一种硅基电光调制器及其slab区掺杂浓度的设置方法

1.本发明涉及光电信息中的电光调制器领域，具体为一种根据载流子的饱和迁移率不同而设置掺杂浓度不同的电光调制器。该调制器解决了电子和空穴迁移率不同导致的p掺杂区和n掺杂区载流子迁移时间不匹配的问题。


背景技术：

2.随着物联网的迅猛发展，光纤通信系统作为物联网的重要依托，其发展受到更多的重视。在长途骨干网领域，随着光传输技术的成熟和发展，世界范围内出现了干线传输网络的建设热潮，传输带宽、传输容量技术快速发展。
3.随着光纤通信系统的发展，光器件的发展也同样面临着机遇和挑战，如何开发出性能优良、价格低廉的光器件已经成为人们所面临的首要问题。硅基光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优势，硅基光电子集成技术应运而生。作为硅基光电集成技术中的重要的代表元件之一的电光调制器，它的作用就是把电信号加到光载波上，将电信号转变为光信号。硅基电光调制器经过十几年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高。
4.硅电光调制器的主要结构为pn结，根据其工作方式不同主要分为载流子注入式和载流子耗尽式两种结构。对于两种结构的电光调制器而言，载流子都是通过电极-slab轻掺杂区进行输运的。对于p区和n区来说，具有相同的电极设置。然而，p区的主要载流子为空穴，n区的主要载流子为电子，电子和空穴具有不同的迁移率。电子和空穴迁移率不同导致p掺杂区和n掺杂区载流子迁移时间不匹配，减小了带宽。


