一種PN結的制作方法

本發明涉及半導體技術，尤指一種PN結(P-N junction)。

背景技術：

硅基光電子集成采用傳統微電子領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、穩定性好等優點，被視為光通信、光互連成本和功耗瓶頸的理想解決方案。硅基電光調制器是硅基光電子集成中的代表性器件，成為學術界研究的熱點。

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

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

積累式結構通常需要在脊型區形成一個氧化層，在波導平板區做P型和N型摻雜，形成一種近似電容的結構，外加正向電壓時，產生近似于電容充放電的效應，改變氧化層附近的載流子濃度。積累式結構可以實現較高的調制速率，然而由于載流子濃度只在氧化層附近改變，導致載流子濃度改變區與光場重疊部分較少，該結構調制效率受限。

耗盡式結構需要在波導平板區和波導脊型區都進行摻雜，在波導脊型區內形成PN結。外加反偏電壓時，隨著PN結反偏電壓的升高，載流子耗盡區越來越大，從而導致波導平板區的有效折射率的變化。基于反偏PN結的耗盡型結構的載流子的耗盡速度很快，因此調制速率通常較高，可以達到幾十GHz，能應用于高速數據傳輸。但是該結構同樣存在載流子濃度改變區和光場重疊區較小，調制效率較低的問題。

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

插指型結構克服了上述結構的缺點，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與光場重疊部分的面積，進而提高了調制效率。圖2(a)為傳統插指型PN結結構的三維示意圖，圖2(b)為圖2(a)的投影圖。如圖2(a)所示，該結構沿波導脊型區長度方向呈周期性變化，每一個周期內，輕摻雜P區1和輕摻雜N區3在波導脊形區長度方向上交替分布，且輕摻雜P區1和輕摻雜N區3在波導脊形區上的區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，該結構依然存在調制效率較低，功耗較大的問題。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提出了一種PN結，能夠提高調制效率，降低功耗。

為了達到上述目的，本發明提出了一種PN結，至少包括：

輕摻雜P區、與輕摻雜P區相連的輕摻雜N區；

其中，輕摻雜P區和輕摻雜N區在波導脊形區長度方向交替分布，且輕摻雜P區和輕摻雜N區在波導脊形區上的區域的交界面在與交界面垂直的平面上的投影為一條折線。

優選地，還包括：與所述輕摻雜P區相連的重摻雜P區、與所述輕摻雜N區相連的重摻雜N區。

優選地，所述輕摻雜N區在所述波導脊形區上的區域在與所述交界面垂直的平面上的投影形狀為平面型結構；

所述輕摻雜P區在所述波導脊形區上的區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區在所述波導脊形區上的區域在與所述交界面垂直的平面上的投影形狀相對應。

優選地，所述平面型結構以下的一種或多種：

凸凹疊加型，王字型、S型、I子型。

與現有技術相比，本發明包括：輕摻雜P區、與輕摻雜P區相連的輕摻雜N區；其中，輕摻雜P區和輕摻雜N區在波導脊形區長度方向交替分布，且輕摻雜P區和輕摻雜N區在波導脊形區上的區域的交界面在與交界面垂直的平面上的投影為一條折線。通過本發明的方案，提高了調制效率，降低了功耗。

附圖說明

下面對本發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明的進一步理解，與說明書一起用于解釋本發明，并不構成對本發明保護范圍的限制。

圖1(a)為傳統橫向PN結結構的三維示意圖；

圖1(b)為圖1(a)的投影圖；

圖2(a)為傳統插指型PN結結構的三維示意圖；

圖2(b)為圖2(a)的投影圖；

圖3(a)為本發明輕摻雜N區在波導脊形區上的區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結的三維示意圖；

圖3(b)為圖3(a)的投影圖；

圖4(a)為本發明輕摻雜N區在波導脊形區上的區域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為王字型時PN結的三維示意圖；

圖4(b)為圖4(a)的投影圖；

圖5(a)為本發明輕摻雜N區在波導脊形區上的區域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為S型時PN結的三維示意圖；

圖5(b)為圖5(a)的投影圖；

圖6(a)為本發明輕摻雜N區在波導脊形區上的區域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為I字型時PN結的三維示意圖；

