CN117389071A - Pn结掺杂结构、低损耗电光调制器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电光调制器的技术领域，具体涉及一种PN结掺杂结构、低损耗电光调制器及其制备方法，低损耗电光调制器包括PN结掺杂结构，PN结掺杂结构包括脊波导、限制层，脊波导包括依次连接的第一N型掺杂区域、第二N型掺杂区域、第二P型掺杂区域、第一P型掺杂区域，其中，所述第一N型掺杂区域的掺杂浓度大于所述第二N型掺杂区域，所述第一P型掺杂区域的掺杂浓度大于第二P型掺杂区域，所述第二N型掺杂区域、所述第二P型掺杂区域间形成横向PN结；限制层覆设于横向PN结端面，其中，用于制作所述限制层的材料的折射率大于二氧化硅的折射率，小于硅的折射率。本申请具有低光学损耗的效果。

Description

PN结掺杂结构、低损耗电光调制器及其制备方法
技术领域
本申请涉及电光调制器的领域，尤其是涉及一种PN结掺杂结构、低损耗电光调制器及其制备方法。
背景技术
电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体、砷化稼晶体和钽酸锂晶体的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。目前商用的电光调制器一般有三种：基于铌酸锂的电光调制器、基于Ⅲ-Ⅴ族材料的电光调制器和硅基电光调制器。但是传统的铌酸锂调制器调制效率较低，器件结构很大；基于Ⅲ-Ⅴ族材料的电光调制器的制作成本很高。而硅基调制器则可以与目前已经成熟的CMOS工艺相兼容，可以大规模加工制备，降低器件的制备成本。
传统的硅基调制器利用等离子体色散效应以实现调制，在物理结构上则是采用脊波导实现对光波的限制，同时也能实现波导中心区域的PN结与外部电极的连接。传统的PN结往往是简单的横向或者纵向平面掺杂结构，为了提高硅基电光调制器的带宽，则需要降低PN结到外部电极之间的串联电阻，这一般是通过提高硅平板中的掺杂浓度来实现的。但是由于脊波导对光模场在横向上的限制较弱，会有大量的光场渗透到两侧的高掺杂区域，导致光学损耗增加。
为了降低光学损耗，目前较流行采用PN结交错排列的插指型电极结构，例如，相关文件中公开一种硅基耗尽型电光调制器，包括硅层、依次设于硅层上的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；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。
针对上述中的相关技术，存在工艺难度大的问题，因此找到一种在简化制备工艺情况下，具有低光学损耗的电光调制器至关重要。
发明内容
为了降低工艺难度的同时，降低光学损耗，本申请的目的是提供一种PN结掺杂结构、低损耗电光调制器及其制备方法。
第一方面，本申请提供的PN结掺杂结构采用如下的技术方案：
一种PN结掺杂结构，包括：
脊波导，其包括依次连接的第一N型掺杂区域、第二N型掺杂区域、第二P型掺杂区域、第一P型掺杂区域，其中，第一N型掺杂区域的掺杂浓度大于第二N型掺杂区域，第一P型掺杂区域的掺杂浓度大于第二P型掺杂区域，第二N型掺杂区域、第二P型掺杂区域间形成横向PN结；
限制层，其覆设于横向PN结端面，其中，用于制作限制层的材料的折射率大于二氧化硅的折射率，小于硅的折射率。
通过采用上述技术方案，在横向PN结上设置限制层，并限定制作限制层的材料的折射率大于二氧化硅的折射率，小于硅的折射率，提高对光模场的横向限制，降低光场渗透到两侧的高掺杂区域的概率，进而降低光学损耗。
可选的，用于制作限制层的材料的折射率在1.8到3之间。
通过采用上述技术方案，限定制作限制层的材料的折射率在1.8到3之间，进一步优化提高对光模场的横向限制，降低光学损耗。
可选的，用于制作限制层的材料为氮化硅或氮氧化硅。
通过采用上述技术方案，氮化硅或氮氧化硅具有较优的符合条件的折射率，提高光学损耗的降低效果，且氮化硅与目前已经成熟的CMOS工艺相兼容，氮氧化硅与目前部分CM0S工艺兼容，进一步降低对现有工艺的改进难度，可以大规模加工制备，降低器件的制备成本。
