基于Franz-Keldysh效應(yīng)的倏逝波鍺硅電吸收調(diào)制器設(shè)計*

李亞明 劉 智 薛春來 李傳波 成步文 王啟明

(中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室，北京 100083)

(2012年12月26日收到;2013年2月19日收到修改稿)

1 引言

硅材料作為微電子領(lǐng)域的傳統(tǒng)材料，在加工工藝和制作成本上有著絕對的優(yōu)勢.隨著人們對大容量、寬帶寬、低成本信息傳輸系統(tǒng)的需求，有力推動了硅基光電子學的發(fā)展[1,2].硅基光調(diào)制器是這一系統(tǒng)中關(guān)鍵器件之一.近十年里調(diào)制器有了長足的發(fā)展[3-9]，器件的3 dB帶寬最高已經(jīng)高達至50 GHz[10].由于Si的弱電光效應(yīng)，這些調(diào)制器大多基于自由載流子色散效應(yīng).在調(diào)制器中操控載流子的濃度變化以實現(xiàn)對光的調(diào)制難于實現(xiàn)3 dB帶寬、消光比、光學帶寬和功耗之間的平衡.而電吸收調(diào)制器并不依賴于載流子的濃度變化，同時能獲得高3 dB帶寬，低功耗，實用的光學帶寬和消光比.但是由于硅的電光效應(yīng)很弱，因此需要引入其他材料，而且這種材料需要滿足以下特性：1)在C波段內(nèi)有顯著的電光效應(yīng);2)與傳統(tǒng)的CMOS工藝完全兼容.鍺完全滿足了上述兩個要求.首先我們已經(jīng)觀察到硅基鍺二極管的顯著FK效應(yīng)，即當對Ge施加偏壓時或改變材料內(nèi)部電場時，鍺的吸收譜紅移，波長大于1.55μm(對應(yīng)于鍺的直接帶隙)的一定波段內(nèi)光的吸收系數(shù)有顯著變化.而且這是一種電容作用，不需要操縱載流子濃度，因此這一顯著FK效應(yīng)可以用于片上光互連電吸收調(diào)制器.但是鍺并不能直接使得器件工作在C波段，需要在鍺中引入一定的硅，用鍺硅代替鍺[11].其次，鍺與硅同屬四族材料，與標準的CMOS工藝完全兼容.由于鍺材料的上述特性，硅基鍺電吸收調(diào)制器逐漸成為國際研究的熱點[12-14].在本文中，我們提出一種新型鍺硅電吸收調(diào)制器.通過設(shè)計有源層鍺硅中硅的組分，調(diào)制器工作波段可覆蓋大部分C波段.由于電吸收調(diào)制器的帶寬主要由電阻和電容決定，我們預(yù)測這種調(diào)制器的3 dB帶寬可達～64 GHz，對于1.55μm波長的光，62.5 kV/cm外加電場時，該調(diào)制器的消光比可達8.8 dB，而插損僅為2.7 dB.

2 材料設(shè)計

根據(jù)硅基鍺二極管FK效應(yīng)的測試，我們觀察到當電場由0 kV/cm變?yōu)?2.5 kV/cm時，在1.62—1.64μm范圍內(nèi)光的吸收系數(shù)有明顯變化，Δα/α＞2[11].其中α是光在0 kV/cm時的吸收系數(shù)，Δα是光的吸收系數(shù)變化.為了使這一吸收系數(shù)變化明顯的波段移至片上光互連通信C波段，需要增加鍺的直接帶隙.由于鍺硅都是四族材料，能進行任何配比的組合且硅的直接帶隙大于鍺，因此可通過在鍺中引入一定量的硅，即用鍺硅代替鍺作為有源層.

鍺硅中硅的組分由線性插入法確定.Ge的電場致吸收系數(shù)變化明顯波段1.62—1.64μm移至1.54—1.56μm波段，帶隙需要增加約0.039 eV(80 nm).鍺硅的帶隙變化有如下公式[15,16]：

根據(jù)(1)式，計算得到的Si組分為1.19%.

