垂直PN硅调制器制造技术

一种硅波导(110)，包括波导芯(118)，其包括第一正掺杂区域(111)，该区域也称为P1区域，第一正掺杂(P1)区域垂直地邻近于第二正掺杂区域(112)，该区域也称为P2区域。P2区域(112)比P1区域(111)更重的正掺杂。第一负掺杂区域(114)，该区域也称为N1区域，垂直地邻近于第二负掺杂区域(113)，该区域也被称为N2区域。N2区域(113)比N1区域(114)更重的负掺杂。垂直邻近定位N2区域(113)和P2区域(112)以形成正‑负(PN)结。N1区域(114)、N2区域(113)、P1区域(111)以及P2区域(112)定位为垂直的PN结并且用于，当施加电压降穿过N1区域(114)、N2区域(113)、P1区域(111)以及P2区域(112)时，完全地耗尽P2区域(112)的正离子并且完全地耗尽N2区域(113)的负离子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】垂直PN硅调制器相关申请的交叉引用本申请要求于2015年04月07日提交的申请号为14/680,823并且名称为“垂直PN硅调制器”的美国非临时专利申请的优先权，其全部内容在此通过引用如同复制一样并入本文。关于联邦资助的研究或开发的声明不适用。参考缩微胶片附录不适用。
技术介绍
硅光子器件是采用硅作为用于在光学和/或电光学系统中传输光波的光学介质的部件。硅调制器被用来选择性改变这些光波的相位以生成光学信号。例如，通过在波导上选择性生成电压降，可以选择性改变波导的折射率。可以利用折射率的选择性改变来改变光线的相位(例如，增加和/或降低载波的速度)以将信号调制到波上。硅调制器与多个设计约束条件相关联。例如，可以采用掺杂来生成调制器。重掺杂可以导致调制器上的电阻的降低，从而可以导致更高的调制效率。例如，重掺杂可以允许调制器功率高效，开关状态快速，并且在小的区域中实施。重掺杂也可以导致光学损耗，光学损耗导致较低功率(例如，调光器)光学信号，从而降低了调制器用来生成有用光学信号的能力。根据这些约束，使用特定的掺杂方案来获得特定的结果。
技术实现思路
在一个实施例中，本公开包括一种光调制器，其包括硅波导，硅波导包括波导芯，包括第一正掺杂(P1)区域，第一正掺杂(P1)区域垂直地邻近于第二正掺杂(P2)区域，使得P2区域比P1区域更重的正掺杂，以及第一负掺杂(N1)区域垂直地邻近于第二负掺杂(N2)区域，使得N2区域比N1区域更重的负掺杂，其中，垂直邻近定位的N2区域和P2区域形成正-负(PN)结，至少一个阴极，以及至少一个阳极，阳极经由PN结选择性地电连接至波导芯的阴极，使得在阴极和阳极之间施加的电压降通过改变波导芯的折射率来调制通过PN结的光学载流子。其中，P2区域小于P1区域并且N2区域小于P2区域，使得对于折射率的变化，P2和N2区域具有比P1和N1区域更大的影响，并且使得对于光学载流子的光学损耗，P1和N1区域具有比P2和N2区域更小的影响。在另一个实施例中，本公开包括硅波导，包括波导芯，波导芯包括P1区域，P1区域垂直地邻近于P2区域，使得P2区域比P1区域更重的正掺杂；以及N1区域，N1区域垂直地邻近于N2区域，使得N2区域比N1区域更重的负掺杂，其中，垂直地邻近定位N2区域和P2区域形成PN结，其中，N1区域、N2区域、P1区域以及P2区域定位为垂直的PN结并且用于当在对N1区域、N2区域、P1区域以及P2区域施加电压降时，完全地耗尽P2区域的正离子并且完全地耗尽N2区域的负离子。在另一个实施例中，本公开包括一种光调制器，其制备工艺包括：表面掺杂硅晶圆的N1区域以生成垂直邻近的N2区域，使得N2区域比N1区域更重的负掺杂；以及通过原位掺杂生长来生长P1区域和在N2区域上垂直邻近的P2区域，使得P2区域比P1区域更重的正掺杂并且使得P2区域和N2区域形成垂直PN结的耗尽区。结合附图和权利要求，将从下面的详细描述中更清楚地理解这些以及其他特征。附图说明为了更完整地了解本公开，现在结合附图和详细描述进行下述简要说明，其中相同的附图标记表示相同的部分。图1是具有垂直PN结的光调制器的一实施例的示意图。图2是不具有电压降的光调制器的一实施例的示意图。图3是具有电压降的光调制器的一实施例的示意图。图4是通过光调制器的一实施例进行光学传输的示意图。图5是光调制器的一实施例的电压对电容的曲线图。图6是用于光调制器的一实施例的π(Pi)相移电压长度(VpiL)的曲线图。图7是用于光调制器的一实施例的Pi相移电压光学损耗(VpiLoss)的曲线图。