硅基光调制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种硅基光调制器，至少包括：脊型波导，包括平板部和位于所述平板部中间，且高于所述平板部的凸条；所述脊型波导中包括第一轻掺杂区和第二轻掺杂区，第一轻掺杂区包括形成在凸条中间，且沿着所述凸条的延伸方向的纵向第一轻掺杂区和至少一个形成在所述凸条和所述平板部上，且与所述凸条相交的横向第一轻掺杂区；第二轻掺杂区和第一轻掺杂区的掺杂类型相反，且形成于第一轻掺杂区外侧的凸条和平板部中，以与第一轻掺杂区构成横向和纵向的PN结。本实用新型的技术方案中提供的硅基光调制器利用多个横向第一轻掺杂区与第二轻掺杂区、纵向第一轻掺杂区与第二轻掺杂区形成PN结，可以增加模场中耗尽区的面积，从而提高硅基光调制器的调制效率。
【专利说明】
硅基光调制器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种半导体【技术领域】，特别是涉及一种硅基光调制器。
【背景技术】
[0002]硅基光调制器是片上光逻辑、光互联和光处理器的核心器件之一，用于将射频电信号转化为高速光信号。它可以与激光器、探测器和其他波分复用器件构成一个完整的功能性网络。近年来，通过大量的技术手段，硅基调制器已经在多种硅基、混合硅基、兼容硅基材料上面实现，包括绝缘体上硅(SOI)材料、SOI与三五族化合物混合材料、应变硅材料等。其中，由于在SOI材料上制作的基于等离子体色散效应的硅基调制器其制造工艺与现有电子工业中使用的CMOS工艺可完全兼容，为低成本，大批量的生产提供了可能性，受到业界的广泛关注。
[0003]基于等离子体色散效应的硅基调制器分为三种，分别利用了经过离子注入后的SOI脊型波导中载流子的积聚、注入和耗尽效应。在这三种之中，工作于反偏电压下的耗尽型调制器被公认为是能够提供最快调制速率的解决方案之一。所述耗尽型调制器的工作原理为:在SOI脊型波导中形成PN结，所述PN结被施加反偏电压后，载流子会向两边移动，在PN结交界面上面形成一个耗尽区。由于硅材料的折射率与载流子浓度有关，所以在上述过程中，脊型波导的折射率会发生变化。如果将这样的SOI脊型波导做成马赫曾德尔干涉仪或者微环谐振器结构，那么折射率的变化会导致光谱发生变化。如果在所述PN结两端施加的是一个高速变化的电信号，那么光谱也会快速变化，特别是在工作波长处的光功率也发生了快速变化，实际上就发生了电信号到光信号的转变，完成了调制。
[0004]而现有技术中的硅基调制器的光电调制效率仍然不是很高，需要相应的技术来进行改进。
实用新型内容
[0005]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调制器，用于解决现有技术中提闻娃基调制器的光电调制效率的问题。
[0006]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光调制器，所述硅基调制器至少包括:
[0007]脊型波导，所述脊型波导包括平板部和位于所述平板部中间，且高于所述平板部的凸条；
[0008]所述脊型波导中包括第一轻掺杂区和第二轻掺杂区，所述第一轻掺杂区包括纵向第一轻掺杂区和至少一个横向第一轻掺杂区，所述纵向第一轻掺杂区形成在凸条中间，且沿着所述凸条的延伸方向，所述横向第一轻掺杂区形成在所述凸条和所述平板部上，且与所述凸条相交；所述第二轻掺杂区和所述第一轻掺杂区的掺杂类型相反，且形成于所述第一轻掺杂区外侧的凸条和平板部中，以与所述第一轻掺杂区构成横向和纵向的PN结。优选地，所述纵向第一轻掺杂区的宽度为10nm?250nm。
[0009]优选地，所述横向第一轻掺杂区的宽度为300nm?lOOOnm。
[0010]优选地，所述脊型波导中，所述平板区的高度为50nm?200nm，所述凸条的高度为220nm?340nm,所述凸条的宽度为300nm?700nm。
[0011]优选地，所述平板部中还包括第一重掺杂区和第二重掺杂区，所述第一重掺杂区形成于所述第二轻掺杂区的两外侧，所述第二重掺杂区形成于其中第一重掺杂区的外侧；所述横向第一轻掺杂区为多个并排的长条型区域，每一所述横向第一轻掺杂区穿过所述第一重掺杂区连接至所述第二重掺杂区；所述第一重掺杂区与所述第二轻掺杂区的掺杂类型相同；所述第二重掺杂区和所述第一轻掺杂区的掺杂类型相同；所述第一重掺杂区和第二重掺杂区中形成有金属电极，所述处于第一重掺杂区中的金属电极连接在一起，所述处于第二重掺杂区的金属电极连接在一起。
