CN114503020A - 电光调制器 - Google Patents

Abstract

一种基于金属氧化物半导体电容器MOSCAP的电光调制器。所述调制器包括：输入波导；调制区域，所述调制区域耦合到所述输入波导；以及输出波导，所述输出波导耦合到所述调制区域。所述调制区域包括n‑i‑p‑n结，所述n‑i‑p‑n结包括：第一n掺杂区域，所述第一n掺杂区域通过本征区域与p掺杂区域间隔开；以及第二n掺杂区域，所述第二n掺杂区域通过所述p掺杂区域与所述本征区域间隔开并且在所述本征区域的与所述第一n掺杂区域相对的一侧上。

Description

电光调制器

技术领域

本发明涉及一种电光调制器。

背景技术

基于金属氧化物半导体电容器(MOSCAP)的调制器由于形成电容器区域的介电层薄而通常具有大电容。由于要耗散大量电荷，因此较大的电容使调制器减慢。

调制效率随着更薄的电而提高，然而这是以增加电容为代价的。因此，为了实现高带宽，调制器的串联电阻必须尽可能小。

在已知的MOSCAP调制器的示例中，形成p-i-n结，其中：下掺杂(n或p)区域通过横向延伸的绝缘层与上掺杂(p或n)区域竖直分离；或者，左侧掺杂(n或p)区域通过竖直延伸的绝缘层与右侧掺杂(p或n)区域横向分离。

然而，可用于硅光子应用的半导体的空穴迁移率比硅低一个数量级。这种较低的空穴迁移率导致更高的电阻，因此对于相同的掺杂密度导致更高的光损耗。这意味着MOSCAP装置的p侧限制了整体性能。如果提供n-i-n结，则由于界面处缺乏载流子积累和消耗，因此调制效率较低。

发明内容

在第一方面中，本发明的实施方案提供了一种基于金属氧化物半导体电容器MOSCAP的电光调制器，其包括：

输入波导；

调制区域，所述调制区域耦合到所述输入波导；以及

输出波导，所述输出波导耦合到所述调制区域；

其中所述调制区域包括n-i-p-n结，所述n-i-p-n结包括：

第一n掺杂区域，所述第一n掺杂区域通过本征区域与p掺杂区域间隔开；以及第二n掺杂区域，所述第二n掺杂区域通过所述p掺杂区域与所述本征区域间隔开并且在所述本征区域的与所述第一n掺杂区域相对的一侧上。

保留p区域产生高调制效率，并且第二n掺杂区域降低串联电阻。

MOSCAP调制器可以具有以下任选特征中的任一者或者在以下任选特征兼容的程度下具有以下任选特征的任何组合。

n掺杂区域可以掺杂有以下各项中的任一者：磷、砷、锑、铋和锂。p掺杂区域可以掺杂有以下各项中的任一者：硼、铝、镓和铟。

p掺杂区域可以比第一n掺杂区域或第二n掺杂区域中的任一者或两者薄。p掺杂区域的厚度可以等于本征区域的厚度。通过提供如此尺寸的p掺杂区域，提供了用于载流子调制的高场。较宽的n掺杂区域提供较低的访问电阻。

