CN205318051U - 硅基电光调制器倾斜pn结掺杂结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种硅基电光调制器掺杂结构，该掺杂结构包括：硅基电光调制器调制区波导，所述波导沿第一方向依次包括第一重掺杂区、第二轻掺杂区、第三轻掺杂区以及第四重掺杂区；所述第二轻掺杂区与所述第三轻掺杂区形成至少一个纵向倾斜PN结和至少一个横向倾斜PN结，所述纵向垂直于所述横向；所述纵向与所述第一方向之间呈第一夹角，所述第一夹角大于0°且小于90°。本实用新型可在提高硅基电光调制器的调制效率的同时降低调制能耗，并可使波导核心区的每一个掺杂区均可直接通过侧向波导实现电学连接，保证系统高速调制性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构。
背景技术
随着通信互联提速降费的发展趋势，大量通信和互连设备更新换代，硅基收发机系统已经开始商用，但系统能耗高，对通信、互连的基础设施的压力急剧增大。调制器是光通信、光互连系统中收发机的重要组件，它的能耗仅次于激光器，但调制器自身插损也增加了功耗预算，所以是目前降低能耗的努力中的重要攻关对象。
调制效率和调制能耗都是通信系统中重要的性能指标，调制效率在器件尺寸和驱动电压方面直接发挥作用，而调制能耗则是消耗电能的量度。下一代收发机希望在调制能耗和调制效率两方面都能实现性能大幅提升，而经特殊设计的插指结则是较有前景的技术方案，但却反映出调制效率、调制能耗不可兼得的困难。故而同时实现高调制效率、低调制能耗的调制器是开拓下一代收发机技术的迫切需要。此外，现有的插指结技术方案中，多采用垂直的PN结掺杂结构，例如插指结的延伸方向垂直于波导核心区(如脊型波导中高于平板区的凸条区、侧壁光栅波导中高于光栅区的凸条区)的延伸方向，或者PN结的掺杂平面垂直于侧向波导(如脊型波导的平板区、侧壁光栅波导的光栅区)所在平面，一定程度上限制了PN结的结面区域，进而导致调制能耗较大。
综上，如何改进传统硅基电光调制器的掺杂结构，以保证调制效率、调制能耗性能均有所提升，成为了目前亟待解决的技术问题之一。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构，该掺杂结构包括：
硅基电光调制器调制区波导，所述波导沿第一方向依次包括第一重掺杂区、第二轻掺杂区、第三轻掺杂区以及第四重掺杂区；
所述第二轻掺杂区与所述第三轻掺杂区形成至少一个纵向倾斜PN结和至少一个横向倾斜PN结，所述纵向垂直于所述横向；所述纵向与所述第一方向之间呈第一夹角，所述第一夹角大于0°且小于90°；
其中，所述第一重掺杂区的掺杂类型与所述第二轻掺杂区的掺杂类型相同；所述第一重掺杂区的掺杂类型与所述第四重掺杂区的掺杂类型相反；所述第三轻掺杂区的掺杂类型与所述第四重掺杂区的掺杂类型相同。
优选地，所述纵向倾斜PN结的掺杂平面和/或所述横向倾斜PN结的掺杂平面与第一平面之间呈第二夹角，所述第二夹角大于0°且小于90°；
其中，所述第一平面为所述波导中光的传播方向与所述第一方向确定的平面。
优选地，所述第二轻掺杂区通过所述第一重掺杂区进行电学连接；
所述第三轻掺杂区通过所述第四重掺杂区进行电学连接。
优选地，所述波导为脊型波导，所述第一重掺杂区和第四重掺杂区分别形成于所述凸条区的两侧的平板区或凸条区上，所述第二轻掺杂区和第三轻掺杂区形成于所述凸条区和所述平板区上。
优选地，所述波导为侧壁光栅波导，所述第一重掺杂区和第四重掺杂区分别形成于所述凸条区的两侧的光栅区上，所述第二轻掺杂区和第三轻掺杂区形成于所述凸条区和所述光栅区上。
优选地，所述第一重掺杂区、第二轻掺杂区、第三轻掺杂区以及第四重掺杂区中每一区域的掺杂形状是任一内角不小于70°的多边形。
优选地，所述第二轻掺杂区与所述第三轻掺杂区形成插指结结构。
优选地，所述第一重掺杂区和所述第四重掺杂区分别接驱动电路。
优选地，所述波导的形状沿着光传播的方向为弯曲的或非弯曲的。
优选地，所述波导的核心材料为半导体材料；所述波导的包层材料为非良导体材料。
本实用新型的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构，可以在提高硅基电光调制器的调制效率的同时降低调制能耗，克服了传统硅基电光调制器的调制效率与调制功耗不可兼得的困难，并可使波导核心区的每一个掺杂区均可直接通过侧向波导实现电学连接，保证系统高速调制性能。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1-a示出了本实用新型一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的俯视图；
图1-b示出了本实用新型一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的横截面示意图；
