硅基電光調(diào)制器摻雜結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種硅基電光調(diào)制器摻雜結構，該摻雜結構包括：硅基電光調(diào)制器調(diào)制區(qū)波導，所述波導沿橫向依次包括第一重摻雜區(qū)、第二輕摻雜區(qū)、第三輕摻雜區(qū)以及第四重摻雜區(qū)，所述橫向垂直于所述波導的凸條區(qū)延伸方向；所述第二輕摻雜區(qū)與所述第三輕摻雜區(qū)形成至少一個縱向PN結和至少一個橫向PN結，所述縱向垂直于所述橫向；所述第二輕摻雜區(qū)通過所述第一重摻雜區(qū)進行電學連接；所述第三輕摻雜區(qū)通過所述第四重摻雜區(qū)進行電學連接。本實用新型可在提高硅基電光調(diào)制器的調(diào)制效率的同時降低調(diào)制能耗，并可使波導核心區(qū)的每一個摻雜區(qū)均可直接通過側(cè)向波導實現(xiàn)電學連接，保證系統(tǒng)高速調(diào)制性能。
【專利說明】
硅基電光調(diào)制器摻雜結構
技術領域
[0001]本實用新型涉及半導體技術領域，尤其涉及一種硅基電光調(diào)制器摻雜結構。
【背景技術】
[0002]隨著通信互聯(lián)提速降費的發(fā)展趨勢，大量通信和互連設備更新?lián)Q代，硅基收發(fā)機系統(tǒng)已經(jīng)開始商用，但系統(tǒng)能耗高，對通信、互連的基礎設施的壓力急劇增大。調(diào)制器是光通信、光互連系統(tǒng)中收發(fā)機的重要組件，它的能耗僅次于激光器，但調(diào)制器自身插損也增加了功耗預算，所以是目前降低能耗的努力中的重要攻關對象。
[0003]傳統(tǒng)硅電光調(diào)制器的摻雜結構主要有兩種:側(cè)向結和插指結。插指結的調(diào)制效率高于側(cè)向結，但調(diào)制能耗卻較高，反映出調(diào)制效率、調(diào)制能耗不可兼得的困難。實際上，調(diào)制效率和調(diào)制能耗都是通信系統(tǒng)中重要的性能指標，調(diào)制效率在器件尺寸和驅(qū)動電壓方面直接發(fā)揮作用，而調(diào)制能耗則是消耗電能的量度。故而同時實現(xiàn)高調(diào)制效率、低調(diào)制能耗的調(diào)制器是開拓下一代收發(fā)機技術的迫切需要。此外，現(xiàn)有的插指結技術方案中，為了提高硅基調(diào)制器的光電調(diào)制效率，通常需要改進調(diào)制器的波導中的摻雜結構，但卻有可能使得波導核心區(qū)(例如脊型波導中高于平板區(qū)的凸條區(qū)，或側(cè)壁光柵波導中高于光柵區(qū)的凸條區(qū))中夾著無法直接通過側(cè)向波導(如脊型波導的平板區(qū)或側(cè)壁光柵波導的光柵區(qū))實現(xiàn)電學連接的摻雜區(qū)，導致高速調(diào)制時性能大幅下降。
[0004]綜上，如何提供一種硅基電光調(diào)制器的摻雜結構，以克服傳統(tǒng)硅基電光調(diào)制器的調(diào)制效率、調(diào)制能耗不可兼得的困難，并可確保波導核心區(qū)的每一個摻雜區(qū)均可直接通過側(cè)向波導實現(xiàn)電學連接，成為了目前亟待解決的技術問題之一。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型提出了一種硅基電光調(diào)制器摻雜結構，該摻雜結構包括:
[0006]硅基電光調(diào)制器調(diào)制區(qū)波導，所述波導沿橫向依次包括第一重摻雜區(qū)、第二輕摻雜區(qū)、第三輕摻雜區(qū)以及第四重摻雜區(qū)，所述橫向垂直于所述波導的凸條區(qū)延伸方向；
[0007]所述第二輕摻雜區(qū)與所述第三輕摻雜區(qū)形成至少一個縱向PN結和至少一個橫向PN結，所述縱向垂直于所述橫向；
