馮露露，馮 松，胡祥建，王 迪，陳夢(mèng)林

(西安工程大學(xué) 理學(xué)院，西安 710048)

隨著全球通信技術(shù)的迅速發(fā)展，硅基電光調(diào)制器作為光互連系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一受到了廣泛的關(guān)注[1]。由于硅中不存在直接電光效應(yīng)，因此通過(guò)載流子濃度改變引起折射率和吸收系數(shù)變化的等離子體色散效應(yīng)是硅基電光調(diào)制器經(jīng)常采用的一種調(diào)制機(jī)理，基于等離子體色散效應(yīng)的電光調(diào)制器具有調(diào)制速率高、傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)，已被證明可以廣泛應(yīng)用于光互連通信系統(tǒng)。

2004年Intel 報(bào)道了第一個(gè)基于等離子體色散效應(yīng)的調(diào)制器[2]，該調(diào)制器為金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)電容結(jié)構(gòu)，雖然最終實(shí)現(xiàn)帶寬僅 1 GHz，但它的成功研制標(biāo)志著硅基光電子學(xué)在光通信領(lǐng)域的開(kāi)端，具有里程碑意義。目前最常見(jiàn)的調(diào)制方式主要有三種：PIN載流子注入式[3-4]、PN載流子耗盡式[5-6]和MOS電容式[7-8]，2005 年，康奈爾大學(xué)報(bào)道了一種基于微環(huán)諧振腔的正向 PIN 二極管高速硅基電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了速率為1.5Gbps 的光調(diào)制[9]，2010年，日本納米電子研究實(shí)驗(yàn)室的J.Fujikata等人采用脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作出了速率為25 Gbps的MOS型硅基電光調(diào)制器[10]。2014年，新加坡微電子研究所也制作出了速率為50Gbps的硅基電光調(diào)制器[11]；盡管反向偏置PN二極管的行波型全硅基調(diào)制器已經(jīng)顯示出了超過(guò)50Gbps的高調(diào)制速率，但是由于PN結(jié)的硅基調(diào)制器的等離子體色散效應(yīng)和自由載流子吸收不夠強(qiáng)，所以它們?cè)诘凸姆矫娲嬖趩?wèn)題。具有的調(diào)制效率仍然較低。PIN電光調(diào)制器以載流子注入的方式工作，施加正向偏壓后，調(diào)制區(qū)的載流子濃度迅速增加，引起調(diào)制區(qū)的折射率下降，從而對(duì)傳輸光波進(jìn)行調(diào)制。由于PIN電光調(diào)制器在較小的正向偏壓下，載流子濃度變化較大，并且調(diào)制區(qū)的載流子分布較均勻，因此調(diào)制區(qū)的電荷變化總量較大，使得這種結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器具有較高的調(diào)制效率。

為此，文中提出了基于Drude模型[12]的等離子體色散效應(yīng)，通過(guò)SiGe/Si異質(zhì)結(jié)的材料特性和改善載流子注入的特性，進(jìn)一步增強(qiáng)了電光調(diào)制過(guò)程中的等離子體色散效應(yīng)。利用數(shù)值方法對(duì)SiGe材料的等離子色散效應(yīng)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入硅基電光調(diào)制器，分析了在1.55 μm近紅外波長(zhǎng)下SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器的載流子注入特性，對(duì)其調(diào)制特性進(jìn)行了數(shù)值研究。

1 器件原理與結(jié)構(gòu)