FK效應(yīng)一般發(fā)生在帶邊.由于外加偏壓，能量低于禁帶寬度的光子吸收系數(shù)將發(fā)生比較顯著的變化.其定量表達式為

鍺硅在1.54—1.56μm波段吸收系數(shù)及其變化可根據(jù)(5)式，由鍺在1.62—1.64μm波段的吸收系數(shù)得到

由(1)式計算得到Si組分僅為1.19%，鍺硅與鍺的電子和空穴有效質(zhì)量幾乎相等，差別在測量誤差范圍以內(nèi)，因此方程(2)中右邊第二項等于1.光學躍遷矩陣元是材料帶隙的函數(shù)，因此也與硅-鍺或者硅-硅鍺材料系熱膨脹系數(shù)差導致的張應(yīng)變有關(guān).熱膨脹致張應(yīng)變后的鍺硅的光學躍遷矩陣元可表示為[10]

Γ能谷處的輕空穴，重空穴和自旋軌道分裂與導帶底之間的帶隙可通過單軸應(yīng)變形變勢理論得到[17].由于需要引入的硅組分僅為1.19%，硅上外延的鍺硅和鍺熱膨脹導致的張應(yīng)變應(yīng)該相等.由(7)式計算得到在引入硅組分前后，鍺材料的光躍遷矩陣元分別為26.25 eV和26.42 eV.其相對變化小于1%.因此方程(6)右邊躍遷矩陣元比值可簡化為1.圖1(a)是由(6)式計算得到，硅組分為1.19%時電場分別為0 kV/cm和62.5 kV/cm的吸收系數(shù)計算結(jié)果.在1.54—1.56μm波段內(nèi)有Δα/α＞2.圖1(b)是波長為1.55μm的光在不同電場時的吸收系數(shù).在0 kV/cm和62.5 kV/cm時，吸收系數(shù)分別為107.4/cm和436/cm.它們將分別設(shè)定為調(diào)制器開態(tài)和關(guān)態(tài).

圖1 (a)0 kV/cm和62.5 kV/cm時鍺硅的吸收系數(shù);(b)波長為1.55μm時不同電場下的吸收系數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計和模擬結(jié)果

器件有源區(qū)采用p-i-n結(jié)構(gòu)，電場方向垂直于襯底.圖2(a)和(b)分別是器件俯視圖和剖面結(jié)構(gòu)示意圖.整個器件結(jié)構(gòu)是設(shè)計在SOI晶片上.SOI晶片的頂層硅厚度為0.22μm，埋氧層厚為2μm.光由脊形單模波導進入多模區(qū)，最后聚焦耦合輸出到脊形單模波導.脊形單模波導的刻蝕深度為100 nm，脊寬為400 nm，經(jīng)Rsoft模式求解器和有效折射率計算，脊形波導滿足單模工作條件.調(diào)制區(qū)位于多模區(qū)上，寬度與多模區(qū)寬度相同，如圖2(a)所示.有源區(qū)中的鍺硅可通過選擇異質(zhì)外延到SOI上.

圖2 (a)調(diào)制器俯視圖;(b)調(diào)制器有源區(qū)剖面圖

有源區(qū)脊形硅波導進行輕摻雜，以減小器件電阻，摻雜濃度為1.5×1017/cm3.在摻雜硅脊形波導上選擇外延鍺硅形成調(diào)制區(qū).為了避免金屬與鍺硅直接接觸，減小金屬電極對調(diào)制器中光的吸收，由重摻雜多晶硅取代鍺硅與金屬Al形成上電極的歐姆接觸.重摻雜多晶硅摻雜濃度為1020/cm3，厚度為100 nm.歐姆接觸距離脊形波導0.5μm.分別距離脊形波導兩側(cè)各1.5μm是重摻雜的p型區(qū)，以形成下電極的歐姆接觸.p型摻雜濃度為1020/cm3.

對于硅基片上光互連，TE模可以實現(xiàn)低損耗和小的彎曲半徑.因此在模擬設(shè)計中只考慮TE模的情況.硅波導和調(diào)制器的光傳播采用半矢量束傳播法(semi-vector BPM).束傳播法廣泛引用于集成光電子器件，具有很高的計算效率和精度

設(shè)計中有四個主要變量需要優(yōu)化設(shè)計：多模區(qū)(或調(diào)制器區(qū))的寬度w，多模區(qū)的長度L，鍺層的厚度t和調(diào)制器有源區(qū)的長度l.

硅鍺的選擇外延實驗發(fā)現(xiàn)，由于鍺硅垂直和水平外延生長速度不同，導致外延薄膜與SOI的頂層硅表面形成大約為26°傾角.當這個寬度很窄時，鍺或鍺硅的外延層趨向于一個尖峰，不利于后續(xù)電極的制作，同時也限制了外延層的厚度，如圖3所示.

