相移器结构及相移器及其行波电极调制器的制作方法

1.本发明涉及硅基光电子集成芯片技术领域，具体为相移器结构及相移器及其行波电极调制器。


背景技术：

2.在硅基集成光电系统中，行波电极调制器由于具有可得到较高消光比与较易集成的特点而得到广泛应用，其一般基于soi工艺，制成硅基电光调制器。基于soi工艺的行波电极调制器一般由光波导负载和行波电极组成，电磁波在行波电极间传输，光载波在负载光波导中传输。在光载波和电磁波传输过程中，电磁波与光载波相互作用使光载波的相位发生变化，从而完成电信号到光信号的调制。在行波电极调制器中，其主要的性能评价指标为电光带宽以及阻抗。
3.行波电极调制器调节光的相位主要依靠相移器，其中相移器的英文名称为“phase shifter”。相移器包括硅衬底、绝缘层、光波导和改变光波导折射率的结构。现有的相移器采用直流偏置结构来使pn结或pin结处于反偏状态，从而改变光波导的折射率。如图1a，现有pn结或pin结相移器中的掺杂区900直接铺设在硅衬底中，多个掺杂区900沿与光在光波导中传播方向并垂直的方向并排铺设在硅衬底800，这样的直接铺置方式会导致掺杂区、硅衬底以及绝缘层形成一个较大寄生电容结构，该寄生电容会影响相移器的本征带宽。


技术实现要素：

4.本发明的一个优势在于提供相移器结构，两个重掺杂部沿光的传播方向被间隔地设置于半导体基体的两侧，能够减小重掺杂部垂直投影在基层的平面面积，从而减小重掺杂部与基层之间形成的寄生电容，提高相移器的本征带宽。
5.本发明的一个优势在于提供相移器结构，其中重掺杂部和轻掺杂部相互电连接后电连接在半导体基体的侧面，能够减小轻掺杂部垂直投影在基层的平面面积，能够进一步地缩小寄生电容的形成，从而进一步提高相移器的本征带宽。
6.本发明的一个优势在于提供相移器结构，所述相移器结构包括：一基层；一半导体单元，所述半导体单元包括一半导体基体、两重掺杂部和至少一轻掺杂部，所述半导体基体被平铺于所述基层，所述半导体基体被设置能够被光穿过，所述半导体基体被光穿过的两端分别被定义为一第一端和一第二端，所述半导体基体与光在所述半导体基体中传播方向垂直的方向两侧部分别被定义为一第一侧端部和一第二侧端部，其中两个所述重掺杂部沿光的传播方向被间隔地设置，并且两个所述重掺杂部分别对应地设置于所述半导体基体的所述第一端和所述第二端，两个间隔设置的所述重掺杂部通过所述轻掺杂部与所述半导体基体电连接，并且所述轻掺杂部和两个所述重掺杂部沿光的传播方向设置于所述基层；和一偏置单元，所述偏置单元包括两信号电极和两偏置电极，两个所述偏置电极沿
光的传播方向被对应布置于两个所述重掺杂部，并电连接于两个所述重掺杂部，两个所述信号电极被间隔地电连接于所述半导体基体的所述第一侧端部的上部和所述第二侧端部的上部，所述信号电极用于加载高速电信号，所述偏置电极用于加载偏置电压，以在所述信号电极加载有高速电信号和所述偏置电极加载有偏置电压时，所述半导体基体的折射率发生改变，从而能够改变光透过所述半导体基体的相位。
7.根据本发明一实施例，所述轻掺杂部的数量被实施为一个，一个所述轻掺杂部沿光的传播方向被设置于所述半导体基体的中部，所述轻掺杂部的两端对应电连接两个所述重掺杂部。
8.根据本发明一实施例，所述轻掺杂部的数量被实施为两个，两个所述轻掺杂部沿光的传播方向被间隔地设置于所述半导体基体的所述第一端和所述第二端，两个所述重掺杂部对应电连接在两个所述轻掺杂部相互背离的一侧，每个所述重掺杂部通过一个所述轻掺杂部与所述半导体基体电连接。
9.根据本发明一实施例，所述半导体单元被实施为pn结，所述重掺杂部被实施为n++重掺杂部；所述半导体基体包括至少两p型区和至少一n型区，至少两个所述p型区和至少一个所述n型区沿着与所述半导体基体中光传播方向垂直方向并排分布于所述基层的顶部，其中所述n型区被设置于所述p型区之间，所述p型区和所述n型区的延伸方向均平行于光的传播方向。
10.根据本发明一实施例，所述p型区和所述n型区的数量均被实施为两个，所述轻掺杂部的数量被实施为一个，所述轻掺杂部被设置于两个所述n型区之间，且所述轻掺杂部的延伸方向平行于光的传播方向。
11.根据本发明一实施例，所述p型区的数量被实施为两个，所述n型区的数量被实施为一个，所述轻掺杂部的数量被实施为两个，一个所述n型区被设置于两个所述p型区之间，所述轻掺杂部沿光的传播方向被间隔地设置于所述n型区的两端。
12.根据本发明一实施例，所述重掺杂部和/或所述轻掺杂部沿竖直方向开设有通孔。
13.根据本发明一实施例，所述半导体单元被实施为pin结或soh。