電光調(diào)制里有兩種常見(jiàn)的電光效應(yīng)，分別是直接電光效應(yīng)和間接電光效應(yīng)。直接電光效應(yīng)是在電信號(hào)的作用下，使得材料中的電荷位移發(fā)生極化，材料的介電常數(shù)影響其極化的強(qiáng)度，例如Pockels線性電光效應(yīng)，Kerr非線性電光效應(yīng)等都屬于這種電光效應(yīng)。間接電光效應(yīng)是在電信號(hào)的作用下，改變材料的光吸收譜以實(shí)現(xiàn)折射率變化，例如Franz-Keldysh(F-K)效應(yīng)，等離子色散效應(yīng)等都屬于這種電光效應(yīng)。SiGe材料與Si材料類似，不具有Pockels線性電光效應(yīng)，而且其 Kerr非線性電光效應(yīng)也很弱，因此采用SiGe材料或Si材料制作的電光調(diào)制器，都是利用其間接電光效應(yīng)進(jìn)行電光調(diào)制。間接電光效應(yīng)中的F-K效應(yīng)也稱電吸收效應(yīng)，實(shí)質(zhì)是電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶間的場(chǎng)隧穿效應(yīng)，改變了材料的吸收譜，借助外加電場(chǎng)改變了材料的折射率。F-K效應(yīng)導(dǎo)致的折射率改變比較弱，外加電場(chǎng)為105 V·cm-1時(shí)，產(chǎn)生的折射率的變化僅為1.5×10-5。等離子色散效應(yīng)是另外一種常見(jiàn)的間接電光效應(yīng)，主要通過(guò)調(diào)制區(qū)載流子濃度的變化，改變其吸收系數(shù)，從而使得材料的折射率發(fā)生改變。當(dāng)載流子濃度改變?yōu)?018cm-3時(shí)，所產(chǎn)生的折射率改變可達(dá)10-3，比起Kerr效應(yīng)或F-K效應(yīng)，其折射率的改變量高出了兩個(gè)數(shù)量級(jí)[13]。因此，常見(jiàn)的SiGe材料或Si材料制作的電光調(diào)制器主要是通過(guò)等離子色散效應(yīng)來(lái)完成電光調(diào)制。前期研究表明載流子注入濃度與SiGe中Ge含量的關(guān)系可知，載流子注入濃度隨著Ge含量的增大而增大，當(dāng)Ge含量超過(guò)0.2后，載流子注入濃度幾乎不再增加[14-15]。

圖1為SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器的截面圖，該結(jié)構(gòu)基于SOI(絕緣體上硅)平臺(tái)設(shè)計(jì)。平板波導(dǎo)層由Si材料組成，厚度為50 nm，脊型調(diào)制區(qū)由SiGe材料組成，寬度420 nm，高度170 nm，根據(jù)前期Ge含量的分析[13]，Ge含量選取0.2。平板波導(dǎo)層的摻雜劑為磷，中間區(qū)域的摻雜濃度為1E15 cm-3，兩端是摻雜濃度為1E20 cm-3的n++重?fù)诫s區(qū)。脊型調(diào)制區(qū)的摻雜劑為磷，摻雜濃度為1E15 cm-3，頂注入?yún)^(qū)是摻雜濃度為1E20 cm-3的p++重?fù)诫s區(qū)。n++重?fù)诫s區(qū)與脊型調(diào)制區(qū)之間的距離是1 μm。該結(jié)構(gòu)中摻雜濃度為1E15 cm-3的區(qū)域可以看作本征區(qū)(I區(qū))，它可以等效為一個(gè)P-I結(jié)和一個(gè)N-I結(jié)。p++重?fù)诫s區(qū)連接正極，n++重?fù)诫s區(qū)連接負(fù)極，二者之間形成偏置電壓。

