CN114236880A - 一种硅基耗尽型电光调制器及其制备方法和应用 - Google Patents

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朱子健
赵瑛璇
黄海阳
甘甫烷
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Abstract

本发明涉及一种硅基耗尽型电光调制器及其制备方法和应用，包括硅层(1‑9)，其特征在于：所述硅层(1‑9)上依次包括P型重掺杂区(1‑5)、P型中等掺杂区(1‑3)、P型轻掺杂区(1‑1)、N型轻掺杂区(1‑2)、N型中等掺杂区(1‑4)和N型重掺杂区(1‑6)；所述P型轻掺杂区(1‑1)与N型轻掺杂区(1‑2)形成至少两个纵向PN结，至少三个横向PN结。本发明通过控制离子注入的比例和位置，实现高效调制的硅基耗尽型调制器，且在低压下具有高带宽的优势，可实现低功耗大规模数据传输。

Description

一种硅基耗尽型电光调制器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电光调制器领域，特别涉及一种硅基耗尽型电光调制器及其制备方法和应用。
背景技术
高速信号调制技术是实现大规模数据传输、提高通信效率的关键，由于传统集成电路受制于电缆传输的低速和功耗问题，电光调制器作为替代的传输方案具有高带宽、低损耗、低功耗的优势，从而满足大数据时代对信号传输的高容量、高效率需求。而由于硅基电光调制器具有工艺兼容的优势，更利于大规模集成，实现多通道高速率传输。通常采用的硅基电光调制器一般为耗尽型，即利用等离子体色散效应，通过施加电压后载流子的变化实现对光调制。
硅基耗尽型电光调制器的具体原理如图1所示。硅基耗尽型电光调制器利用等离子体色散效应以实现调制，通常采用图1的脊波导结构，通过在脊波导区域进行P型和N型掺杂构造PN结，在N区施加正向电压以实现PN结反偏，耗尽区发生展宽，从而脊波导处传播的光模场与耗尽区的重叠面积发生变化，折射率与衰减系数发生变化，实现电光调制。
目前主要采用的耗尽型调制器PN结掺杂方式参见图2，类型有横向PN结、倒L型PN结和U型PN结，而通过调整掺杂方式可以实现更优的PN结掺杂方案，从而进一步提升调制效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基耗尽型电光调制器及其制备方法和应用，该电光调制器过控制离子注入的比例和位置，实现高效调制的硅基耗尽型调制器，且在低压下具有高带宽的优势，可实现低功耗大规模数据传输。
本发明提供了一种硅基耗尽型电光调制器，包括硅层，所述硅层上依次包括P型重掺杂区、P型中等掺杂区、P型轻掺杂区、N型轻掺杂区、N型中等掺杂区和N型重掺杂区；所述P型轻掺杂区与N型轻掺杂区形成至少两个纵向PN结，至少三个横向PN结。
所述P型重掺杂区连接阳极，N型重掺杂区连接阴极。
所述P型轻掺杂区和N型轻掺杂区形成脊波导区域。
本发明还提供了一种硅基耗尽型电光调制器的制备方法，包括如下步骤：
(1)对调制器的硅层进行离子注入，实现重掺杂、中等掺杂和轻掺杂，其中P型轻掺杂区的构成通过三道P型注入构成，N型轻掺杂区通过两道N型注入构成，以及N型中等掺杂区的注入位置包含部分N型轻掺杂区；
(2)形成阳极和阴极，分别与P型重掺杂区和N型重掺杂区相连。
本发明还提供了一种硅基耗尽型电光调制器在大规模数据传输中的应用。
有益效果
本发明通过控制离子注入的比例和位置，实现高效调制的硅基耗尽型调制器，且在低压下具有高带宽的优势，可实现低功耗大规模数据传输。
附图说明
图1为硅基耗尽型电光调制器的具体原理。
图2为硅基耗尽型电光调制器PN结掺杂方式。
图3为本发明硅基耗尽型电光调制器的结构示意图。
图4为本发明硅基耗尽型电光调制器的制备工艺示意图。
图5为本发明硅基耗尽型电光调制器的俯视结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图5所示，本实施例提供了一种硅基耗尽型电光调制器，其中包括进光口(2-1)，出光口(2-2)以及P型轻掺杂区和N型轻掺杂区形成的脊波导区域(2-3)。本实施例中脊波导区域(2-3)示例宽度为0.41μm，高度为0.22μm。
图5中P型中等掺杂区和P型重掺杂区形成的区域(2-4)示例高度为0.09μm，宽度9μm。
图5中N型中等掺杂区和P型重掺杂区的区域(2-5)示例高度为0.09μm，宽度9μm。
此外，还包括阴极(2-6)，示例高度1.9μm。阳极(2-7)，示例高度1.9μm。金属垫(2-8,2-9)用于键合施加电压的金属引脚。
图4的工艺方案如下所述：
如图4(a)，对于未掺杂的脊区本征硅，先进行两道P型离子注入，通过控制注入能量进行一深一浅的注入，使注入离子充满脊区的左区，左区边界取决于p1x，得到图4(b)；再进行两道N型离子注入，第一道注入N型离子中和脊区中心的P型离子，第二道进一步用N型离子填充中间区域，n1x控制脊区左侧边缘横向耗尽区的宽度，得到图4(c)；然后进行一道较深的P型离子注入，注入位置p3x决定产生的新的横向PN结和纵向PN结的位置，得到图4(d)；最后通过利用平板区掺杂的第一道工序，进行N掺杂，去掉s1x右侧的P型区，得到图4(e)。
通过在金属垫(2-8)处接地，金属垫(2-9)接正电压，脊波导区域(2-3)的P型轻掺杂区与地同电势，N型轻掺杂区呈现高正向电压，因此脊波导区域(2-3)的交界处的耗尽区发生展宽，由于基于图4的工艺方案下，至少会存在5个横向或纵向PN结，这使得脊波导传播的光模场与PN结耗尽区重叠面积发生较大变化，从而在相同的电压下，该方案可以实现更高的调制效率。此外，P型轻掺杂区处存在两个距离较近、方向相反的纵向PN结，高电压下这两个耗尽区会发生合并从而阻断电流，调制器带宽随电压升高增加不明显，因此该调制器主要适用于低电压场景下工作，一般该低电压小于2V。