14.为达到本发明以上至少一个优势，本发明提供相移器，所述相移器包括一绝缘层；和如上述任一实施例所述相移器结构，所述绝缘层被铺设于所述基层的顶部，且所述绝缘层包覆所述半导体单元和所述偏置单元。
15.为达到本发明以上至少一个优势，本发明提供行波电极调制器，所述行波电极调制器包括：一光分束器，所述光分束器被设置于所述半导体单元的一端；一光合束器，所述光合束器被设置于所述半导体单元的另一端；如上述实施例所述相移器，所述相移器被设置连接所述光分束器和所述光合束器。
附图说明
16.图1a示出了现有相移器结构示意图。
17.图1b示出了现有相移器结构的横向剖示意图。
18.图2示出了本发明所述相移器结构的结构示意图。
19.图3示出了本发明所述相移器结构的半导体单元被实施为pn结的横向截面图。
20.图4示出了本发明另一实施例所述相移器结构的结构示意图。
21.图5示出了本发明另一实施例所述相移器的半导体单元被实施为pn结的横向截面图。
22.图6示出了本发明所述相移器的半导体单元被实施为pin结的横向截面图。
具体实施方式
23.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
24.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
25.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
26.参考图1a和图1b，分别示出了现有相移器结构的立体图和横向截面图，现有相移器结构中的多个掺杂区900沿垂直光的传播方向并排地铺设在硅衬底800。所述掺杂区900由上至下垂直投影在所述硅衬底800的平面面积为所述掺杂区900的底部平面面积，按照图1a这种方式，会导致所述掺杂区900垂直投影在所述硅衬底800上面积较大，这样一来，在所述掺杂区900和所述硅衬底800之间便会生成较大的寄生电容。
27.参考图2至图6，依本发明一较佳实施例的相移器结构将在以下被详细地阐述。所述相移器结构能够减小掺杂部垂直投影在基层的平面面积，减少寄生电容的生成，提高相移器的本征带宽。所述相移器结构包括一基层10、一半导体单元20和一偏置单元30。
28.所述半导体单元20包括一半导体基体21、两重掺杂部22和至少一轻掺杂部23，所述半导体基体21被平铺于所述基层10，所述半导体基体21被设置能够被光穿过。
29.进一步地，所述半导体基体21被光穿过的两端分别被定义为一第一端2101和一第二端2102。所述半导体基体21与光在所述半导体基体21中传播方向垂直的方向两侧部分别被定义为一第一侧端部2103和一第二侧端部2104。两个所述重掺杂部22沿光的传播方向被间隔地设置，并且两个所述重掺杂部22分别对应地设置于所述半导体基体21的所述第一端2101和第二端2102。此外，两个间隔设置的所述重掺杂部22通过所述轻掺杂部23与所述半导体基体21电连接，并且所述轻掺杂部23和两个所述重掺杂部22沿光的传播方向设置于所述基层10。
30.所述偏置单元30包括两偏置电极31和两信号电极32。两个所述偏置电极31沿光的传播方向被对应布置于两个所述重掺杂部22，并电连接于两个所述重掺杂部22。
31.两个所述信号电极32沿与光在所述半导体基体21中传播方向垂直的方向间隔地电连接于所述半导体基体21的所述第一侧端部2103的上部和所述第二侧端部2104的上部。
32.本领域技术人员能够理解的是，所述信号电极32用于加载高速电信号，所述偏置电极31用于加载偏置电压。当所述信号电极32中加载有高速电信号和所述偏置电极31中加载偏置电压时，所述半导体基体21的折射率会发生改变，从而能够改变光透过所述半导体基体21的相位。
33.与现有所述掺杂区900铺设在所述硅衬底800上的方式相比，本发明改变了所述重掺杂部22相对所述半导体基体21的位置，两个所述重掺杂部22沿平行于光在所述半导体基体21中传播的方向设置在所述半导体基体21的所述第一端2101和所述第二端2102，且两个所述重掺杂部22是间隔地设置在所述半导体基体21。这样一来，既能够保证所述半导体基体21接收到稳定的偏置电压，又能够减少所述重掺杂部22垂直投影在所述基层10的平面面积，从而减少所述重掺杂部22与所述基层10之间形成的寄生电容，降低寄生电容对该相移器的本征带宽的影响。
34.换句话讲，本发明改变了两个所述重掺杂部22相对所述半导体基体21的布置位置，但未改变所述半导体基体21的长度，如此，能够在不影响所述半导体基体21对光相位改变能力的情况下，减小所述重掺杂部22和所述基层10之间的寄生电容。
