使用半導(dǎo)體的光器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用半導(dǎo)體的光器件(optical device)，更具體來(lái)講，涉及一種利用娃材料的反射器，進(jìn)而能按第一波導(dǎo)(waveguide)或第二波導(dǎo)選擇性傳送光或光信號(hào)的光器件。
【背景技術(shù)】
[0002]建議了一種通過(guò)控制小角度的反射而調(diào)制光信號(hào)的光調(diào)制器和變換(switching)光通路的光變換器結(jié)構(gòu)(韓國(guó)公開專利第10-2010-0066834號(hào)，以下“現(xiàn)有發(fā)明I”)。但現(xiàn)有發(fā)明I中只揭示了使光反射或折射的反射器(reflector)的基本結(jié)構(gòu)，并未揭示基于用于半導(dǎo)體芯片等中的信號(hào)傳送之半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
[0003]并且，現(xiàn)有發(fā)明也大多數(shù)建議了在其他半導(dǎo)體中使用最多的硅中用于折射率控制的p-n結(jié)(p-n junct1n)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(美國(guó)授權(quán)專利第7，116，853號(hào)，美國(guó)授權(quán)專利第7，751，654號(hào)，美國(guó)公開專利第2011/0058764號(hào))。這些現(xiàn)有發(fā)明的結(jié)構(gòu)以波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行的光的速度控制即控制光波的相位(phase)為目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是要提供一種使用半導(dǎo)體的光器件，其基于具有p-n結(jié)結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體硅而能達(dá)成光的折射或反射控制。
[0005]并且，本發(fā)明的目的是提供一種使用半導(dǎo)體的光器件，其通過(guò)使用反射或折射的控制能直接調(diào)制光的振幅(amplitude)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的光器件，包括:第一波導(dǎo)，入射光信號(hào)，且按與入射的光信號(hào)相同的方向而形成；第二波導(dǎo)，從所述第一波導(dǎo)起形成一定角度；和反射器，根據(jù)施加的電壓而變化折射率，進(jìn)而可按所述第一波導(dǎo)或第二波導(dǎo)選擇光信號(hào)的通路，且與所述第一波導(dǎo)形成一定角度的傾斜角，其中，所述反射器是摻雜P型或η型雜質(zhì)的半導(dǎo)體器件。
[0007]具體來(lái)講，優(yōu)選地，所述反射器包括:第一界面，與所述第一波導(dǎo)至少一部分相接，從而使所述光信號(hào)進(jìn)入；和第二界面，與所述第一波導(dǎo)至少一部分相接，從而使所述光信號(hào)傳出，為了形成用于所述反射器的電控制的電極，進(jìn)一步摻雜η+型和ρ+型雜質(zhì)。在此，優(yōu)選地，η+型和ρ+型意味著相比η型和ρ型其雜質(zhì)濃度更高，且η+型摻雜區(qū)域與η型摻雜區(qū)域相臨近，且P+型摻雜區(qū)域與P型摻雜區(qū)域相臨近。
[0008]本發(fā)明的反射器包括:下部覆層，形成在硅基板上；波導(dǎo)層，形成在所述下部覆層上；第一雜質(zhì)層，形成在所述波導(dǎo)層的一端；第二雜質(zhì)層，形成在所述波導(dǎo)層的另一端；上部覆層，形成在所述波導(dǎo)層上；第一電極，貫通所述上部覆層而形成在所述第一雜質(zhì)層上；第二電極，貫通所述上部覆層而形成在所述第二雜質(zhì)層上。所述第一雜質(zhì)層和所述第二雜質(zhì)層分別是P+型雜質(zhì)層或η+型雜質(zhì)層中的任意一個(gè)。
[0009]具體來(lái)講，所述波導(dǎo)層的豎直方向的剖面包括:第一波導(dǎo)層，沿第一長(zhǎng)度的橫邊和第二長(zhǎng)度的縱邊而形成；第二波導(dǎo)層，位于所述第一波導(dǎo)層上，沿第三長(zhǎng)度的橫邊和第四長(zhǎng)度的縱邊而形成，所述第一長(zhǎng)度長(zhǎng)于所述第三長(zhǎng)度。
[0010]根據(jù)使用本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的半導(dǎo)體的光器件，基于具有P-n結(jié)結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體硅能達(dá)成光的折射或反射控制。
[0011]并且，根據(jù)使用本發(fā)明半導(dǎo)體的光器件，通過(guò)使用反射或折射的控制能直接調(diào)制光的振幅(amplitude)。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明反射器30的第一動(dòng)作模式的光通路控制方法的說(shuō)明圖。
[0013]圖2是根據(jù)本發(fā)明反射器30的第二動(dòng)作模式的光通路控制方法的說(shuō)明圖。
[0014]圖3a至圖3h是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光器件的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)作說(shuō)明圖。
[0015]圖4a至圖4h是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光器件的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)作說(shuō)明圖。
[0016]圖5a至圖5h是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光器件的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)作說(shuō)明圖。
[0017]圖6a至圖6h是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的光器件的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)作說(shuō)明圖。
[0018]圖7a至圖7h是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的光器件的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)作說(shuō)明圖。
