[发明专利]一种掺杂结构及其制作方法、电光调制器

说明书

一种掺杂结构及其制作方法、电光调制器，用于解决现有电光调制器使用的掺杂结构中，光模场所在区域中没有与载流子耗散区重合的区域，会带来额外的吸收损耗的问题。掺杂结构包括第一掺杂区域(101)、第二掺杂区域(102)、第三掺杂区域(103)和第四掺杂区域(104)；其中，第一掺杂区域(101)与第二掺杂区域(102)邻接；第二掺杂区域(102)与第三掺杂区域(103)邻接以形成PN结耗散区(106)；第三掺杂区域(103)与第四掺杂区域(104)邻接；PN结耗散区(106)包括多个依次排列的U型结构，且相邻的U型结构的开口方向相反；其中，至少一个U型结构内包括无掺杂的本征区(105)。由于无掺杂的本征区(105)的存在，使得光波通过该PN结耗散区(106)之外的掺杂区域的距离很短，大大降低了吸收损耗。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种掺杂结构及其制作方法、以及应用该掺杂结构的电光调制器。

背景技术

电光调制在光互连及光通信系统中发挥着不可替代的作用，电光调制器是实现电光信号转换的关键器件。传统电光调制的实现是通过外加电场的作用，使晶体的折射率发生了变化，而由此产生的效应被称为电光效应。当晶体折射率的改变与所加电场成正比时，即电场的一次项，这种电光效应称为线性电光效应，也称为Pokels效应，线性电光效应一般发生于无对称中心的晶体中。铌酸锂调制器正是基于线性电光效应实现电光调制的典型代表。

近年来，为了解决电子互连的带宽瓶颈，光互连逐渐替代电子线路来实现芯片间及芯片内部的信号传递。可集成在互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)芯片上的光子链路成为未来的研究方向。而作为光子链路中的重要组成部分，可集成的电光调制器越来越受到关注。硅基电光调制器具有尺寸小、成本低、与传统CMOS工艺兼容等特点，被广泛研究。由于硅是中心反演对称晶体，没有Pokels效应，高阶电光效应也很弱，因此只能通过其他效应实现电光调制。热光效应是早期采用的一种电光调制方法，其利用硅热光系数大的特点，通过外加热电极改变硅基波导(waveguide)的温度，从而导致等效折射率的变化，实现电光信号的转换。然而，该方式的调制速度受限于热扩散的速率，响应时间仅能达到亚微妙量级。

近年来，高速硅基电光调制器往往利用自由载流子色散效应。当外加电信号时，硅材料中自由载流子浓度的改变将导致硅材料折射率的变化，从而改变光在波导中的传输特性，再通过一定的光学结构，如马赫曾德干涉仪(MZI)或者微环谐振腔等，实现电光调制。目前，利用自由载流子色散效应的主要有三种结构，分别为基于外加正偏电压的载流子注入型P-I-N结构、基于载流子聚积效应的MOS电容结构、以及基于外加反偏电压的载流子耗散型P-N(Positive-Negative)结构。

以载流子注入型P-I-N结构为例，载流子注入型P-I-N结构基于绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)平台的波导区，该波导区采用脊形结构，在波导中的脊形区两侧的平台(slab)区掺杂P型离子和N型离子，中间脊形区为I区(即硅基)，如图1所示，其中，斜线阴影区表示最终形成的U型PN结耗散区，在外加正向偏置电压的作用下，载流子(即电子和空穴)从平台区注入到脊形区，从而引起波导有效折射率的改变。随着电压的增大，U型PN结的耗散区变宽，导致光模场内的载流子浓度降低。通过控制外加电压信号的变化可以控制波导有效折射率的改变，实现电光调制。但是，从图1中可以看出，波导的脊形区中，光模场所在区域中没有与载流子耗散区重合的区域，会带来额外的吸收损耗，限制了电光调制器的调制效率的提升。

综上所述，现有电光调制器使用的掺杂结构中，光模场所在区域中没有与载流子耗散区重合的区域，会带来额外的吸收损耗，限制了电光调制器的调制效率的提升。

发明内容

本发明实施例提供了一种掺杂结构及其制作方法、电光调制器，用于解决现有电光调制器使用的掺杂结构中，光模场所在区域中没有与载流子耗散区重合的区域，会带来额外的吸收损耗的问题。