“昨天是廖太太請客，這兩天她一個人獨贏，”易太太又告訴馬太太?！芭鲆娦±罡兴麄冏^來，小李說他們請的客還沒到。我說廖太太請客難得的，你們好意思不賞光？剛巧碰上小李大請客，來了一大桌子人。坐不下添椅子，還是擠不下，廖太太坐在我背后。我說還是我叫的條子漂亮！

圖3 不同寬度Si條上外延的鍺薄膜SEM圖樣 (a)5.5μm;(b)2.4μm

為了獲得一個平坦的上平臺，我們設(shè)計調(diào)制器有源區(qū)寬度為4μm.當外延的鍺硅厚度為0.5μm時，上平臺寬度約為2μm，上平臺足夠?qū)捯詫崿F(xiàn)電極的制作.寬的有源區(qū)必然導致產(chǎn)生多個波導模式.為了減小多模區(qū)與單模區(qū)之間的模式耦合損耗，多模區(qū)的長度等于多模干涉成單像時長度的整數(shù)倍，使得光場經(jīng)過多模區(qū)后仍能匯聚.當有源區(qū)或多模區(qū)寬度為4μm時，經(jīng)BPM模擬，該長度為37.7μm，并且該長度基本不受鍺硅厚度的影響.

為了研究鍺硅厚度對波導與調(diào)制器之間耦合效率的影響，我采用了一個探測器模型.設(shè)置鍺硅在1550 nm波長處的吸收系數(shù)為436/cm，一定長度內(nèi)吸收的光功率越多，說明耦合效率越高.在不同鍺硅厚度時的光功率吸收如圖4所示.光由脊形硅波導倏逝耦合到鍺硅層被吸收的光功率與鍺硅厚度成正比.但是為了提高硅波導至鍺硅調(diào)制層之間的的耦合效率，鍺硅的厚度不能無限增加.180 nm CMOS工藝技術(shù)下的芯片提供的電壓為3.3 V.因此為了達到調(diào)制器關(guān)態(tài)時的電場強度62.5 kV/cm，鍺硅調(diào)制層不應(yīng)該超過0.52μm.本文中鍺硅的厚度選為0.5μm，達到62.5 kV/cm電場強度時所需的電壓值為3.1 V.

圖4 不同鍺硅厚度對應(yīng)的光功率吸收率

圖5 不同有源區(qū)長度時的3 dB帶寬和消光比(參數(shù)如下：w=4μm，t=0.5μm，L=37.7μm)

由于該類器件的有源區(qū)長度一般小于100μm，在100 GHz以下的調(diào)制頻率下，器件可處理成集總型器件，而不必考慮如基于硅等離子效應(yīng)的MZI調(diào)制器行波電極的問題，電學設(shè)計上相對簡單.器件的3 dB帶寬由 f=1/2πRC計算所得.其中R等于系統(tǒng)特征阻抗50 Ω.器件的電容由商業(yè)軟件Silvaco計算得到.圖5所示為對于波長為1.55μm的光，鍺硅層厚度為500 nm，寬為4μm時不同有源區(qū)長度時對應(yīng)的3 dB帶寬和消光比.綜合圖3可知，調(diào)制器的3 dB帶寬和消光比之間相互制衡.對于有源區(qū)長度為50μm的調(diào)制器，器件的3 dB帶寬約達64 GHz，同時消光比為8.8 dB.其在開態(tài)和關(guān)態(tài)的光路傳播圖如圖6所示.左邊為電壓為0 V時即開態(tài)，右邊為3 V即關(guān)態(tài)的光場分布.模擬表明器件的插損僅為2.7 dB.有源區(qū)長度為50μm調(diào)制器的電容為52 fF，由于器件工作在反偏狀態(tài)，靜態(tài)電流很小，其功耗主要來在器件開態(tài)和關(guān)態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，根據(jù)文獻[18]的計算方法，計算得到的器件功耗為117 fJ/bit，低于目前報道的所有基于硅基等離子色散效應(yīng)MZI調(diào)制器的功耗.從有源區(qū)長度為50μm的調(diào)制器的各項性能指標看，本文提出的鍺硅倏逝波電吸收調(diào)制器，實現(xiàn)了3 dB帶寬，低功耗，實用的光學帶寬和可接受的消光比之間的平衡，在硅基調(diào)制器中具有非常大的潛力.

圖6 有源區(qū)長度為50μm的EA調(diào)制器開態(tài)(a)和關(guān)態(tài)(b)的光傳播圖

4 結(jié)論

我們提出一種與脊形單模波導集成的新型倏逝波電吸收鍺硅光調(diào)制器.在鍺硅吸收層中，硅的組分選擇為1.19%，器件的工作波段覆蓋了大部分C波段.模擬結(jié)果表明器件有優(yōu)良的性能，器件的3 dB帶寬達64 GHz，消光比和插損分別為8.8 dB和2.7 dB，器件的功耗僅為117 fJ/bit.器件的高帶寬、大消光比、低功耗、低插損和與CMOS工藝兼容等特點使得該類調(diào)制器成為片上光互連用光調(diào)制器的有力競爭者.

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