35.如图2和图3所示，在本发明一个实施例中，所述轻掺杂部23的数量被实施为一个，一个所述轻掺杂部23沿光的传播方向设置于所述半导体基体21的中部，所述轻掺杂部23的两端对应电连接两个所述重掺杂部22。两个所述偏置电极31通过两个所述重掺杂部22和一个所述轻掺杂部23将偏置电压传递至所述半导体基体21。
36.通过这样的方式，两个所述重掺杂部22间隔地电连接于所述半导体基体21的所述第一端2101和所述第二端2102，能够减小所述重掺杂部22垂直投影在所述基层10的平面面积，达到减小所述重掺杂部22与所述基层10之间的寄生电容的目的，提高相移器的本征带宽。
37.如图4和图5所示，在本发明另一个实施例中，所述轻掺杂部23的数量被实施为两个，两个所述轻掺杂部23沿光的传播方向被间隔地设置于所述半导体基体21的所述第一端2101和所述第二端2102。两个所述重掺杂部22对应电连接在两个所述轻掺杂部23相互背离的一侧，每个所述重掺杂部22通过一个所述轻掺杂部23与所述半导体基体21电连接。
38.可以理解的是，两个所述重掺杂部22之间相互间隔地设置在所述半导体基体21，并且两个所述轻掺杂部23之间也相互间隔地设置在所述半导体基体21。此外，一个所述重掺杂部22和一个所述轻掺杂部23对应电连接后被设置于所述半导体基体21的所述第一端2101，而另一个所述重掺杂部22和另一个所述轻掺杂部23对应电连接后被设置于所述半导体基体21的所述第二端2102。
39.换句话说，在发明中，所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23是沿着与所述半导体基体21中光传播方向平行的方向布置的。由于所述轻掺杂部23与所述基层10之间也会产生寄生电容，将所述轻掺杂部23间隔地设置在所述基层10上，也能够减小所述轻掺杂部23垂直投影在所述基层10的平面面积，从而达到进一步减小所述轻掺杂部23与所述基层10之间的寄生电容的目的，相应地，也进一步降低所述半导体单元20与所述基层10之间产生的寄生电容，从而进一步提高相移器的本征带宽。
40.在一个实施例中，所述半导体单元20的所述半导体基体21被实施为pn结。
41.具体地，所述半导体基体21包括至少两p型区211和至少一n型区212，至少两个所述p型区211和至少一个所述n型区212沿着与所述半导体基体21中光传播方向垂直方向并排分布于所述基层10，其中所述n型区212位于两个所述p型区211之间，且所述p型区211和所述n型区212的延伸方向均平行于光的传播方向。所述p型区211和所述n型区212被光透过的两端齐平，并共同定义所述第一端2101和所述第二端2102。两个所述p型区211对应所述半导体基体21的所述第一侧端部2103和所述第二侧端部2104。
42.如图2所示，具体地，所述p型区211的数量被实施为两个，所述n型区212的数量被实施为两个。两个所述n型区212被设置于两个所述p型区211之间。
43.在所述轻掺杂部23的数量被实施为一个的情况下，所述轻掺杂部23被设置于两个所述n型区212之间，且所述轻掺杂部23的延伸方向平行于光的传播方向。此时，两个所述重掺杂部22通过一个所述轻掺杂部23与两个所述n型区212电连接，两个所述重掺杂部22被对应地电连接在所述轻掺杂部23的两端，使得所述偏置电极31的偏置电压能够传递至所述n型区212。
44.如图4所示，在所述轻掺杂部23的数量被实施为两个的情况下，所述n型区212的数量还可被实施为一个。一个所述n型区212被设置于两个所述p型区211之间。两个所述轻掺杂部23沿光的传播方向被间隔地设置于所述n型区212的两端。此时，每个所述重掺杂部22通过一个所述轻掺杂部23与一个所述n型区212电连接，使得所述偏置电极31中的偏置电压由所述重掺杂部22传导至所述轻掺杂部23，最后再传导至所述n型区212。
45.所述p型区211和所述n型区212接触的一侧呈向上凸起状，所述p型区211和所述n型区212相互接触组合形成光波导。光信号在所述p型区211和所述n型区212之间的折射率会受到所述偏置电极31和所述信号电极32电信号的影响，因此，在光信号透过所述p型区211和所述n型区212之间时，所述偏置电极31或所述信号电极32中电信号的改变，能够改变光信号的相位。横向剖开所述半导体单元20，如图3所示，以所述基层10的横截面按照从左往右的方向，依次为所述p型区211、所述n型区212、所述轻掺杂部23、所述n型区212和p型区211。
46.具体地，所述p型区211包括p型部、p+轻掺杂部和p++重掺杂部，其中p型部与所述n型区212接触形成可改变折射率的光波导，其中p++重掺杂部与所述信号电极32电连接。