[0019]圖8a至圖Sc是根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的光器件的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)作說(shuō)明圖。
[0020]圖9a至圖9h是根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的光器件的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)作說(shuō)明圖。
[0021]圖1Oa至圖1Of是根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的光器件的結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)作說(shuō)明圖。
[0022]圖1la和圖1lb是適用于本發(fā)明第一實(shí)施例至第八實(shí)施例的波導(dǎo)、覆層(clad)的結(jié)構(gòu)和電極配置相關(guān)的示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下，參考附圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例之使用半導(dǎo)體的光器件進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]本發(fā)明的下述實(shí)施例只是用于具體化本發(fā)明而不是限制或限定本發(fā)明的權(quán)利范圍。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員從本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明和實(shí)施例中能很容易得推理出本發(fā)明應(yīng)被認(rèn)為是屬于本發(fā)明的權(quán)利范圍。
[0025]娃半導(dǎo)體中的折射率變化具有克爾電光效應(yīng)(electro-optic Kerr effect)、非線性光學(xué)克爾效應(yīng)(nonlinear optical Kerr effect)、弗朗茲-凱爾迪什效應(yīng)(Franz-Keldysh effect)、等離子色散效應(yīng)(plasma dispers1n effect)(又稱:載流子注入或耗盡效應(yīng)；carrier inject1n or deplet1n effect)、熱光效應(yīng)(thermo-opticeffect)等。其中可按p-n型摻雜(doping)和電場(chǎng)(electric field)提供的等離子色散效應(yīng)由于折射率變化效果相對(duì)較大且控制速度高，因此使用最多。當(dāng)在p-n型摻雜結(jié)構(gòu)中施加電場(chǎng)時(shí)雖然也部分地包括弗朗茲-凱爾迪什效應(yīng)和克爾電光效應(yīng)，但由于等離子色散效應(yīng)占主導(dǎo)地位，因此將以等離子色散效應(yīng)為主來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的效果。
[0026]本發(fā)明根據(jù)硅半導(dǎo)體中因載流子(carrier)的折射率變化的趨勢(shì)而說(shuō)明本說(shuō)明的功能，但本發(fā)明揭示的結(jié)構(gòu)和方法并不局限于硅半導(dǎo)體，也可適用于其他半導(dǎo)體材料。
[0027]根據(jù)娃半導(dǎo)體中的等離子分散效果，當(dāng)注入電子(electron)或空穴(hole)時(shí)，兩種情況相比本征狀態(tài)(intrinsic state)其折射率全部降低。本發(fā)明考慮這種折射率變化效果而揭示了用于使光反射或折射的P-n結(jié)結(jié)構(gòu)和電流注入方法。
[0028]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的光器件包括:第一波導(dǎo)10，入射光信號(hào)且按與入射的光信號(hào)相同方向?qū)R而形成；第二波導(dǎo)20，從第一波導(dǎo)10起形成預(yù)定角度；以及反射器30，配置于從第一波導(dǎo)10起第二波導(dǎo)20分支的區(qū)域中且根據(jù)施加的電壓使折射率變化。即，本發(fā)明的反射器30作為摻雜ρ型或η型雜質(zhì)的半導(dǎo)體器件，根據(jù)施加的電壓而變化折射率，從而可按第一波導(dǎo)10或第二波導(dǎo)20選擇光信號(hào)的通路。
[0029]具體來(lái)講，反射器30的特征在于包括:第一界面，與第一波導(dǎo)10至少部分相接且接收光信號(hào)；和第二界面，與第一波導(dǎo)10至少部分相接且發(fā)送光信號(hào)，且摻雜η型和P型雜質(zhì)。優(yōu)選地，施加于反射器30的電壓，通過(guò)在與摻雜η型和ρ型雜質(zhì)的區(qū)域分別相鄰的地方形成η+型和P+型雜質(zhì)摻雜區(qū)域以及在形成在η+型和P+型區(qū)域上的電極而施加。當(dāng)η型和P型雜質(zhì)的濃度足夠高時(shí)，施加于反射器30的電壓可通過(guò)形成于η型和ρ型區(qū)域上的電極而施加。在此，本發(fā)明的說(shuō)明中使用的η+型和P+型意味著相比η型和ρ型其雜質(zhì)摻雜濃度更高。
[0030]本發(fā)明的第一波導(dǎo)10可是光直線穿過(guò)的主波導(dǎo)(main waveguide)，第二波導(dǎo)20可是光沿小角度偏離的分支波導(dǎo)(branch waveguide)。
[0031]在此，本發(fā)明中的小角度的含義如下。
[0032]當(dāng)為硅半導(dǎo)體材料時(shí)，若摻雜ρ型或η型雜質(zhì)，因電子和空穴的載流子，折射率相比本征狀態(tài)而降低。其結(jié)果是，在受體(acceptor)和供體(donor)的濃度為5xl017至IxlO2ci的范圍中理論上的折射率相比本征狀態(tài)的硅(η $4*3.5)降低5xl(T4至IxKT1程度。即，摻雜狀態(tài)的折射率和本征狀態(tài)的折射率差異為Λ η = !^-巧在-0.0005至-0.1范圍，且00015至-0.03范圍。在該范圍中臨界角為1°至15。范圍。在其他材料中因電場(chǎng)或摻雜而引起的折射率變化也并不較大得超過(guò)上述折射率變化范圍。考慮到在一般使用的材料中也能通過(guò)電場(chǎng)而獲得的折射率變化范圍，臨界角可減小至20°以內(nèi)的范圍。因此，在本發(fā)明中小角度的反射意味著根據(jù)折射率變化能實(shí)際獲得的全部反射的20°以內(nèi)范圍中的反射，但其并不局限于此。
[0033]本發(fā)明的光器件根據(jù)