一种高速硅光调制器相移臂及其制备方法与流程

1.本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种高速硅光调制器相移臂及其制备方法。


背景技术：

2.在光通信系统中，光发射单元是必不可少的部分，其中光调制器是电信号和光信号转换的核心单元。目前，光调制器基于三大类功能材料，铌酸锂，
ⅲⅴ
族复合半导体，硅材料。从调制器性能上，特别是光电带宽以及光学损耗等指标，铌酸锂和
ⅲⅴ
族复合半导体材料会明显优于硅材料，但是由于硅材料更加适合大批量生产，功能集成化，以及后续的封装的特点，硅光调制器的性能提升可以带来更大经济收益。
3.硅光调制器的核性光学部件是高速电光相移臂，其决定了硅光调制器的光学损耗，带宽以及半波电压。高速电光相移臂的主要工作原理是在脊型波导上形成pn结或pin结，通过改变pn结或pin结的反向偏压，来改变波导区域的载流子浓度，从而改变硅波导的折射率，进而改变光经过光波导的光学相位。
4.硅光调制器基于的物理原理是载流子色散，也就是说通过控制硅半导体中的载流子浓度，来改变硅材料的折射率和光学损耗。硅光调制器基于的主要物理结构是pn结或pin结，因此pn结或pin结中的掺杂浓度就决定了硅光调制器的基本性能，通常来说pn结或pin结的掺杂浓度越高，pn结或pin结的响应会越块，因为高的掺杂浓度可以降低pn结或pin结的内部电阻，提高硅光调制器的带宽，然而，提高pn结或pin结的掺杂浓度会会引起更多的光学损耗，而光学损耗决定于掺杂浓度和光场强度的乘积；因此，需要新的方法和技术来消除或者缓解硅光调制器的带宽和光损耗设计矛盾的问题。
5.鉴于此，克服现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：
7.硅光调制器的基本性能主要取决于pn结或pin结，通常来说pn结或pin结的掺杂浓度越高，pn结或pin结的响应会越块，因为高的掺杂浓度可以降低pn结或pin结的内部电阻，提高硅光调制器的带宽；然而，由于光学损耗决定于掺杂浓度和光场强度的乘积，若在脊型波导内光场较强的区域提高pn结或pin结的掺杂浓度，会引起光学损耗较大幅度的增加。
8.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种高速硅光调制器相移臂，包括：脊型波导；p型掺杂区和n型掺杂区分别位于所述脊型波导的两侧；
10.p型掺杂区包括p型重掺区和p型轻掺区；所述p型重掺区位于所述脊型波导的边界区域，所述p型轻掺区位于所述脊型波导的核心区域；
11.n型掺杂区包括n型重掺区和n型轻掺区；所述n型重掺区位于所述脊型波导的边界区域，所述n型轻掺区位于所述脊型波导的核心区域。
12.优选地，所述p型重掺区包括第一p型重掺区、第二p型重掺区和第三p型重掺区；所
述n型重掺区包括第一n型重掺区、第二n型重掺区和第三n型重掺区；
13.所述第一p型重掺区位于所述p型轻掺区远离所述n型掺杂区的一侧，所述第二p型重掺区和所述第三p型重掺区分别位于所述p型轻掺区的顶部和底部；
14.所述第一n型重掺区位于所述n型轻掺区远离所述p型掺杂区的一侧，所述第二n型重掺区和所述第三n型重掺区分别位于所述n型轻掺区的顶部和底部。
15.优选地，所述p型轻掺区和所述n型轻掺区位于所述p型重掺区和所述n型重掺区共同形成的包围结构内。
16.优选地，所述第二p型重掺区和所述第二n型重掺区之间存在预设间隙，所述第三p型重掺区和所述第三n型重掺区之间存在预设间隙。
17.优选地，所述第一p型重掺区、所述第二p型重掺区、所述第三p型重掺区和所述p型轻掺区的掺杂浓度由高到低依次为：第二p型重掺区，第一p型重掺区，第三p型重掺区，p型轻掺区。