[0012]优选地，相邻两所述横向第一轻掺杂区的间距为300nm?700nm。
[0013]优选地，每两相邻的所述横向第一轻掺杂区之间的第一重掺杂区中形成有一金属电极。
[0014]优选地，所述横向第一轻掺杂区和所述第一重掺杂区、所述第一重掺杂区和第二重掺杂区之间还具有无掺杂区。
[0015]优选地，所述无掺杂区的宽度为I μ m。
[0016]优选地，所述第一重掺杂区与所述凸条的距离为Iym?2μπι。
[0017]优选地,与第二重掺杂区紧邻的所述第一重掺杂区的宽度为Ιμπι?10 μ m,另一所述第一重掺杂区和所述第二重掺杂区的宽度为I μ m?50 μ m。
[0018]优选地，所述第一轻掺杂区的掺杂类型为P型。
[0019]优选地，所述第一轻掺杂区中掺杂浓度为IX 117CnT3至5 X 1018cm_3，所述第二轻掺杂区中掺杂浓度为I X 1017cm_3至5X 1018cm_3,所述第一重掺杂区中掺杂浓度为lX1019cm_3至5X 102°cnT3,所述第二重掺杂区中掺杂浓度为IX 119CnT3至5X 102°cnT3。
[0020]如上所述，本实用新型的硅基光调制器，具有以下有益效果:
[0021]本实用新型的技术方案中提供的硅基光调制器利用多个横向第一轻掺杂区与第二轻掺杂区在脊型波导的模场传播方向同时形成多个PN结结构，利用纵向第一轻掺杂区与第二轻掺杂区在脊型波导的凸条中形成两个背靠背的PN结结构，工作时候可以形成两个耗尽区，增加了模场中耗尽区的面积，从而提高了硅基光调制器的调制效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1和图2显示为本实用新型提供的硅基光调制器的结构示意图。
[0023]元件标号说明
[0024]400脊型波导
[0025]50平板部
[0026]70凸条
[0027]Hl高度
[0028]H2高度
[0029]LI宽度
[0030]L2宽度
[0031]Kl宽度
[0032]K2宽度
[0033]Κ3宽度
[0034]Wl宽度
[0035]W2间距
[0036]W3宽度
[0037]W4间距
[0038]W5宽度
[0039]W6宽度
[0040]100无掺杂区
[0041]111纵向第一轻掺杂区
[0042]112横向第一轻掺杂区
[0043]211,212第二轻掺杂区
[0044]221、222第一重掺杂区
[0045]123第二重掺杂区
[0046]300金属电极
【具体实施方式】
[0047]发明人发现，为了使一定电压情况下，光谱发生较多的位移(即硅基调制器有着较高的调制效率)，PN结分界面的位置很重要，一方面是由于相同浓度的电子和空穴对折射率的改变不一致，另一方面是脊型波导中模场在不同的位置处的强度并不均匀。对于提高调制器的调制效率尤为重要，也是业内关注的重点。
[0048]而传统的PN结设计包括三种，分别在水平、竖直和模场传播方向形成PN结。对于水平PN结来说，制作工艺较为复杂；对于竖直PN结来说，需要很大的对准精度，虽然通过优化可以使耗尽区位于模场最大处，但是耗尽区的宽度一般只有10nm左右，对于整体宽度一般为500nm的脊型波导来说，仍会有很多模场没有与耗尽区重合；而对于在模场传播方向的PN结虽然具有较大的工艺容差，但是周期性的排列使它忽略了周期内部单一掺杂浓度波导的模场。因此提高耗尽区与模场的接触面，对于提高调制器的调制效率尤为重要。
[0049]以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。
[0050]请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
[0051]如图1所示，本实用新型提供了一种硅基调制器，所述硅基调制器至少包括:
[0052]脊型波导400，所述脊型波导400包括平板部50和位于所述平板部50中间，且高于所述平板部50的凸条70。
