本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，尤指一種PN結(jié)(P-N junction)。

背景技術(shù)：

硅基光電子集成采用傳統(tǒng)微電子領(lǐng)域的硅材料作為光電子功能材料，具有尺寸小、成本低、易集成、與互補金屬氧化物(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝兼容、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被視為光通信、光互連成本和功耗瓶頸的理想解決方案。硅基電光調(diào)制器是硅基光電子集成中的代表性器件，成為學(xué)術(shù)界研究的熱點。

由于硅是中心反演對稱晶體，沒有線性電光效應(yīng)，而高階電光效應(yīng)又非常微弱，只能通過其他效應(yīng)來實現(xiàn)光調(diào)制。硅基電光調(diào)制往往利用硅材料中的自由載流子的等離子色散效應(yīng)，即當硅中自由載流子濃度發(fā)生變化時，硅的折射率就會隨之發(fā)生變化。載流子濃度調(diào)制方式有注入式、積累式和耗盡式。其中，

注入式結(jié)構(gòu)通常在波導(dǎo)平板區(qū)做P型和N型摻雜，波導(dǎo)脊型區(qū)作為I區(qū)，在外加正偏電壓的作用下，載流子(電子和空穴)從兩側(cè)的波導(dǎo)平板區(qū)注入到波導(dǎo)脊型區(qū)，從而引起波導(dǎo)平板區(qū)的有效折射率的變化。注入式結(jié)構(gòu)的載流子的改變區(qū)與光波導(dǎo)中的光場模式有很大的重疊部分，具有較高的調(diào)制效率，但是受限于較緩慢的載流子注入過程，調(diào)制速率僅僅能達到幾吉赫茲(GHz)。

積累式結(jié)構(gòu)通常需要在脊型區(qū)形成一個氧化層，在波導(dǎo)平板區(qū)做P型和N型摻雜，形成一種近似電容的結(jié)構(gòu)，外加正向電壓時，產(chǎn)生近似于電容充放電的效應(yīng)，改變氧化層附近的載流子濃度。積累式結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)較高的調(diào)制速率，然而由于載流子濃度只在氧化層附近改變，導(dǎo)致載流子濃度改變區(qū)與光場重疊部分較少，該結(jié)構(gòu)調(diào)制效率受限。

耗盡式結(jié)構(gòu)需要在波導(dǎo)平板區(qū)和波導(dǎo)脊型區(qū)都進行摻雜，在波導(dǎo)脊型區(qū)內(nèi)形成PN結(jié)。外加反偏電壓時，隨著PN結(jié)反偏電壓的升高，載流子耗盡區(qū)越來越大，從而導(dǎo)致波導(dǎo)平板區(qū)的有效折射率的變化?；诜雌玃N結(jié)的耗盡型結(jié)構(gòu)的載流子的耗盡速度很快，因此調(diào)制速率通常較高，可以達到幾十GHz，能應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸。但是該結(jié)構(gòu)同樣存在載流子濃度改變區(qū)和光場重疊區(qū)較小，調(diào)制效率較低的問題。

對于傳統(tǒng)的耗盡式結(jié)構(gòu)，主要有縱向PN結(jié)結(jié)構(gòu)、橫向PN結(jié)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的縱向PN結(jié)結(jié)構(gòu)，由于需要外延生長，工藝實現(xiàn)存在難度。橫向PN結(jié)結(jié)構(gòu)可以通過離子注入的方式形成與襯底垂直的PN結(jié)結(jié)構(gòu)，圖1(a)為傳統(tǒng)橫向PN結(jié)結(jié)構(gòu)的三維示意圖，圖1(b)為圖1(a)的投影圖。如圖1(a)所示，該結(jié)構(gòu)包括重摻雜P區(qū)1、輕摻雜P區(qū)2、輕摻雜N區(qū)3和重摻雜N區(qū)4，沿波導(dǎo)脊型區(qū)長度方向沒有變化。該結(jié)構(gòu)由于載流子濃度改變區(qū)與光場重疊部分較少，因此調(diào)制效率較低。也就是說，傳統(tǒng)的耗盡型硅基電光調(diào)制器存在調(diào)制效率較低，所需驅(qū)動電壓較大，從而導(dǎo)致了功耗較大。近些年來研究者們提出了一些提高耗盡式結(jié)構(gòu)調(diào)制效率的方法。

插指型結(jié)構(gòu)克服了上述結(jié)構(gòu)的缺點，采用沿長度方向周期性摻雜的方法，增大了載流子濃度改變區(qū)與光場重疊部分的面積，進而提高了調(diào)制效率。圖2(a)為傳統(tǒng)插指型PN結(jié)結(jié)構(gòu)的三維示意圖，圖2(b)為圖2(a)的投影圖。如圖2(a)所示，該結(jié)構(gòu)沿波導(dǎo)脊型區(qū)長度方向呈周期性變化，每一個周期內(nèi)，輕摻雜P區(qū)1和輕摻雜N區(qū)3在波導(dǎo)脊形區(qū)長度方向上交替分布，且輕摻雜P區(qū)1和輕摻雜N區(qū)3在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域的交界面在與交界面垂直的平面上的投影為一條直線。然而，該結(jié)構(gòu)依然存在調(diào)制效率較低，功耗較大的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種PN結(jié)，能夠提高調(diào)制效率，降低功耗。