圖6(b)為圖6(a)的投影圖；

圖7為本發明波導有效折射率的改變值隨外加反偏電壓的變化圖；

圖8為本發明馬赫曾德爾干涉儀(MZI，Mach-Zehnder Interferometer)調制器的結構組成示意圖。

具體實施方式

為了便于本領域技術人員的理解，下面結合附圖對本發明作進一步的描述，并不能用來限制本發明的保護范圍。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。

本發明提出了一種PN結，至少包括：輕摻雜P區、與輕摻雜P區相連的輕摻雜N區。

其中，輕摻雜P區和輕摻雜N區在波導脊形區上形成新穎插指型結構。具體地，輕摻雜P區和輕摻雜N區在波導脊形區長度方向交替分布，且輕摻雜P區和輕摻雜N區在波導脊形區上的交界面的投影為一條折線。

其中，輕摻雜N區在波導脊形區上的區域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為平面型結構。其中，平面型結構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區和輕摻雜N區在波導脊形區上緊密相連，因此輕摻雜P區在波導脊形區上的形狀與輕摻雜N區在波導脊形區上的形狀相對應。

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

例如，圖3(a)為輕摻雜N區在波導脊形區上的區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結包括：波導，為脊型波導結構，其具體結構參數由芯片尺寸和刻蝕工藝來定義。在波導內包含重摻雜P區1，輕摻雜P區2，輕摻雜N區3，重摻雜N區4。該輕摻雜P區2和輕摻雜N區3的交界處形成新穎插指型結構。輕摻雜P區2與輕摻雜N區3的兩側為波導平板區。外加偏置電壓時，重摻雜P區1與重摻雜N區4與金屬電極形成歐姆接觸。該新穎插指型結構沿波導脊型區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結的載流子耗盡區變寬，由于等離子色散作用，光波導的光場模式與波導中的載流子濃度的重疊積分減小，導致波導有效折射率增大，因此通過控制外加電壓信號的變化就可以控制波導有效折射率的變化值。

圖4(a)為輕摻雜N區在波導脊形區上的區域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為王字型時PN結的三維示意圖，圖4(b)為圖4(a)的投影圖。圖5(a)為輕摻雜N區在波導脊形區上的區域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為S型時PN結的三維示意圖，圖5(b)為圖5(a)的投影圖。圖6(a)為輕摻雜N區在波導脊形區上的區域在與交界面垂直的平面上的投影形狀為I字型時PN結的三維示意圖，圖6(b)為圖6(a)的投影圖。這三種結構同樣采用不規則的P區與N區交界面，增大了耗盡區的面積，與傳統結構相比增加了PN結耗盡區與光場的重疊積分，可以實現提高調制效率的目的。

本發明的PN結還可以包括：與輕摻雜P區相連的重摻雜P區、與輕摻雜N區相連的重摻雜N區。

其中，在外加偏置電壓時，重摻雜P區和重摻雜N區分別與兩個金屬電極相連。電極結構可以采用集中式或行波式。

其中，PN結可以采用具有等離子色散效應的材料，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。

通過本發明的方案，在波導脊型區長度方向采用新穎插指型結構，增大了波導內載流子耗盡區與波導內光場的重疊部分，提高了耗盡型電光調制器的調制效率，降低了功耗。并且，基于新穎插指型結構的制造工藝與傳統的超大規模集成電路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結結構，有利于器件的大規模制造和降低成本。

圖7為波導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，波導脊型區寬度選擇600納米(nm)，波導平板區寬度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結結構選擇輕摻雜P區與輕摻雜N區對稱的結構。同時傳統插指型結構單個周期內輕摻雜P區與輕摻雜N區均為300nm長。在這里由于是對波導脊型區的長度方向進行分析，我們假設波導脊型區光場均勻。通過計算模擬結果可以看出，在同樣的摻雜濃度和驅動信號電壓下，采用本發明所涉及新穎插指結構摻雜結構的調制器其波導有效折射率的改變值要明顯大于傳統插指結構以及橫向PN結結構，因此，調制效率較高。

圖8為馬赫曾德爾干涉儀(MZI，Mach-Zehnder Interferometer)調制器的結構組成示意圖。如圖8所示，MZI調制器由分束合束器1a、1b和兩個PN結10構成，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10中，兩束光通過分束合束器1b合并成為一束光。在PN結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，從而實現光強調制。

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