可选的，限制层的高度为100-500 nm。
通过采用上述技术方案，限定限制层高度，提高光学损耗的降低效果。
可选的，脊波导还包括：
第三N型掺杂区域，其位于第一N型掺杂区域和第二N型掺杂区域之间，且第三N型掺杂区域的掺杂浓度不小于第二N型掺杂区域，小于第一N型掺杂区域浓度。
通过采用上述技术方案，设定浓度依次增加的第二N型掺杂区域、第三N型掺杂区域、第一N型掺杂区域，配合形成N型轻掺杂、N型中等掺杂、N型重掺杂，降低横向PN结到外部电极之间的串联电阻，提高硅基电光调制器的带宽。
可选的，脊波导还包括：
第三P型掺杂区域，其位于第一P型掺杂区域和第二P型掺杂区域之间，且第三P型掺杂区域的掺杂浓度不小于第二P型掺杂区域，小于第一P型掺杂区域浓度。
通过采用上述技术方案，设定浓度依次增加的第二P型掺杂区域、第三P型掺杂区域、第一P型掺杂区域，配合形成P型轻掺杂、P型中等掺杂、P型重掺杂，降低横向PN结到外部电极之间的串联电阻，提高硅基电光调制器的带宽。
可选的，第二N型掺杂区域和第二P型掺杂区域的掺杂浓度范围为1017/cm3到1018/cm3之间；
第三N型掺杂区域和第三P型掺杂区域的掺杂浓度范围为1018/cm3到1019/cm3之间；
第一N型掺杂区域和第一P型掺杂区域的掺杂浓度范围为1020/cm3到1021/cm3之间。
通过采用上述技术方案，限定各掺杂区域浓度，提高硅基电光调制器的带宽，同时配合限制层对光模场的横向限制，降低光学损耗。
第二方面，本申请提供的低损耗电光调制器采用如下的技术方案：
一种低损耗电光调制器，包括：
PN结掺杂结构；
第一电极，其与第一N型掺杂区域形成欧姆接触；
第二电极，其与第一P型掺杂区域形成欧姆接触。
通过采用上述技术方案，PN结掺杂结构配合第一电极、第二电极提供一种低光学损耗的电光调制器。
可选的，低损耗电光调制器，还包括硅衬底、设于硅衬底上的二氧化硅包层，其中，PN结掺杂结构形成于二氧化硅包层内。
通过采用上述技术方案，硅衬底、二氧化硅包层配合PN结掺杂结构提供一种低光学损耗的电光调制器。
第三方面，本申请提供的低损耗电光调制器的制备方法采用如下的技术方案：
一种低损耗电光调制器的制备方法，包括以下步骤：
在硅层进行离子注入形成掺杂区域；
在掺杂区域上形成限制区域；
刻蚀限制区域和硅层，以图形化限制区域和硅层形成限制层和脊波导；
贯穿上包层形成第一电极和第二电极。
通过采用上述技术方案，限制层和脊波导同步刻蚀形成，不增加工艺步骤的同时，提供一种低光学损耗的电光调制器的制备方法。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
通过在横向PN结上设置限制层，并限定制作限制层的材料的折射率大于二氧化硅的折射率，小于硅的折射率，进一步配合各掺杂区域浓度设置，在满足提高带宽的基础上，提高对光模场的横向限制，降低光场渗透到两侧的高掺杂区域的概率，进而降低光学损耗。
附图说明
图1是本申请所述的低损耗电光调制器的结构示意图；
图2是本申请实施例1、对比例1制备的电光调制器的损耗对比图；
图3是本申请实施例1、对比例1制备的电光调制器的光模场分布对比图。
附图标记说明：1、硅衬底；2、二氧化硅包层；3、第一N型掺杂区域；4、第三N型掺杂区域；5、第二N型掺杂区域；6、第二P型掺杂区域；7、第三P型掺杂区域；8、第一P型掺杂区域；9、限制层；10、第一电极；11、第二电极。
具体实施方式
以下结合附图1-附图3，对本申请作进一步详细说明。
本申请公开一种低损耗电光调制器，参照图1，包括硅衬底1、设于硅衬底1上的二氧化硅包层2、形成于二氧化硅包层2内的PN结掺杂结构、第一电极10、第二电极11；
PN结掺杂结构包括脊波导和限制层9；
脊波导包括依次连接的第一N型掺杂区域3、第二N型掺杂区域5、第二P型掺杂区域6、第一P型掺杂区域8，其中，第一N型掺杂区域3的掺杂浓度大于第二N型掺杂区域5，第一P型掺杂区域8的掺杂浓度大于第二P型掺杂区域6，在本实施例中，第一N型掺杂区域3和第一P型掺杂区域8的掺杂浓度范围为1020/cm3到1021/cm3之间，第二N型掺杂区域5和第二P型掺杂区域6的掺杂浓度范围为1017/cm3到1018/cm3之间；第二N型掺杂区域5、第二P型掺杂区域6间形成横向PN结；
