技术领域
[0001] 本
发明属于光
电子器件技术领域，具体涉及一种新型PIN电光调制器结构。
背景技术
[0002] 随着微电子器件的高速小型化，使得集成
电路的互连延迟和能耗问题成了研究高速集成电路技术的一个不可逾越的障碍，研究和开发以
光子和电子为信息载体的
硅基大规模集成技术是清除这个障碍的有效手段。
[0003] 硅基
光电子器件是光电子技术的关键和核心部件，是当前光电技术与微电子技术的热
门研究领域，是信息技术的重要组成部分。
[0004] 硅基电光调制器是一种利用电光效应、热光效应、等离子色散效应等方式来改变光
波导折射率的硅基调制器。
[0005] 硅作为一种中心对称晶体，不存在奇数阶电光效应，Pockels线性电光系数为零，Kerr效应也非常弱，因此硅中没有直接的电光效应。但是通过改变光波导中的自由载流子浓度，可以引起硅的折射率和吸收系数的改变，而且这种效应(等离子色散效应)十分显著，能够实现高速的光波导调制，这也是目前硅基电光调制的主要机理。
[0006] 硅基电光调制器是通过外加
电压来改变其载流子浓度，从而改变调制区的折射率，达到电光调制的目的。理想情况下，调制电压越高，载流子浓度越大，折射率变化越大，等离子色散效应越强，调制效果越好。但是在调制电压增大的同时，也增加了器件的调制功耗，而且更为关键的是调制电压增大会使得器件
温度上升，从而引起热光效应。电光效应使调制区折射率发生蓝移，热光效应使调制区折射率发生红移，热光效应阻碍了电光效应，调制效率变差。因此在保证调制效果的情况下，降低调制功耗，抑制热光效应是硅基电光调制器需要解决的问题。
[0007] 硅基电光调制器有许多种，其中PIN调制结构具有结构简单，调制效率高，易于工艺实现等特点，因此本
专利的新型结构也是在硅基PIN电光调制结构
基础上进行设计的。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种新型PIN电光调制器结构，该结构不仅能提高载流子浓度，增强等离子色散效应，而且可以抑制温升，削弱热光效应，提高调制效率。
[0009] 本发明所采用的技术方案是，一种新型PIN电光调制器结构，包括N-Sub层，N-Sub层的顶部设置有SiO2埋层，SiO2埋层顶部的两侧分别设置有P+阱区、N+阱区，P+阱区、N+阱区之间设置有本征N型锗硅调制区，本征N型锗硅调制区与P+阱区、N+阱区
接触位置处呈锯齿状配合接触形成横向双
异质结，本征N型锗硅调制区呈脊型凸起状，P+阱区的顶部设置有第一
电极，N+阱区的顶部设置有第二电极，第一电极、本征N型锗硅调制区及第二电极的上部均
覆盖有SiO2
覆盖层。
[0010] 本发明的特点还在于，
[0011] P+阱区的掺杂浓度为1×1019cm-3～1.2×1020cm-3，
掺杂剂为B离子，高度为0.17μm，宽度为0.5μm～1μm。
[0012] N+阱区的掺杂浓度为1×1019cm-3～1.2×1020cm-3，掺杂剂为P离子，高度为0.17μm，宽度为0.5μm～1μm。
[0013] 本征N型锗硅调制区为锗硅材料，其掺杂浓度为1×1015cm-3，掺杂剂为P离子。
[0014] 本征N型锗硅调制区位于P+阱区、N+阱区之间的总宽度为1.5μm～3μm，本征N型锗硅调制区的高度为0.17μm，本征N型锗硅调制区的中间位置处脊型凸起的高度为0.22μm，本征N型锗硅调制区的中间位置处脊型凸起的宽度为0.4μm～0.6μm，本征N型锗硅调制区的脊型凸起长度与P+阱区、N+阱区、第一电极、第二电极、SiO2覆盖层、SiO2埋层、N-Sub层长度相等。
[0015] SiO2覆盖层的高度为0.5μm～1μm，宽度为2.5μm～5μm。
[0016] SiO2埋层的高度为0.5μm～1μm，宽度为2.5μm～5μm。
[0017] N-Sub层的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3，掺杂剂为P离子，高度为100μm～300μm，宽度为2.5μm～5μm。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] (1)本发明的新型PIN电光调制器结构在调制区中采用锗硅材料，形成了横向Si/SiGe/Si双异质结，可以大幅度提高载流子浓度，增强等离子色散效应。
[0020] (2)本发明的新型PIN电光调制器结构在调制区与P+区和N+区界面呈锯齿状，有效增大了载流子注入面积，减小了载流子碰撞几率，削弱了热光效应，减小了折射率的漂移，提高了调制效率。