[0053]本实施例中，所述脊型波导400形成在SOI衬底的顶层硅中(未图示)，所述脊型波导400周围还被其它的低折射率材料包围。具体可以为，所述脊型波导400的下面为SOI衬底的埋氧层，所述脊型波导400的上面为二氧化硅包层。
[0054]本实施例中的脊型波导400中，由于所述脊型波导400的材质为硅，下面或者上面包围所述脊型波导400的材质为二氧化硅。硅折射率比二氧化硅的折射率大，所以，在工作的时候，需要传输的电磁波(光)就沿着所述脊型波导400中凸条70的延伸方向传播。确定了所述脊型波导中各部分的尺寸，根据麦克斯韦方程组、边界条件还有光波导具体的尺寸，可以解出可以在所述脊型波导400中传播的电磁波(光)电磁场的具体情况(包括电场和磁场强度，方向，速度，衰减等)。
[0055]具体的，本实施例中，平板部50的高度Hl为50nm?200nm，所述脊型波导400的高度(所述凸条70的高度)H2为220nm?340nm，所述凸条70的宽度LI为300nm?700nm，所述波导宽度L2为450nm?600nm。
[0056]另外，在所述脊型波导400中还形成多个掺杂区。所述掺杂区通过多次离子注入形成。具体的，所述脊型波导400中包括第一轻掺杂区111、112和第二轻掺杂区211、212，所述第一轻掺杂区包括纵向第一轻掺杂区111和至少一个横向第一轻掺杂区112，所述纵向第一轻掺杂区111形成在凸条70中间，且沿着所述凸条70的延伸方向，所述横向第一轻掺杂区112形成在所述凸条70和所述平板部50上，且与所述凸条70相交；所述第二轻掺杂区211和所述第一轻掺杂区111、112的掺杂类型相反，且形成于所述第一轻掺杂区111、112外侧的凸条70和平板部50中，以与所述第一轻掺杂区111、112构成横向和纵向的PN结。
[0057]本实施例中，所述硅基调制器的原理为:PN结两端的电压改变会引起PN结的耗尽区宽度的改变，而PN结的耗尽区宽度的改变可以引起波导的折射率分布改变，波导的折射率分布改变可以引起其中电磁波的模场改变，进而导致传播的电磁波发生改变，从而实现了调制器的电光调制的功能。
[0058]其中，电磁波的模场是指在所述脊型波导400中，传播的电磁波(光)电磁场强度的空间分布。
[0059]本实施例中，多个横向第一轻掺杂区112与第二轻掺杂区211、212在脊型波导400的模场传播方向同时形成多个PN结结构，提高了硅基光调制器的调制效率。
[0060]本实施例中，纵向第一轻掺杂区111与第二轻掺杂区211、212在脊型波导400中形成两个背靠背的PN结结构，工作时候可以形成两个耗尽区。工作中，两个PN结结构的耗尽区的面积将大于普通PN结设计的耗尽区面积，提高了调制效率。
[0061]另外，纵向第一轻掺杂区111与第二轻掺杂区211、212形成的两个PN结来达到解决离子注入对准误差的问题，提高了硅基光调制器的调制效率。具体的，本实施例中，所述第一轻掺杂区111、112的掺杂类型为P型，即所述纵向第一轻掺杂区111与所述第二轻掺杂区211、212在凸条70中形成了掺杂形式为NPN的结构，包括了两个PN结，在工作时可以形成两个耗尽区。这样的话，如果离子注入对准偏左的话，右侧的PN结比较靠近最优值的地方；如果离子注入偏右的话，左侧的PN结会弥补。所以利用两个PN结来达到解决离子注入对准误差的问题。
[0062]所述平板部50中还包括第一重掺杂区221、222和第二重掺杂区123，其中，所述第一重掺杂区221、222分别形成于所述第二轻掺杂区211、212的两外侧，其中一第一重掺杂区222的外侧形成有第二重掺杂区123 ;所述横向第一轻掺杂区112为至少一个并排的长条型区域，每一所述横向第一轻掺杂区112穿过所述第一重掺杂区222连接至所述第二重掺杂区123 ;所述第一重掺杂区221、222与所述第二轻掺杂区211、212的掺杂类型相同，即为N型。所述第二重掺杂区123的掺杂类型、第三轻掺杂区112和所述第一轻掺杂区111的掺杂类型相同，即为P型。
[0063]所述平板部50中还包括无掺杂区100，形成于所述横向第一轻掺杂区和所述第一重掺杂区、所述第一重掺杂区和第二重掺杂区之间，作用为用于隔离横向第一轻掺杂区112和第一重掺杂区221、222，以及隔离第一重掺杂区222和第二重掺杂区123。
[0064]另外,如图2所示,所述第一重掺杂区221、222和第二重掺杂区123中还形成有通孔(未标示)，所述通孔中填充有金属电极300，所述处于第一重掺杂区221、222中的金属电极300连接在一起，所述处于第二重掺杂区123的金属电极300连接在一起。
[0065]所述第一重掺杂区221、222和第二重掺杂区123中的重掺杂，以与其中的所述金属电极300形成欧姆接触。所述横向第一轻掺杂区112与所述第二重掺杂区123连接的作用为连接中间的纵向第一轻掺杂区111和掺杂类型相同的第二重掺杂区123，使得电流能够从第二重掺杂区123的金属电极300沿着横向第一轻掺杂区112流入纵向第一轻掺杂区111。
[0066]即如图1至2中所述各个掺杂区从左到右的情况具体为:
[0067]第一重掺杂区221为N重掺杂区,掺杂浓度I X 119CnT3至5X 102°cnT3,该区域放置通孔，用于连接金属电极300，本区域的金属电极300与第一重掺杂区222的金属电极300相连。第二轻掺杂区211为N轻掺杂区，掺杂浓度1父1017(^_3至5\1018(^_3，该区域无通孔。
[0068]第一轻掺杂区111为P轻掺杂区,掺杂浓度为I X 117CnT3至5X 118CnT3,该区域无通孔。
[0069]第二轻掺杂区212为N轻掺杂区,掺杂浓度I X 117CnT3至5X 118CnT3,该区域无通孔。
[0070]第一重掺杂区222为N重掺杂区,掺杂浓度为I X 119CnT3至5X 102°cnT3,该区域有通孔，用于连接金属电极300,本区域的金属电极300与第一重掺杂区221的金属电极300相连。
[0071]无掺杂区100,作用为用于隔离横向第一轻掺杂区112和第一重掺杂区221、222，以及隔离第一重掺杂区222和第二重掺杂区123。
[0072]第二重掺杂区123为P重掺杂区,掺杂浓度为I X 119CnT3至5X 102°cnT3,该区域有通孔，用于连接金属电极300。
[0073]具体的，本实施例中，所述纵向第一轻掺杂区111和所述第二轻掺杂区211、212以与所述凸条70的延伸方向平行的所述凸条的中线成轴对称。所述第一轻掺杂区111在中间，需要比较宽，原因是所述第一轻掺杂区111和所述第二轻掺杂区211、212的两个分界面都要形成耗尽区，太近的话，两个耗尽区会重叠。另外由于现有技术工艺的局限，纵向300nm?700nm。第一轻掺杂区111的宽度W3会大于150nm。所述横向第一轻掺杂区111的宽度Kl为300nm?100nm0
[0074]相邻两所述横向第一轻掺杂区的间距K2为300nm?700nm。所述无掺杂区的宽度K3 (或者 W6)为 I μ m。
[0075]本实施例中，所述第一重掺杂区221、222与所述凸条70相对的两边界的间距W2、W4为I μ m?2 μ m。这是由于金属电极300形成在第一重掺杂区221、222和第二重掺杂区123中，所以第一重掺杂区221、222要离脊型波导中间远一些，不然金属电极300的电场会破坏光波导中的光场。
[0076]本实施例中，与所述第二重掺杂区123紧邻的所述第一重掺杂区222的宽度W5为I μ m?10 μ m,另一所述第一重掺杂区221的宽度Wl为I μ m?50 μ m,所述第二重掺杂区123的宽度W7为Ιμπι?50μπι。这是由于第一重掺杂区221和第二重掺杂区123都有电极，所以第一重掺杂区221和第二重掺杂区123需要比较宽，以优化金属电极300，保证电信号的低损耗传输。
[0077]另外，当驱动调制器工作的电信号是低频时，波长远比调制器尺寸要大，因此可以使用集总电极。但是当电信号频率超过1GHz时，即为微波信号，因为微波信号波长接近于电极长度，所以必须需要使用行波电极。本实施例中，设置所述金属电极300的厚度为0.5 μ m?3 μ m，两个金属电极300之间的间距为2 μ m?20 μ m,金属电极300的宽度为5 μ m ?500 μ m。
[0078]综上所述，本实用新型的技术方案中提供的硅基光调制器利用多个横向第一轻掺杂区与第二轻掺杂区在脊型波导的模场传播方向同时形成多个PN结结构，利用纵向第一轻掺杂区与第二轻掺杂区在脊型波导的凸条中形成两个背靠背的PN结结构，工作时候可以形成两个耗尽区，增加了模场中耗尽区的面积，从而提高了硅基光调制器的调制效率。
[0079]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。
[0080]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。
【权利要求】
1.一种硅基光调制器，其特征在于，所述硅基调制器至少包括: 脊型波导，所述脊型波导包括平板部和位于所述平板部中间，且高于所述平板部的凸条; 所述脊型波导中包括第一轻掺杂区和第二轻掺杂区，所述第一轻掺杂区包括纵向第一轻掺杂区和至少一个横向第一轻掺杂区，所述纵向第一轻掺杂区形成在凸条中间，且沿着所述凸条的延伸方向，所述横向第一轻掺杂区形成在所述凸条和所述平板部上，且与所述凸条相交；所述第二轻掺杂区和所述第一轻掺杂区的掺杂类型相反，且形成于所述第一轻掺杂区外侧的凸条和平板部中，以与所述第一轻掺杂区构成横向和纵向的PN结。
2.根据权利要求1所述的硅基光调制器，其特征在于:所述纵向第一轻掺杂区的宽度为 10nm ?250nm。
3.根据权利要求1所述的硅基光调制器，其特征在于:所述横向第一轻掺杂区的宽度为 300nm ?lOOOnm。
4.根据权利要求1所述的硅基光调制器，其特征在于:所述脊型波导中，所述平板区的高度为50nm?200nm,所述凸条的高度为220nm?340nm,所述凸条的宽度为300nm?700nm。
5.根据权利要求1所述的硅基光调制器，其特征在于:所述平板部中还包括第一重掺杂区和第二重掺杂区，所述第一重掺杂区形成于所述第二轻掺杂区的两外侧，所述第二重掺杂区形成于其中一重掺杂区的外侧；所述横向第一轻掺杂区为多个并排的长条型区域，每一所述横向第一轻掺杂区穿过所述第一重掺杂区连接至所述第二重掺杂区；所述第一重掺杂区与所述第二轻掺杂区的掺杂类型相同；所述第二重掺杂区和所述第一轻掺杂区的掺杂类型相同；所述第一重掺杂区和第二重掺杂区中形成有金属电极，所述处于第一重掺杂区中的金属电极连接在一起，所述处于第二重掺杂区的金属电极连接在一起。
6.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于:相邻两所述横向第一轻掺杂区的间距为300nm?700nm。
7.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于:每两相邻的所述横向第一轻掺杂区之间的第一重掺杂区中形成有一金属电极。
8.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于:所述横向第一轻掺杂区和所述第一重掺杂区、所述第一重掺杂区和第二重掺杂区之间还具有无掺杂区。
9.根据权利要求8所述的硅基光调制器，其特征在于:所述无掺杂区的宽度为Iμ m。
10.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于:所述第一重掺杂区与所述凸条的距离为I μ m?2 μ m。
11.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于:与第二重掺杂区紧邻的所述第一重掺杂区的宽度为I μ m?10 μ m,另一所述第一重掺杂区和所述第二重掺杂区的宽度为I μ m ?50 μ m0
12.根据权利要求5所述的硅基光调制器，其特征在于:所述第一轻掺杂区的掺杂类型为P型。
13.根据权利要求12所述的硅基光调制器，其特征在于:所述第一轻掺杂区中掺杂浓度为I X 117CnT3至5X 118CnT3,所述第二轻掺杂区中掺杂浓度为I X 117CnT3至5X 118CnT3,所述第一重掺杂区中掺杂浓度为I X 119CnT3至5 X 120Cm-3,所述第二重掺杂区中掺杂浓度
为 I X 1019cm 3 至 5 X 1020cm 3。
【文档编号】G02F1/025GK204155033SQ201420660354
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】汪敬, 甘甫烷, 盛振, 武爱民, 仇超, 王曦, 邹世昌 申请人:江苏尚飞光电科技有限公司, 中科院南通光电工程中心, 中国科学院上海微系统与信息技术研究所