CN117389071B - 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
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 (8)
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)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,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)的材料为氮化硅或氮氧化硅。
2.根据权利要求1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。
3.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。
4.根据权利要求3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。
5.根据权利要求4所述的PN结掺杂结构,其特征在于,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。
6.低损耗电光调制器,其特征在于,包括:
如权利要求1-5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。
7.根据权利要求6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。
8.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6所述的低损耗电光调制器,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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