[0008]所述第二輕摻雜區(qū)通過所述第一重摻雜區(qū)進行電學連接；
[0009]所述第三輕摻雜區(qū)通過所述第四重摻雜區(qū)進行電學連接；
[0010]其中，所述第一重摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第二輕摻雜區(qū)的摻雜類型相同；所述第一重摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第四重摻雜區(qū)的摻雜類型相反;所述第三輕摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第四重摻雜區(qū)的摻雜類型相同。
[0011]優(yōu)選地，所述波導為脊型波導，所述第一重摻雜區(qū)和第四重摻雜區(qū)分別形成于所述凸條區(qū)的兩側(cè)的平板區(qū)或凸條區(qū)上，所述第二輕摻雜區(qū)和第三輕摻雜區(qū)形成于所述凸條區(qū)和所述平板區(qū)上。
[0012]優(yōu)選地，所述波導為側(cè)壁光柵波導，所述第一重摻雜區(qū)和第四重摻雜區(qū)分別形成于所述凸條區(qū)的兩側(cè)的光柵區(qū)上，所述第二輕摻雜區(qū)和第三輕摻雜區(qū)形成于所述凸條區(qū)和所述光柵區(qū)上。
[0013]優(yōu)選地，所述第一重摻雜區(qū)、第二輕摻雜區(qū)、第三輕摻雜區(qū)以及第四重摻雜區(qū)中每一區(qū)域的摻雜形狀是任一內(nèi)角不小于70°的多邊形。
[0014]優(yōu)選地，所述第二輕摻雜區(qū)與所述第三輕摻雜區(qū)形成插指結結構。
[0015]優(yōu)選地，所述第一重摻雜區(qū)和所述第四重摻雜區(qū)分別接驅(qū)動電路。
[0016]優(yōu)選地，所述波導的形狀沿著光傳播的方向為彎曲的或非彎曲的。
[0017]優(yōu)選地，所述波導的核心材料為半導體材料。
[0018]優(yōu)選地，所述波導的包層材料為非良導體材料。
[0019]優(yōu)選地，所述波導的核心材料為硅或鍺，所述波導的包層材料為二氧化硅或氮化娃。
[0020]本實用新型的娃基電光調(diào)制器的慘雜結構，可以在提尚娃基電光調(diào)制器的調(diào)制效率的同時降低調(diào)制能耗，克服了傳統(tǒng)硅基電光調(diào)制器的調(diào)制效率與調(diào)制功耗不可兼得的困難，并可使波導核心區(qū)的每一個摻雜區(qū)均可直接通過側(cè)向波導實現(xiàn)電學連接，保證系統(tǒng)高速調(diào)制性能。
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖Ι-a、圖Ι-b分別示出了本實用新型一個實施例的硅基電光調(diào)制器摻雜結構的俯視圖和橫截面示意圖；
[0023]圖2分別示出了本實用新型另一個實施例的硅基電光調(diào)制器摻雜結構的橫截面示意圖；
[0024]圖3示出了傳統(tǒng)插指結結構的硅基電光調(diào)制器摻雜結構示意圖；
[0025]圖4-a至圖4-c示出了本實用新型一個實施例的硅基電光調(diào)制器摻雜結構的性能示意圖；
[0026]圖5-a至圖5-c示出了本實用新型另一個實施例的三種硅基電光調(diào)制器摻雜結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0028]圖Ι-a、圖Ι-b分別示出了本實用新型一個實施例的硅基電光調(diào)制器摻雜結構的俯視圖和橫截面示意圖；如圖l_a、圖Ι-b所示，該摻雜結構包括:
[0029]硅基電光調(diào)制器調(diào)制區(qū)波導100，所述波導100沿橫向依次包括第一重摻雜區(qū)110、第二輕摻雜區(qū)120、第二輕摻雜區(qū)130以及第四重摻雜區(qū)140，所述橫向垂直于所述波導的凸條區(qū)延伸方向；