技术实现要素：

5.对于现有硅电光调制器存在的电子和空穴迁移率不同导致p掺杂区和n掺杂区载流子迁移时间不匹配，导致插损和影响带宽的问题，本发明的目的是提出一种通过调整p掺杂区和n掺杂区的相对掺杂浓度来解决该问题，本发明所采取的方案具体如下。
6.一种硅基电光调制器slab区掺杂浓度的设置方法，设置相对接的p区和n区，形成pn结，设置p型slab轻掺杂区和n型slab轻掺杂区，所述p型slab轻掺杂区连接于所述p区，所述n型slab轻掺杂区连接于所述n区。
7.所述p区的主要载流子为空穴，p区的主要载流子总量p
t
为p区的体积与p区的掺杂浓度之积；所述n区的主要载流子为电子，n区的主要载流子总量n
t
为n区的体积与n区的掺杂浓度之积。
8.p区的主要载流子的单位时间的迁移量p
t
为空穴的迁移率和p型slab轻掺杂区的掺杂浓度之积；n区的主要载流子的单位时间的迁移量n
t
为电子的迁移率和n型slab轻掺杂区的掺杂浓度之积。
9.按照p区的主要载流子的迁移总时间p
t
/p
t
和n区的主要载流子的迁移总时间n
t
/n
t
相等来设置p型slab轻掺杂区和n型slab轻掺杂区的掺杂浓度。
10.作为该硅基电光调制器slab区掺杂浓度的设置方法的进一步改进，设置p区的体积等于n区的体积，设置p区的掺杂浓度等于n区的掺杂浓度，使得p区的主要载流子总量p
t
等于n区的主要载流子总量n
t
，则p
t
＝n
t
，按照空穴和电子的迁移率的反比来设置p型slab轻掺杂区和n型slab轻掺杂区的掺杂浓度。
11.作为该硅基电光调制器slab区掺杂浓度的设置方法的进一步改进，根据在硅材料中，电子的迁移率为空穴的2.8倍，设置p型slab轻掺杂区的掺杂浓度为n型slab轻掺杂区的掺杂浓度的2.8倍。
12.作为该硅基电光调制器slab区掺杂浓度的设置方法的进一步改进，所述p区和所述p型slab轻掺杂区的掺杂元素均为硼；所述n区和所述n型slab轻掺杂区的掺杂元素均为磷。
13.本发明还提出一种硅基电光调制器，根据以上所述的设置方法制备得到。所述硅基电光调制器包括所述p区、所述p型slab轻掺杂区、所述n区和所述n型slab轻掺杂区，还包括p型重掺杂区和n型重掺杂区，所述p型重掺杂区连接于所述p型slab轻掺杂区，所述n型重掺杂区连接于所述n型slab轻掺杂区。
14.作为该硅基电光调制器的进一步改进，所述硅基电光调制器还包括两个电极，第一个电极连接所述p型重掺杂区，第二个电极连接所述n型重掺杂区。
15.作为该硅基电光调制器的进一步改进，所述硅基电光调制器还包括硅基保护层，所述p区和n区设置在所述硅基保护层之中；所述第一个电极远离所述p型重掺杂区的一端裸露在所述硅基保护层之外；所述第二个电极远离所述n型重掺杂区的一端裸露在所述硅基保护层之外。
16.作为该硅基电光调制器的进一步改进，两个所述电极为长度相等的长条形；所述p区和n区也为长度相等的长条形；所述电极的长度和所述p区和n区的长度相等。
17.作为该硅基电光调制器的进一步改进，所述p区和所述n区的截面均为l形，并且呈背靠背方式对接。
18.作为该硅基电光调制器的进一步改进，两个电极的材质均为铝。
19.本发明的有益效果是：在电光调制器中，p区的主要载流子为空穴，n区的主要载流子为电子，电子和空穴具有不同的迁移率。硅中电子的迁移率为1350cm2/(vs)，而空穴的迁移率仅为480cm2/(vs)，电子的迁移率约为空穴的2.8倍，载流子的传输时间往往是由空穴的载流子传输时间所决定的，按照p区的主要载流子的迁移总时间p
t
/p
t
和n区的主要载流子的迁移总时间n
t
/n
t
相等来设置p型slab轻掺杂区和n型slab轻掺杂区的掺杂浓度，能提高n区和p区载流子浓度的匹配度。现有的电光调制器的p型slab轻掺杂区的电流一般较小，本发明能提高p型slab轻掺杂区的电流，提高pn结的充放电时间，增大带宽，减小光场的模式失真，解决了电子和空穴迁移率不同导致的p型slab轻掺杂区和n型slab轻掺杂区载流子迁移时间不匹配的问题。
附图说明
20.图1为一种实施方式的硅基电光调制器的截面图。
21.附图标记：p区1、n区2、p型slab轻掺杂区3、n型slab轻掺杂区4、p型重掺杂区5、n型
重掺杂区6、电极7、硅基保护层8。
具体实施方式
22.以下结合附图和实施方式对本发明的硅基电光调制器及其slab区掺杂浓度的设置方法进行详细说明。
23.请参阅图1，一种硅基电光调制器slab区掺杂浓度的设置方法，设置相对接的p区1和n区2，形成pn结，并设置p型slab轻掺杂区3和n型slab轻掺杂区4，所述p型slab轻掺杂区3连接于所述p区1，所述n型slab轻掺杂区4连接于所述n区2。p区1和n区2作为载流子源，p型slab轻掺杂区3和n型slab轻掺杂区4起导流作用。
24.所述p区1的主要载流子为空穴，p区1的主要载流子总量p
t
为p区1的体积与p区1的掺杂浓度之积；所述n区2的主要载流子为电子，n区2的主要载流子总量n
t
为n区2的体积与n区2的掺杂浓度之积。
25.p区1的主要载流子的单位时间的迁移量p
t
为空穴的迁移率和p型slab轻掺杂区3的掺杂浓度之积；n区2的主要载流子的单位时间的迁移量n
