一种PN结的制作方法

本发明涉及半导体技术，尤指一种PN结(P-N junction)。

背景技术：

硅基光电子集成采用传统微电子领域的硅材料作为光电子功能材料，具有尺寸小、成本低、易集成、与互补金属氧化物(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺兼容、稳定性好等优点，被视为光通信、光互连成本和功耗瓶颈的理想解决方案。硅基电光调制器是硅基光电子集成中的代表性器件，成为学术界研究的热点。

由于硅是中心反演对称晶体，没有线性电光效应，而高阶电光效应又非常微弱，只能通过其他效应来实现光调制。硅基电光调制往往利用硅材料中的自由载流子的等离子色散效应，即当硅中自由载流子浓度发生变化时，硅的折射率就会随之发生变化。载流子浓度调制方式有注入式、积累式和耗尽式。其中，

注入式结构通常在波导平板区做P型和N型掺杂，波导脊型区作为I区，在外加正偏电压的作用下，载流子(电子和空穴)从两侧的波导平板区注入到波导脊型区，从而引起波导平板区的有效折射率的变化。注入式结构的载流子的改变区与光波导中的光场模式有很大的重叠部分，具有较高的调制效率，但是受限于较缓慢的载流子注入过程，调制速率仅仅能达到几吉赫兹(GHz)。

积累式结构通常需要在脊型区形成一个氧化层，在波导平板区做P型和N型掺杂，形成一种近似电容的结构，外加正向电压时，产生近似于电容充放电的效应，改变氧化层附近的载流子浓度。积累式结构可以实现较高的调制速率，然而由于载流子浓度只在氧化层附近改变，导致载流子浓度改变区与光场重叠部分较少，该结构调制效率受限。

耗尽式结构需要在波导平板区和波导脊型区都进行掺杂，在波导脊型区内形成PN结。外加反偏电压时，随着PN结反偏电压的升高，载流子耗尽区越来越大，从而导致波导平板区的有效折射率的变化。基于反偏PN结的耗尽型结构的载流子的耗尽速度很快，因此调制速率通常较高，可以达到几十GHz，能应用于高速数据传输。但是该结构同样存在载流子浓度改变区和光场重叠区较小，调制效率较低的问题。

对于传统的耗尽式结构，主要有纵向PN结结构、横向PN结结构。传统的纵向PN结结构，由于需要外延生长，工艺实现存在难度。横向PN结结构可以通过离子注入的方式形成与衬底垂直的PN结结构，图1(a)为传统横向PN结结构的三维示意图，图1(b)为图1(a)的投影图。如图1(a)所示，该结构包括重掺杂P区1、轻掺杂P区2、轻掺杂N区3和重掺杂N区4，沿波导脊型区长度方向没有变化。该结构由于载流子浓度改变区与光场重叠部分较少，因此调制效率较低。也就是说，传统的耗尽型硅基电光调制器存在调制效率较低，所需驱动电压较大，从而导致了功耗较大。近些年来研究者们提出了一些提高耗尽式结构调制效率的方法。

插指型结构克服了上述结构的缺点，采用沿长度方向周期性掺杂的方法，增大了载流子浓度改变区与光场重叠部分的面积，进而提高了调制效率。图2(a)为传统插指型PN结结构的三维示意图，图2(b)为图2(a)的投影图。如图2(a)所示，该结构沿波导脊型区长度方向呈周期性变化，每一个周期内，轻掺杂P区1和轻掺杂N区3在波导脊形区长度方向上交替分布，且轻掺杂P区1和轻掺杂N区3在波导脊形区上的区域的交界面在与交界面垂直的平面上的投影为一条直线。然而，该结构依然存在调制效率较低，功耗较大的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种PN结，能够提高调制效率，降低功耗。

为了达到上述目的，本发明提出了一种PN结，至少包括：

轻掺杂P区、与轻掺杂P区相连的轻掺杂N区；

其中，轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区长度方向交替分布，且轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区上的区域的交界面在与交界面垂直的平面上的投影为一条折线。

优选地，还包括：与所述轻掺杂P区相连的重掺杂P区、与所述轻掺杂N区相连的重掺杂N区。

优选地，所述轻掺杂N区在所述波导脊形区上的区域在与所述交界面垂直的平面上的投影形状为平面型结构；

所述轻掺杂P区在所述波导脊形区上的区域在与所述交界面垂直的平面上的投影形状与所述轻掺杂N区在所述波导脊形区上的区域在与所述交界面垂直的平面上的投影形状相对应。

优选地，所述平面型结构以下的一种或多种：

凸凹叠加型，王字型、S型、I子型。

与现有技术相比，本发明包括：轻掺杂P区、与轻掺杂P区相连的轻掺杂N区；其中，轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区长度方向交替分布，且轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区上的区域的交界面在与交界面垂直的平面上的投影为一条折线。通过本发明的方案，提高了调制效率，降低了功耗。

附图说明

下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。

图1(a)为传统横向PN结结构的三维示意图；

图1(b)为图1(a)的投影图；

图2(a)为传统插指型PN结结构的三维示意图；

图2(b)为图2(a)的投影图；

图3(a)为本发明轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的 平面上的投影形状为凸凹叠加型时PN结的三维示意图；

图3(b)为图3(a)的投影图；

图4(a)为本发明轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的平面上的投影形状为王字型时PN结的三维示意图；