圖1 SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器的截面圖

SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制結(jié)構(gòu)器工作時(shí)，在器件有源區(qū)之間加載電信號(hào)，改變器件內(nèi)部注入載流子濃度，引起調(diào)制區(qū)折射率的改變，從而使得調(diào)制區(qū)中傳輸?shù)墓獠úㄩL(zhǎng)發(fā)生偏移，從而達(dá)到器件對(duì)光信號(hào)調(diào)制的目的。當(dāng)偏置電壓為零時(shí)，本征區(qū)內(nèi)的載流子濃度很小，主要集中在P-I結(jié)和N-I結(jié)附近；當(dāng)偏置電壓為正時(shí)，本征區(qū)的載流子濃度增加，內(nèi)建電場(chǎng)減小，導(dǎo)致擴(kuò)散電流大于漂移電流，引起折射率下降。當(dāng)偏壓為負(fù)時(shí)，載流子被反向抽取，隨著載流子濃度減小，本征區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)增大，漂移電流占主導(dǎo)。SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器工作時(shí)，器件處于正向偏置電壓下，p++頂注入?yún)^(qū)向脊型調(diào)制區(qū)注入空穴，n++重?fù)诫s區(qū)向脊型調(diào)制區(qū)注入電子，由于SiGe/Si異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘高度小于Si同質(zhì)結(jié)勢(shì)壘高度[14]，因此脊型調(diào)制區(qū)具有更大的載流子注入濃度。

2 調(diào)制器數(shù)值分析

2.1 等離子色散效應(yīng)

根據(jù)Drude模型，忽略雜質(zhì)離化的影響，一級(jí)近似后可得到折射率變化Δn、吸收系數(shù)變化Δα(單位為cm-1)與自由載流子濃度變化(單位為cm-3)的關(guān)系為

(1)

(2)

將相關(guān)物理量代入式(1)和式(2)可得，當(dāng)λ0=1.55 μm時(shí)，

Δn=Δne+Δnh=-(1.2×10-23ΔNe+8.0×10-24ΔNh),

(3)

Δα=Δαe+Δαh=3.6×10-19ΔNe+5.1×10-19ΔNh,

(4)

從式(3)和式(4)中可以看出，SiGe材料的折射率變化Δn隨著載流子濃度增大而減小，吸收系數(shù)變化Δα隨著載流子濃度增大而增大。

文獻(xiàn)[16]利用Kramers-Kronig關(guān)系和光吸收譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出了等離子體色散效應(yīng)的近似公式[16]，當(dāng)λ0=1.55 μm時(shí)，

Δn=Δne+Δnh=-[8.8×10-22ΔNe+8.5×10-18(ΔNh)0.8],

(5)

Δα=Δαe+Δαh=8.5×10-18ΔNe+6.0×10-18ΔNh。

(6)

隨著工藝水平的提升，式(5)和式(6)也根據(jù)最新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正[16]，當(dāng)λ0=1.55 μm時(shí)，

Δn=Δne+Δnh=-[5.4×10-22(ΔNe)1.011+1.53×10-18(ΔNh)0.838],

(7)

Δα=Δαe+Δαh=8.88×10-21(ΔNe)1.167+5.84×10-20(ΔNh)1.109。

(8)

由于SiGe材料是Si和Ge的合金，SiGe的折射率[17]可表示為

nSiGe=nSi+0.37x+0.22x2,

(9)

其中x為SiGe中Ge含量的大小。因此當(dāng)λ0=1.55 μm時(shí)，文中SiGe的等離子體色散效應(yīng)的近似公式為

ΔnSiGe=Δne+Δnh=-[5.27×10-22(ΔNe)1.011+

1.49×10-18(ΔNh)0.838],

(10)

ΔαSiGe=Δαe+Δαh=8.67×10-21(ΔNe)1.167+5.7×10-20(ΔNh)1.109。

(11)

從式(10)和式(11)中可以看出，空穴的吸收系數(shù)變化Δαh比電子的吸收系數(shù)變化Δαe小，但是空穴的折射率變化Δnh卻比電子Δne大，因此，空穴是理想的載流子，調(diào)制器也通常采用空穴優(yōu)化偏置結(jié)的設(shè)計(jì)，文中的頂注入?yún)^(qū)也采用了SiGe材料來(lái)加強(qiáng)偏置結(jié)的空穴注入。