47.所述n+轻掺杂部和所述n++重掺杂部相互电连接后被设置于所述n型区212的两端，三者的轴向中心线共线，依旧能够将所述偏置电极31的偏置电压传递至所述n型区212。所述n+轻掺杂部和所述n++重掺杂部采用这种方式进行排布能够减小所述n+轻掺杂部和所述n++重掺杂部垂直投影于所述基层10的平面面积，减小所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23与所述基层10之间形成寄生电容，保证所述半导体单元20对光的相位稳定改变，提高该相移器的本征带宽。
48.如图5所示，当所述n+轻掺杂部和所述n++重掺杂部电连接后位于所述n型区212的两端，对所述半导体单元20进行横向剖面，按照从左往右的方向，依次为所述p型区211、所述n型区212和所述p型区211。
49.所述基层10包括一二氧化硅层11和一衬底12。所述二氧化硅层11被设置于所述衬底12的上方。具体地，所述p型区211和所述n型区212均被铺设在所述二氧化硅层11的顶部。
所述衬底12被实施为硅衬底。
50.所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23的形状可任意改变，只要保证所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23能够正常地传递电信号，所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23的形状不受限制。所述重掺杂部22能够正常传递电信号的情况下，一切为了减小所述重掺杂部22垂直投影在所述基层10平面面积的方式均属于本发明的保护范围内。具体地，改变所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23的形状，例如，在所述重掺杂部22和/或所述轻掺杂部23上沿竖直方向挖设通孔，以减小所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23垂直投影在所述基层10的平面面积，或者将所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23设置呈曲线以减小所述重掺杂部22和所述轻掺杂部23垂直投影在所述基层10的平面面积，均属于本发明的保护范围。
51.本发明另一实施例，所述半导体单元20的所述半导体基体21还可被实施为pin结，对应地，所述半导体基体21包括至少两n型区和至少一p型区，其中两个所述重掺杂部22被实施为p++重掺杂部，所述轻掺杂部23被实施为p+轻掺杂部，且所述轻掺杂部23的数量可被实施为一个。与上述pn结相同排布方式，所述p+轻掺杂部沿光的传播方向被设置于所述p型区，两个所述p++重掺杂部通过一个所述p+轻掺杂部与所述p型区电连接。两个所述p++重掺杂部间隔地被设置于所述p型区的两端，能够减小所述p++重掺杂部垂直投影于所述基体10的平面面积，减少寄生电容的形成，提高该相移器的本征带宽。
52.所述轻掺杂部23的数量可被实施为两个。两个所述p+轻掺杂部沿光的传播方向被间隔地设置于所述p型区的两端。两个所述p++重掺杂部通过两个所述p+轻掺杂部与所述p型区电连接，两个所述p++重掺杂部对应电连接在两个所述p+轻掺杂部相互背离的一侧，每个所述p++重掺杂部通过一个所述p+轻掺杂部与所述p型区电连接，采用这样的方式，能够同时减少所述p++重掺杂部和所述p+轻掺杂部垂直投影在所述基层10的平面面积，能够减小所述p++重掺杂部和所述p+轻掺杂部与所述基层10之间形成的寄生电容。
53.图6示出了所述半导体单元20的横向剖面，按照从左往右的顺序，依次为所述n型区、所述p型区和所述n型区。
54.所述半导体单元20还可被实施为silicon-organic hybrid，又名soh。
55.依本发明一较佳实施例的相移器将在以下被详细地阐述，所述相移器包括一绝缘层40和上述所述相移器结构，所述绝缘层40被铺设于所述基层10的顶部，且所述绝缘层40包覆半导体单元20和偏置单元30。
56.依本发明一较佳实施例的行波电极调制器将在以下被详细地阐述，所述行波电极调制器包括一光分束器、一光合束器和如上述所述的相移器。所述光分束器被设置于所述半导体单元20的一端。所述光合束器被设置于所述半导体单元20的另一端，所述相移器位于所述光分束器和所述光合束器的中间，用于连接所述光分束器和所述光合束器，并改变经过所述相移器光信号的相位。
57.本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。