熱－光半導體器件的製作方法
2023-06-21 02:43:26 1
專利名稱：熱－光半導體器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過電阻加熱來變化光學特性的熱-光半導體器件。
背景技術：
以往，已知在光傳輸器件中使用半導體。例如，在集成的矽晶片器件上使用矽。這種器件包括在由矽襯底支承的二氧化矽層上作為集成電路形成的矽波導管。已知矽具有隨著溫度變化的折射率。在波長1550nm時，具有dn/dT=1.86×10-4K-1的溫度非線性的折射率。通過使用在波導管區域上的薄金屬線(track)作為電阻加熱器，將應用加熱的這種非線性用來形成基於矽和二氧化矽的波導管器件中的相位調製器。
發明概述本發明的目的是提供對熱-光半導體器件有效地進行電阻加熱的改進的結構和方法。
本發明的熱-光半導體器件，包括在2個摻雜區域之間形成光傳輸通道的半導體區域和形成電阻加熱器的鄰接的半導體區域，所述摻雜區域與外部接觸區域電接觸，以便電流流過鄰接的半導體區域中的電阻加熱器，對所述的半導體區域進行加熱，從而變化其光學特性。
此外，所述熱-光半導體器件中的所述外部接觸區域包括金屬區域為佳。
此外，用電絕緣層覆蓋所述熱-光半導體器件，所述金屬區域露出所述絕緣層為佳。
此外，所述熱-光半導體器件中的所述電阻加熱器形成用於光通過傳輸通道傳輸的相位移位器。
此外，在一些實施形態中，所述熱-光半導體器件中的所述半導體器件包括形成所述光傳輸通道的半導體波導管，並且所述鄰接半導體區域貫穿波導管的下面。
此外，用矽形成所述熱-光半導體器件中的所述半導體區域為佳。
此外，所述器件集成在矽或者絕緣襯底外延矽上。
此外，所述熱-光半導體器件中的每個所述摻雜區域包括半導體中的p型摻雜區域。
此外，所述熱-光半導體器件中的每個所述摻雜區域包括半導體中的n型摻雜區域。
本發明的光調製器，包括光傳輸器件，所述光傳輸器件用於分開光束，引導部分光束通過所述的熱-光半導體器件，以便引起相位變化，重新組合光束裝置，所述重新組合光束裝置通過幹擾引起幅度調製。
本發明的變化半導體器件的光傳輸特性的方法，包括在所述半導體器件的兩個摻雜區域之間流過的電流，流過半導體器件的一部分，產生電阻加熱以便變化光傳輸特性。
此外，所述熱-光半導體器件中的電流在所述摻雜區域之間流過，通過所述器件變化光傳輸的相位。
此外，對所述熱-光半導體器件中的電源進行調製，以便調製相位變化。
此外，所述熱-光半導體器件中的所述半導體器件包括半導體波導管，所述電流流過鄰接所述波導管的半導體區域。
附圖簡要說明
圖1表示本發明實施形態的熱-光半導體器件的剖視圖，是表示按圖2中的線A-A剖視的部分。
圖2表示圖1的半導體器件部分的平面圖。
圖3表示在光調製系統中使用圖1和圖2所示器件的原理圖。
圖4表示對圖1所示的器件與以往的器件進行比較的一個方面的性能圖。
圖5表示對圖1所示的器件與以往的器件進行比較的不同方面的性能圖。
實施發明的最佳形態下面，參照附圖對實施本發明的最佳實施形態進行說明。
圖1表示矽加強波導管(silicon rib waveguide)的熱-光半導體器件，這種器件集成在絕緣襯底外延矽晶片上。這種晶片包括矽襯底11，並在矽襯底11上形成二氧化矽的絕緣層12。在絕緣層12上是矽外延層13，這種矽外延層13具有主區域14，在主區域14上伸出形成波導管的延伸區域15。用電絕緣的二氧化矽層16覆蓋矽層13。作為矽波導管器件，溝道區域15用作橫向限制(confine)由延伸區域15和主區域14引導的光傳輸模式。主矽層完全地跨越區域15的寬度並從其下面從一邊延伸到另一邊。利用波導管15中矽折射率隨著溫度的變化，在主矽層14中波導管15的下面形成電阻加熱器。如圖2所示，通過在波導管15被選擇部分的兩個相對側上相同類型摻雜物形成的兩個摻雜區域20和21，形成這種電阻加熱器。每個摻雜區域20可以由p型雜質或者n型雜質形成。例如在較佳實施形態中用磷作為雜質。用眾所周知的半導體製造技術、例如擴散或者注入，將這些雜質放入阱區。接著，在每個摻雜區域20上，在電絕緣層16中形成孔，並將金屬接觸區域21插入到孔中，形成外部接觸區域。將摻雜區域20摻雜到一定的濃度，形成與金屬接觸21的歐姆接觸。用這種方法延伸通過兩個摻雜區域20之間的層14的區域23形成電阻加熱器，這種電阻加熱器鄰接波導管15並位於其下，以便有效地將熱傳輸到波導管區域。將摻雜區域設置在離開波導管區域的邊的充分的距離上，以避免由於摻雜區域與光模式的相互作用而造成的顯著的光損耗。
在使用中，將兩個金屬接觸21連接到相反極性端上，其中一端是電源26。電源26的電源輸出可變，根據需要也可以形成被調製的電源輸出。從電源26通過電阻加熱器23的電流，會引起波導管15中的矽的溫度變化，從而改變矽的折射率，並引起沿著波導管15傳輸的光相位變化。
如圖3所示，當將這種器件用作光調製器時，將來自光源的單束光分開。這種場合，來自光源29的光通過被分開成兩個分離的波導管31和32的波導管30。波導管32直接地連接到輸出波導管34的結合處33。但是，波導管31在達到結合處33之前，通過相位移位器35。相位移位器35可以是如圖1和2所示類型的器件。如圖3所示，將波導管34的輸出光束提供給需要調製光束的地方或者檢測器36。