[0030]所述第二輕摻雜區(qū)120與所述第二輕摻雜區(qū)130形成至少一個縱向PN結和至少一個橫向PN結，所述縱向垂直于所述橫向；
[0031]所述第二輕摻雜區(qū)120通過所述第一重摻雜區(qū)110進行電學連接；
[0032]所述第二輕摻雜區(qū)130通過所述第四重摻雜區(qū)140進行電學連接；
[0033]其中，所述第一重摻雜區(qū)110的摻雜類型與所述第二輕摻雜區(qū)120的摻雜類型相同；所述第一重摻雜區(qū)110的摻雜類型與所述第四重摻雜區(qū)140的摻雜類型相反;所述第二輕摻雜區(qū)130的摻雜類型與所述第四重摻雜區(qū)140的摻雜類型相同。具體地，可以將所述第一重摻雜區(qū)110、第二輕摻雜區(qū)120、第三輕摻雜區(qū)130以及第四重摻雜區(qū)140分別設置為N++、N、P、P++區(qū)；或者，可以將所述第一重摻雜區(qū)110、第二輕摻雜區(qū)120、第三輕摻雜區(qū)130以及第四重摻雜區(qū)140分別設置P++、P、N、N++區(qū)(圖中未示出)。
[0034]本實施例的娃基電光調(diào)制器的慘雜結構，可以在提尚娃基電光調(diào)制器的調(diào)制效率的同時降低調(diào)制能耗，克服了傳統(tǒng)硅基電光調(diào)制器的調(diào)制效率與調(diào)制功耗不可兼得的困難，并可使波導核心區(qū)的每一個摻雜區(qū)均可直接通過側(cè)向波導實現(xiàn)電學連接，保證系統(tǒng)高速調(diào)制性能。
[0035]可選地，第一重摻雜區(qū)110和第四重摻雜區(qū)140分別接驅(qū)動電路。
[0036]作為本實施例的優(yōu)選，所述波導可以選為脊型波導或側(cè)壁光柵波導:
[0037]若所述波導為脊型波導，則所述第一重摻雜區(qū)110和第四重摻雜區(qū)140分別形成于所述凸條區(qū)的兩側(cè)的平板區(qū)或凸條區(qū)(參見圖2)上，所述第二輕摻雜區(qū)120和第三輕摻雜區(qū)130形成于所述凸條區(qū)和所述平板區(qū)上；
[0038]若所述波導為側(cè)壁光柵波導，則所述第一重摻雜區(qū)110和第四重摻雜區(qū)140分別形成于所述凸條區(qū)的兩側(cè)的光柵區(qū)上，所述第二輕摻雜區(qū)120和第三輕摻雜區(qū)130形成于所述凸條區(qū)和所述光柵區(qū)上。
[0039]上述實施例中的波導形貌均采用能夠?qū)崿F(xiàn)電學連接的光波導，除脊型波導和側(cè)壁光柵波導之外，還可以采用在波導周邊利用導電的包層材料實現(xiàn)電學連接的波導結構(此處的導電的包層材料是指在包層的部分區(qū)域用導電材料，其他部分仍然用非良導體材料)。
[0040]特別地，如圖Ι-a所示的俯視圖的上下方向以及如圖Ι-b所示的橫截面圖的垂直紙面方向為光的傳播方向。
[0041]兩側(cè)的第一重摻雜區(qū)域110和第四重摻雜區(qū)140分別與第二輕摻雜區(qū)120和第三輕摻雜區(qū)130相連接，實現(xiàn)低連接電阻的電學連接。輕摻雜的形狀特點是插指之間形成橫向耗盡區(qū)，插指的端面形成縱向耗盡區(qū)，二者同時存在。
[0042]如圖Ι-a、圖Ι-b所示，本實施例中的所述第二輕摻雜區(qū)120與所述第三輕摻雜區(qū)130形成的摻雜結構可以優(yōu)選為插指結結構，該結構不僅具有傳統(tǒng)的插指結結構(參見圖3，其中I為本征區(qū))的硅基電光調(diào)制器摻雜結構所具有的縱向PN結，而且在插指結的端面形成橫向PN結。
