CN214586291U

CN214586291U - 光波导掺杂结构及硅基电光调制器

Info

Publication number: CN214586291U
Application number: CN202121168608.7U
Authority: CN
Inventors: 宋若谷; 蔡艳; 余明斌
Original assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Current assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2031-05-27

Abstract

本实用新型提供一种硅基电光调制器的光波导掺杂结构，包括：光波导脊及位于光波导脊两侧的第一导电类型平板区及第二导电类型平板区，光波导脊包括与第一导电类型平板区相连的第一导电类型掺杂区及与第二导电类型平板区相连的第二导电类型掺杂区，第一导电类型掺杂区及第二导电类型掺杂区的界面形成PN结，第一导电类型掺杂区为呈多个自第一导电类型平板区朝第二导电类型平板区凸起的掺杂结构，多个掺杂结构呈周期分布。本实用新型利用新型的光波导掺杂方式，可以提高PN结长度，增大光场与PN结接触面积，使得在一定波导长度下，PN结总长度明显增加，可以有效提高调制器的调制效率，从而缩短调制器尺寸，在硅光集成领域存在诸多潜在的应用。

Description

光波导掺杂结构及硅基电光调制器

技术领域

本实用新型属于硅光集成领域及光通讯领域，特别是涉及一种光波导掺杂结构、其制作方法及相应硅基电光调制器。

背景技术

硅基电光调制器目前常见的是基于载流子色散效应来实现调制功能，其根据光学结构主要可以分为马赫曾德尔干涉型调制器(Mach-Zehnder Interference，MZI)和微环谐振腔型(Micro Ring Resonant,MRR)调制器。MZI型调制器工作原理是当一束光耦合到入射波导中时，通过光分束器将入射光分成两部分，分别进入上下两个调制臂中传输一段距离后，通过光合束器输出，上下两个臂的光场进行叠加。当改变其中一个臂的折射率或者长度时，两臂之间的相位差随之发生变化，经两臂之间相干叠加，输出光场发生变化；而MRR型调制器工作原理为，通过不同的电学结构改变波导的折射率从而可以实现光谱的变化。MRR型调制器虽然具有调制速率高以及尺寸小的优势，但该类型的调制器需要在能量效率和光学带宽之间进行折衷选择，且受工艺误差和环境因素影响较大。而MZI就具有良好的工艺容差与稳定性，因此市场主流的是MZI型电光调制器。但该类型调制器尺寸较大，因此降低MZI型调制器尺寸，提高调制效率是该类调制器发展重点之一。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种硅基电光调制器的光波导掺杂结构、其制作方法及相应硅基电光调制器，用于解决现有技术中电光调制器的尺寸较大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种硅基电光调制器的光波导掺杂结构，所述光波导掺杂结构包括：光波导脊及位于所述光波导脊两侧的第一导电类型平板区及第二导电类型平板区，所述光波导脊包括与所述第一导电类型平板区相连的第一导电类型掺杂区及与所述第二导电类型平板区相连的第二导电类型掺杂区，所述第一导电类型掺杂区及第二导电类型掺杂区的界面形成PN结，所述第一导电类型掺杂区为呈多个自所述第一导电类型平板区朝所述第二导电类型平板区凸起的掺杂结构，多个所述掺杂结构呈周期分布。

可选地，所述掺杂结构为半圆形掺杂结构。

可选地，所述半圆形掺杂结构的半径与所述光波导脊的宽度相等。

可选地，相邻两所述半圆形掺杂结构被所述第二导电类型掺杂区间隔，以使所述光波导掺杂结构形成叉指结构。

可选地，所述第一导电类型平板区的掺杂浓度大于或等于所述第一导电类型掺杂区的掺杂浓度，所述第二导电类型平板区的掺杂浓度大于或等于所述第二导电类型平板区的掺杂浓度。

可选地，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

可选地，所述光波导脊、第一导电类型平板区及第二导电类型平板区形成于SOI衬底的顶层硅中。

可选地，还包括一二氧化硅上包层，所述二氧化硅上包层覆盖于所述所述光波导脊、第一导电类型平板区及第二导电类型平板区上。

本实用新型还提供一种硅基电光调制器的光波导掺杂结构的制作方法，所述制作方法包括步骤：1)提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括依次层叠的硅衬底、绝缘层及顶层硅；2)通过光刻工艺及刻蚀工艺于所述顶层硅中形成光波导脊及位于所述光波导脊两侧的平板区；3)通过第一图形掩膜对部分所述光波导脊与其中一侧的平板区进行第一导电离子注入，通过第二图形掩膜对另一部分的所述光波导脊与另一侧的平板区进行第二导电离子注入，并进行退火激活，以于所述光波导脊两侧分别形成第一导电类型平板区及第二导电类型平板区，且所述光波导脊包括与所述第一导电类型平板区相连的第一导电类型掺杂区及与所述第二导电类型平板区相连的第二导电类型掺杂区，所述第一导电类型掺杂区及第二导电类型掺杂区的界面形成PN结，所述第一导电类型掺杂区呈多个自所述第一导电类型平板区朝所述第二导电类型平板区凸起的掺杂结构，多个所述掺杂结构呈周期分布；4)于所述光波导脊、第一导电类型平板区及第二导电类型平板区之上形成二氧化硅上包层。