Claims (5)

1.一种硅基耗尽型电光调制器，包括硅层(1-9)，其特征在于：所述硅层(1-9)上依次包括P型重掺杂区(1-5)、P型中等掺杂区(1-3)、P型轻掺杂区(1-1)、N型轻掺杂区(1-2)、N型中等掺杂区(1-4)和N型重掺杂区(1-6)；所述P型轻掺杂区(1-1)与N型轻掺杂区(1-2)形成至少两个纵向PN结，至少三个横向PN结。
2.根据权利要求1所述的一种硅基耗尽型电光调制器，其特征在于：所述P型重掺杂区(1-5)连接阳极(1-7)，N型重掺杂区(1-6)连接阴极(1-8)。
3.根据权利要求1所述的一种硅基耗尽型电光调制器，其特征在于：所述P型轻掺杂区(1-1)和N型轻掺杂区(1-2)形成脊波导区域。
4.一种硅基耗尽型电光调制器的制备方法，包括如下步骤：
(1)对调制器的硅层(1-9)进行离子注入，实现重掺杂、中等掺杂和轻掺杂，其中P型轻掺杂区(1-1)的构成通过三道P型注入构成，N型轻掺杂区(1-2)通过两道N型注入构成，以及N型中等掺杂区(1-4)的注入位置包含部分N型轻掺杂区(1-2)；
(2)形成阳极(1-7)和阴极(1-8)，分别与P型重掺杂区(1-5)和N型重掺杂区(1-6)相连。
5.一种如权利要求1所述的硅基耗尽型电光调制器在大规模数据传输中的应用。
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