进一步为了降低横向PN结到外部电极之间的串联电阻，提高电光调制器的带宽，导致更好的调制效率，在另一种技术方案中，脊波导还包括第三N型掺杂区域4和第三P型掺杂区域7，第三N型掺杂区域4位于第一N型掺杂区域3和第二N型掺杂区域5之间，且第三N型掺杂区域4的掺杂浓度不小于第二N型掺杂区域5，小于第一N型掺杂区域3浓度；第三P型掺杂区域7位于第一P型掺杂区域8和第二P型掺杂区域6之间，且第三P型掺杂区域7的掺杂浓度不小于第二P型掺杂区域6，小于第一P型掺杂区域8浓度，示例性的，第三N型掺杂区域4和第三P型掺杂区域7的掺杂浓度范围为1018/cm3到1019/cm3之间；
限制层9覆设于横向PN结端面，其中，用于制作限制层9的材料的折射率大于二氧化硅的折射率，小于硅的折射率，进一步，用于制作限制层9的材料的折射率在1.8到3之间，在一具体的技术方案中，用于制作限制层9的材料可为氮化硅或氮氧化硅。进一步，当限制层的材料为氮化硅时，限制层9的高度可设定为100-500 nm，限制层高度的设置可通过多次调控获得，综合考虑波导对光模场的横向限制提高的同时，降低对制备的电光调制器的调制效率的影响，达到基本忽略的状态，具体的基本忽略的状态可指对调制效率的影响小于1%。
第一电极10与第一N型掺杂区域3形成欧姆接触；
第二电极11与第一P型掺杂区域8形成欧姆接触。
本申请的实施原理为：通过将第二电极11接地，以使脊波导的第二P型掺杂区域6与地同电势，将第一电极10接电，以使脊波导的第二N型掺杂区域5呈现高电压，在有电和没电的状态下，导致中心区域的折射率变化，实现相位和强度的调制。
低损耗电光调制器的制备过程包括以下步骤：
提供硅衬底1，并于硅衬底1上形成二氧化硅底层；
在二氧化硅底层上形成硅层，并进行离子注入以形成掺杂区域；
在掺杂区域上形成限制区域；
在限制区域上设置保护层，而后通过光刻工艺刻蚀限制区域和硅层，以图形化限制区域和硅层形成限制层9和脊波导，其中，当限制区域材质为氮化硅时，保护层为二氧化硅，通过保护层的设置，配合试下限制层和脊波导的同步刻蚀获得，在保证刻蚀效果的同时，不增加工艺步骤；
沉积二氧化硅，以覆盖硅层，从而形成上包层，其中，二氧化硅底层配合上包层形成二氧化硅包层2；
形成贯穿上包层的电极，电极包括第一电极10和第二电极11，形成电极的方法可以为电镀法。
实施例1：
本申请实施例1公开一种低损耗电光调制器，参照图1，低损耗电光调制器包括：硅衬底1、二氧化硅包层2、PN结掺杂结构、第一电极10、第二电极11；
其中，PN结掺杂结构包括脊波导和限制层9；
脊波导包括依次连接的第一N型掺杂区域3、第三N型掺杂区域4、第二N型掺杂区域5、第二P型掺杂区域6、第三P型掺杂区域7、第一P型掺杂区域8，其中，第一N型掺杂区域3和第一P型掺杂区域8的掺杂浓度范围为5×1020/cm3；第二N型掺杂区域5和第二P型掺杂区域6的掺杂浓度范围为5×1017/cm3；第三N型掺杂区域4和第三P型掺杂的掺杂浓度范围为5×1018/cm3；
限制层9为氮化硅，其覆设于横向PN结端面，限制层9的高度可设定为400 nm。
第一电极10与第一N型掺杂区域3形成欧姆接触；
第二电极11与第一P型掺杂区域8形成欧姆接触。
实施例2：
本申请实施例2公开一种低损耗电光调制器，本实施例与实施例1的不同之处在于，限制层9为氮氧化硅，其覆设于横向PN结端面，限制层9的高度可设定为350 nm。
对比例1：
本申请对比例1公开一种低损耗电光调制器。本实施例与实施例3的不同之处在于，不包括限制层9。
测试数据
1、取实施例1制备的电光调制器(w/SiN)、对比例1制备的电光调制器（w/oSiN）进行的散射损耗、调制效率和模场分布测试，具体的：