為了達到上述目的，本發(fā)明提出了一種PN結(jié)，至少包括：

輕摻雜P區(qū)、與輕摻雜P區(qū)相連的輕摻雜N區(qū)；

其中，輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)長度方向交替分布，且輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域的交界面在與交界面垂直的平面上的投影為一條折線。

優(yōu)選地，還包括：與所述輕摻雜P區(qū)相連的重摻雜P區(qū)、與所述輕摻雜N區(qū)相連的重摻雜N區(qū)。

優(yōu)選地，所述輕摻雜N區(qū)在所述波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與所述交界面垂直的平面上的投影形狀為平面型結(jié)構(gòu)；

所述輕摻雜P區(qū)在所述波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與所述交界面垂直的平面上的投影形狀與所述輕摻雜N區(qū)在所述波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與所述交界面垂直的平面上的投影形狀相對應(yīng)。

優(yōu)選地，所述平面型結(jié)構(gòu)以下的一種或多種：

凸凹疊加型，王字型、S型、I子型。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括：輕摻雜P區(qū)、與輕摻雜P區(qū)相連的輕摻雜N區(qū)；其中，輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)長度方向交替分布，且輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域的交界面在與交界面垂直的平面上的投影為一條折線。通過本發(fā)明的方案，提高了調(diào)制效率，降低了功耗。

附圖說明

下面對本發(fā)明實施例中的附圖進行說明，實施例中的附圖是用于對本發(fā)明的進一步理解，與說明書一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限制。

圖1(a)為傳統(tǒng)橫向PN結(jié)結(jié)構(gòu)的三維示意圖；

圖1(b)為圖1(a)的投影圖；

圖2(a)為傳統(tǒng)插指型PN結(jié)結(jié)構(gòu)的三維示意圖；

圖2(b)為圖2(a)的投影圖；

圖3(a)為本發(fā)明輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的 平面上的投影形狀為凸凹疊加型時PN結(jié)的三維示意圖；

圖3(b)為圖3(a)的投影圖；

圖4(a)為本發(fā)明輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為王字型時PN結(jié)的三維示意圖；

圖4(b)為圖4(a)的投影圖；

圖5(a)為本發(fā)明輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為S型時PN結(jié)的三維示意圖；

圖5(b)為圖5(a)的投影圖；

圖6(a)為本發(fā)明輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為I字型時PN結(jié)的三維示意圖；

圖6(b)為圖6(a)的投影圖；

圖7為本發(fā)明波導(dǎo)有效折射率的改變值隨外加反偏電壓的變化圖；

圖8為本發(fā)明馬赫曾德爾干涉儀(MZI，Mach-Zehnder Interferometer)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

具體實施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述，并不能用來限制本發(fā)明的保護范圍。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的各種方式可以相互組合。

本發(fā)明提出了一種PN結(jié)，至少包括：輕摻雜P區(qū)、與輕摻雜P區(qū)相連的輕摻雜N區(qū)。

其中，輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上形成新穎插指型結(jié)構(gòu)。具體地，輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)長度方向交替分布，且輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的交界面的投影為一條折線。

其中，輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為平面型結(jié)構(gòu)。其中，平面型結(jié)構(gòu)可以是以下的一種或多種：

凸凹疊加型，王字型、S型、I字型等。

由于輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上緊密相連，因此輕摻雜P區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的形狀與輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的形狀相對應(yīng)。

輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的形狀還可以是其他的形狀，只要滿足輕摻雜P區(qū)和輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的交界面的投影為一條折線就可以，本領(lǐng)域技術(shù)人員對輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的形狀所做出的任意改變和替換都在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

例如，圖3(a)為輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為凸凹疊加型時PN結(jié)的三維示意圖，圖3(b)為圖3(a)的投影圖。如圖3(a)所示，該PN結(jié)包括：波導(dǎo)，為脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)由芯片尺寸和刻蝕工藝來定義。在波導(dǎo)內(nèi)包含重摻雜P區(qū)1，輕摻雜P區(qū)2，輕摻雜N區(qū)3，重摻雜N區(qū)4。該輕摻雜P區(qū)2和輕摻雜N區(qū)3的交界處形成新穎插指型結(jié)構(gòu)。輕摻雜P區(qū)2與輕摻雜N區(qū)3的兩側(cè)為波導(dǎo)平板區(qū)。外加偏置電壓時，重摻雜P區(qū)1與重摻雜N區(qū)4與金屬電極形成歐姆接觸。該新穎插指型結(jié)構(gòu)沿波導(dǎo)脊型區(qū)長度方向呈周期分布。在外加反偏電壓的情況下，隨著電壓增大，PN結(jié)的載流子耗盡區(qū)變寬，由于等離子色散作用，光波導(dǎo)的光場模式與波導(dǎo)中的載流子濃度的重疊積分減小，導(dǎo)致波導(dǎo)有效折射率增大，因此通過控制外加電壓信號的變化就可以控制波導(dǎo)有效折射率的變化值。

