光调制器与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造技术兼容，同时拥有电子和光子的优点。

硅光调制器可以实现高速的数据调制，是硅光芯片的核心器件。为了实现高速传输通常采用载流子耗尽的调制机制，例如采用行波电极的马赫-曾德(Mach-Zehnder，MZ)调制器(Modulators)结构。在现有的硅光调制器中，微波信号一般加载在输入端，沿着调制臂方向，由于微波损耗和金属信号线本身电阻的存在，随着微波信号的传播，调制器的驱动电压逐渐减小；随着驱动电压的减小，沿着波导传输方向上的PN结的电学参数也会发生变化，影响调制器的带宽、调制效率及整体性能。

现有技术中常通过将输入和输出端的信号线电极连接起来，从而保证信号线电压的均匀分布。这种方法可以保证直流偏置点的相对稳定，在一定程度上优化调制器的带宽。但是采用这种方法，高速行波信号在传输过程中依然会存在微波损耗和电压衰减，引起调制效率下降的问题。

因此，提供一种能优化调制效率和带宽的硅光调制器，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决现有硅光调制器随着驱动电压的减小，传输方向上的PN结的电学参数发生变化导致的带宽降低和调制效率下降等问题，本发明创新地提供了一种硅光调制器及其制造方法，该硅光调制器在沿脊型结构的轴向方向上保持PN结性能参数的稳定，保证特征阻抗的稳定和微波折射率的稳定，提高调制效率、带宽和整体性能。

为实现上述的技术目的，本发明第一方面公开了一种硅光调制器，包括：脊型结构，相邻的P型掺杂区和N型掺杂区位于所述脊型结构内；

所述P型掺杂区包括从脊型结构的中部向边部依次设置的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区和第三P型掺杂区，第一P型掺杂区、第二P型掺杂区和第三P型掺杂区的掺杂浓度依次增大，所述第一P型掺杂区的掺杂浓度沿所述脊型结构的轴向逐渐增大；

所述N型掺杂区包括从脊型结构的中部向边部依次设置的第一N型掺杂区、第二N型掺杂区和第三N型掺杂区，第一N型掺杂区、第二N型掺杂区和第三N型掺杂区的掺杂浓度依次增大，所述第一N型掺杂区的掺杂浓度沿所述脊型结构的轴向逐渐增大。

进一步地，沿所述脊型结构的轴向，输入信号在单位长度内电压衰减比例越大，所述第一P型掺杂区和所述第一N型掺杂区的掺杂浓度增加的比例越大。

进一步地，沿所述脊型结构的轴向，输入信号在单位长度内电压衰减比例与所述第一P型掺杂区和所述第一N型掺杂区的掺杂浓度增加的比例呈正比。

进一步地，所述硅光调制器还包括分别位于所述脊型结构两侧的第一电极和第二电极，所述第一电极电连接所述P型掺杂区，所述第二电极电连接所述N型掺杂区；所述第一电极为阳极电极和阴极电极中的一种，所述第二电极为阳极电极和阴极电极中的另一种。

进一步地，所述第一电极电连接所述第三P型掺杂区，所述第二电极电连接所述第三N型掺杂区。

进一步地，所述第一N型掺杂区和所述第一P型掺杂区接触、部分重叠或具有预设间隙。

进一步地，所述硅光调制器为马赫-增德硅光调制器，所述脊型结构的轴向为所述马赫-增德硅光调制器的调制臂方向。

进一步地，所述第一N型掺杂区和第一P型掺杂区的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁷～1*e¹⁸cm^-3，所述第二N型掺杂区和第二P型掺杂区的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁸cm^-3，所述第三N型掺杂区和第三P型掺杂区的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁹～1*e²⁰cm^-3。

为实现上述的技术目的，本发明的第二方面公开了一种硅光调制器的制造方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底的表面刻蚀得到脊型结构；

利用光刻胶作掩膜，在脊型结构的一个侧面上从脊型结构的中部向边部依次刻蚀第一P型掺杂区、第二P型掺杂区和第三P型掺杂区，进行离子注入，所述第一P型掺杂区的离子注入浓度小于所述第二P型掺杂区的离子注入浓度，所述第二P型掺杂区的离子注入浓度小于所述第三P型掺杂区的离子注入浓度，且所述第一P型掺杂区的离子注入浓度沿所述脊型结构的轴向逐渐增大；