18.优选地，所述第一n型重掺区、所述第二n型重掺区、所述第三n型重掺区和所述n型轻掺区的掺杂浓度由高到低依次为：第二n型重掺区，第一n型重掺区，第三n型重掺区，n型轻掺区。
19.优选地，所述第一p型重掺区、所述第二p型重掺区、所述第三p型重掺区、所述第一n型重掺区、所述第二n型张掺区和所述第三n型重掺区中的一项或多项为非均匀掺杂分布。
20.优选地，所述第一p型重掺区、所述第二p型重掺区、所述第三p型重掺区、所述第一n型重掺区、所述第二n型重掺区和所述第三n型重掺区的区域范围包括从脊型波导的实际边界开始向内缩至少20nm。
21.第二方面，本发明提供了一种制备高速硅光调制器相移臂方法，包括：通过离子注入掺杂，将p型重掺区和n型重掺区设置在脊型波导的边界区域，将p型轻掺区和n型轻掺区设置在脊型波导的核心区域。
22.优选地，所述离子注入掺杂，具体包括：
23.利用光掩模对脊型波导光刻，裸露出脊型波导的p型掺杂区，以不同的工艺条件分组对所述p型掺杂区进行离子注入掺杂：
24.第一组，以第一角度注入第一剂量、第一能量的第一类掺杂粒子，形成第一p型重掺区；
25.第二组，以第二角度注入第二剂量、第二能量的第一类掺杂粒子，形成第二p型重掺区和p型轻掺区；
26.第三组，以第三角度注入第三剂量、第三能量的第一类掺杂粒子，形成第三p型重掺区；
27.通过清洗去除光刻的显影，利用光掩模对脊型波导光刻，裸露出脊型波导的n型掺杂区，以不同的工艺条件分组对所述n型掺杂区进行离子注入掺杂：
28.第四组，以第四角度注入第四剂量第四能量的第二类掺杂粒子，形成第一n型重掺区；
29.第五组，再以第五角度注入第五剂量第五能量的第二类掺杂粒子，形成第二n型重掺区和n型轻掺区；
30.第六祖，最后以第六角度注入第六剂量第六能量的第二类掺杂粒子，形成第三n型
重掺区；
31.其中，所述第一能量、所述第二能量和所述第三能量的大小依次递增；所述第四能量、所述第五能量和所述第六能量的大小依次递增；
32.在注入所述第二剂量的第一类掺杂粒子时平均增量掺杂浓度分别小于在注入所述第一剂量的第一类掺杂粒子时平均增量掺杂浓度和在注入所述第三剂量的第一类掺杂粒子时平均增量掺杂浓度；在注入所述第五剂量的第二类掺杂粒子时平均增量掺杂浓度分别小于在注入所述第四剂量的第二类掺杂粒子时平均增量掺杂浓度和在注入所述第六剂量的第二类掺杂粒子时平均增量掺杂浓度。
33.优选地，采用所述第一角度和所述第四角度进行离子注入时，入射线与脊型波导的顶面的外法线的夹角的取值范围为25
°
～65
°
；采用所述第二角度、所述第三角度、所述第五角度和所述第六角度进行离子注入时，入射线与脊型波导的顶面的外法线的夹角的取值范围为0
°
～20
°
。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.本发明提供的高速硅光调制器相移臂，p型轻掺区和n型轻掺区位于脊型波导的核心区域，p型重掺区和n型重掺区位于脊型波导的边界区域，通过在脊型波导内光场相对较弱的边界区域进行较高浓度的掺杂，在脊型波导内光场相对较强的核心区域进行较低浓度的掺杂，使得在提高硅光调制器带宽的同时，不会引起光学损耗较大幅度的增加。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明实施例提供的一种高速硅光调制器相移臂的脊型波导中p型掺杂区和n型掺杂区的结构示意图；
38.图2是本发明实施例提供的一种高速硅光调制器相移臂的脊型波导中重掺区和轻掺区的结构示意图；
39.图3是本发明实施例提供的一种高速硅光调制器相移臂的脊型波导中光场强度分布的示意图；
40.图4是本发明实施例提供的一种高速硅光调制器相移臂的脊型波导中p型重掺区和n型重掺区的细分结构示意图；