圖4(a)為輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為王字型時PN結(jié)的三維示意圖，圖4(b)為圖4(a)的投影圖。圖5(a)為輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為S型時PN結(jié)的三維示意圖，圖5(b)為圖5(a)的投影圖。圖6(a)為輕摻雜N區(qū)在波導(dǎo)脊形區(qū)上的區(qū)域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為I字型時PN結(jié)的三維示意圖，圖6(b)為圖6(a)的投影圖。這三種結(jié)構(gòu)同樣采用不規(guī)則的P區(qū)與N區(qū)交界面，增大了耗盡區(qū)的面積，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比增加了PN結(jié)耗盡區(qū)與光場的重疊積分，可以實現(xiàn)提高調(diào)制效率的目的。

本發(fā)明的PN結(jié)還可以包括：與輕摻雜P區(qū)相連的重摻雜P區(qū)、與輕摻雜N區(qū)相連的重摻雜N區(qū)。

其中，在外加偏置電壓時，重摻雜P區(qū)和重摻雜N區(qū)分別與兩個金屬電極相連。電極結(jié)構(gòu)可以采用集中式或行波式。

其中，PN結(jié)可以采用具有等離子色散效應(yīng)的材料，例如硅、或絕緣襯底上的硅(SOI，Silicon-On-Insulator)、或銦磷(InP)、或砷化鎵(GaAs)等。

通過本發(fā)明的方案，在波導(dǎo)脊型區(qū)長度方向采用新穎插指型結(jié)構(gòu)，增大了波導(dǎo)內(nèi)載流子耗盡區(qū)與波導(dǎo)內(nèi)光場的重疊部分，提高了耗盡型電光調(diào)制器的調(diào)制效率，降低了功耗。并且，基于新穎插指型結(jié)構(gòu)的制造工藝與傳統(tǒng)的超大規(guī)模集成電路CMOS工藝兼容，無需特殊工藝，可以直接使用離子注入工藝形成新穎插指型PN結(jié)結(jié)構(gòu)，有利于器件的大規(guī)模制造和降低成本。

圖7為波導(dǎo)有效折射率的改變值隨外加反偏電壓的變化圖。本實施例中，波導(dǎo)脊型區(qū)寬度選擇600納米(nm)，波導(dǎo)平板區(qū)寬度500nm，一個周期長度600nm。輕摻雜濃度為1×10¹⁸/cm³，重摻雜濃度為1×10²⁰/cm³，橫向PN結(jié)結(jié)構(gòu)選擇輕摻雜P區(qū)與輕摻雜N區(qū)對稱的結(jié)構(gòu)。同時傳統(tǒng)插指型結(jié)構(gòu)單個周期內(nèi)輕摻雜P區(qū)與輕摻雜N區(qū)均為300nm長。在這里由于是對波導(dǎo)脊型區(qū)的長度方向進行分析，我們假設(shè)波導(dǎo)脊型區(qū)光場均勻。通過計算模擬結(jié)果可以看出，在同樣的摻雜濃度和驅(qū)動信號電壓下，采用本發(fā)明所涉及新穎插指結(jié)構(gòu)摻雜結(jié)構(gòu)的調(diào)制器其波導(dǎo)有效折射率的改變值要明顯大于傳統(tǒng)插指結(jié)構(gòu)以及橫向PN結(jié)結(jié)構(gòu)，因此，調(diào)制效率較高。

圖8為馬赫曾德爾干涉儀(MZI，Mach-Zehnder Interferometer)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)組成示意圖。如圖8所示，MZI調(diào)制器由分束合束器1a、1b和兩個PN結(jié)10構(gòu)成，其中分束合束器1a、分束合束器1b可以采用Y分支或者多模干涉儀(MMI，Multimode Interferometer)。輸入光通過分束合束器1a平均分配到兩個PN結(jié)10中，兩束光通過分束合束器1b合并成為一束光。在PN結(jié)10有效折射率的情況下會帶來兩臂相位差的改變，因此帶來輸出光強的變化，從而實現(xiàn)光強調(diào)制。

需要說明的是，以上所述的實施例僅是為了便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解而已，并不用于限制本發(fā)明的保護范圍，在不脫離本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明所做出的任何顯而易見的替換和改進等均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。