利用光刻胶作掩膜，在脊型结构的另一个侧面上从脊型结构的中部向边部依次刻蚀第一N型掺杂区、第二N型掺杂区和第三N型掺杂区，进行离子注入，所述第一N型掺杂区的离子注入浓度小于所述第二N型掺杂区的离子注入浓度，所述第二N型掺杂区的离子注入浓度小于所述第三N型掺杂区的离子注入浓度，且所述第一N型掺杂区的离子注入浓度沿所述脊型结构的轴向逐渐增大。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的硅光调制器在沿脊型结构的轴向方向上保持PN结性能参数的稳定，使PN结被均匀的调制，保证特征阻抗的稳定和微波折射率的稳定，减小阻抗失配，提高调制效率、带宽和整体性能。

(2)本发明提供的硅光调制器成本低廉，不需要引入额外的控制电路和电学补偿，可以大大提升调制器的性能。

附图说明

图1为本发明实施例的硅光调制器的结构示意图。

图2为本发明实施例的图1的硅光调制器的A-A截面结构示意图。

图3为本发明实施例的P型掺杂区与第一电极、N型掺杂区与第二电极的连接关系示意图。

图中，

1、调制臂；110、P型掺杂区；120、N型掺杂区；111、第一P型掺杂区；112、第二P型掺杂区；113、第三P型掺杂区；121、第一N型掺杂区；122、第二N型掺杂区；123、第三N型掺杂区；130、金属连线；140、第一电极；141、第二电极。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明提供的硅光调制器及其制造方法进行详细的解释和说明。

本实施例具体公开了一种硅光调制器，包括：脊型结构，相邻的P型掺杂区110和N型掺杂区120位于脊型结构内。如图1所示，本实施例的硅光调制器为马赫-增德硅光调制器，脊型结构的轴向为马赫-增德硅光调制器的调制臂1方向。

图2为本发明实施例的图1的硅光调制器的A-A截面结构示意图。如图2所示，P型掺杂区110包括从脊型结构的中部向边部依次设置的第一P型掺杂区111、第二P型掺杂区112和第三P型掺杂区113，第一P型掺杂区111、第二P型掺杂区112和第三P型掺杂区113的掺杂浓度依次增大，即第一P型掺杂区111的掺杂浓度小于第二P型掺杂区112的掺杂浓度，第二P型掺杂区112的掺杂浓度小于第三P型掺杂区113的掺杂浓度，第一P型掺杂区111为轻掺杂区，第二P型掺杂区112为中掺杂区，第三P型掺杂区113为重掺杂区；第一P型掺杂区111的掺杂浓度沿脊型结构的轴向逐渐增大。N型掺杂区120包括从脊型结构的中部向边部依次设置的第一N型掺杂区121、第二N型掺杂区122和第三N型掺杂区123，第一N型掺杂区121、第二N型掺杂区122和第三N型掺杂区123的掺杂浓度依次增大，即第一N型掺杂区121的掺杂浓度小于第二N型掺杂区122的掺杂浓度，第二N型掺杂区122的掺杂浓度小于第三N型掺杂区123的掺杂浓度，第一N型掺杂区121为轻掺杂区，第二N型掺杂区122为中掺杂区，第三N型掺杂区123为重掺杂区；第一N型掺杂区121的掺杂浓度沿脊型结构的轴向逐渐增大。即第一P型掺杂区111和第一N型掺杂区121的掺杂浓度沿调制臂1方向逐渐增大。第一P型掺杂区111的掺杂浓度沿波导方向(传输方向)逐渐增大，第一N型掺杂区121的掺杂浓度沿波导方向(传输方向)逐渐增大

第二N型掺杂区122和第二P型掺杂区112内还可以包括多级掺杂区。

第一P型掺杂区111和第一N型掺杂区121构成PN结区，PN结区离子的掺杂浓度沿传输方向逐渐增大，增加载流子补偿。第一N型掺杂区121和第一P型掺杂区111接触、部分重叠或具有预设间隙。在本实施例中，第一N掺杂区和第一P型掺杂区111接触指第一N型掺杂区121的边缘与第一P型掺杂区111的边缘挨着但不重叠。