2.2 器件參數(shù)分析

根據(jù)折射率變化Δn、吸收系數(shù)變化Δα的公式可知，頂注入?yún)^(qū)對(duì)調(diào)制器的載流子注入影響很大，因此針對(duì)頂注入?yún)^(qū)的厚度和摻雜濃度分別進(jìn)行了數(shù)值分析。

圖2是頂注入?yún)^(qū)厚度從10 nm變化到50 nm時(shí)偏置電壓與載流子濃度的關(guān)系曲線，圖中橫坐標(biāo)表示調(diào)制器的正向偏置電壓，縱坐標(biāo)表示調(diào)制區(qū)的載流子濃度。從圖2中可以看出，當(dāng)正向偏置電壓小于0.6 V時(shí)，調(diào)制區(qū)的載流子濃度幾乎處于本征狀態(tài)；當(dāng)正向偏置電壓大于0.6 V時(shí)，調(diào)制區(qū)的載流子濃度隨著正向偏置電壓的增大而逐漸上升；當(dāng)偏置電壓一定時(shí)，不同頂注入?yún)^(qū)厚度下，調(diào)制區(qū)的載流子濃度也不相同，調(diào)制區(qū)的載流子濃度隨著頂注入?yún)^(qū)厚度的增大而增大。

圖2 不同頂注入?yún)^(qū)厚度下偏置電壓與載流子濃度的關(guān)系

圖3是頂注入?yún)^(qū)摻雜濃度從1E19 cm-3變化到1E20 cm-3時(shí)偏置電壓與載流子濃度的關(guān)系曲線，圖中橫坐標(biāo)表示調(diào)制器的正向偏置電壓，縱坐標(biāo)表示調(diào)制區(qū)的載流子濃度。從圖3中可以看出，當(dāng)正向偏置電壓小于0.6 V時(shí)，調(diào)制區(qū)的載流子濃度幾乎處于本征狀態(tài)；當(dāng)正向偏置電壓大于0.6 V時(shí)，調(diào)制區(qū)的載流子濃度隨著正向偏置電壓的增大而逐漸上升；當(dāng)偏置電壓一定時(shí)，不同頂注入?yún)^(qū)摻雜濃度下，調(diào)制區(qū)的載流子濃度也不相同，調(diào)制區(qū)的載流子濃度隨著頂注入?yún)^(qū)摻雜濃度的增大而增大；當(dāng)頂注入?yún)^(qū)摻雜濃度大于3E19 cm-3后，調(diào)制區(qū)的載流子濃度上升變緩。

圖3 不同頂注入?yún)^(qū)摻雜濃度下偏置電壓與載流子濃度的關(guān)系

為了體現(xiàn)SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器具有較高的載流子注入濃度，我們對(duì)SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器與硅基調(diào)制器進(jìn)行了數(shù)值分析比較。

圖4為SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器與硅基調(diào)制器的偏置電壓與載流子濃度的關(guān)系曲線。

圖4 SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器與硅基調(diào)制器的偏置電壓與載流子濃度的關(guān)系

圖4中橫坐標(biāo)表示調(diào)制器的正向偏置電壓，縱坐標(biāo)表示調(diào)制區(qū)的載流子濃度，調(diào)制器的頂注入?yún)^(qū)厚度為30 nm，摻雜濃度為1E20 cm-3。從圖4中可以看出，當(dāng)正向偏置電壓大于0.6 V時(shí)，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器的載流子濃度明顯大于硅基調(diào)制器的載流子濃度，而且正向偏置電壓越大，二者之間的載流子濃度差值越大。這是由于SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器中Si和SiGe之間存在能帶偏移，載流子被限制在SiGe層中，因此SiGe層中的載流子濃度要比Si層中的載流子濃度大。因此，通過(guò)將載流子聚集到SiGe層中，可以進(jìn)一步增強(qiáng)折射率和吸收系數(shù)的變化，使得SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器中的折射率和載流子吸收系數(shù)變化比硅基調(diào)制器更大，如圖5所示。