图2示出了本实用新型另一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的横截面示意图；
图3示出了本实用新型另一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的横截面示意图；
图4示出了传统插指结结构的硅基电光调制器掺杂结构示意图；
图5-a至图5-b示出了本实用新型一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的优化数据示意图；
图6-a至图6-b示出了本实用新型一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的性能示意图；
图7-a至图7-c示出了本实用新型另一个实施例的三种硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的波导核心区示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1-a、图1-b分别示出了本实用新型一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的俯视图和横截面示意图；如图1-a、图1-b所示，该掺杂结构包括：
硅基电光调制器调制区波导100，所述波导100沿第一方向依次包括第一重掺杂区110、第二轻掺杂区120、第二轻掺杂区130以及第四重掺杂区140；
所述第二轻掺杂区120与所述第二轻掺杂区130形成至少纵向倾斜PN结和至少一个横向倾斜PN结，所述纵向垂直于所述横向；所述纵向与所述第一方向之间呈第一夹角，所述第一夹角为大于0°且小于90°的锐角；
其中，所述第一重掺杂区110的掺杂类型与所述第二轻掺杂区120的掺杂类型相同；所述第一重掺杂区110的掺杂类型与所述第四重掺杂区140的掺杂类型相反；所述第二轻掺杂区130的掺杂类型与所述第四重掺杂区140的掺杂类型相同。具体地，可以将所述第一重掺杂区110、第二轻掺杂区120、第三轻掺杂区130以及第四重掺杂区140分别设置为N++、N、P、P++区；或者，可以将所述第一重掺杂区110、第二轻掺杂区120、第三轻掺杂区130以及第四重掺杂区140分别设置P++、P、N、N++区(图中未示出)。
本实施例的硅基电光调制器的掺杂结构，可以在提高硅基电光调制器的调制效率的同时降低调制能耗，克服了传统硅基电光调制器的调制效率与调制功耗不可兼得的困难，并可使波导核心区的每一个掺杂区均可直接通过侧向波导实现电学连接，保证系统高速调制性能。
可选地，所述第二轻掺杂区120通过所述第一重掺杂区110进行电学连接；所述第二轻掺杂区130通过所述第四重掺杂区140进行电学连接；第一重掺杂区110和第四重掺杂区140分别接驱动电路。
作为本实施例的优选，所述波导可以选为脊型波导或侧壁光栅波导：
若所述波导为脊型波导，则所述第一重掺杂区110和第四重掺杂区140分别形成于所述凸条区的两侧的平板区或凸条区(参见图2)上，所述第二轻掺杂区120和第三轻掺杂区130形成于所述凸条区和所述平板区上；
若所述波导为侧壁光栅波导，则所述第一重掺杂区110和第四重掺杂区140分别形成于所述凸条区的两侧的光栅区上，所述第二轻掺杂区120和第三轻掺杂区130形成于所述凸条区和所述光栅区上。
上述实施例中的波导形貌均采用能够实现电学连接的光波导，除脊型波导和侧壁光栅波导之外，还可以采用在波导周边利用导电的包层材料实现电学连接的波导结构(此处的导电的包层材料是指在包层的部分区域用导电材料，其他部分仍然用非良导体材料)。
特别地，如图1-a所示的俯视图的上下方向以及如图1-b所示的横截面图的垂直纸面方向为光的传播方向。
两侧的第一重掺杂区域110和第四重掺杂区140分别与第二轻掺杂区120和第三轻掺杂区130相连接，实现低连接电阻的电学连接。轻掺杂的形状特点是插指之间形成横向耗尽区，插指的端面形成纵向耗尽区，二者同时存在。
图3示出了本实用新型另一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的横截面示意图；如图3所示，所述纵向倾斜PN结的掺杂平面可与第一平面之间呈第二夹角，所述第二夹角为大于0°且小于90°的锐角；其中，所述第一平面为所述波导中光的传播方向与所述第一方向确定的平面；
和/或，所述横向倾斜PN结的掺杂平面可与第一平面之间呈第二夹角，所述第二夹角为大于0°且小于90°的锐角(图中未示出)。