41.图5a是本发明实施例提供的一种高速硅光调制器相移臂的脊型波导中存在预设间隙的掺杂分布的结构示意图；
42.图5b是本发明实施例提供的一种高速硅光调制器相移臂的脊型波导中的各区域非均匀掺杂分布的结构示意图；
43.图6是本发明实施例提供的一种制备高速硅光调制器相移臂的方法的流程示意图；
44.图7是本发明实施例提供的在不同工艺条件下制备得到的高速硅光调制器相移臂的脊型波导中的掺杂分布图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
47.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
48.实施例1:
49.本发明实施例提供了一种高速硅光调制器相移臂，如图1所示，包括：脊型波导；p型掺杂区和n型掺杂区分别位于所述脊型波导的两侧。
50.如图2所示，p型掺杂区包括p型重掺区和p型轻掺区；所述p型重掺区位于所述脊型波导的边界区域，所述p型轻掺区位于所述脊型波导的核心区域。
51.n型掺杂区包括n型重掺区和n型轻掺区；所述n型重掺区位于所述脊型波导的边界区域，所述n型轻掺区位于所述脊型波导的核心区域。
52.其中，所述p型重掺区的平均掺杂浓度高于所述p型轻掺区的平均掺杂浓度；所述n型重掺区的平均掺杂浓度高于所述n型轻掺区的平均掺杂浓度。
53.参见图3，所述脊型波导的边界区域是指图中虚线框以外的区域，所述脊型波导的核心区域是指图中的虚线框以内的区域，其中，边界区域内的光场强度小于核心区域内的光场强度；由于光学损耗决定于掺杂浓度和光场强度的乘积，而高的掺杂浓度可以降低pn结或pin结的内部电阻，提高硅光调制器的带宽，因此，为了在提高硅光调制器带宽的同时避免较大的光学损耗，本发明实施例提供的高速硅光调制器相移臂将重掺区设置在光场强度相对较低的边界区域，将轻掺区设置在光场强度相对较高的核心区域。
54.在本发明实施例中，如图4所示，所述p型重掺区包括第一p型重掺区、第二p型重掺区和第三p型重掺区；所述n型重掺区包括第一n型重掺区、第二n型重掺区和第三n型重掺区。
55.所述第一p型重掺区位于所述p型轻掺区远离所述n型掺杂区的一侧，所述第二p型重掺区和所述第三p型重掺区分别位于所述p型轻掺区的顶部和底部；
56.所述第一n型重掺区位于所述n型轻掺区远离所述p型掺杂区的一侧，所述第二n型重掺区和所述第三n型重掺区分别位于所述n型轻掺区的顶部和底部。
57.图4所示的p型轻掺区和n型轻掺区为对称结构，p型重掺区和n型重掺区为对称结构，但图4的重点在于p型掺杂区和n型掺杂区的细分区域的划分，不管p型轻掺区和n型轻掺区是否为对称结构，不管p型重掺区和n型重掺区是否为对称结构，只要满足在脊型波导的核心区域为轻掺，在脊型波导的边界区域为重掺的结构都应该包含在本发明的保护范围内。
58.在本发明实施例中，所述p型轻掺区和所述n型轻掺区位于所述p型重掺区和所述n型重掺区共同形成的包围结构内。
59.其中，所述第二p型重掺区和所述第二n型重掺区接触，所述第三p型重掺区和所述
第三n型重掺区接触，由此形成pn结。
60.在本发明实施例中，为了降低重掺区所带来的附加电容，进一步提高带宽，同时避免重掺区延申到脊型波导中光场强度相对较高的核心区域，进一步降低损耗，如图5a所示，所述第二p型重掺区和所述第二n型重掺区之间存在预设间隙，所述第三p型重掺区和所述第三n型重掺区之间存在预设间隙，使得pn结结区的掺杂浓度较低；所述预设间隙可以根据需求通过改变工艺进行调整。
61.在本发明实施例中，所述第一p型重掺区、所述第二p型重掺区、所述第三p型重掺区和所述p型轻掺区的掺杂浓度由高到低依次为：第二p型重掺区，第一p型重掺区，第三p型重掺区，p型轻掺区。
62.在本发明实施例中，所述第一n型重掺区、所述第二n型重掺区、所述第三n型重掺区和所述n型轻掺区的掺杂浓度由高到低依次为：第二n型重掺区，第一n型重掺区，第三n型重掺区，n型轻掺区。
63.在本发明实施例中，所述第一p型重掺区、所述第二p型重掺区、所述第三p型重掺区、所述第一n型重掺区、所述第二n型重掺区和所述第三n型重掺区中的一项或多项为非均匀掺杂分布。
64.如图5b所示，所述第一p型重掺区和所述第一n型重掺区均为均匀掺杂分布，所述第二p型重掺区、所述第三p型重掺区、所述第二n型重掺区和所述第三n型重掺区均为非均匀掺杂分布；其中，所述第二p型重掺区靠近所述第二n型重掺区的一侧的掺杂浓度低于所述第二p型重掺区远离所述第二n型重掺区的一侧的掺杂浓度，所述第三p型重掺区靠近所述第三n型重掺区的一侧的掺杂浓度低于所述第三p型重掺区远离所述第三n型重掺区的一侧的掺杂浓度。
65.在本发明实施例中，所述第一p型重掺区、所述第二p型重掺区、所述第三p型重掺区、所述第一n型重掺区、所述第二n型重掺区和所述第三n型重掺区的区域范围包括从脊型波导的实际边界开始向内缩至少20nm。
66.所述脊型波导的实际边界如图4中的实线所示，即从实线开始向内缩至少20nm得到的区域为脊型波导内的重掺区，脊型波导内剩下的区域内位于光场相对较强的核心区域的为脊型波导内的轻掺区。
67.实施例2：
68.本发明实施例提供了一种制备高速硅光调制器相移臂的方法，通过离子注入掺杂，将p型重掺区和n型重掺区设置在脊型波导的边界区域，将p型轻掺区和n型轻掺区设置在脊型波导的核心区域。
69.其中，所述p型重掺区的平均掺杂浓度高于所述p型轻掺区的平均掺杂浓度；所述n型重掺区的平均掺杂浓度高于所述n型轻掺区的平均掺杂浓度；脊型波导的边界区域内的光场强度小于脊型波导的核心区域内的光场强度。
70.在本发明实施例中，如图6所示，所述离子注入掺杂，具体包括：
71.利用光掩模对脊型波导光刻，裸露出脊型波导的p型掺杂区，以不同的工艺条件分组对所述p型掺杂区进行离子注入掺杂：
72.第一组，以第一角度注入第一剂量、第一能量的第一类掺杂粒子，形成第一p型重掺区；
73.第二组，以第二角度注入第二剂量、第二能量的第一类掺杂粒子，形成第二p型重掺区和p型轻掺区；
74.第三组，以第三角度注入第三剂量、第三能量的第一类掺杂粒子，形成第三p型重掺区。
75.通过清洗去除光刻的显影，利用光掩模对脊型波导光刻，裸露出脊型波导的n型掺杂区，以不同的工艺条件分组对所述n型掺杂区进行离子注入掺杂：
76.第四组，以第四角度注入第四剂量第四能量的第二类掺杂粒子，形成第一n型重掺区。
77.第五组，再以第五角度注入第五剂量第五能量的第二类掺杂粒子，形成第二n型重掺区和n型轻掺区。
78.第六组，最后以第六角度注入第六剂量第六能量的第二类掺杂粒子，形成第三n型重掺区。
79.其中，所述第一能量、所述第二能量和所述第三能量的大小依次递增；所述第四能量、所述第五能量和所述第六能量的大小依次递增；能量越小，注入的掺杂粒子越集中于硅层表面；能量越大，注入的掺杂例子越深入脊型波导内部；所以第一能量的选取，是为了掺杂粒子能够注入到第一p型重掺区和第二p型重掺区，第二能量的选取是为了掺杂粒子能够注入到p型轻掺区，第三能量的选取是为了掺杂粒子能够注入到第三p型重掺区；同理，第四能量的选取，是为了掺杂粒子能够注入到第一n型重掺区和第二n型重掺区，第五能量的选取是为了掺杂粒子能够注入到n型轻掺区，第六能量的选取是为了掺杂粒子能够注入到第三n型重掺区。
80.在注入所述第二剂量的第一类掺杂粒子时的平均增量掺杂浓度分别小于在注入所述第一剂量的第一类掺杂粒子时的平均增量掺杂浓度和在注入所述第三剂量的第一类掺杂粒子时的平均增量掺杂浓度；在注入所述第五剂量的第二类掺杂粒子时的平均增量掺杂浓度分别小于在注入所述第四剂量的第二类掺杂粒子时的平均增量掺杂浓度和在注入所述第六剂量的第二类掺杂粒子时的平均增量掺杂浓度。
