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(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)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(dá)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(shí)現(xiàn)對光的調(diào)制難于實(shí)現(xiàn)3 dB帶寬、消光比、光學(xué)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(shí)用的光學(xué)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)[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(dá)～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(dá)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(dāng)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(jìn)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(dá)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(xué)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(dǎo)致的張應(yīng)變有關(guān).熱膨脹致張應(yīng)變后的鍺硅的光學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)進(jìn)入多模區(qū)，最后聚焦耦合輸出到脊形單模波導(dǎo).脊形單模波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)進(jìn)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(dǎo)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?fù)诫s多晶硅取代鍺硅與金屬Al形成上電極的歐姆接觸.重?fù)诫s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(dǎo)0.5μm.分別距離脊形波導(dǎo)兩側(cè)各1.5μm是重?fù)诫s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(shí)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于鍺硅垂直和水平外延生長速度不同，導(dǎo)致外延薄膜與SOI的頂層硅表面形成大約為26°傾角.當(dāng)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(dú)贏，”易太太又告訴馬太太。“碰見小李跟他太太，叫他們坐過來，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(dāng)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?shí)現(xiàn)電極的制作.寬的有源區(qū)必然導(dǎo)致產(chǎn)生多個波導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dá)到調(diào)制器關(guān)態(tài)時的電場強(qiáng)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(dá)到62.5 kV/cm電場強(qiáng)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(xué)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(dá)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(xiàn)[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(biāo)看，本文提出的鍺硅倏逝波電吸收調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了3 dB帶寬，低功耗，實(shí)用的光學(xué)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(dǎo)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(dá)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(diǎn)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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