本实用新型还提供一种硅基电光调制器，所述硅基电光调制器包括：硅衬底；绝缘层，位于所述硅衬底上；如上所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，位于所述绝缘层上；二氧化硅上包层，覆盖于所述所述光波导脊、第一导电类型平板区及第二导电类型平板区上；第一电极及第二电极，所述第一电极位于所述二氧化硅上包层上，且贯穿所述二氧化硅上包层与所述第一导电类型平板区连接；所述第二电极位于所述二氧化硅上包层上，且贯穿所述二氧化硅上包层与所述第二导电类型平板区连接；通过调节所述第一电极与第二电极施加的电压以调节所述光波导脊中的光波的相位。

如上所述，本实用新型的硅基电光调制器的光波导掺杂结构、其制作方法及相应硅基电光调制器，具有以下有益效果：

本实用新型利用新型的光波导掺杂方式，可以提高PN结长度，增大光场与PN结接触面积，使得在一定波导长度下，PN结总长度明显增加，可以有效提高调制器的调制效率，从而缩短调制器尺寸，在硅光集成领域存在诸多潜在的应用。

附图说明

图1～图3显示为本实用新型的硅基电光调制器的光波导掺杂结构的结构示意图，其中，图2显示为图1中A-A’处的截面结构示意图，图3显示为图1中B-B’处的截面结构示意图。

图4～图5显示为本实用新型的硅基电光调制器的结构示意图。

元件标号说明

101 光波导脊

102 第二导电类型平板区

103 第一导电类型平板区

104 半圆形掺杂结构

105 第二导电类型掺杂区

201 硅衬底

202 绝缘层

203 第二电极

204 第一电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图3所示，其中，图2显示为图1中A-A’处的截面结构示意图，图3显示为图1中B-B’处的截面结构示意图，本实施例提供一种硅基电光调制器的光波导掺杂结构，所述光波导掺杂结构包括：光波导脊101及位于所述光波导脊101两侧的第一导电类型平板区103及第二导电类型平板区102，所述光波导脊101包括与所述第一导电类型平板区103相连的第一导电类型掺杂区及与所述第二导电类型平板区102相连的第二导电类型掺杂区105，所述第一导电类型掺杂区及第二导电类型掺杂区105的界面形成PN结，所述第一导电类型掺杂区为呈多个自所述第一导电类型平板区103朝所述第二导电类型平板区102凸起的掺杂结构，多个所述掺杂结构呈周期分布。

如图1所示，所述掺杂结构为半圆形掺杂结构104。所述半圆形掺杂结构104的半径与所述光波导脊101的宽度相等。具体地，所述半圆形掺杂结构104的直径侧(底部)与所述第一导电类型平板区103相连，所述半圆形掺杂结构104的顶部与所述第二导电类型平板区102相切，以尽可能充分利用所述光波导脊101有限的长度和有限的体积，相比于直线形的掺杂结构来说，本实用新型通过使所述第一导电类型掺杂区为呈多个自所述第一导电类型平板区103朝所述第二导电类型平板区102凸起的半圆形掺杂结构104，且所述第一导电类型掺杂区及第二导电类型掺杂区105的界面形成PN结，可以在一定波导长度下，大大增加PN结的总长度，据此有效提高调制器的调制效率，从而缩短调制器尺寸。当然，在其他的实施例中，所述掺杂结构也可以是其他形状，例如可以为正弦波形、椭圆形等，且并不限于此处所列举的示例。

如图1所示，在一个具体的实施例中，相邻两所述半圆形掺杂结构104被所述第二导电类型掺杂区105间隔，以使所述光波导掺杂结构形成叉指结构。

在本实施例中，所述第一导电类型平板区103的掺杂浓度大于或等于所述第一导电类型掺杂区的掺杂浓度，所述第二导电类型平板区102的掺杂浓度大于或等于所述第二导电类型平板区102的掺杂浓度。

在本实施例中，所述第一导电类型优选为N型，其掺杂离子例如可以为磷等，所述第二导电类型优选为P型，其掺杂离子例如可以为硼等。当然，在其他的实施例中，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

在本实施例中，所述光波导脊101、第一导电类型平板区103及第二导电类型平板区102形成于SOI衬底的顶层硅中。具体地，所述光波导掺杂结构还包括一二氧化硅上包层，所述二氧化硅上包层覆盖于所述所述光波导脊101、第一导电类型平板区103及第二导电类型平板区102上。