如图1-a、图1-b所示，本实施例中的所述第二轻掺杂区120与所述第三轻掺杂区130形成的掺杂结构可以优选为插指结结构，该结构不仅具有传统的插指结结构(参见图4，其中I为本征区)的硅基电光调制器掺杂结构所具有的纵向PN结，而且在插指结的端面形成横向PN结。进一步地，上述实施例中提供了第二轻掺杂区、第三轻掺杂区之间形成PN结，实际上因为掺杂的工艺原因，P和N之前总会存在本征区(I区)，因此本实用新型的技术方案对此不进行限定，即也可覆盖轻掺杂P/N之间存在本征区的情况。
优选地，所述第一重掺杂区110、第二轻掺杂区120、第三轻掺杂区130以及第四重掺杂区140中每一区域的掺杂形状是任一内角不小于70°的多边形(优选为矩形)。采用这种形状的原因是掺杂工艺的设计规则限定最小掺杂尺寸和间距，锐角会违反设计规则，实际加工出来的图形会在锐角处被截断，仍然是多边形。
作为本实施例的优选，所述波导的形状沿着光传播的方向为弯曲的或非弯曲的。
在此基础上，所述波导的核心材料为半导体材料，例如为硅或锗，波导的包层材料为非良导体材料，例如为二氧化硅或氮化硅。
下面通过具体实验结果详细阐述本实施例的硅基电光调制器掺杂结构的性能。
如图1-b所示，本例所采用的波导的具体结构参数例如为：
W1＝450nm；W2＝700nm；h1＝220nm；h2＝90nm。
在此基础上，图5-a至图5-b示出了本实用新型一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的优化数据示意图。本实施例的掺杂结构设计的关键是要确定结构参数offset和倾斜角α(即第一夹角的余角，参见图1-a)的大小。如图5-a、图5-b所示，图中轮廓线(旁边标注数字的环状线)所对应数据的值越小，即能耗越低，VπLπ越低(调制效率越优)。图中加号"+"的位置是最优点，图5-a中两条标注210nm的曲线的含义是：在两条曲线包含范围以外的区域(上面曲线的上方和下面曲线的下方)，器件的结构参数不违反加工的设计规则。特别说明地是，加工的设计规则是根据加工设备决定的，所以此处只是一个示例，表明本实施例的优化过程考虑了加工设计规则的因素。
在此基础上，图6-a至6-b示出了本实用新型一个实施例的硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的性能示意图。如图6-a至图6-b所示，本实施例的掺杂结构设计的关键是要确定结构参数offset(参见图1-a)的大小，通过常规的仿真方法可以得到如图6-a至6-b所示的数据，依次展示了在固定其中一个结构参数时的模式有效折射率变化量(Δneff)、调制效率和全消光调制能耗的曲线图。其中，做图所用的最小掺杂尺寸为Lmin＝210nm(参见图1-a)。在本实施例中，调制能耗是以1mm长的调制臂，在0V和-1V之间进行推挽调制的全消光(0％-100％)调制能耗，调制效率是指一个调制臂在0V和-1V静态电压下，另一调制臂无电压时的π相移电压Vπ与此电压下所需的调制臂长Lπ的乘积(VπLπ)。实际设计中，调制能耗、调制效率的计算方法可以按照实际要求灵活变化，不局限于本实施例的计算方法。从图6-a至6-b中可以观察到，固定结构参数offset或固定倾斜角度α时，Δneff的性能均随另一结构参数而变，存在可实现的最优值。以下直接给出本实施例中对上述两个参数同时进行优化的结果：按最优能耗优化得到[α,offset,VπLπ(调制效率),E(调制能耗)]＝[25.3°,140nm,0.48V·cm,2.75pJ/bit]；按最优调制效率优化得到[α,offset,VπLπ,E]＝[30.3°,200nm,0.45V·cm,3.04pJ/bit]。在本实施例的条件下，传统侧向结的性能仅为[0.60V·cm,4.31pJ/bit]。本实施例与现有技术相比，所带来的积极效果是在调制效率和调制能耗两方面同时提升性能。
图7-a至图7-c示出了本实用新型另一个实施例的三种硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构的波导核心区示意图；如图7-a至图7-c所示，图中两条黑色线之间的部分是波导核心区(例如脊型波导中高于平板区的凸条区，或侧壁光栅波导中高于光栅区的凸条区，参见图1-a、图1-b中尺寸为W1的两条竖线部分)，波导两侧的电学连接结构未画出。图7-a、图7-b所示的两种结构分别是offset为零、非零的掺杂结构，它们与图1-a、图1-b的掺杂结构的区别在于沿光的传播方向不同，PN结的极性也进行了交替变化。图7-c的掺杂结构的特点是，在图1-a、图1-b的掺杂结构的基础上，令其左侧向上平移，右侧向下平移，即可增加P/N之间连接面的凸起或凹陷，使得光与耗尽区变化的重叠更加有效。
上述实施例的波导高度方向均优选为均匀的掺杂，但也可选为非均匀的掺杂，例如图1-b中波导的横截面图上，两侧区域各是上P下N和下P上N。
进一步地，上述实施例中提供了第二轻掺杂区、第三轻掺杂区之间形成PN结，实际上因为掺杂的工艺原因，P和N之前总会存在本征区(I区)，因此本实用新型的技术方案对此不进行限定，即也可覆盖轻掺杂P/N之间存在本征区的情况。
