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CN208805639U - 相移器及硅基电光调制器 - Google Patents

相移器及硅基电光调制器 Download PDF

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CN208805639U CN201821583248.5U CN201821583248U CN208805639U CN 208805639 U CN208805639 U CN 208805639U CN 201821583248 U CN201821583248 U CN 201821583248U CN 208805639 U CN208805639 U CN 208805639U
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涂芝娟
汪巍
方青
余明斌
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Abstract

本实用新型提供一种相移器及硅基电光调制器，相移器包括：第一掺杂类型半导体层；第二掺杂类型半导体层，与第一掺杂类型半导体层间隔排布；第一介质层，位于第一掺杂类型半导体与第二掺杂类型半导体层之间；第二介质层，位于第一介质层与第二掺杂类型半导体层之间；插入材料层，位于第一介质层与第二介质层之间，插入材料层在外部驱动电压的作用下产生负电容效应,插入材料层包括铁电材料层。本实用新型的相移器通过增设在外部驱动电压的作用下可以产生负电容效应的插入材料层，负电容效应可使得相移器内部电压得到放大，可以减小硅基电光调制器正常工作所需的外部驱动电压，大大提高硅基电光调制器的调制效率，降低硅基电光调制器的功耗。

Description

相移器及硅基电光调制器
技术领域
本实用新型属于半导体光电器件技术领域，特别是涉及一种相移器及硅基电光调制器。
背景技术
信息时代，随着互联网和宽带业务等技术的快速发展，信息的传输与处理在人们的日常生活中起到了越来越重要的作用，人们对信息通信的容量需求也正呈现出爆炸式的增长态势。因此，如何实现低成本、低功耗的信息传输与处理系统，成为人们一直以来的研究热点。近年来，硅基光电子技术以其具有低成本、高密度集成等优势得到迅速发展，并逐步在光通信、光互连等领域得到广泛应用。
作为核心光电器件之一，硅基电光调制器的功能是完成电信号到光信号的转换，它的实现是高速信息在光电子集成芯片上传输和处理的前提。硅基电光调制器主要基于载流子色散效应实现的对光信号的调制，相移器中光场与载流子浓度变化的重叠区域大小会限制调制器的调制效率。由于所采用的相移器结构和硅材料中载流子的有效质量和迁移率的限制，使得目前所报道的硅基电光调制器的调制效率都比较低，驱动其正常工作将会带来较大的功耗，不能满足系统正常工作的需要。目前还没有能够解决此问题的有效途径。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种相移器及硅基电光调制器，用于解决现有技术中的硅基电光调制器存在的调制效率比较低，功耗较大，不能满足系统正常工作的需要的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种相移器，所述相移器包括：
第一掺杂类型半导体层；
第二掺杂类型半导体层，与所述第一掺杂类型半导体层间隔排布；
第一介质层，位于所述第一掺杂类型半导体与所述第二掺杂类型半导体层之间；
第二介质层，位于所述第一介质层与所述第二掺杂类型半导体层之间；
插入材料层，位于所述第一介质层与所述第二介质层之间，所述插入材料层在外部驱动电压的作用下产生负电容效应,