[0043]上述實施例中，所述第一重摻雜區(qū)110、第二輕摻雜區(qū)120、第三輕摻雜區(qū)130以及第四重摻雜區(qū)140中每一區(qū)域的摻雜形狀是任一內(nèi)角不小于70°的多邊形(優(yōu)選為矩形)。采用這種形狀的原因是摻雜工藝的設計規(guī)則限定最小摻雜尺寸和間距，銳角會違反設計規(guī)貝1J，實際加工出來的圖形會在銳角處被截斷，仍然是多邊形。
[0044]作為本實施例的優(yōu)選，所述波導的形狀沿著光傳播的方向為彎曲的或非彎曲的。
[0045]在此基礎上，所述波導的核心材料為半導體材料，例如為硅或鍺，波導的包層材料為非良導體材料，例如為二氧化硅或氮化硅。
[0046]下面通過具體實驗結果詳細闡述本實施例的硅基電光調(diào)制器摻雜結構的性能。
[0047]如圖Ι-b所示，本例所采用的波導的具體結構參數(shù)例如為:
[0048]ffi = 450nm; W2 = 7 OOnm ； hi = 220nm ； h2 = 90nm。
[0049]在此基礎上，圖4-a至圖4-c示出了本實用新型一個實施例的硅基電光調(diào)制器摻雜結構的性能示意圖；如圖4-a至圖4-c所示，本實施例的摻雜結構設計的關鍵是要確定結構參數(shù)offset(參見圖Ι-a)的大小，通過常規(guī)的仿真方法可以得到如圖4-a至圖4-c所示的數(shù)據(jù)，依次展示了單位長度的模式有效折射率變化量(Aneff)、調(diào)制效率和全消光調(diào)制能耗的曲線圖。
[°°50]其中，做圖所用的摻雜周期為Lpitch = 210nm。在本實施例中，調(diào)制能耗是以Imm長的調(diào)制臂，在OV和-1V之間進行推挽調(diào)制的全消光(O%-100% )調(diào)制能耗，調(diào)制效率是指一個調(diào)制臂在OV和-1V靜態(tài)電壓下，另一調(diào)制臂無電壓時的結果。實際設計中，調(diào)制能耗、調(diào)制效率的計算方法可以按照實際要求靈活變化，不局限于本實施例的計算方法。
[0051 ] 從圖4-b、圖4-C中可以觀察到，結構參數(shù)(^€86七約為16011111時，基于該摻雜結構的電光調(diào)制器實現(xiàn)最低的能耗，并且此時的調(diào)制能耗、調(diào)制效率均優(yōu)于傳統(tǒng)側(cè)向結。相比之下，傳統(tǒng)插指結雖然能夠在調(diào)制效率上實現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)側(cè)向結的結果，但調(diào)制能耗卻不能低于傳統(tǒng)側(cè)向結。而本實施例與現(xiàn)有技術相比，所帶來的積極效果是同時實現(xiàn)高調(diào)制效率和低調(diào)制能耗。
[0052]圖5-a至圖5-c示出了本實用新型另一個實施例的三種硅基電光調(diào)制器摻雜結構示意圖；如圖5-a至圖5-c所示，圖中兩條黑色線之間的部分是波導核心區(qū)(例如脊型波導中高于平板區(qū)的凸條區(qū)，或側(cè)壁光柵波導中高于光柵區(qū)的凸條區(qū)，參見圖Ι-a、圖Ι-b中尺寸為評工的兩條豎線部分)，波導兩側(cè)的電學連接結構未畫出。圖5-a、圖5-b所示的兩種結構分別是offset為零、非零的摻雜結構，它們與圖Ι-a、圖Ι-b的摻雜結構的區(qū)別在于沿光的傳播方向不同，PN結的極性也進行了交替變化。圖5-c的摻雜結構的特點是，在圖Ι-a、圖Ι-b的摻雜結構的基礎上，令其左側(cè)向上平移，右側(cè)向下平移，即可增加P/N之間連接面的凸起或凹陷，使得光與耗盡區(qū)變化的重疊更加有效。
[0053]上述實施例的波導高度方向均優(yōu)選為均勻的摻雜，但也可選為非均勻的摻雜，例如圖Ι-b中波導的橫截面圖上，兩側(cè)區(qū)域各是上P下N和下P上N。