本实用新型的硅基电光调制器的掺杂结构，可以实现调制效率、调制能耗性能均有所提升，并可使波导核心区的每一个掺杂区均可直接通过侧向波导实现电学连接，保证系统高速调制性能。
需要说明的是，本实施例的掺杂结构沿波导光的传播方向是周期性结构，上述附图中仅画了两个周期的示例，实际设计中，可以按照需求灵活变化。
以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种硅基电光调制器倾斜PN结掺杂结构，其特征在于，包括：
硅基电光调制器调制区波导，所述波导沿第一方向依次包括第一重掺杂区、第二轻掺杂区、第三轻掺杂区以及第四重掺杂区；
所述第二轻掺杂区与所述第三轻掺杂区形成至少一个纵向倾斜PN结和至少一个横向倾斜PN结，所述纵向垂直于所述横向；所述纵向与所述第一方向之间呈第一夹角，所述第一夹角大于0°且小于90°；
其中，所述第一重掺杂区的掺杂类型与所述第二轻掺杂区的掺杂类型相同；所述第一重掺杂区的掺杂类型与所述第四重掺杂区的掺杂类型相反；所述第三轻掺杂区的掺杂类型与所述第四重掺杂区的掺杂类型相同。
2.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述纵向倾斜PN结的掺杂平面和/或所述横向倾斜PN结的掺杂平面与第一平面之间呈第二夹角，所述第二夹角大于0°且小于90°；
其中，所述第一平面为所述波导中光的传播方向与所述第一方向确定的平面。
3.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述第二轻掺杂区通过所述第一重掺杂区进行电学连接；
所述第三轻掺杂区通过所述第四重掺杂区进行电学连接。
4.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述波导为脊型波导，所述第一重掺杂区和第四重掺杂区分别形成于所述凸条区的两侧的平板区或凸条区上，所述第二轻掺杂区和第三轻掺杂区形成于所述凸条区和所述平板区上。
5.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述波导为侧壁光栅波导，所述第一重掺杂区和第四重掺杂区分别形成于所述凸条区的两侧的光栅区上，所述第二轻掺杂区和第三轻掺杂区形成于所述凸条区和所述光栅区上。
6.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述第一重掺杂区、第二轻掺杂区、第三轻掺杂区以及第四重掺杂区中每一区域的掺杂形状是任一内角不小于70°的多边形。
7.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述第二轻掺杂区与所述第三轻掺杂区形成插指结结构。
8.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述第一重掺杂区和所述第四重掺杂区分别接驱动电路。
9.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述波导的形状沿着光传播的方向为弯曲的或非弯曲的。
10.如权利要求1所述的掺杂结构，其特征在于，所述波导的核心材料为半导体材料；所述波导的包层材料为非良导体材料。
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Cited By (2)
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| WO2021258583A1 (zh) * | 2020-06-22 | 2021-12-30 | 浙江大学 | 硅基电光调制器掺杂结构 |
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Cited By (3)
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| CN105511120A (zh) * | 2016-01-20 | 2016-04-20 | 北京大学 | 硅基电光调制器倾斜pn结掺杂结构 |
| CN105511120B (zh) * | 2016-01-20 | 2018-09-14 | 北京大学 | 硅基电光调制器倾斜pn结掺杂结构 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20160615 Effective date of abandoning: 20180914 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |