周期性交错波导结构、以及电光调制结构和MZI结构制造技术

本发明专利技术提供了一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，周期性交错波导结构呈脊型，沿波导延伸方向在脊型波导中心形成有条状插指形n型Si掺杂区，在插指间形成有p型SiGe掺杂区，n型Si掺杂区和p型SiGe掺杂区周期性交错排列，n型Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，n型Si掺杂区的插指底部与在脊型波导中心底部连接的n型Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有p型SiGe掺杂区而使在插指间形成的p型SiGe掺杂区相连。由此，SiGe材料载流子有效质量减小，自由载流子等离子色散效应增强，而使SiGe材料的折射率变化增大，从而优化了调制效率、调制速度、调制功耗，获得了尺寸降低而调制性能提升的效果。

Periodically codoped waveguide structure, electro-optic modulation structure and MZI structure

The invention provides a periodic staggered waveguide structure, an electro-optic modulation structure and an MZI structure using it. The periodic staggered waveguide structure is ridged, and a striped interpolated finger-shaped n-type Si-doped region is formed in the center of the ridged waveguide along the direction of waveguide extension, and a p-type SiGe-doped region, an n-type Si-doped region and a p-type SiGe-doped region are formed between The n-type Si doping region is connected with the bottom of the ridge waveguide center on one side of its interpolation finger. A gap is arranged between the interpolation finger base of the n-type Si doping region and the upper surface of the n-type Si doping region connected with the bottom of the center of the ridge waveguide. The SiGe doped region is connected. As a result, the carrier effective mass of SiGe material decreases, the free carrier plasma dispersion effect increases, and the refractive index of SiGe material increases, which optimizes the modulation efficiency, modulation speed, modulation power consumption, and achieves the effect of size reduction and modulation performance improvement.

【技术实现步骤摘要】
周期性交错波导结构、以及电光调制结构和MZI结构
本专利技术属于硅基光电子器件领域，具体涉及一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和马赫曾德尔干涉(Mach-ZehnderInterference：MZI)结构，特别是一种能够提升材料基于等离子色散效应的折射率变化从而增加调制效率、提高器件工作速度、降低器件功耗的周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构。
技术介绍
信息时代飞速发展，光通信技术中作为通信系统发射端重要构成的器件当属光调制器。通常，用于实现光信号的传输、产生、处理和探测等功能的光子组件，主要有光波导、激光器、调制器和探测二器等，它们是片间及片上光互连系统中的关键组成部分。而且，为了提升这些关键组成部分的性能，硅基光电子器件得以快速推进，从而开启了发展新阶段。其中，硅基电光调制器在高速率、低功耗、小尺寸等关键性能上逐步提升而受到广泛关注。一般而言，硅基调制器至少可按电学调制结构和光学调制结构划分。一方面，电学调制结构主要有载流子注入结构、载流子耗尽结构和MOS电容结构等，其中，作为载流子注入结构的正向偏置pin结构的硅基电光调制器通过向作为波导的本征区注入自由载流子而实现波导材料的折射率改变，虽然其调制效率高，但是由于少子的复合时间较长故调制速度低至MHz量级；作为载流子耗尽结构的反向偏置pn结结构的硅基电光调制器，其利用多子的漂移运动，通过改变耗尽区的宽度实现载流子浓度的变化，进而改变材料的折射率，又因载流子的浓度变化由载流子的漂移运动引起故其调制速度会很高，可以达到几十GHz，然而由载流子耗尽作用引起的折射率变化很小，光场和电场的交叠区域很小，调制效率不会高。另一方面，光学调制结构主要包括马赫曾德尔干涉(MZI)结构和微环谐振(MRR)结构等，其中，MZI结构通过相位调制实现强度调制，其移相臂对在移相臂波导中传输的光的相位进行调制，而要达成π相位的调制则需要较大尺寸的器件结构；MRR结构将波导制成半径为微米量级的微型圆环从而在微型圆环即微环中传输的光波会产生谐振，而基于MRR结构的器件对工艺和外界环境温度较为敏感，光学带宽小。可见，这些电学调制结构、光学调制结构分别都各有优点和不足，而为了得到期望的器件性能就需要进行结构权衡折中，通过将电学调制结构、光学调制结构结合起来形成电光调制器。目前，在传统硅基电光调制器中，有器件的工作速度和效率均较高的两梳指等高插合型反向偏置pn结波导的电光调制器，但由于硅材料因其等离子色散效应较弱(在载流子浓度变化为1×1017～1×1018cm-3的情况下折射率的变化为1×10-4～3×10-3)的自身劣势，例如在传统硅基MZI型电光调制器中要达成π相位的调制还需要对移相臂(也称调制臂)较高的调制电压，从而难以进一步提升调制器件的性能。也就是，硅材料中自由载流子等离子色散效应等可用于光调制物理效应有限，这就需要考虑硅化物、锗、有机聚合物等材料，还必须与微电子集成技术中的设计原理和工艺方法相兼容。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种周期性交错波导结构，其呈脊型，包括：沿波导延伸方向在脊型波导中心形成的条状插指形Si掺杂区；以及形成在插指之间的SiGe掺杂区；其中，Si掺杂区和SiGe掺杂区周期性交错排列，Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，Si掺杂区的插指底部与在脊型波导中心底部连接的Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有SiGe掺杂区而使在插指之间形成的SiGe掺杂区相连。本专利技术的周期性交错波导结构中，Si掺杂区为n型Si掺杂区，SiGe掺杂区为p型SiGe掺杂区；n型Si掺杂区的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3，p型SiGe掺杂区的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3。本专利技术的周期性交错波导结构中，p型SiGe掺杂区能够以本征半导体材料或电光材料替换，本征半导体材料可以为SiGe或Ge。根据本专利技术的另一方面，提供了一种周期性交错波导结构的电光调制结构。该周期性交错波导结构的电光调制结构包括：SOI硅衬底；SiO2埋氧层，形成在SOI硅衬底上；硅层，外延生长于SiO2埋氧层，包括：Si掺杂区，形成于硅层的中部，呈条状插指形；SiGe掺杂区，形成在Si掺杂区的插指之间；Si掺杂区和SiGe掺杂区周期性交错排列而形成脊型周期性交错波导结构，Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，Si掺杂区的插指底部与在脊型波导中心底部连接的Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有SiGe掺杂区而使在插指之间形成的SiGe掺杂区相连；第一Si接触区和第二Si接触区，分别形成在脊型周期性交错波导结构的平板区的两侧；第一电极和第二电极，分别形成在第一Si接触区和第二Si接触区之上；第一电极经由第一Si接触区与Si掺杂区电性连接，第二电极经由第二Si接触区与SiGe掺杂区电性连接。本专利技术的周期性交错波导结构的电光调制结构中，Si掺杂区为n型Si掺杂区，SiGe掺杂区为p型SiGe掺杂区；n型Si掺杂区的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3，p型SiGe掺杂区的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3，n+型掺杂第一Si接触区和p+型掺杂第二Si接触区的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3；SiGe掺杂区的在垂直于波导延伸方向上的厚度为30～150nm。根据本专利技术的另一方面，提供了一种MZI结构。该MZI结构包括：输入波导；分束器，其与输入波导连接，两个调制臂，利用上述的周期性交错波导结构的电光调制结构对来自分束器的光的相位进行调制；合束器，其与两个调制臂连接，将来自两个调制臂的存在相位差的光进行干涉；输出波导，其与合束器连接，输出来自合束器的经由干涉而得到强度调制的光。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术的周期性交错波导结构、以及使用它的电光调制结构和MZI结构，至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：(1)在波导中引入SiGe材料，其载流子有效质量减小，自由载流子等离子色散效应增强，从而SiGe材料的折射率变化增大，有效实现波导结构对折射率的调制。因而，优化了调制的性能参数(调制速度、调制效率、调制功耗)，获得了尺寸降低而调制功能优异的效果。(2)对由n型Si掺杂区和p型SiGe掺杂区形成的pn结施加反向偏置电压，耗尽区附近的载流子浓度发生变化，由于pn结的周期性排列，增加了光场与载流子浓度变化之间的相互作用，从而进一步增加调制效率、减小器件尺寸、提高器件工作速率、降低器件功耗。(3)MZI结构在其调制臂利用周期性交错波导结构的电光调制结构对光的相位进行调制，再利用合束器来实现基于调制臂产生相位差的光的干涉，从而有效地将光的相位变化进一步转变为光的强度变化，实现对光的调制。附图说明图1为本专利技术实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的概要性立体图。图2为本专利技术实施例周期性交错波导结构的电光调制结构的概要性俯视图。图3为本专利技术实施例周期性交错波导结构的电光调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种周期性交错波导结构，其呈脊型，包括：沿波导延伸方向在脊型波导中心形成的条状插指形Si掺杂区；以及形成在所述插指之间的SiGe掺杂区；其中，所述Si掺杂区和所述SiGe掺杂区周期性交错排列。

【技术特征摘要】
1.一种周期性交错波导结构，其呈脊型，包括：沿波导延伸方向在脊型波导中心形成的条状插指形Si掺杂区；以及形成在所述插指之间的SiGe掺杂区；其中，所述Si掺杂区和所述SiGe掺杂区周期性交错排列。2.根据权利要求1所述的周期性交错波导结构，其中，所述Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，所述Si掺杂区的插指底部与在所述脊型波导中心底部连接的Si掺杂区的上表面之间设置有空隙，在该空隙设置有SiGe掺杂区而使在所述插指之间形成的所述SiGe掺杂区相连。3.根据权利要求1所述的周期性交错波导结构，其中，所述Si掺杂区为n型Si掺杂区，所述SiGe掺杂区为p型SiGe掺杂区。4.根据权利要求3所述的周期性交错波导结构，其中，所述n型Si掺杂区的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3，所述p型SiGe掺杂区的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3。5.根据权利要求3所述的周期性交错波导结构，其中，所述p型SiGe掺杂区能够以本征半导体材料或电光材料替换。6.根据权利要求5所述的周期性交错波导结构，其中，所述本征半导体材料为SiGe或Ge。7.一种周期性交错波导结构的电光调制结构，包括：SOI硅衬底；SiO2埋氧层，其形成在SOI硅衬底上；硅层，外延生长于所述SiO2埋氧层，包括：Si掺杂区，形成于所述硅层的中部，呈条状插指形；SiGe掺杂区，形成在所述Si掺杂区的插指之间；所述Si掺杂区和所述SiGe掺杂区周期性交错排列而形成脊型周期性交错波导结构，所述Si掺杂区在其插指的一侧连接且与脊型波导中心底部连接，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：匡迎新，李智勇，刘阳，刘磊，李泽正，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11