所述插入材料层包括铁电材料层。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第一掺杂类型半导体层包括第一掺杂类型的硅层；所述第二掺杂类型半导体层包括第二掺杂类型的硅层；所述第一介质层包括氧化硅层；所述第二介质层包括氧化硅层。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第一掺杂类型半导体层包括N型半导体层；所述第二掺杂类型半导体层包括P型半导体层。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第一掺杂类型半导体层包括P型半导体层；所述第二掺杂类型半导体层包括N型半导体层。
作为本实用新型的一种优选方案，所述铁电材料层的材料包括氧化铪硅、氧化铪锆、氧化铪钇、钛酸钡、铁酸铋、锰酸镧及铌镁钛酸铅中的至少一种。
作为本实用新型的一种优选方案，所述铁电材料层包括采用原子层沉积工艺、磁控溅射工艺、等离子体增强化学气相沉积工艺或金属有机化学气相沉积工艺形成的材料层。
本实用新型还提供一种硅基电光调制器，所述硅基电光调制器包括如上述任一方案中所述相移器。
作为本实用新型的一种优选方案，所述硅基电光调制器包括两个所述相移器，所述硅基电光调制器还包括：
分束器，所述分束器包括一个输入端及两个输出端，所述分束器的两个输出端分别与两个所述相移器的一端一一对应连接；
合束器，所述合束器包括两个输入端及一个输出端；所述合束器的两个输入端分别与两个所述相移器远离所述分束器的一端一一对应连接。
作为本实用新型的一种优选方案，所述硅基电光调制器还包括：
输入光耦合器，所述输入光耦合器的输出端与所述分束器的输入端相连接；
输出光耦合器，所述输出光耦合器的输入端与所述合束器的输出端相连接。
作为本实用新型的一种优选方案，所述输入光耦合器包括水平端面耦合波导结构或垂直耦合光栅结构，所述输出光耦合器包括水平端面耦合波导结构或垂直耦合光栅结构。
作为本实用新型的一种优选方案，所述硅基电光调制器包括硅基马赫-曾德调制器。
如上所述，本实用新型的相移器及硅基电光调制器，具有以下有益效果：
本实用新型的相移器通过在第一介质层与第二介质层之间增设在外部驱动电压的作用下可以产生负电容效应的插入材料层，负电容效应可使得相移器内部电压得到放大，当所述相移器用于硅基电光调制器时，可以减小硅基电光调制器正常工作所需的外部驱动电压，大大提高硅基电光调制器的调制效率，降低硅基电光调制器的功耗；
本实用新型的硅基电光调制器中的相移器内部设有在外部驱动电压的作用下可以产生负电容效应的插入材料层，负电容效应可使得相移器内部电压得到放大，可以减小硅基电光调制器正常工作所需的外部驱动电压，大大提高硅基电光调制器的调制效率，降低硅基电光调制器的功耗；同时，本实用新型的硅基电光调制器的制作工艺与现有的CMOS工艺兼容，非常适合规模量产。
附图说明
图1显示为本实用新型实施例一中提供的相移器的截面结构示意图。
图2及图3显示为本实用新型实施例二中提供的硅基电光调制器的结构框图。
元件标号说明
10 相移器
101 第一掺杂类型半导体层
102 第二掺杂类型半导体层
103 第一介质层
104 第二介质层
105 插入材料层
11 分束器
12 合束器
13 输入光耦合器
14 输出光耦合器
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
实施例一
请参阅图1，本实用新型提供一种相移器10，所述相移器10包括：
第一掺杂类型半导体层101；
第二掺杂类型半导体层102，所述第二掺杂类型半导体层102与所述第一掺杂类型半导体层101间隔排布，即所述第二掺杂类型半导体层102可以与所述第一掺杂类型半导体层101相平行，且所述第二掺杂类型半导体层102与所述第一掺杂类型半导体101之间具有间隙；
第一介质层103，所述第一介质层103位于所述第一掺杂类型半导体101与所述第二掺杂类型半导体层102之间；
第二介质层104，所述第二介质层104位于所述第一介质层103与所述第二掺杂类型半导体层102之间；
插入材料层105，所述插入材料层105位于所述第一介质层103与所述第二介质层104之间，所述插入材料层105在外部驱动电压的作用下产生负电容效应,所述插入材料层105包括铁电材料层(未示出)。