散射损耗的数据结果如图2所示，图2横坐标为波导宽度，宽度的取值范围在350-450 nm之间，纵坐标为散射损耗；从图2可知，w/SiN、w/oSiN两者的共同点是散射损耗随波导尺寸的增大降低，其中，实施例1制备的电光调制器(w/SiN)的散射损耗比对比例1制备的电光调制器（w/oSiN）的散射损耗有明显的降低，即本申请限制层9的设置，有效提高波导对光模场的横向限制，降低光模场渗透到两侧的中等掺杂和高掺杂区域概率，降低光波损耗。
调制效率的测定显示实施例1制备的电光调制器(w/SiN)、对比例1制备的电光调制器（w/oSiN）两者的调制效率基本一致，即本申请限制层9的设置，对电光调制器的调制效率的影响可以忽略不计，即在不产生有效影响的情况下，实现光波损耗的降低。
模场分布测试的结果如图3所示，分别给出了实施例1制备的电光调制器(w/SiN)、对比例1制备的电光调制器（w/oSiN）的光模场分布，根据图3可知，实施例1制备的电光调制器(w/SiN)对光模场的横向限制更好，即，实施例1制备的电光调制器(w/SiN)相比于对比例1制备的电光调制器（w/oSiN）增强了对光模场的限制。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.PN结掺杂结构，其特征在于，包括：
脊波导，其包括依次连接的第一N型掺杂区域(3)、第二N型掺杂区域(5)、第二P型掺杂区域(6)、第一P型掺杂区域(8)，其中，所述第一N型掺杂区域(3)的掺杂浓度大于所述第二N型掺杂区域(5)，所述第一P型掺杂区域(8)的掺杂浓度大于第二P型掺杂区域(6)，所述第二N型掺杂区域(5)、所述第二P型掺杂区域(6)间形成横向PN结；
限制层(9)，其覆设于横向PN结端面，其中，用于制作所述限制层(9)的材料的折射率大于二氧化硅的折射率，小于硅的折射率。
2.根据权利要求1所述的PN结掺杂结构，其特征在于，用于制作所述限制层(9)的材料的折射率在1.8到3之间。
3.根据权利要求2所述的PN结掺杂结构，其特征在于，用于制作所述限制层(9)的材料为氮化硅或氮氧化硅。
4.根据权利要求3所述的PN结掺杂结构，其特征在于，所述限制层(9)的高度为100-500nm。
5.根据权利要求1所述的PN结掺杂结构，其特征在于，所述脊波导还包括：
第三N型掺杂区域(4)，其位于所述第一N型掺杂区域(3)和所述第二N型掺杂区域(5)之间，且所述第三N型掺杂区域(4)的掺杂浓度不小于所述第二N型掺杂区域(5)，小于第一N型掺杂区域(3)浓度。
6.根据权利要求5所述的PN结掺杂结构，其特征在于，所述脊波导还包括：
第三P型掺杂区域(7)，其位于所述第一P型掺杂区域(8)和所述第二P型掺杂区域(6)之间，且所述第三P型掺杂区域(7)的掺杂浓度不小于所述第二P型掺杂区域(6)，小于第一P型掺杂区域(8)浓度。
7.根据权利要求6所述的PN结掺杂结构，其特征在于，所述第二N型掺杂区域(5)和所述第二P型掺杂区域(6)的掺杂浓度范围为1017/cm3到1018/cm3之间；
所述第三N型掺杂区域(4)和所述第三P型掺杂区域(7)的掺杂浓度范围为1018/cm3到1019/cm3之间；
所述第一N型掺杂区域(3)和所述第一P型掺杂区域(8)的掺杂浓度范围为1020/cm3到1021/cm3之间。
8.低损耗电光调制器，其特征在于，包括：
如权利要求1-7任一项所述PN结掺杂结构；
第一电极(10)，其与第一N型掺杂区域(3)形成欧姆接触；
第二电极(11)，其与第一P型掺杂区域(8)形成欧姆接触。
9.根据权利要求8所述的低损耗电光调制器，其特征在于，还包括硅衬底(1)、设于硅衬底(1)上的二氧化硅包层(2)，其中，所述PN结掺杂结构形成于所述二氧化硅包层(2)内。
10.低损耗电光调制器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求8所述的低损耗电管调制器，包括以下步骤：
在硅层进行离子注入形成掺杂区域；
在掺杂区域上形成限制区域；
刻蚀所述限制区域和所述硅层，以图形化所述限制区域和硅层形成限制层(9)和脊波导；
贯穿上包层形成第一电极(10)和第二电极(11)。
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