圖4用粗線40示出的曲線表示通過變化來自電源26的施加電壓實現的以db為單位的幅度調製，作為在圖3所示類型的光調製電路中使用圖1所示的器件的結果。可見，為了實現從最大光輸出到最小光輸出的傳輸，通過電阻加熱器23施加的電源變化是在150mw。對於以往具有設置在波導管15上的金屬線加熱器的器件，到達相同幅度調製需要的電源如圖4的虛線41所示。可見為了變化最大值和最小值之間的光輸出，需要大致300mw電源變化。因此，由於在波導管結構內產生的熱而不是在上部的結構產生的熱，所以使用半導體層14內的電阻加熱器23能有效地改善幅度調製圖5表示對於低頻區域標準的以db為單位的幅度調製，用於比較圖1所示的器件與以往的在波導管上使用金屬線加熱器的器件的以kHz為單位的頻率變化。較好的是對電源26進行調製，因為相位移位的光響應依賴於調製頻率。圖中的實線和標號42表示圖1所示的器件特性。它表示直到100kHz頻率為止，標準幅度調製沒有下降。通過幅度調製下降到-3db的頻率為450kHz，從而示出450kHz的帶寬。虛線43示出了以往的使用波導管的金屬線的器件的特性。它表示在大致55kHz，幅度調製下降到-3db，從而示出帶寬僅為55kHz。
用Mach-Zehnder幹涉儀得到圖4和圖5所示的結果。
可見器件的動作依賴於電源26的驅動頻率。此外，為了在矽內產生熱，需要離開波導管提供熱導，並且摻雜區域20與金屬接觸21一起提供較高的熱傳導性，以離開波導管提供改善的傳導。因此，能改善高頻特性。
在特別的實施形態中，能在實現有效的調製器與最大化調製帶寬之間達到平衡，其中，有效的調製器需要用於提供相位移位、例如π弳的最小電源，最大化調製帶寬通過儘快地從波導管區域去除施加的熱實現。
本發明不限於前述的實施形態，例如摻雜區域20可以位於這種矽結構內的其它位置。可以用3個或者多個摻雜區域形成更加複雜的結構。能變化使用的雜質類型、雜質濃度和摻雜區域的寬度與深度，來控制有效調製與高調製帶寬之間的平衡。
權利要求
1．一種熱-光半導體器件，其特徵在於，包括提供光傳輸通道的一個半導體區域和在2個摻雜區域之間提供電阻加熱器的鄰接的半導體區域，所述摻雜區域與外部接觸區域電接觸，以便電流流過該鄰接的半導體區域中的電阻加熱器，對所述的一個半導體區域進行加熱，從而變化其光學特性。
2．如權利要求1所述的熱-光半導體器件，其特徵在於，所述熱-光半導體器件中的所述外部接觸區域包括金屬區域。
3．如權利要求2所述的熱-光半導體器件，其特徵在於，用電絕緣層覆蓋所述熱-光半導體器件，所述金屬區域露出所述絕緣層。
4．如權利要求1至3任一項所述的熱-光半導體器件，其特徵在於，所述熱-光半導體器件中的所述電阻加熱器形成用於光通過傳輸通道傳輸的相位移位器。
5．如權利要求1至4任一項所述的熱-光半導體器件，其特徵在於，所述熱-光半導體器件中的所述半導體器件包括形成所述光傳輸通道的半導體波導管，並且所述鄰接半導體區域貫穿波導管的下面。
6．如權利要求1至5任一項所述的熱-光半導體器件，其特徵在於，用矽形成所述熱-光半導體器件中的所述半導體區域。
7．如權利要求1至6任一項所述的熱-光半導體器件，其特徵在於，所述器件集成在矽或者絕緣襯底外延矽上。
8．如權利要求1至7任一項所述的熱-光半導體器件，其特徵在於，所述熱-光半導體器件中的每個所述摻雜區域包括半導體中的p型摻雜區域。
9．如權利要求1至7任一項所述的熱-光半導體器件，其特徵在於，所述熱-光半導體器件中的每個所述摻雜區域包括半導體中的n型摻雜區域。
10．一種光調製器，其特徵在於，包括光傳輸器件，所述光傳輸器件用於分開光束，並引導光束部分通過如權利要求1至9任一項所述的熱-光半導體器件，以便引起相位變化，重新組合光束裝置，所述重新組合光束裝置通過幹擾引起幅度調製。
11．一種變化半導體器件的光傳輸特性的方法，其特徵在於，包括在所述半導體器件的兩個摻雜區域之間流過的電流，流過半導體器件的一部分，產生電阻加熱以便變化光傳輸特性。
12．如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述熱-光半導體器件中的電流在所述摻雜區域之間流過，通過所述器件變化光傳輸的相位。
13．如權利要求12所述的方法，其特徵在於，對所述熱-光半導體器件中的電源進行調製，以便調製相位變化。
14．如權利要求11至13任一項所述的方法，其特徵在於，所述熱-光半導體器件中的所述半導體器件包括半導體波導管，所述電流流過鄰接所述波導管的半導體區域。
全文摘要
本發明揭示一種熱一光半導體器件,包括在2個摻雜區域之間形成光波導管的半導體區域和形成電阻加熱器的鄰接的半導體區域,電流流過鄰接的半導體區域中的電阻加熱器,對其進行加熱,從而變化波導管的光學特性。
文檔編號G02F1/025GK1309783SQ9980863
公開日2001年8月22日 申請日期1999年6月28日 優先權日1998年7月17日
發明者I·E·戴 申請人:博克漢姆技術股份有限公司