图8是用于光调制器的一实施例的Pi相移电压电容(VpiC)的曲线图。图9是用于光调制器的一实施例的调制速度的曲线图。图10示出了光调制器的一实施例的掺杂轮廓。图11示出了在光调制器中的PN结的一实施例的掺杂分布。图12示出了用于光调制器的一实施例的制备工艺。图13是具有垂直PN结的光调制器的第二实施例的示意图。图14是具有垂直PN结和水平PN结的光调制器的第三实施例的示意图。图15是通过光调制器的第三实施例进行光学传输的示意图。图16是具有垂直PN结的光调制器的第四实施例的示意图。图17是通过光调制器的第四实施例进行光学传输的示意图。图18是具有垂直PN结的光调制器的第五实施例的示意图。图19是具有垂直PN结的光调制器的第六实施例的示意图。图20是具有垂直PN结的光调制器的第七实施例的示意图。图21是具有垂直PN结的光调制器的第八实施例的示意图。具体实施方式首先，应该明白，虽然下文提供了一个或者多个实施例的示意性实施方式，所公开的系统和/或方法可以使用现在已知或者存在的其他任何数量的技术实施。本公开绝不应限于下面示出的实施方式、附图以及技术，包括本文示出和描述的示例性设计和实施方式，但是可以在所附权利要求的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。可以通过正(P)掺杂波导芯的一些部分同时负(N)掺杂其他部分来生成硅调制器。P区域与N区域的结合处称为PN结。耗尽模式PN调制器通过耗尽在PN结处的电荷的操作来改变波导的光学模式的折射率。光学模式是波导的一部分，承载特定光波。通过耗尽电荷，例如通过施加电压，折射率增加并且载流子浓度降低，从而导致较慢的光波通过光学模式。当去除电压时，折射率降低并且载流子浓度增加，从而允许光更快速地移动通过光学模式。重P和N掺杂允许将电荷耗尽快速发生并且降低电阻，但是导致光学损耗。基于自由载流子等离子体效应，执行光学信号穿过硅调制器的调制。当施加至PN结时，基于自由载流子等离子体效应的耗尽层宽度(w)可以描述为：其中，w是耗尽层宽度(或者高度)，ε是波导110的介电常数，q是电荷，V是施加电压，是与波导相关联的内建电位，并且ND和NA是电子给体和受主浓度。耗尽层宽度和折射率基于施加电压的改变而改变。当光波导模式(本文也称为波导芯)与耗尽区重叠时，模式指标被调制。耗尽区是当对PN结施加电压时所有自由离子被耗尽的区域。在耗尽区和光学模式之间的更多重叠导致更高的调制效率。对于示例性硅波导，当横电波(TE)模式的波导宽度大于高度时，模式宽度大于模式高度。例如，对于具有450纳米(nm)宽度和220nm高度的硅波导，TE模式宽度是大约1.9微米(μm)而模式高度仅大约0.5μm。对于PN结，取决于掺杂水平和施加的反向电压，耗尽宽度从数十纳米至100到200nm。对于横向PN结调制器，在耗尽和波导模式之间的重叠小得多。然而，在当PN结处于垂直方向时，在耗尽区和光学模式之间的重叠大得多，从而导致用于垂直PN调制器的调制效率高于用于横向PN调制器的调制效率。本文公开的垂直PN结在波导芯的中心处采用小区域的重P和N掺杂，同时对波导芯的其余部分采用较大的区域的较轻的P和N掺杂。在光学模式的中心处的重P和N掺杂在调制效率上具有正效应，但由于面积小，从而对光学损耗没有显著作用。大面积的轻P和N掺杂允许用于具有低电阻和高调制效率的大/宽PN结(例如，小功率需求、快速状态切换以及短结合长度需求)，同时由于轻掺杂处于较大轻P和N掺杂区域中，从而保持了较低的光学损耗。由于在多层制造工艺期间，重掺杂P部分放置在重掺杂N部分上方(或者下方)，垂直PN结可以被认为是垂直的。可以通过原位生长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光调制器，包括：硅波导，所述硅波导包括波导芯，所述波导芯包括：第一正掺杂(P1)区域，垂直地邻近于第二正掺杂(P2)区域，使得所述P2区域比所述P1区域更重的正掺杂；以及第一负掺杂(N1)区域，垂直地邻近于第二负掺杂(N2)区域，使得所述N2区域比所述N1区域更重的负掺杂，其中，垂直邻近定位的所述N2区域和所述P2区域形成正‑负(PN)结；至少一个阴极；以及至少一个阳极，穿过所述波导芯经由所述PN结选择性地电连接至所述阴极，使得在所述阴极和所述阳极之间施加的电压降通过改变所述波导芯的折射率来调制通过所述PN结的光学载流子，其中，所述P2区域小于所述P1区域并且所述N2区域小于所述N1区域，使得对于折射率的变化，所述P2和N2区域具有比所述P1和N1区域更大的影响，并且使得对于所述光学载流子的光学损耗，所述P1和N1区域具有比所述P2和N2区域更小的影响。