p掺杂区域可以小于200nm厚。p掺杂区域可以小于100nm厚。

本征区域可以由氧化物形成。

MOSCAP调制器还可以包括连接到第一n掺杂区域的第一电极和连接到第二n掺杂区域的第二电极。

本征区域可以以斜角延伸穿过调制区域。

n-i-p-n结可以是竖直结，其中第一n掺杂区域是最下层，并且第二n掺杂区域是最上层。

n-i-p-n结可以是水平结，其中第一n掺杂区域在调制器的第一横向侧上，并且第二n掺杂区域在调制器的第二横向侧上。

调制器可以具有在30GHz至40GHz范围内的工作带宽。

第一n掺杂区域、第二n掺杂区域和p掺杂区域可以由相同的半导体材料形成。

第一n掺杂区域可以由与第二n掺杂区域和p掺杂区域不同的半导体材料形成。

第一n掺杂区域、第二n掺杂区域和p掺杂区域中的至少一者可以由III-V半导体形成。III-V半导体可以是磷化铟。

在第二方面中，本发明的实施方案提供了一种用于制造MOSCAP调制器的方法，所述方法包括在衬底上：

生长第一半导体区域并对其掺杂n型掺杂剂以形成第一n掺杂区域；

在所述第一n掺杂区域的第一表面上生长绝缘体；

在所述绝缘体的第二表面上生长第二半导体区域，所述第一表面与所述第二相对；

对所述第二半导体区域的第一部分掺杂p型掺杂剂以邻近所述绝缘体形成p掺杂区域；以及

对所述第二半导体区域的第二部分掺杂n型掺杂剂以邻近所述p掺杂区域形成n掺杂区域。

所述方法可以具有第一方面的任选特征中的任一者或任何组合，只要它们兼容即可。

在第三方面中，本发明的实施方案提供了一种根据第二方面制造的MOSCAP调制器。

附图说明

现在通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施方案，在附图中：

图1示出了包括竖直n-i-p-n结的MOSCAP调制器；

图2示出了包括水平n-i-p-n结的MOSCAP调制器；

图3示出了包括倾斜n-i-p-n结的MOSCAP调制器；

图4是示出n-i-p结与n-i-p-n结之间的带宽差异的曲线图；

图5A和图5B分别是n-i-p结和n-i-p-n结的能带结构的曲线图；以及

图6A和图6B分别是n-i-p结和n-i-p-n结的电荷积聚的曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图讨论本发明的各方面和实施方案。对于本领域技术人员来说，其他方面和实施方案将是显而易见的。

图1示出了包括竖直n-i-p-n结的MOSCAP调制器100。该结包括第一n掺杂区域101，在该示例中是水平延伸的半导体层(即，与未示出的衬底成直线)。第一n掺杂区域101通过绝缘体103和p掺杂区域104与第二n掺杂区域102竖直间隔开。绝缘体是氧化物，例如二氧化硅，并且n掺杂区域和p掺杂区域可以由硅或硅锗形成。

根据图1的调制器通常被制作在晶片上。第一半导体层将被掺杂，然后被蚀刻以提供第一n掺杂区域101。包层或绝缘体材料将生长到n掺杂区域101的右侧，即，在提供第二n掺杂区域102的区域下方。接下来，将在第一n掺杂区域和包层或绝缘体材料两者的顶部形成氧化物层，并且回蚀左侧和侧面以限定绝缘体103。将生长或沉积另一半导体层，然后对其掺杂n型掺杂剂和p型掺杂剂。p掺杂区域可以例如通过掺杂剂的深度注入来形成。另一半导体层将被回蚀以限定第二n掺杂区域104和p掺杂区域103。

图2示出了包括水平n-i-p-n结的MOSCAP调制器。该结包括第一n掺杂区域202，在该示例中是水平延伸而且还具有竖直延伸区段(远离衬底延伸)的半导体层。第一n掺杂区域202通过绝缘体203和p掺杂区域204与第二n掺杂区域202水平间隔开。同样，绝缘体是氧化物，例如二氧化硅，并且p掺杂区域和n掺杂区域可以由硅或硅锗形成。在图2的变体(未示出)中，第一n掺杂区域、第二n掺杂区域、p掺杂区域和绝缘体全都具有相同高度(即，竖直延伸)。

根据图2的调制器通常也将制作在晶片上，第一半导体层将被蚀除以提供第一n掺杂区域201的几何形状，然后将被掺杂以提供第一n掺杂区域201。接下来，经由氧化、沉积或其他方法，将提供绝缘层203。随后，另一导体将被沉积并且任选地被蚀刻以提供p掺杂区域204和第二n掺杂区域202的几何形状。然后沉积p掺杂剂和n掺杂剂以提供p掺杂区域204和第二n掺杂区域202。

图3示出了包括倾斜n-i-p-n结的MOSCAP调制器。该结包括第一n掺杂301区域，在该示例中是水平延伸而且还具有竖直延伸区段(远离衬底延伸)的半导体层。第一n掺杂区域301通过绝缘体303和p掺杂区域304与第二n掺杂区域302水平且竖直间隔开。绝缘体303与p掺杂区域304之间的界面是倾斜的，其中它沿竖直和水平两个方向延伸。类似地，绝缘体303与第一n掺杂区域301之间的界面也是倾斜的。在该示例中，p掺杂区域304与第二n掺杂区域302之间的界面不是倾斜的，其中它完全沿竖直方向延伸。然而，p掺杂区域304与第二n掺杂区域之间的界面可以是倾斜的，并且可以与绝缘体303与第一n掺杂区域301之间的界面具有相同角度。

根据图3的调制器可以使用与关于图2讨论的方法类似的方法制成。然而，在这种情况下，将使用选择性蚀刻来产生第一n掺杂区域301与绝缘体303之间的倾斜界面。此类选择性蚀刻可以使用一些蚀刻技术具有它们沿其蚀刻的优选晶面的属性。在该选择性蚀刻之后，绝缘体303、p掺杂区域304和第二n掺杂区域302可以如上文所讨论的那样产生。在p掺杂区域304与第二n掺杂区域302之间的界面是倾斜的示例中，可以以90°以外的角度注入p型掺杂剂以产生该倾斜界面。

图1至图3所示的调制器存在于波导中。在一些示例中，波导是脊形波导，其中光学模式主要被限制在波导的上脊形部分(而不是波导的下板状部分)中。在其他示例中，波导是肋形波导，其中局部模式主要被限制在板状部分中并且由上肋状部分引导。

在图1至图3所示的调制器中，第一n掺杂区域和第二n掺杂区域以及p掺杂区域可以由相同的半导体材料(例如，硅、硅锗、III-V半导体、磷化铟等)形成。替代地，第一n掺杂区域和第二n掺杂区域可以由不同的半导体材料形成。例如，第一n掺杂区域可以由硅或硅锗形成，并且第二n掺杂区域可以由磷化铟或另一种III-V半导体形成。p掺杂区域通常由与第二n掺杂区域相同的半导体材料形成，但是也可以由不同的半导体材料形成。

图4是示出n-i-p结与n-i-p-n结之间的带宽差异的曲线图。可以看出，对于相同厚度的氧化物厚度(以及因此电容)，从n-i-p结移动到n-i-p-n结产生50％的带宽增加。

图5A和图5B分别是n-i-p结和n-i-p-n结的能带结构的曲线图。曲线图是能量(y轴，例如电子伏特)对调制器中的位置(z，以微米测量)的曲线图。线表示不同带：Ec-导带，Ev-价带；Ei-本征费米能级；Efn-电子费米能级；以及Efp-空穴费米能级。

值得注意的是，0微米附近(即，在结中)的斜率梯度确定调制器的电场强度，所述电场强度影响效率。如已知的，该电场由n掺杂区域和p掺杂区域的并置产生。可以看出，用于n-i-p结的结处的电场强度与用于n-i-p-n结的电场强度相似，两者都表现出类似的能量变化。

有利地，然后提供第二n掺杂区域提供了比n-i-p结更好的传导性以及因此更快的响应时间，同时还维持类似水平的场强以及因此效率。

图6A和图6B分别是n-i-p结和n-i-p-n结的电荷积聚的曲线图。曲线图的y轴示出了电荷载流子数，并且x轴示出了调制器中的位置(0位于结处)。可以看出，尽管增加了另一n掺杂区域，但是与n-i-p结相比，在n-i-p-n结的界面处存在类似数量的电荷载流子。

虽然已经结合上面描述的示例性实施方案描述了本发明，但是当给出本公开内容时，许多等效修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，上文阐述的本发明的示例性实施方案被认为是说明性的而不是限制性的。在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对所述实施方案作出各种改变。

Claims (16)

1.一种基于金属氧化物半导体电容器MOSCAP的电光调制器，其包括：

输入波导；

调制区域，所述调制区域耦合到所述输入波导；以及

输出波导，所述输出波导耦合到所述调制区域；

其中所述调制区域包括n-i-p-n结，所述n-i-p-n结包括：

第一n掺杂区域，所述第一n掺杂区域通过本征区域与p掺杂区域间隔开；以及第二n掺杂区域，所述第二n掺杂区域通过所述p掺杂区域与所述本征区域间隔开并且在所述本征区域的与所述第一n掺杂区域相对的一侧上。

2.根据权利要求1所述的MOSCAP调制器，其中所述p掺杂区域比所述第一n掺杂区域或所述第二n掺杂区域中的任一者或两者薄。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的MOSCAP调制器，其中所述p掺杂区域的厚度等于所述本征区域的厚度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述p掺杂区域的厚度小于200nm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述p掺杂区域的厚度小于100nm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述本征区域由氧化物形成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的MOSCAP调制器，其还包括连接到所述第一n掺杂区域的第一电极和连接到所述第二n掺杂区域的第二电极。

8.根据前述权利要求中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述本征区域以斜角延伸穿过所述调制区域。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述n-i-p-n结是竖直结，使得所述第一n掺杂区域是最下层，并且所述第二n掺杂区域是最上层。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述n-i-p-n结是水平结，其中所述第一n掺杂区域在所述调制器的第一横向侧上，并且所述第二n掺杂区域在所述调制器的第二横向侧上。

11.根据前述权利要求中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述调制器具有在30GHz至40GHz范围内的工作带宽。

12.根据前述权利要求中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述第一n掺杂区域、所述第二n掺杂区域和所述p掺杂区域由相同的半导体材料形成。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述第一n掺杂区域由与所述第二n掺杂区域和所述p掺杂区域不同的半导体材料形成。

14.根据前述权利要求中任一项所述的MOSCAP调制器，其中所述第一n掺杂区域、所述第二n掺杂区域和所述p掺杂区域中的至少一者由III-V半导体形成。

15.根据权利要求14所述的MOSCAP调制器，其中所述III-V半导体是磷化铟。

16.一种用于制造MOSCAP调制器的方法，所述方法包括在衬底上：

生长第一半导体区域并对其掺杂n型掺杂剂以形成第一n掺杂区域；

在所述第一n掺杂区域的第一表面上生长绝缘体；

在所述绝缘体的第二表面上生长第二半导体区域，所述第一表面与所述第二表面相对；

对所述第二半导体区域的第一部分掺杂p型掺杂剂以邻近所述绝缘体形成p掺杂区域；以及

对所述第二半导体区域的第二部分掺杂n型掺杂剂以邻近所述p掺杂区域形成n掺杂区域。

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