具体的，如图1所示，所述第一掺杂类型半导体层101、所述第一介质层103、所述插入材料层105、所述第二介质层104及所述第二掺杂类型半导体102可以依次叠置在一起。本实用新型所述的相移器10通过在所述第一介质层103与所述第二介质层104之间增设在外部驱动电压的作用下可以产生负电容效应的所述插入材料层105，可以引入电压放大机制，所述插入材料层105在外部驱动电压的作用下产生的负电容效应可使得所述相移器10内部电压得到放大，当所述相移器10用于硅基电光调制器时，可以减小所述硅基电光调制器正常工作所需的外部驱动电压，大大提高所述硅基电光调制器的调制效率，降低所述硅基电光调制器的功耗。
作为示例，作为示例，所述第一掺杂类型半导体层101可以包括但不仅限于第一掺杂类型的硅层；所述第二掺杂类型半导体层102可以包括但不仅限于第二掺杂类型的硅层；所述第一介质层103可以包括但不仅限于氧化硅层；所述第二介质层104可以包括但不仅限于氧化硅层，具体的，所述第一介质层103及所述第二介质层104均可以包括二氧化硅层，也可以包括其他介电材料如高k材料等。
作为示例，第一掺杂类型与第二掺杂类型不同，即所述第一掺杂类型半导体层101与所述第二掺杂类型半导体层102为掺杂性质不同的半导体层。
在一示例中，所述第一掺杂类型半导体层101可以包括N型半导体层，此时，所述第二掺杂类型半导体层102可以包括P型半导体层。
在另一示例中，所述第一掺杂类型半导体层101可以包括P型半导体层，此时，所述第二掺杂类型半导体层102可以包括N型半导体层。
作为示例，所述铁电材料层的材料可以包括但不限于氧化铪硅(HfSiO)、氧化铪锆(HfZrO2)、氧化铪钇(Y-HfO2)、钛酸钡、铁酸铋、锰酸镧及铌镁钛酸铅中的至少一种，即所述铁电材料层的材料可以为氧化铪硅(HfSiO)、氧化铪锆(HfZrO2)、氧化铪钇(Y-HfO2)、钛酸钡、铁酸铋、锰酸镧或铌镁钛酸铅，也可以为氧化铪硅(HfSiO)、氧化铪锆(HfZrO2)、氧化铪钇(Y-HfO2)、钛酸钡、铁酸铋、锰酸镧及铌镁钛酸铅中至少任意两者的组合。
作为示例，所述插入材料层105可以包括采用原子沉积(ALD)工艺、磁控溅射工艺、等离子体增强化学气相沉积工艺或金属有机物化学气相沉积工艺形成的材料层。采用原子层沉积工艺形成所述插入材料层105，可以确保所述相移器的制备工艺与现有的CMOS工艺兼容，便于批量化生产。
实施例二
请结合图1参阅图2，本实用新型还提供一种硅基电光调制器，所述硅基电光调制器包括至少一个如实施例一中所述的相移器10。所述相移器10的具体结构请参阅实施例一，此处不再累述。
作为示例，所述硅基电光调制器可以包括两个所述相移器10，两个所述相移器10可以作为所述硅基电光调制器的调制臂。
作为示例，如图2所示，所述硅基电光调制器还包括：
分束器11，所述分束器11包括一个输入端及两个输出端，所述分束器11的两个输出端分别与两个所述相移器10的一端一一对应连接，即所述分束器11的一个输出端与一所述相移器10的一端相连接，所述分束器11的另一输出端与另一所述相移器10的一端相连接；
合束器12，所述合束器12包括两个输入端及一个输出端；所述合束器12的两个输入端分别与两个所述相移器10远离所述分束器11的一端一一对应连接，即所述合束器12的一个输入端与一所述相移器10远离所述分束器11的一端相连接，所述合束器12的另一输入端与另一所述相移器10远离所述分束器11的一端相连接。所述分束器11及所述合束器12的具体结构及工作原理为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。
作为示例，请参阅图3，所述硅基电光调制器还包括：
输入光耦合器13，所述输入光耦合器13包括输入端及输出端，所述输入光耦合器13的输出端与所述分束器11的输入端相连接；
输出光耦合器14，所述输出光耦合器14包括输入端及输出端，所述输出光耦合器1的输入端与所述合束器12的输出端相连接。所述输入光耦合器13及所述输出光耦合器14的具体结构及工作原理为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。
作为示例，所述输入光耦合器13可以包括水平端面耦合波导结构或垂直耦合光栅结构，所述输出光耦合器14可以包括水平端面耦合波导结构或垂直耦合光栅结构。