t
为电子的迁移率和n型slab轻掺杂区4的掺杂浓度之积。
26.按照p区1的主要载流子的迁移总时间p
t
/p
t
和n区2的主要载流子的迁移总时间n
t
/n
t
相等来设置p型slab轻掺杂区3和n型slab轻掺杂区4的掺杂浓度。
27.该硅基电光调制器slab区掺杂浓度的设置方法的一种优选方式为，设置p区1的体积等于n区2的体积，设置p区1的掺杂浓度等于n区2的掺杂浓度，使得p区1的主要载流子总量p
t
等于n区2的主要载流子总量n
t
，则p
t
＝n
t
，按照空穴和电子的迁移率的反比来设置p型slab轻掺杂区3和n型slab轻掺杂区4的掺杂浓度。
28.根据在硅材料中，电子的迁移率为空穴的2.8倍，可以设置p型slab轻掺杂区3的掺杂浓度为n型slab轻掺杂区4的2.6～3倍，进一步优选为，设置p型slab轻掺杂区3的掺杂浓度为n型slab轻掺杂区4的掺杂浓度的2.8倍。
29.在电光调制器中，p区1的主要载流子为空穴，n区2的主要载流子为电子，电子和空穴具有不同的迁移率。硅中电子的迁移率为1350cm2/(vs)，而空穴的迁移率仅为480cm2/(vs)，电子的迁移率约为空穴的2.8倍，载流子的传输时间往往是由空穴的载流子传输时间所决定的，因此，根据空穴和电子迁移率的不同，按照迁移率的反比来设置p型slab轻掺杂区3的掺杂浓度为n型slab轻掺杂区4的2.6～3倍，进一步优选为2.8倍，可以使p区1和n区2的臂长(图1中垂直于纸面方向)对插损和带宽的影响折中至最优，包括能提高p型slab轻掺杂区3的电流，提高pn结的充放电时间，增大带宽，还能提高n区2和p区1载流子浓度的匹配度，减小光场的模式失真。
30.在一个可选实施例中，所述p区1和p型slab轻掺杂区3的掺杂元素相同均为硼，所述n区2和n型slab轻掺杂区4的掺杂元素相同均为磷，能准确的设置p型slab轻掺杂区3的掺杂浓度为n型slab轻掺杂区4的2.8倍。所述p区1和p型slab轻掺杂区3也可以使用其他掺杂元素来得到主要载流子为空穴的p型区域。所述n区2和n型slab轻掺杂区4也可以使用其他掺杂元素来得到主要载流子为电子的n型区域。
31.一种硅基电光调制器，根据以上所述的设置方法制备得到，其截面结构请参阅图1。所述硅基电光调制器包括由p区1和n区2相耦接形成的pn结。所述硅基电光调制器还包括
p型slab轻掺杂区3、n型slab轻掺杂区4。一般的，所述p型slab轻掺杂区3的掺杂浓度大于所述n型slab轻掺杂区4的掺杂浓度，例如可以是，p型slab轻掺杂区3的掺杂浓度为n型slab轻掺杂区4的2.8倍。
32.如图1所示，本发明的硅基电光调制器还可以包括p型重掺杂区5和n型重掺杂区6，所述p型重掺杂区5连接于所述p型slab轻掺杂区3，所述n型重掺杂区6连接于所述n型slab轻掺杂区4。所述p区1、所述p型slab轻掺杂区3和所述p型重掺杂区5依次连接并一体成型，掺杂元素优选相同，但掺杂浓度可以不同。所述n区2、所述n型slab轻掺杂区4和所述n型重掺杂区6依次连接并一体成型，掺杂元素优选相同，但掺杂浓度可以不同。
33.请继续参阅图1，所述硅基电光调制器还包括两个电极7，第一个电极7连接所述p型重掺杂区5，第二个电极7连接所述n型重掺杂区6。两个电极7均可以用铝来制备，也可以使用不同金属来制备。
34.p型slab轻掺杂区3为平板区，用于连接pn结和p型重掺杂区5，直至电极7，起中间导流作用。n型slab轻掺杂区4为平板区，用于连接pn结和n型重掺杂区6，直至电极7，起中间导流作用。
35.请继续参阅图1，所述硅基电光调制器还包括硅基保护层8，其材质可以是绝缘的二氧化硅。所述p区1和n区2设置在所述硅基保护层8之中。所述第一个电极7远离所述p型重掺杂区5的一端裸露在所述硅基保护层8之外。所述第二个电极7远离所述n型重掺杂区6的一端裸露在所述硅基保护层8之外，以便于通过电极7对pn结施加偏压等调制作业。
36.如图1所示，所述p区1和所述n区2的截面均为l形，并且呈背靠背方式对接。请参考图1，长度方向为垂直于纸面方向，两个所述电极7为长度相等的长条形。所述p区1和n区2也为长度相等的长条形，形成等长的双臂结构。所述电极7的长度和所述p区1和n区2的长度相等。该调制器整体结构对称，空间利用率高，体积可以设置的较小。
37.由于在硅材料中，电子的迁移率为1350cm2/(vs)，而空穴的迁移率仅为480cm2/(vs)，电子的迁移率为空穴的2.8倍，因此，在实际的调制器设计中，可以设置p型slab区的掺杂浓度为n型slab区的2.8倍，则对于调制器而言，可以使两个电极7中等量的电子和空穴同时注入到pn结中，或者使pn结中的载流子同时输运到电极7中，pn结中p区1和n区2的载流子同时注入或者耗散，从而使电子和空穴的迁移达到匹配的效果，使得两种不同掺杂类型半导体的载流子迁移率的不同不会对器件的特性产生影响，增大带宽，减小光场的模式失真。
38.上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本发明，不能理解为是对本发明要求保护范围的限制；只要是根据本发明所揭示精神所作的任何等同变更或修饰，均落入本发明要求保护的范围。