[0054]進一步地，上述實施例中提供了第二輕摻雜區(qū)、第三輕摻雜區(qū)之間形成PN結，實際上因為摻雜的工藝原因，P和N之前總會存在本征區(qū)(I區(qū))，因此本實用新型的技術方案對此不進行限定，即也可覆蓋輕摻雜P/N之間存在本征區(qū)的情況。
[0055]本實用新型的娃基電光調(diào)制器的慘雜結構，可以在提尚娃基電光調(diào)制器的調(diào)制效率的同時降低調(diào)制能耗，克服了傳統(tǒng)硅基電光調(diào)制器的調(diào)制效率與調(diào)制功耗不可兼得的困難，并可使波導核心區(qū)的每一個摻雜區(qū)均可直接通過側(cè)向波導實現(xiàn)電學連接，保證系統(tǒng)高速調(diào)制性能。
[0056]以上實施例僅用于說明本實用新型的技術方案，而非對其限制;盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。
【主權項】
1.一種硅基電光調(diào)制器摻雜結構，其特征在于，包括: 硅基電光調(diào)制器調(diào)制區(qū)波導，所述波導沿橫向依次包括第一重摻雜區(qū)、第二輕摻雜區(qū)、第三輕摻雜區(qū)以及第四重摻雜區(qū)，所述橫向垂直于所述波導的凸條區(qū)延伸方向； 所述第二輕摻雜區(qū)與所述第三輕摻雜區(qū)形成至少一個縱向PN結和至少一個橫向PN結，所述縱向垂直于所述橫向； 所述第二輕摻雜區(qū)通過所述第一重摻雜區(qū)進行電學連接； 所述第三輕摻雜區(qū)通過所述第四重摻雜區(qū)進行電學連接； 其中，所述第一重摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第二輕摻雜區(qū)的摻雜類型相同；所述第一重摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第四重摻雜區(qū)的摻雜類型相反;所述第三輕摻雜區(qū)的摻雜類型與所述第四重摻雜區(qū)的摻雜類型相同。2.如權利要求1所述的摻雜結構，其特征在于，所述波導為脊型波導，所述第一重摻雜區(qū)和第四重摻雜區(qū)分別形成于所述凸條區(qū)的兩側(cè)的平板區(qū)或凸條區(qū)上，所述第二輕摻雜區(qū)和第三輕摻雜區(qū)形成于所述凸條區(qū)和所述平板區(qū)上。3.如權利要求1所述的摻雜結構，其特征在于，所述波導為側(cè)壁光柵波導，所述第一重摻雜區(qū)和第四重摻雜區(qū)分別形成于所述凸條區(qū)的兩側(cè)的光柵區(qū)上，所述第二輕摻雜區(qū)和第三輕摻雜區(qū)形成于所述凸條區(qū)和所述光柵區(qū)上。4.如權利要求1所述的摻雜結構，其特征在于，所述第一重摻雜區(qū)、第二輕摻雜區(qū)、第三輕摻雜區(qū)以及第四重摻雜區(qū)中每一區(qū)域的摻雜形狀是任一內(nèi)角不小于70°的多邊形。5.如權利要求1所述的摻雜結構，其特征在于，所述第二輕摻雜區(qū)與所述第三輕摻雜區(qū)形成插指結結構。6.如權利要求1所述的摻雜結構，其特征在于，所述第一重摻雜區(qū)和所述第四重摻雜區(qū)分別接驅(qū)動電路。7.如權利要求1所述的摻雜結構，其特征在于，所述波導的形狀沿著光傳播的方向為彎曲的或非彎曲的。8.如權利要求1所述的摻雜結構，其特征在于，所述波導的核心材料為半導體材料。9.如權利要求8所述的摻雜結構，其特征在于，所述波導的包層材料為非良導體材料。10.如權利要求9所述的摻雜結構，其特征在于，所述波導的核心材料為硅或鍺，所述波導的包層材料為二氧化硅或氮化硅。
【文檔編號】G02F1/025GK205485142SQ201620040801
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月15日
【發(fā)明人】周治平, 李心白
【申請人】北京大學