在硅光调制器中，微波信号加载在输入端，沿着调制臂1方向，由于微波损耗和金属信号线本身电阻的存在，随着微波信号的传播，调制器的驱动电压逐渐减小；随着驱动电压的减小，沿着波导传输方向上的PN结区的RC常数也会发生变化，从而造成调制器的特征阻抗和群折射率发生变化，特征阻抗的变化会带来阻抗失配，引起反射的问题，恶化眼图质量，降低消光比；群折射率的变化会带来群速度失配，信号不能被有效调制，降低带宽；同时，由于驱动电压的逐渐降低，沿轴向的被调制的电容改变量逐渐减小，导致相位变化积分逐渐饱和，降低调制效率。本发明实施例根据调制器微波损耗的衰减情况，在调制器轴向通过非均匀掺杂浓度的PN结结构，补偿高速信号的电压衰减，从而保证高速信号沿着调制臂1的传输过程中，PN结被均匀的调制，保证PN结区的载流子变化均匀，使得光信号和微波信号匹配，从而保证特征阻抗的稳定和微波折射率的稳定，减小阻抗失配，折射率匹配和提高调制效率，进而提升调制器的带宽。

沿脊型结构的轴向，即沿传输方向，输入信号在单位长度内电压衰减比例越大，第一P型掺杂区111和第一N型掺杂区121的掺杂浓度增加的比例越大，通过增加载流子进行补偿，使得光信号和微波信号速度匹配。

进一步地，沿脊型结构的轴向，输入信号在单位长度内电压衰减比例与第一P型掺杂区111和第一N型掺杂区121的掺杂浓度增加的比例呈正比，更加有效地进行载流子补偿、保证PN结区的载流子变化均匀，提高调制效率、提升调制器的带宽。

硅光调制器还包括分别位于脊型结构两侧的第一电极140和第二电极141，第一电极140电连接P型掺杂区110，第二电极141电连接N型掺杂区120；第一电极140为阳极电极和阴极电极中的一种，第二电极141为阳极电极和阴极电极中的另一种。第一电极140通过金属连线130电连接第三P型掺杂区113，第二电极141通过金属连线130电连接第三N型掺杂区123。即电极分别连接到P型重掺杂区和N型重掺杂区，在P型掺杂区110和N型掺杂区120上施加电压，根据载流子色散效应，脊型结构中的掺杂区的折射率会发生变化。本发明实施例通过PN结区增加载流子补偿，保证PN结区的载流子变化均匀，提高波导中的有效折射率，使得光信号和微波信号匹配，提升调制效率。

本发明实施例不需要引入额外的控制电路和电学补偿，可以大大提升硅光调制器的整体性能。本发明实施例不仅能保证直流偏置的稳定，还能保证高速微波信号的均匀调制，大大提升调制器的性能。

第一N型掺杂区121和第一P型掺杂区111的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁷～1*e¹⁸cm^-3，第二N型掺杂区122和第二P型掺杂区112的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁸cm^-3，第三N型掺杂区123和第三P型掺杂区113的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁹～1*e²⁰cm^-3。第二N型掺杂区122的掺杂浓度大于第一N型掺杂区121的最大掺杂浓度，第二P型掺杂区112的掺杂浓度大于第一P型掺杂区111的最大掺杂浓度。

本实施例的N型掺杂区120的注入离子为砷或者磷，P型掺杂区110的注入离子为硼离子或氟化硼。

本发明实施例还公开了一种硅光调制器的制造方法，包括：

提供半导体衬底。

在半导体衬底的表面刻蚀得到脊型结构。本实施例中，采用本领域常用的干法刻蚀，在此不再赘述。

利用光刻胶作掩膜，在脊型结构的一个侧面上从脊型结构的中部向边部依次刻蚀第一P型掺杂区111、第二P型掺杂区112和第三P型掺杂区113，进行离子注入，第一P型掺杂区111的离子注入浓度小于第二P型掺杂区112的离子注入浓度，第二P型掺杂区112的离子注入浓度小于第三P型掺杂区113的离子注入浓度，且第一P型掺杂区111的离子注入浓度沿脊型结构的轴向逐渐增大。

利用光刻胶作掩膜，在脊型结构的另一个侧面上从脊型结构的中部向边部依次刻蚀第一N型掺杂区121、第二N型掺杂区122和第三N型掺杂区123，进行离子注入，第一N型掺杂区121的离子注入浓度小于第二N型掺杂区122的离子注入浓度，第二N型掺杂区122的离子注入浓度小于第三N型掺杂区123的离子注入浓度，且第一N型掺杂区121的离子注入浓度沿脊型结构的轴向逐渐增大。