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.07 US 14/680,8231.一种光调制器，包括：硅波导，所述硅波导包括波导芯，所述波导芯包括：第一正掺杂(P1)区域，垂直地邻近于第二正掺杂(P2)区域，使得所述P2区域比所述P1区域更重的正掺杂；以及第一负掺杂(N1)区域，垂直地邻近于第二负掺杂(N2)区域，使得所述N2区域比所述N1区域更重的负掺杂，其中，垂直邻近定位的所述N2区域和所述P2区域形成正-负(PN)结；至少一个阴极；以及至少一个阳极，穿过所述波导芯经由所述PN结选择性地电连接至所述阴极，使得在所述阴极和所述阳极之间施加的电压降通过改变所述波导芯的折射率来调制通过所述PN结的光学载流子，其中，所述P2区域小于所述P1区域并且所述N2区域小于所述N1区域，使得对于折射率的变化，所述P2和N2区域具有比所述P1和N1区域更大的影响，并且使得对于所述光学载流子的光学损耗，所述P1和N1区域具有比所述P2和N2区域更小的影响。2.根据权利要求1所述的光调制器，其中，所述P2区域包括选定的厚度，使得当在所述阴极和所述阳极之间施加所述电压降时，所述P2区域完全耗尽正离子。3.根据权利要求2所述的光调制器，其中，所述N2区域包括选定的厚度，使得当在所述阴极和所述阳极之间施加所述电压降时，所述N2区域完全耗尽负离子。4.根据权利要求1所述的光调制器，其中，通过原位掺杂生长形成所述P2区域。5.根据权利要求1所述的光调制器，其中，通过原位掺杂生长形成所述N2区域。6.根据权利要求1所述的光调制器，其中，通过表面掺杂形成所述P2区域。7.根据权利要求1所述的光调制器，其中，通过表面掺杂形成所述N2区域。8.根据权利要求1所述的光调制器，其中，所述波导进一步包括：第三正掺杂(P+)区域，水平地邻近于所述P1区域，使得所述P+区域比所述P1区域更重的正掺杂；以及第三负掺杂(N+)区域，水平地邻近于所述N1区域，使得所述N+区域比所述N1区域更重的负掺杂，其中，所述P+区域和所述N+区域定位在所述波导芯的外侧，使得相对于所述N1区域、所述N2区域、所述P1区域以及所述P2区域，所述P+区域和N+区域对所述光学载流子的所述光学损耗具有最小化的影响，并且使得相对于所述N1区域、所述N2区域、所述P1区域以及所述P2区域，所述P+区域和所述N+区域降低了所述阴极和所述阳极之间的电阻。9.根据权利要求8所述的光调制器，其中，所述波导进一步包括在所述P1区域和所述P+区域之间以及在所述N1区域和所述P+区域之间定位的第四正掺杂(P3)区域，使得所述P3区域和所述N1区域生成水平的PN结。10.根据权利要求1所述的光调制器，其中，所述波导进一步包括：多个正掺杂(P++)极，垂直地邻近于所述P1区域，使得所述P++极比所述P1区域更重的正掺杂，其中，所述P++极被所述波导的介电部分分开；以及多个负掺杂(N++)区域，水平地邻近于所述N1区域，使得所述N++区域比所述N1区域更重的负掺杂，并且使得所述N++区域被所述N1区域分开，其中，所述P++极和所述N++区域定位在所述波导芯的外侧，使得相对于所述N1区域、所述N2区域、所述P1区域以及所述P2区域，所述P++极和所述N++区域对所述光学载流子的所述光学损耗具有最小化的影响，并且使得相对于所述N1区域、所述N2区域、所述P1区域以及所述P2区域，所述P++极和所述N++区域减小所述阴极和所述阳极之间的电阻，其中，所述阳极垂直地邻近于并且直接地连接至所述P++极，以及其中，所述至少一个阴极包括直接连接至每个N++区域的阴极。11.根据权利要求10所述的光调制器，其中，所述波导进一步包括多个正掺杂(P+)区域，每个P+区域定位在所述P++极中的一个和所述P1区域之间，使得所述P++极比所述P+区域更重的正掺杂并且所述P+区域比所述P1区域更重的正掺杂。12.根据权利要求10所述的光调制器，其中，所述波导进一步包括多个负掺杂(N+)区域，每个N+区域定位在所述N++极中的一个和所述N1区域之间，使得所述N++区域比所述N+区域更重的正掺杂并且所述N+区域比所述N1区域更重的正掺杂。13.根据权利要求1所述的光调制器，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏红振，杨莉，徐千帆，沈晓安，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44