[0021] (3)本发明的新型PIN电光调制器结构，由于器件的调制区采用了锗硅材料，它具有更大的折射率，因此对光波传输具有更好的收敛特性，降低了光传输损耗，进一步的提升了调制器的性能。在相同调制效果下，能够有效减小调制电压、降低调制功耗、提高调制效率，更加利于光电集成。
附图说明
[0022] 图1是本发明的新型PIN电光调制器的结构示意图；
[0023] 图2是现有常规PIN调制器的结构示意图；
[0024] 图3是在不同
偏压下，常规PIN调制器与本发明的新型PIN电光调制器的调制区载流子注入浓度对比曲线图；
[0025] 图4是在不同温度下，常规PIN调制器与本发明的新型PIN电光调制器的调制区载流子注入浓度对比曲线图。
[0026] 图中，1.P+阱区，2.本征N型锗硅调制区，3.N+阱区，4.第一电极，5.第二电极，6.SiO2覆盖层，7.SiO2埋层，8.N-Sub层，9.本征N型硅调制区，10.P+阱区A，11.N+阱区A，12.第一电极A，13.第二电极A，14.SiO2覆盖层A，15.SiO2埋层A，16.N-Sub层A。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0028] 本发明一种新型PIN电光调制器结构，结构如图1所示，包括N-Sub层8，N-Sub层8的顶部设置有SiO2埋层7，SiO2埋层7顶部的两侧分别设置有P+阱区1、N+阱区3，P+阱区1、N+阱区3之间设置有本征N型锗硅调制区2，本征N型锗硅调制区2与P+阱区1、N+阱区3接触位置处呈锯齿状配合接触形成横向双异质结，本征N型锗硅调制区2呈脊型凸起状，P+阱区1的顶部设置有第一电极4，N+阱区3的顶部设置有第二电极5，第一电极4、本征N型锗硅调制区2及第二电极5的上部均覆盖有SiO2覆盖层6。
[0029] P+阱区1的掺杂浓度为1×1019cm-3～1.2×1020cm-3，掺杂剂为B离子，高度为0.17μm，宽度为0.5μm～1μm。
[0030] N+阱区3的掺杂浓度为1×1019cm-3～1.2×1020cm-3，掺杂剂为P离子，高度为0.17μm，宽度为0.5μm～1μm。
[0031] 本征N型锗硅调制区2为锗硅材料，其掺杂浓度为1×1015cm-3，掺杂剂为P离子。
[0032] 本征N型锗硅调制区2位于P+阱区1、N+阱区3之间的总宽度为1.5μm～3μm，本征N型锗硅调制区2的高度为0.17μm，本征N型锗硅调制区2的中间位置处脊型凸起的高度为0.22μm，本征N型锗硅调制区2的中间位置处脊型凸起的宽度为0.4μm～0.6μm，本征N型锗硅调制区2的脊型凸起长度与P+阱区1、N+阱区3、第一电极4、第二电极5、SiO2覆盖层6、SiO2埋层7、N-Sub层8长度相等。
[0033] SiO2覆盖层6的高度为0.5μm～1μm，宽度为2.5μm～5μm。
[0034] SiO2埋层7的高度为0.5μm～1μm，宽度为2.5μm～5μm。
[0035] N-Sub层8的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3，掺杂剂为P离子，高度为100μm～300μm，宽度为2.5μm～5μm。
[0036] 常规硅基PIN调制器全部是由硅材料构成，其结构如图2所示，包括N-Sub层A16，N-Sub层A16的上方设置有SiO2埋层A15，SiO2埋层A15上方分别设置有本征N型硅调制区9、P+阱区A10、N+阱区A11，P+阱区A10和N+阱区A11分别位于本征N型硅调制区9的两侧，P+阱区A10上部设有第一电极A12、N+阱区A11上部设有第二电极A13，第一电极A12、第二电极A13及本征N型硅调制区9的上方覆盖有SiO2覆盖层A14。
[0037] 本发明一种新型PIN电光调制器结构与常规硅基PIN调制器相比，其区别在于本发明在调制区中采用锗硅材料，锗硅调制区与两侧有源区界面呈锯齿状配合接触，形成了一种锯齿状横向双异质结PIN电学调制器结构，与常规PIN电学调制器结构相比，本发明可以大幅度提高载流子浓度，增强等离子色散效应；有效增大了载流子注入面积，减小了载流子碰撞几率，削弱了热光效应，减小了折射率的漂移，提高了调制效率。
[0038] 本发明一种新型PIN电光调制器结构的工作原理如下：
[0039] 新型PIN电光调制器通过第一电极4和第二电极5