圖5 SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器與硅基調(diào)制器的偏置電壓與折射率變化Δn、吸收系數(shù)變化Δα的關(guān)系

當(dāng)頂注入?yún)^(qū)厚度為30nm，摻雜濃度為1E20 cm-3時(shí)，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器與硅基調(diào)制器的偏置電壓與折射率變化Δn、吸收系數(shù)變化Δα的關(guān)系曲線如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)表示調(diào)制器的正向偏置電壓，左側(cè)縱坐標(biāo)表示調(diào)制區(qū)的折射率變化Δn，右側(cè)縱坐標(biāo)表示調(diào)制區(qū)的吸收系數(shù)變化Δα。從圖5中可以看出，當(dāng)正向偏置電壓大于0.6 V時(shí)，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器中的折射率變化Δn和吸收系數(shù)變化Δα均比硅基調(diào)制器大，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器具有更大的等離子體色散效應(yīng)。在相同折射率變化Δn下，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器所需的驅(qū)動(dòng)電壓比硅基電光調(diào)制器更小，在相同吸收系數(shù)變化Δα下，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器所需的驅(qū)動(dòng)電壓同樣也小于硅基電光調(diào)制器。

當(dāng)頂注入?yún)^(qū)厚度為30 nm，摻雜濃度為1E20 cm-3時(shí)， SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器與硅基調(diào)制器的偏置電壓與衰減的關(guān)系曲線如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)表示調(diào)制器的正向偏置電壓，縱坐標(biāo)表示調(diào)制器的衰減。從圖6中可以看出，隨著正向偏置電壓的升高，兩種調(diào)制器的衰減也逐漸增大。在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器的20 dB衰減所需的調(diào)制電壓為0.99 V，硅基電光調(diào)制器所需的調(diào)制電壓為1.24 V，由于調(diào)制器的調(diào)制效率與調(diào)制電壓成反比，調(diào)制電壓越低，其調(diào)制效率越高，因此SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器的調(diào)制效率更高，其調(diào)制效率約為硅基調(diào)制器的1.25倍。

圖6 SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制器與硅基調(diào)制器的偏置電壓與衰減的關(guān)系

3 結(jié) 論

1) 在1.55 μm近紅外波長(zhǎng)下，建立了SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)，分析了SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器的載流子濃度變化與折射率、吸收系數(shù)和衰減的關(guān)系，優(yōu)化了頂層注入?yún)^(qū)的厚度和摻雜濃度，提高了SiGe/Si異質(zhì)結(jié)調(diào)制結(jié)構(gòu)的載流子注入濃度，并與硅基調(diào)制器進(jìn)行了對(duì)比研究。

2) SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器有效增大了折射率變化和吸收系數(shù)變化，增強(qiáng)了等離子體色散效應(yīng)，20 dB衰減所需的驅(qū)動(dòng)電壓從1.24 V降到0.99 V，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器的調(diào)制效率約為硅基調(diào)制器的1.25倍。通過(guò)SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器的數(shù)值分析，從機(jī)理上SiGe/Si異質(zhì)結(jié)具有提高調(diào)制區(qū)載流子注入效率的作用，有效提高調(diào)制區(qū)的載流子注入濃度，降低電光調(diào)制器的調(diào)制電壓，增強(qiáng)調(diào)制效率，改善電光調(diào)制器的性能，SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器是一種替代硅基電光調(diào)制器的理想器件。

3) SiGe/Si異質(zhì)結(jié)的界面的質(zhì)量直接決定著器件的特性，SiGe與Si 的失配度較大，改善晶格匹配需要依賴更好的異質(zhì)結(jié)制備工藝。SiGe/Si異質(zhì)結(jié)PIN頂注入電光調(diào)制器作為一種替代硅基電光調(diào)制器的理想器件，在優(yōu)良的異質(zhì)結(jié)制備工藝和器件加工工藝的基礎(chǔ)上，以期實(shí)現(xiàn)集成化應(yīng)用。