[发明专利]高速的基于硅的光调制器的掺杂剂分布控制

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年3月10日提交的第61/312,350号美国临时申请的权益，该临时申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及一种高速的基于硅的光调制器，并且更具体而言，涉及一种控制装置的本体区和栅极区中的掺杂剂分布以减少串联电阻而不引起大量的光功率损失的高速的基于硅的光调制器。

背景技术

在数十年间，光调制器是由铌酸锂或另一种光活性化合物形成。这些装置的大小和功率需求，以及它们不能与常见的电子电路整合，最终限制了它们的有用性。在该技术中的重大进步发生在若干年前，伴随着基于硅的光调制器的出现。示例性的基于硅的调制器在第6,845,198号美国专利中披露，该专利在2005年1月18日颁发给R·K·蒙哥马利（R.K.Montgomery）等人并且转让给本申请的受让人。由于经掺杂的多晶硅层和经掺杂的SOI层的“重叠”悬臂配置，其中在重叠区中安置一种薄的电介质，蒙哥马利等人的调制器允许相对高速的操作（超过10Gb/s）。作为“SISCAP”（硅-电介质-硅电容）调制器，该重叠配置导致载流子积分窗口基本上与光模重叠，从而允许根据载流子穿过电介质层的移动而进行有效的调制。

图1是蒙哥马利等人的SISCAP调制器（下文也指基于SOI的调制器）的简化的概念图示。在这种情况下，基于SOI的光调制器1包括经掺杂的硅层2（典型地是多晶硅，并且下文有时指“栅极”层），该经掺杂的硅层被安置在与亚微型厚硅表面层3（在该技术中通常指SOI层，或调制器结构的“本体”层）的一个经相反掺杂的部分重叠的安排中。SOI层3所示为常规的SOI结构的表面层，该SOI层进一步包括硅衬底4和埋入的氧化物层5。重要的是，相对薄的电介质层6（例如二氧化硅、氮化硅等）安置在SOI层3与经掺杂的硅层2之间的重叠区内。由硅层2、电介质6和SOI层3限定的重叠区域限定了光调制器1的“活性区”。随着施加到SOI层3的电压（V₃）和/或施加到经掺杂的硅层2的电压（V₂）的变化，自由载流子将在电介质6的任一侧上积累和消耗。自由载流子浓度的调制导致改变活性区中的有效的折射率，因此引入光信号的相位调制，该光信号沿着由活性区限定的波导而传播（该光信号在垂直于纸的方向上沿着y轴传播）。

在此调制器安排的一个优选实施方案中，到层2和层3的触点与调制器的活性区有间隔，如图1所示。第一触点区7（例如硅化物区）安置在层2的一个外部部分上面，并且第二触点区8类似地安置在层3的一个外部部分上面。

已发现如果各层的紧邻各触点的区比支持光模的中心区更重度地掺杂，那么实现性能的提高。经重度掺杂的触点区域提供到触点区的极低电阻耦合。图2图示了此具体实施方案，所示为与触点区7有关的经掺杂的栅极层2内的高掺杂剂浓度区域N+以及与触点区8有关的经掺杂的本体层3内的高掺杂剂浓度区域P+。

现有技术SISCAP调制器的速度由触点区7与触点区8之间的等效电阻（R）和电容（C）确定。图3是图2中所示装置的典型C-V曲线。显然，对于具有固定电容C（由电介质6的特性限定）的高速应用，需要具有尽可能低的电阻值，这是通过将装置触点靠近活性区放置而实现。然而，当增加操作速度时，以此方式实现的相对低的电阻将由于在非常靠近活性区的光模处具有高光吸收触点区而增加光损失。描绘现有技术SISCAP调制器的有关部分的图4说明了这个问题，其中光强的很大部分所示为存在于活性区的边界外。确实，光强向栅极层2和本体层3的经重度掺杂的部分的位置靠近。

因此，仍然有必要增加如图1和图2所示的基于硅的光调制器的速度，而不引起不能接受的光损失的增加，如图4的装置所示。

发明内容

本发明解决了现有技术中仍然存在的需要，本发明涉及一种高速的基于硅的光调制器，并且更具体而言，涉及一种控制装置的本体和各层中的掺杂剂分布以减少串联电阻而不引起大量的光功率损失的高速的基于硅的光调制器。

根据本发明，形成高掺杂的触点区域与轻度掺杂的活性区域之间的栅极层和本体层的各部分，以显现一个介于触点区域与活性区域的掺杂剂浓度水平之间的掺杂剂浓度水平。也可能只在各层中的一层中（即，只在栅极层或只在本体层中）修改掺杂剂分布。