图4(b)为图4(a)的投影图；

图5(a)为本发明轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的平面上的投影形状为S型时PN结的三维示意图；

图5(b)为图5(a)的投影图；

图6(a)为本发明轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的平面上的投影形状为I字型时PN结的三维示意图；

图6(b)为图6(a)的投影图；

图7为本发明波导有效折射率的改变值随外加反偏电压的变化图；

图8为本发明马赫曾德尔干涉仪(MZI，Mach-Zehnder Interferometer)调制器的结构组成示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的各种方式可以相互组合。

本发明提出了一种PN结，至少包括：轻掺杂P区、与轻掺杂P区相连的轻掺杂N区。

其中，轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区上形成新颖插指型结构。具体地，轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区长度方向交替分布，且轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区上的交界面的投影为一条折线。

其中，轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的平面上的投影形状为平面型结构。其中，平面型结构可以是以下的一种或多种：

凸凹叠加型，王字型、S型、I字型等。

由于轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区上紧密相连，因此轻掺杂P区在波导脊形区上的形状与轻掺杂N区在波导脊形区上的形状相对应。

轻掺杂N区在波导脊形区上的形状还可以是其他的形状，只要满足轻掺杂P区和轻掺杂N区在波导脊形区上的交界面的投影为一条折线就可以，本领域技术人员对轻掺杂N区在波导脊形区上的形状所做出的任意改变和替换都在本发明的保护范围内。

例如，图3(a)为轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的平面上的投影形状为凸凹叠加型时PN结的三维示意图，图3(b)为图3(a)的投影图。如图3(a)所示，该PN结包括：波导，为脊型波导结构，其具体结构参数由芯片尺寸和刻蚀工艺来定义。在波导内包含重掺杂P区1，轻掺杂P区2，轻掺杂N区3，重掺杂N区4。该轻掺杂P区2和轻掺杂N区3的交界处形成新颖插指型结构。轻掺杂P区2与轻掺杂N区3的两侧为波导平板区。外加偏置电压时，重掺杂P区1与重掺杂N区4与金属电极形成欧姆接触。该新颖插指型结构沿波导脊型区长度方向呈周期分布。在外加反偏电压的情况下，随着电压增大，PN结的载流子耗尽区变宽，由于等离子色散作用，光波导的光场模式与波导中的载流子浓度的重叠积分减小，导致波导有效折射率增大，因此通过控制外加电压信号的变化就可以控制波导有效折射率的变化值。

图4(a)为轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的平面上的投影形状为王字型时PN结的三维示意图，图4(b)为图4(a)的投影图。图5(a)为轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的平面上的投影形状为S型时PN结的三维示意图，图5(b)为图5(a)的投影图。图6(a)为轻掺杂N区在波导脊形区上的区域在与交界面垂直的平面上的投影形状为I字型时PN结的三维示意图，图6(b)为图6(a)的投影图。这三种结构同样采用不规则的P区与N区交界面，增大了耗尽区的面积，与传统结构相比增加了PN结耗尽区与光场的重叠积分，可以实现提高调制效率的目的。

本发明的PN结还可以包括：与轻掺杂P区相连的重掺杂P区、与轻掺杂N区相连的重掺杂N区。

其中，在外加偏置电压时，重掺杂P区和重掺杂N区分别与两个金属电极相连。电极结构可以采用集中式或行波式。

其中，PN结可以采用具有等离子色散效应的材料，例如硅、或绝缘衬底上的硅(SOI，Silicon-On-Insulator)、或铟磷(InP)、或砷化镓(GaAs)等。

通过本发明的方案，在波导脊型区长度方向采用新颖插指型结构，增大了波导内载流子耗尽区与波导内光场的重叠部分，提高了耗尽型电光调制器的调制效率，降低了功耗。并且，基于新颖插指型结构的制造工艺与传统的超大规模集成电路CMOS工艺兼容，无需特殊工艺，可以直接使用离子注入工艺形成新颖插指型PN结结构，有利于器件的大规模制造和降低成本。

图7为波导有效折射率的改变值随外加反偏电压的变化图。本实施例中，波导脊型区宽度选择600纳米(nm)，波导平板区宽度500nm，一个周期长度600nm。轻掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³，重掺杂浓度为1×10²⁰/cm³，横向PN结结构选择轻掺杂P区与轻掺杂N区对称的结构。同时传统插指型结构单个周期内轻掺杂P区与轻掺杂N区均为300nm长。在这里由于是对波导脊型区的长度方向进行分析，我们假设波导脊型区光场均匀。通过计算模拟结果可以看出，在同样的掺杂浓度和驱动信号电压下，采用本发明所涉及新颖插指结构掺杂结构的调制器其波导有效折射率的改变值要明显大于传统插指结构以及横向PN结结构，因此，调制效率较高。

图8为马赫曾德尔干涉仪(MZI，Mach-Zehnder Interferometer)调制器的结构组成示意图。如图8所示，MZI调制器由分束合束器1a、1b和两个PN结10构成，其中分束合束器1a、分束合束器1b可以采用Y分支或者多模干涉仪(MMI，Multimode Interferometer)。输入光通过分束合束器1a平均分配到两个PN结10中，两束光通过分束合束器1b合并成为一束光。在PN结10有效折射率的情况下会带来两臂相位差的改变，因此带来输出光强的变化，从而实现光强调制。

需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。