控制器件的电光调制：当第一电极4上加正电压时，第二电极5上接负电压以此控制电光调制器开通，空穴和电子分别从P+阱区1和N+阱区3向本征N型锗硅调制区2中注入，载流子数目的改变会引起本征N型锗硅调制区2的折射率变化，从而达到光波调制的目的。由于锯齿状横向双异质结的作用，PI结处的空穴势垒高度和NI结处的电子势垒高度明显降低，因此向本征N型锗硅调制区2中注入的载流子浓度明显增强，从而使得本征N型锗硅调制区2的折射率改变量增大，更加易于光波调制。在调制过程中，锯齿状的PI结和NI结有效增大了载流子注入面积，减小了载流子碰撞几率，削弱了热光效应，减小了折射率的漂移；当第二电极5上加正电压时，第一电极4上接负电压以此控制电光调制器关闭，本征N型锗硅调制区2中的载流子被
抽取，本征N型锗硅调制区2的折射率变为原来初始材料的折射率，光波调制结束。由于锯齿状横向双异质结的作用，PI结处的空穴势垒高度和NI结处的电子势垒高度明显降低，因此外加负电压时本征N型锗硅调制区2中载流子抽取速度也加快，从而使得新型PIN电光调制器结构的调制速度变快；并且有效增大了载流子注入面积，减小了载流子碰撞几率，抑制了器件温升，提高了调制效率。
[0040] 常规硅基PIN调制器结构是通过第一电极A12和第二电极A13控制器件的电光调制：当第一电极A12上加正电压时，第二电极A13上接负电压以此控制电光调制器开通，空穴和电子分别从P+阱区A10和N+阱区A11向本征N型硅调制区9中注入，从而改变本征N型硅调制区9的折射率，达到光波调制的目的；当第二电极A13上加正电压时，第一电极A12上接负电压，可以控制电光调制器关闭，本征N型硅调制区9中的载流子被抽取，本征N型硅调制区9的折射率变为原来初始材料的折射率，光波调制结束。由于横向不存在异质结和锯齿状结，载流子注入和抽取仅与硅材料的特性相关，载流子注入数目和载流子抽取速度低于本发明的新型PIN电光调制器结构，并且器件温度高，降低了器件的调制效率。
[0041] 本发明中的调制器结构结合理论会得出调制器在调制速度方面也有一定的优势，本发明主要以调制区载流子注入浓度和温度的仿真为重点。在仿真中主要针对其正向偏压下调制区载流子注入浓度和温度进行仿真：在仿真中发现，相同调制电压下，新型PIN电光调制器结构的本征N型锗硅调制区2载流子注入浓度远远大于同尺寸的常规硅基PIN光电调制器结构的本征N型硅调制区9载流子注入浓度；相同载流子注入浓度下，新型PIN电光调制器结构的本征N型锗硅调制区2温度小于同尺寸的常规硅基PIN光电调制器结构的本征N型硅调制区9温度。新型PIN电光调制器结构的本征N型锗硅调制区2载流子注入浓度和温度的具体仿真结果分别如图3和图4所示。
[0042] 从图3中可以看出，随着调制电压增大，新型PIN电光调制器结构的本征N型锗硅调制区2载流子浓度和常规硅基PIN光电调制器结构的本征N型硅调制区9载流子浓度均增大；当调制电压大于0.65V时，新型PIN电光调制器结构的载流子浓度明显大于常规硅基PIN光电调制器结构；随着调制电压增大，新型PIN电光调制器结构的载流子浓度的增大幅度明显高于常规硅基PIN光电调制器结构的载流子浓度；当调制电压达到0.88V时，新型PIN电光调制器结构的载流子浓度与常规硅基PIN光电调制器结构在2V调制电压下的载流子浓度相同；由此可以看出锯齿状横向双异质结有效增大了载流子注入浓度，在相同调制浓度下，可以大幅度降低调制电压，减小调制功耗。
[0043] 从图4中可以看出，新型PIN电光调制器结构的本征N型锗硅调制区2载流子浓度和常规硅基PIN光电调制器结构的本征N型硅调制区9载流子浓度与温度均呈正比关系；相同温度下，新型PIN电光调制器结构的本征N型锗硅调制区2载流子浓度大于常规硅基PIN光电调制器结构的本征N型硅调制区9载流子浓度；相同载流子浓度下，新型PIN电光调制器结构的本征N型锗硅调制区2温度小于常规硅基PIN光电调制器结构的本征N型硅调制区9温度；由此可以看出锯齿状横向双异质结可以有效增大载流子注入面积，减小了载流子碰撞几率，削弱了热光效应，减小了折射率的漂移，提高了调制效率。
[0044] 本发明一种新型PIN电光调制器结构是在常规硅基PIN电光调制器结构的调制区中采用锗硅材料代替硅材料，并改变有源区掺杂区域，形成锯齿状横向双异质结PIN电学调制器结构，不仅可以大幅度提高载流子浓度，增强等离子色散效应，还可以有效增大载流子注入面积，减小载流子碰撞几率，削弱热光效应，减小折射率的漂移，提高调制效率。