作为示例，所述硅基电光调制器可以包括硅基马赫-曾德调制器。
综上所述，本实用新型提供一种相移器及硅基电光调制器，所述相移器包括：第一掺杂类型半导体层；第二掺杂类型半导体层，与所述第一掺杂类型半导体层间隔排布；第一介质层，位于所述第一掺杂类型半导体与所述第二掺杂类型半导体层之间；第二介质层，位于所述第一介质层与所述第二掺杂类型半导体层之间；插入材料层，位于所述第一介质层与所述第二介质层之间，所述插入材料层在外部驱动电压的作用下产生负电容效应。本实用新型的相移器通过在第一介质层与第二介质层之间增设在外部驱动电压的作用下可以产生负电容效应的插入材料层，负电容效应可使得相移器内部电压得到放大，当所述相移器用于硅基电光调制器时，可以减小硅基电光调制器正常工作所需的外部驱动电压，大大提高硅基电光调制器的调制效率，降低硅基电光调制器的功耗；本实用新型的硅基电光调制器中的相移器内部设有在外部驱动电压的作用下可以产生负电容效应的插入材料层，负电容效应可使得相移器内部电压得到放大，可以减小硅基电光调制器正常工作所需的外部驱动电压，大大提高硅基电光调制器的调制效率，降低硅基电光调制器的功耗；同时，本实用新型的硅基电光调制器的制作工艺与现有的CMOS工艺兼容，非常适合规模量产。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种相移器，其特征在于，所述相移器包括：
第一掺杂类型半导体层；
第二掺杂类型半导体层，与所述第一掺杂类型半导体层间隔排布；
第一介质层，位于所述第一掺杂类型半导体与所述第二掺杂类型半导体层之间；
第二介质层，位于所述第一介质层与所述第二掺杂类型半导体层之间；
插入材料层，位于所述第一介质层与所述第二介质层之间，所述插入材料层在外部驱动电压的作用下产生负电容效应；
所述插入材料层包括铁电材料层。
2.根据权利要求1所述的相移器，其特征在于，所述第一掺杂类型半导体层包括第一掺杂类型的硅层；所述第二掺杂类型半导体层包括第二掺杂类型的硅层；所述第一介质层包括氧化硅层；所述第二介质层包括氧化硅层。
3.根据权利要求1或2所述的相移器，其特征在于，所述第一掺杂类型半导体层包括N型半导体层；所述第二掺杂类型半导体层包括P型半导体层。
4.根据权利要求1或2所述的相移器，其特征在于，所述第一掺杂类型半导体层包括P型半导体层；所述第二掺杂类型半导体层包括N型半导体层。
5.根据权利要求1所述的相移器，其特征在于，所述铁电材料层的材料包括氧化铪硅、氧化铪锆、氧化铪钇、钛酸钡、铁酸铋、锰酸镧及铌镁钛酸铅中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的相移器，其特征在于，所述插入材料层包括采用原子层沉积工艺、磁控溅射工艺、等离子体增强化学气相沉积工艺或金属有机物化学气相沉积工艺形成的材料层。
7.一种硅基电光调制器，其特征在于，所述硅基电光调制器包括：如权利要求1至6中任一项所述的相移器。
8.根据权利要求7所述的硅基电光调制器，其特征在于，所述硅基电光调制器包括两个所述相移器，所述硅基电光调制器还包括：
分束器，所述分束器包括一个输入端及两个输出端，所述分束器的两个输出端分别与两个所述相移器的一端一一对应连接；
合束器，所述合束器包括两个输入端及一个输出端；所述合束器的两个输入端分别与两个所述相移器远离所述分束器的一端一一对应连接。
9.根据权利要求8所述的硅基电光调制器，其特征在于，所述硅基电光调制器还包括：
输入光耦合器，所述输入光耦合器的输出端与所述分束器的输入端相连接；
输出光耦合器，所述输出光耦合器的输入端与所述合束器的输出端相连接。
10.根据权利要求9所述的硅基电光调制器，其特征在于，所述输入光耦合器包括水平端面耦合波导结构或垂直耦合光栅结构，所述输出光耦合器包括水平端面耦合波导结构或垂直耦合光栅结构。
11.根据权利要求7所述的硅基电光调制器，其特征在于，所述硅基电光调制器包括硅基马赫-曾德调制器。
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