根据传输方向上输入信号在单位长度内电压衰减比例来确定，第一N型掺杂区121和第一P型掺杂区111的离子注入浓度沿脊型结构的轴向的增大比例，实现载流子的高效补偿，保证PN结区的均匀调制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硅光调制器，其特征在于，包括：脊型结构，相邻的P型掺杂区(110)和N型掺杂区(120)位于所述脊型结构内；

所述P型掺杂区(110)包括从脊型结构的中部向边部依次设置的第一P型掺杂区(111)、第二P型掺杂区(112)和第三P型掺杂区(113)，第一P型掺杂区(111)、第二P型掺杂区(112)和第三P型掺杂区(113)的掺杂浓度依次增大，所述第一P型掺杂区(111)的掺杂浓度沿所述脊型结构的轴向逐渐增大；

所述N型掺杂区(120)包括从脊型结构的中部向边部依次设置的第一N型掺杂区(121)、第二N型掺杂区(122)和第三N型掺杂区(123)，第一N型掺杂区(121)、第二N型掺杂区(122)和第三N型掺杂区(123)的掺杂浓度依次增大，所述第一N型掺杂区(121)的掺杂浓度沿所述脊型结构的轴向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，沿所述脊型结构的轴向，输入信号在单位长度内电压衰减比例越大，所述第一P型掺杂区(111)和所述第一N型掺杂区(121)的掺杂浓度增加的比例越大。

3.根据权利要求1或2所述的硅光调制器，其特征在于，沿所述脊型结构的轴向，输入信号在单位长度内电压衰减比例与所述第一P型掺杂区(111)和所述第一N型掺杂区(121)的掺杂浓度增加的比例呈正比。

4.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，所述硅光调制器还包括分别位于所述脊型结构两侧的第一电极(140)和第二电极(141)，所述第一电极(140)电连接所述P型掺杂区(110)，所述第二电极(141)电连接所述N型掺杂区(120)；所述第一电极(140)为阳极电极和阴极电极中的一种，所述第二电极(141)为阳极电极和阴极电极中的另一种。

5.根据权利要求4所述的硅光调制器，其特征在于，所述第一电极(140)电连接所述第三P型掺杂区(113)，所述第二电极(141)电连接所述第三N型掺杂区(123)。

6.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，所述第一N型掺杂区(121)和所述第一P型掺杂区(111)接触、部分重叠或具有预设间隙。

7.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，所述硅光调制器为马赫-增德硅光调制器，所述脊型结构的轴向为所述马赫-增德硅光调制器的调制臂(1)方向。

8.根据权利要求1所述的硅光调制器，其特征在于，所述第一N型掺杂区(121)和第一P型掺杂区(111)的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁷～1*e¹⁸cm^-3，所述第二N型掺杂区(122)和第二P型掺杂区(112)的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁸cm^-3，所述第三N型掺杂区(123)和第三P型掺杂区(113)的掺杂浓度的数量级均为1*e¹⁹～1*e²⁰cm^-3。

9.一种硅光调制器的制造方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底的表面刻蚀得到脊型结构；

利用光刻胶作掩膜，在脊型结构的一个侧面上从脊型结构的中部向边部依次刻蚀第一P型掺杂区、第二P型掺杂区和第三P型掺杂区，进行离子注入，所述第一P型掺杂区的离子注入浓度小于所述第二P型掺杂区的离子注入浓度，所述第二P型掺杂区的离子注入浓度小于所述第三P型掺杂区的离子注入浓度，且所述第一P型掺杂区的离子注入浓度沿所述脊型结构的轴向逐渐增大；

利用光刻胶作掩膜，在脊型结构的另一个侧面上从脊型结构的中部向边部依次刻蚀第一N型掺杂区、第二N型掺杂区和第三N型掺杂区，进行离子注入，所述第一N型掺杂区的离子注入浓度小于所述第二N型掺杂区的离子注入浓度，所述第二N型掺杂区的离子注入浓度小于所述第三N型掺杂区的离子注入浓度，且所述第一N型掺杂区的离子注入浓度沿所述脊型结构的轴向逐渐增大。

Images