一种不等比例横向垂直三维掺杂硅基耗尽型电光调制器及其制备方法

本发明属于高速信号调制，特别涉及一种不等比例横向垂直三维掺杂硅基耗尽型电光调制器及其制备方法。

背景技术：

1、在通信技术领域，先进的信号调制技术是实现大规模高速数据传输的关键，对于提升通信效率具有至关重要的作用。传统的集成电路正面临速度限制和高功耗等挑战。为了克服这些问题，电光调制技术应运而生，电光调制技术是一种利用光信号进行数据传输的技术，它凭借其宽带宽、低信号损耗和节能等特点，成为大数据时代的理想选择。硅基电光调制器是电光调制技术的一种实现方式，它通常采用耗尽型结构，利用等离子体色散效应来实现光信号的调制。硅基电光调制器与现有的硅集成电路工艺兼容，这意味着它们可以轻松地集成到现有的电子设备中。这种兼容性为高度集成化铺平了道路，这对于实现多信道、高数据率的并行传输至关重要。通过施加电压来改变载流子浓度，硅基电光调制器可以影响光波在调制器内的传输特性，从而实现光信号的调制。

2、硅基耗尽型电光调制器通常采用图1中展示的脊波导结构。这种调制器通常采用脊波导结构，该结构通过在脊波导区域进行p型和n型掺杂，形成pn结。通过对n区施加正向电压，可以使pn结处于反偏状态，导致耗尽区宽度增加。这种变化使得在脊波导中传播的光模场与耗尽区的重叠区域发生改变，进而引起有效折射率和衰减系数的变化，从而实现对光信号的电光调制。

3、硅基耗尽型电光调制器在实现高速光通信方面具有显著优势，但同时也面临一些技术挑战。首先，虽然这类调制器的功耗较低，但在高速调制时，功耗会随速率增加而上升。其次，调制带宽受限于载流子寿命和器件电容，可能在高速应用中引起信号失真。插入损耗是另一个问题，需要优化设计以减少损耗。此外，高驱动电压需求也对电源管理提出了额外的挑战。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种不等比例横向垂直三维掺杂硅基耗尽型电光调制器及其制备方法，通过构造横向pn结-垂直pn结的不等比例三维掺杂结构，实现了高效调制的硅基耗尽型调制器，这种调制器在低压下具有高带宽的优势，可实现低功耗大规模数据传输，具有良好的市场应用前景。

2、本发明提供了一种不等比例横向垂直三维掺杂硅基耗尽型电光调制器，所述电光调制器在光传播方向上设有单个周期波导，所述波导中央设置有脊波导，所述脊波导在光传播方向上设有第一轻掺杂区和第二轻掺杂区；所述第一轻掺杂区和第二轻掺杂区在单个周期内的占比不同且由不同的掺杂分布组成；所述第一轻掺杂区的横向pn结与第二轻掺杂区的垂直pn结在第一轻掺杂区和第二轻掺杂区的交界面形成一个三维pn结；所述第一轻掺杂区和第二轻掺杂区在光传播方向上占脊波导的比例不相同。

3、进一步的，所述脊波导两侧设置有p型中等掺杂区和n型中等掺杂区，形成阱区。

4、进一步的，所述p型中等掺杂区的相对脊波导的外侧设置有p型重掺杂区，所述n型中等掺杂区相对脊波导的外侧设置有n型重掺杂区，形成欧姆接触区。

5、进一步的，所述欧姆接触区上设置阳极和阴极。

6、进一步的，所述电光调制器的底层均为硅层。

7、进一步的，所述第一轻掺杂区和第二轻掺杂区的掺杂浓度为1e17～2e18/cm3。所述p型中等掺杂区和n型中等掺杂区的掺杂浓度为1e18～1e19/cm3。所述p型重掺杂区和n型重掺杂区的掺杂浓度为1e20～1e21/cm3。

8、当阴极施加正电压时，脊波导区域内的横向pn结和垂直pn结都会发生反偏，同时交界面的三维pn结也会反偏，向三个方向拓展耗尽区，增加了光场与耗尽区的重叠。这种设计在波导的横截面和光传播方向都发生了耗尽区的展宽，实现对光的调制，因此极大提高调制效率，更宽的耗尽区也实现更低的载流子吸收损耗，同时这种设计的三维pn结不会占据整个波导截面而是集中在波导中心，在保证调制效率的情况下避免传播方向上的大电容，且电流通路不局限于脊波导横截面内，传播方向上一样可以提供电流，保证偏压施加到pn结上，因此垂直pn结的设计可以专注于提高调制效率。此外两种掺杂部分采用不同的周期占比，由此可以使高调制效率的部分增加占比尽可能发挥自身优势，同时另一部分占比较小用于保证电路导通性，避免大电阻电容。

9、本发明还提供了一种不等比例横向垂直三维掺杂硅基耗尽型电光调制器的制备方法，包括如下步骤：

10、对耗尽型电光调制器的硅层进行离子注入，实现轻掺杂区、中等掺杂区和重掺杂区，其中所述第一轻掺杂区的横向pn结通过两道p型注入和两道n型注入构成，所述第二轻掺杂区的垂直pn结通过两道p型注入和两道n型注入构成；所述中等掺杂区通过p型和n型的中等掺杂注入构成，形成阱区；所述重掺杂区通过p型重掺杂和n型重掺杂注入构成，形成欧姆接触区；快速退火，并沉积形成电极，分别与重掺杂区中的p型重掺杂区和n型重掺杂区相连，完成金属层制作。

11、有益效果

12、本发明通过构造横向pn结-垂直pn结的不等比例三维掺杂结构，实现了高效调制的硅基耗尽型调制器，这种调制器在低压下具有高带宽的优势，可实现低功耗大规模数据传输，具有良好的市场应用前景。

技术特征：

1.一种不等比例横向垂直三维掺杂硅基耗尽型电光调制器，所述电光调制器在光传播方向上设有单个周期波导，其特征在于：所述波导中央设置有脊波导，所述脊波导在光传播方向上设有第一轻掺杂区(1)和第二轻掺杂区(2)；所述第一轻掺杂区(1)的横向pn结与第二轻掺杂区(2)的垂直pn结在第一轻掺杂区(1)和第二轻掺杂区(2)的交界面形成一个三维pn结；所述第一轻掺杂区(1)和第二轻掺杂区(2)在光传播方向上占脊波导的比例不相同。

2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于：所述脊波导两侧设置有p型中等掺杂区(3)和n型中等掺杂区(4)，形成阱区。

3.根据权利要求2所述的电光调制器，其特征在于：所述p型中等掺杂区(3)的相对脊波导的外侧设置有p型重掺杂区(5)，所述n型中等掺杂区(4)相对脊波导的外侧设置有n型重掺杂区(6)，形成欧姆接触区。

4.根据权利要求3所述的电光调制器，其特征在于：所述欧姆接触区上设置阳极和阴极。

5.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于：所述电光调制器的底层均为硅层。

6.一种不等比例横向垂直三维掺杂硅基耗尽型电光调制器的制备方法，包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及一种不等比例横向垂直三维掺杂硅基耗尽型电光调制器及其制备方法，所述电光调制器在光传播方向上设有单个周期波导，所述波导中央设置有脊波导，所述脊波导在光传播方向上设有第一轻掺杂区(1)和第二轻掺杂区(2)；所述第一轻掺杂区(1)的横向PN结与第二轻掺杂区(2)的垂直PN结在第一轻掺杂区(1)和第二轻掺杂区(2)的交界面形成一个三维PN结；所述第一轻掺杂区(1)和第二轻掺杂区(2)在光传播方向上占脊波导的比例不相同。本发明通过构造横向PN结‑垂直PN结的不等比例三维掺杂结构，实现了高效调制的硅基耗尽型调制器，这种调制器在低压下具有高带宽的优势，可实现低功耗大规模数据传输，具有良好的市场应用前景。

技术研发人员：朱子健,赵瑛璇,甘甫烷
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/7/9