SiGe-Si异质结PIN顶注入电光调制器的数值分析.docx

? ? SiGe/Si异质结PIN顶注入电光调制器的数值分析 ? ? 冯露露，冯 松，胡祥建，王 迪，陈梦林 (西安工程大学 理学院，西安 710048) 随着全球通信技术的迅速发展，硅基电光调制器作为光互连系统的关键部件之一受到了广泛的关注[1]。由于硅中不存在直接电光效应，因此通过载流子浓度改变引起折射率和吸收系数变化的等离子体色散效应是硅基电光调制器经常采用的一种调制机理，基于等离子体色散效应的电光调制器具有调制速率高、传输损耗小等优点，已被证明可以广泛应用于光互连通信系统。 2004年Intel 报道了第一个基于等离子体色散效应的调制器[2]，该调制器为金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)电容结构，虽然最终实现带宽仅 1 GHz，但它的成功研制标志着硅基光电子学在光通信领域的开端，具有里程碑意义。目前最常见的调制方式主要有三种：PIN载流子注入式[3-4]、PN载流子耗尽式[5-6]和MOS电容式[7-8]，2005 年，康奈尔大学报道了一种基于微环谐振腔的正向 PIN 二极管高速硅基电光调制器实现了速率为1.5Gbps 的光调制[9]，2010年，日本纳米电子研究实验室的J.Fujikata等人采用脊型光波导结构制作出了速率为25 Gbps的MOS型硅基电光调制器[10]。2014年，新加坡微电子研究所也制作出了速率为50Gbps的硅基电光调制器[11]；尽管反向偏置PN二极管的行波型全硅基调制器已经显示出了超过50Gbps的高调制速率，但是由于PN结的硅基调制器的等离子体色散效应和自由载流子吸收不够强，所以它们在低功耗方面存在问题。具有的调制效率仍然较低。PIN电光调制器以载流子注入的方式工作，施加正向偏压后，调制区的载流子浓度迅速增加，引起调制区的折射率下降，从而对传输光波进行调制。由于PIN电光调制器在较小的正向偏压下，载流子浓度变化较大，并且调制区的载流子分布较均匀，因此调制区的电荷变化总量较大，使得这种结构的电光调制器具有较高的调制效率。 为此，文中提出了基于Drude模型[12]的等离子体色散效应，通过SiGe/Si异质结的材料特性和改善载流子注入的特性，进一步增强了电光调制过程中的等离子体色散效应。利用数值方法对SiGe材料的等离子色散效应进行了分析，设计了一种SiGe/Si异质结PIN顶注入硅基电光调制器，分析了在1.55 μm近红外波长下SiGe/Si异质结PIN顶注入电光调制器的载流子注入特性，对其调制特性进行了数值研究。 1 器件原理与结构 电光调制里有两种常见的电光效应，分别是直接电光效应和间接电光效应。直接电光效应是在电信号的作用下，使得材料中的电荷位移发生极化，材料的介电常数影响其极化的强度，例如Pockels线性电光效应，Kerr非线性电光效应等都属于这种电光效应。间接电光效应是在电信号的作用下，改变材料的光吸收谱以实现折射率变化，例如Franz-Keldysh(F-K)效应，等离子色散效应等都属于这种电光效应。SiGe材料与Si材料类似，不具有Pockels线性电光效应，而且其 Kerr非线性电光效应也很弱，因此采用SiGe材料或Si材料制作的电光调制器，都是利用其间接电光效应进行电光调制。间接电光效应中的F-K效应也称电吸收效应，实质是电子在导带和价带间的场隧穿效应，改变了材料的吸收谱，借助外加电场改变了材料的折射率。F-K效应导致的折射率改变比较弱，外加电场为105 V·cm-1时，产生的折射率的变化仅为1.5×10-5。等离子色散效应是另外一种常见的间接电光效应，主要通过调制区载流子浓度的变化，改变其吸收系数，从而使得材料的折射率发生改变。当载流子浓度改变为1018cm-3时，所产生的折射率改变可达10-3，比起Kerr效应或F-K效应，其折射率的改变量高出了两个数量级[13]。因此，常见的SiGe材料或Si材料制作的电光调制器主要是通过等离子色散效应来完成电光调制。前期研究表明载流子注入浓度与SiGe中Ge含量的关系可知，载流子注入浓度随着Ge含量的增大而增大，当Ge含量超过0.2后，载流子注入浓度几乎不再增加[14-15]。 图1为SiGe/Si异质结PIN顶注入电光调制器的截面图，该结构基于SOI(绝缘体上硅)平台设计。平板波导层由Si材料组成，厚度为50 nm，脊型调制区由SiGe材料组成，宽度420 nm，高度170 nm，根据前期Ge含量的分析[13]，Ge含量选取0.2。平板波导层的掺杂剂为磷，中间区域的掺杂浓度为1E15 cm-3，两端是掺杂浓度为1E20 cm-3的n++重掺杂区。脊型调制区的掺杂剂为磷，掺杂浓度为1E15 cm-3，顶注入区是掺杂浓度为1E20 cm-3的p++重掺杂区。n++重掺杂区与脊型调制