81.所述平均增量掺杂浓度可以定义如下：每组掺杂完成后，在脊型波导截面平面内会形成对应此组掺杂的掺杂增加量二维分布，取掺杂增加量二维分布的峰值以及第一比例值的掺杂增加量二维分布的峰值所对应的区域范围，对相应的区域范围内的掺杂增加量取平均，即为此组掺杂所对应的平均增量掺杂浓度。
82.其中，所述第一比例值可以为70％。
83.所述第一类掺杂粒子包括磷或砷；所述第二类掺杂粒子包括硼、氟化硼或镓。
84.图6所示的制备高速硅光调制器相移臂的方法的流程图中仅展示了先对p型掺杂区进行掺杂，再对n型掺杂区进行掺杂的方法流程；除了这种方法流程外，先对n型掺杂区进行掺杂，再对p型掺杂区进行掺杂的方法流程也在本发明的保护范围之内，即图6所示的先对p型掺杂区进行掺杂，再对n型掺杂区进行掺杂的方法流程并不用于限定对p型掺杂区和n型掺杂区进行掺杂的前后顺序。
85.在本发明实施例中，采用所述第一角度和所述第四角度进行离子注入时，入射线与脊型波导的顶面的外法线的夹角的取值范围为25
°
～65
°
。该角度的选取是为了让掺杂粒子能够同时从波导的顶面和侧面入射，该角度范围只是一个经验值，而不是一个绝对范围，
如果有该角度范围外能够达到同样的技术效果也应该包含在本专利所涵盖的技术范围内。
86.所述第一角度越大，得到的所述第一p型重掺区在图6中的水平方向上的宽度越宽；所述第四角度越大，得到的所述第一n型重掺区在图6中的水平方向上的宽度越宽。
87.为了让掺杂粒子主要从波导的顶面入射，采用所述第二角度、所述第三角度、所述第五角度和所述第六角度进行离子注入时，入射线与脊型波导的顶面的外法线的夹角的取值范围为0
°
～20
°
；该角度范围只是一个经验值，而不是一个绝对范围，如果有该角度范围外能够达到同样的技术效果也应该包含在本专利所涵盖的技术范围内。
88.其中，图6中的虚线即为所述脊型波导的顶面的外法线。
89.在本发明实施例中，所述第一剂量、所述第二剂量、所述第三剂量、所述第四剂量、所述第五剂量或所述第六剂量为一次注入或者至少两次注入。
90.实施例3：
91.本发明提供了两种典型的工艺条件，用来说明上述掺杂工艺的技术效果；如图7所示，配方1是针对高度为220nm的脊型波导所设计的一种工艺参数，配方2是针对高度为340nm的脊型波导所设计的另一种工艺参数；这两种配方在不同高度的脊型波导上实现了脊型波导的核心区域的掺杂浓度低，边界区域的掺杂浓度高的效果。
92.如图7所示，由于配方2是针对高度为340nm的脊型波导，而配方1是针对高度为220nm的脊型波导，配方1中的第一能量、第二能量和所述第三能量的大小依次递增；配方1中的第四能量、第五能量和第六能量的大小依次递增；配方2中的第一能量、第二能量和所述第三能量的大小依次递增；配方2中的第四能量、第五能量和第六能量的大小依次递增；针对硅层更厚的脊型波导，为了实现更深的注入效果，配方2中的第三能量大于配方1中的第三能量，配方2中的第三剂量大于配方1中的第三剂量，配方2中的第六能量大于配方1中的第六能量，配方2中的第六剂量大于配方1中的第六剂量。
93.继续参考图7，配方1中的第一角度和第四角度选取为35度，而配方2中的第一角度和第四角度选取为60度，很明显，相对于采用配方2的工艺条件，采用配方1的工艺条件在脊型波导上形成的第二p型重掺区和第二n型重掺区在图中的纵向方向上较宽，在图中的横向方向上较窄，这与实施例2中所描述的第一角度和第四角度的选取的技术效果相对应。
94.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。