如图1～图3所示，其中，图2显示为图1中A-A’处的截面结构示意图，图3显示为图1中B-B’处的截面结构示意图，本实用新型还提供一种硅基电光调制器的光波导掺杂结构的制作方法，所述制作方法包括步骤：

首先进行步骤1)，提供一SOI衬底，所述SOI衬底包括依次层叠的硅衬底201、绝缘层202及顶层硅。

作为示例，所述顶层硅的厚度可以为300纳米～500纳米之间。

然后进行步骤2)，通过光刻工艺及刻蚀工艺于所述顶层硅中形成光波导脊101及位于所述光波导脊101两侧的平板区。

接着进行步骤3)，通过第一图形掩膜对部分所述光波导脊101与其中一侧的平板区进行第一导电离子注入，通过第二图形掩膜对另一部分的所述光波导脊101与另一侧的平板区进行第二导电离子注入，并进行退火激活，以于所述光波导脊101两侧分别形成第一导电类型平板区103及第二导电类型平板区102，且所述光波导脊101包括与所述第一导电类型平板区103相连的第一导电类型掺杂区及与所述第二导电类型平板区102相连的第二导电类型掺杂区105，所述第一导电类型掺杂区及第二导电类型掺杂区105的界面形成PN结，所述第一导电类型掺杂区呈多个自所述第一导电类型平板区103朝所述第二导电类型平板区102凸起的掺杂结构，多个所述掺杂结构呈周期分布。

最后进行步骤4)，于所述光波导脊101、第一导电类型平板区103及第二导电类型平板区102之上形成二氧化硅上包层。

例如，可以通过等离子体增强化学气相沉积工艺于所述光波导脊101、第一导电类型平板区103及第二导电类型平板区102之上形成二氧化硅上包层。

如图4～图5所示，其中，图4对应于图1中A-A’处的截面结构，图5对应于图1中B-B’处的截面结构，本实施例还提供一种硅基电光调制器，所述硅基电光调制器包括：硅衬底201；绝缘层202，位于所述硅衬底201上；如上所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，位于所述绝缘层202上；二氧化硅上包层，覆盖于所述所述光波导脊101、第一导电类型平板区103及第二导电类型平板区102上；第一电极204及第二电极203，所述第一电极204位于所述二氧化硅上包层上，且贯穿所述二氧化硅上包层与所述第一导电类型平板区103连接；所述第二电极203位于所述二氧化硅上包层上，且贯穿所述二氧化硅上包层与所述第二导电类型平板区102连接；通过调节所述第一电极204与第二电极203施加的电压以调节所述光波导脊101中的光波的相位。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种硅基电光调制器的光波导掺杂结构，其特征在于，所述光波导掺杂结构包括：

光波导脊及位于所述光波导脊两侧的第一导电类型平板区及第二导电类型平板区，所述光波导脊包括与所述第一导电类型平板区相连的第一导电类型掺杂区及与所述第二导电类型平板区相连的第二导电类型掺杂区，所述第一导电类型掺杂区及第二导电类型掺杂区的界面形成PN结，所述第一导电类型掺杂区为呈多个自所述第一导电类型平板区朝所述第二导电类型平板区凸起的掺杂结构，多个所述掺杂结构呈周期分布。

2.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，其特征在于：所述掺杂结构为半圆形掺杂结构。

3.根据权利要求2所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，其特征在于：所述半圆形掺杂结构的半径与所述光波导脊的宽度相等。

4.根据权利要求3所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，其特征在于：相邻两所述半圆形掺杂结构被所述第二导电类型掺杂区间隔，以使所述光波导掺杂结构形成叉指结构。

5.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，其特征在于：所述第一导电类型平板区的掺杂浓度大于或等于所述第一导电类型掺杂区的掺杂浓度，所述第二导电类型平板区的掺杂浓度大于或等于所述第二导电类型平板区的掺杂浓度。

6.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，其特征在于：所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

7.根据权利要求1所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，其特征在于：所述光波导脊、第一导电类型平板区及第二导电类型平板区形成于SOI衬底的顶层硅中。

8.根据权利要求6所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，其特征在于：还包括一二氧化硅上包层，所述二氧化硅上包层覆盖于所述的光波导脊、第一导电类型平板区及第二导电类型平板区上。

9.一种硅基电光调制器，其特征在于，所述硅基电光调制器包括：

硅衬底；

绝缘层，位于所述硅衬底上；

如权利要求1～6任意一项所述的硅基电光调制器的光波导掺杂结构，位于所述绝缘层上；

二氧化硅上包层，覆盖于所述光波导脊、第一导电类型平板区及第二导电类型平板区上；

第一电极及第二电极，所述第一电极位于所述二氧化硅上包层上，且贯穿所述二氧化硅上包层与所述第一导电类型平板区连接；所述第二电极位于所述二氧化硅上包层上，且贯穿所述二氧化硅上包层与所述第二导电类型平板区连接；通过调节所述第一电极与第二电极施加的电压以调节所述光波导脊中的光波的相位。