[发明专利]一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构

说明书

技术领域

本发明涉及光通信领域的硅基电光调制器，具体涉及一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构。

背景技术

在光通信系统中，可调谐硅基光波导是光关键部件，可以用在光调制器、光开关、路由器、可调光衰减器以及波长可调谐滤波器和激光器等有源光核心器件中。其中，可调谐硅基光波导的高速光调制功能通常基于高速硅基电光效应。

纯净非应变的硅单晶是一种中心反演对称的晶体，所以该硅单晶不存在线性电光效应(Pockels效应)，而硅的二阶电光效应(Kerr效应)和弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldish)效应也极其微弱；即使施加10⁵V/cm的电场，产生的折射率改变仍小于10^-5，利用Kerr效应和Franz–Keldysh效应来实现电光调制并不现实。

在硅材料中，最有效的电光效应就是等离子体色散效应，目前，商用化的硅基电光调制器主要通过等离子体色散效应实现。1987年，Soref等人利用克拉莫-克若尼(Kramers-Kronig)关系得出了单晶硅中等离子体色散效应的近似表达式，对于1.31μm波长的光信号，等离子体色散效应表达式为：

对于1.55μm波长的光，等离子色散关系表达式为：

其中Δn和Δα分别为自由载流子浓度变化引起的折射率和吸收系数的变化，ΔN_e和ΔN_h分别为电子和空穴浓度的变化量，单位为cm^-3。实际上，光信号的有效折射率变化Δn_eff还与光场分布相关，其表达式为：

Δn_eff＝∫∫|E(x,y)|²·Δn(x,y)dxdy (3)

其中，│E│²为光波导中光场的归一化强度分布，由表达式(3)可知，有效折射率Δn_eff的大小还取决于光场与载流子浓度变化区的重叠积分。

目前，由于PN结结构的理论调谐速度可达数ps，且加工工艺相对简单，完全与标准CMOS工艺兼容，因而PN结结构成为硅基调制器的最常用结构。基于PN结的硅基调制器是通过在PN结上加载反向偏压，调控PN结界面处的自由空间电荷区的宽度，来达到改变光波导中心处载流子浓度的目的。然而，当PN结的掺杂浓度处于10¹⁷～10¹⁸cm^-3范围时，自由空间电荷区的宽度仅为100nm左右；而普通硅基光波导的宽度约为500nm，光场和自由空间电荷区的这种巨大尺寸失配导致基于反向PN结的硅基调制器的调制效率低下。

前期研究表明，利用插指型的PN结结构可以有效提升调制效率，并能降低对PN结定位精度的要求，但是此结构与普通PN结相比，结界面长度更长，单位长度的电容更大，严重牺牲了器件的调制速率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服基于PN结结构的硅基电光调谐器件难以兼顾调制效率和调制速率的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种提高硅基电光调谐器件的效率和带宽的掺杂结构，所述掺杂结构集成在一个有源硅基脊型光波导上，其外脊区高度低于内脊区高度，所述掺杂结构包括：

P+型掺杂区域，设置在一侧外脊区靠边缘部分，并与其上方金属进行欧姆接触；

P型掺杂区域，设置在与P+型掺杂区域相接的外脊区，并延至内脊区上；

N+型掺杂区域，设置另一侧外脊区靠边缘部分，并与其上方金属进行欧姆接触；

N型掺杂区域，设置在与N+型掺杂区域相接的外脊区，并延至内脊区上，在内脊区与P型掺杂区域插指互补；

准I型掺杂区域，设置在P型掺杂区域和N型掺杂区域之间，与P型掺杂区域和N型掺杂区域形成准PIN结。

在上述掺杂结构中，所述有源硅基脊型光波导的内脊区高度在300nm～600nm之间。

在上述掺杂结构中，

所述P+型掺杂区域和N+型掺杂区域的掺杂浓度为10¹⁹～10²¹cm^-3；

所述P型掺杂区域和N型掺杂区域的掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁸cm^-3；