研究微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制结构

文摘

电光调制器是一个非常重要的设备在硅光子学,负责光信号和电信号的转换。电光调制器,波导的载体密度区域的一个关键参数。增加载体密度的传统方法是增加外部调制电压,但是这样会增加调制的损失,也不利于光子学集成。本文提出一种微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制结构。基于单异质结的能带理论,势垒高度的定量计算,分析了异质结势垒和载体浓度。乐队和载体注入模拟双异质结构的结构特点,分别证明了理论分析的正确性。微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制设计和测试,和比较测试结果之间的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制和微纳绝缘体(SOI) micro-ring电光调制、自由光谱范围,3 dB带宽,值、消光比和其他参数的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制比别人好,和调制电压和调制损失较低。

1。介绍

和光电技术的飞速发展,光电设备已经进入纳米时代(1,2),许多纳米技术被用于硅光子学(3- - - - - -5]。减少核装置的大小可以提高芯片面积的利用率,但也需要设备的更高的性能,选择和硅外延材料光电设备和更高的性能。例如,硅衬底上外延InP材料用于制造激光器(6),通用电气外延材料是用来制造探测器(7),外延锗硅材料用于制造调制器(8),等等。在光电集成电光调制器是一个非常重要的设备,负责光信号和电信号的转换9,10]。电光调制器,波导的载体密度区域的一个关键参数。当注入波导地区载体密度更大,折射率的变化更大,也更容易调制器的调制(11,12]。增加载体密度的传统方法是增加外部调制电压,但是这样会增加调制的损失,也不利于光子集成(8,13]。所以锗硅技术是解决这个问题的一种方法在硅光子学。光子学电子技术研究协会(PETRA)和东京大学高速、高效硅光调制器锗硅层,并演示了高效调节紧张的0.67和0.81 V·cm V的πL在直流反向偏置电压0.5−−2 ,分别,也演示了一个高速操作Si-MOD 25 Gbps的波长在1.3μ米(14]。多伦多大学取得了锗硅BiCMOS线性调制器驱动程序和测量微分增益和带宽超过20 dB和70 GHz,分别−2.5 dBm (15]。根特大学证明单波长、串行和实时100 GB / s NRZ-OOK传输500 m SSMF GeSi像硅光子学平台上实现。设备驱动2 Vpp没有50Ω终止,允许一个低的解决方案对400年GbE短延光互联(16]。

介绍了微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制结构,可以极大地提高载波注入浓度和调制电压和减少损失。这是一个理想的电光调制器,有利于光子集成电路小型化和集成,还提供了一种新方法的研究基于硅微纳光电子器件。

2。结构和能带

基于SOI销电光调制结构,微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制结构,缩写为硅/硅锗/绝缘体(Si /锗硅/ Si-OI)结构,如图1。绝缘体上的底部结构(OI)材料,P + N +地区在顶层硅材料,和我地区锗硅材料图1。P +地区由B掺杂元素和掺杂浓度1×10¹⁹厘米⁻³。N +地区由P元素掺杂和掺杂浓度也1×10¹⁹厘米⁻³。我地区是N型内在锗硅和掺杂浓度是1×10¹⁵厘米⁻³。在图1、结构参数H= 220海里,h= 50纳米,W= 400 ~ 600纳米,和活跃的地区和波导之间的宽度是一个变量值。

为了方便比较和分析两种销调制结构建立了硅和锗硅材料。一个是销调制结构,如果基于SOI销结构,缩写为SOI结构,如图2(一个)。另一个是销调制结构,基于硅锗硅Germanium-On-Insulator (SiGe-OI)销结构,缩写为SiGe-OI结构,如图2 (b)。两种结构的掺杂浓度和结构参数是一样的硅/锗硅/ Si双异质结光电调制结构。

硅/锗硅/ Si-OI结构由P型硅高掺杂浓度、N型锗硅掺杂浓度较低,N型硅高掺杂浓度。资本P和N代表宽禁带半导体,和小写字母N代表窄带隙半导体。所以销结构可以等效为Pn异质结和nN异质结结构,和乐队图如图3在平衡态。

当销结构工作时,n地区信息的主要载体是由电子从n P地区和洞地区,势垒高度是一个关键参数会影响电子的注入效率和洞。异质结后的硅/锗硅/ Si-OI结构分析,这个洞的Pn异质结势垒高度硅/锗硅/ Si-OI结构由以下公式(17]: 在哪里势垒高度,玻耳兹曼常量,绝对温度,是内在载体浓度的硅,硅锗的内在载体浓度,n地区的掺杂浓度,P地区的掺杂浓度,是通用电气内容。公式(1)表明,孔的Pn异质结势垒高度与P地区的掺杂浓度和n区域,材料的带隙,温度,和通用电气的内容。当温度是恒定的,掺杂P地区和n的浓度越低,孔越低势垒高度。带隙窄,内在载体浓度越高,低势垒高度。锗浓度越大,孔越低势垒高度。

假设 , 和通用电气内容是0.2,所以孔的Pn异质结势垒高度可以等于计算 在室温下。SOI结构和SiGe-OI结构的Pn结是同质结,和洞势垒高度可以根据以下公式进行分析(17]: 在哪里的费米能级是P地区的费米能级是n地区。洞势垒高度的Pn SOI结构的同质结可以等于计算 势垒高度,洞Pn SiGe-OI结构的同质结可以等于计算 。在相同的情况下,孔硅/锗硅/ Si-OI结构的势垒高度最低,SOI结构的势垒高度和孔是最高的。这个结果可以通过随调Silvaco CAD软件,如图4(17]。

神经网络的电子势垒高度异质结的硅/锗硅/ Si-OI结构可以用以下公式(17]: 在哪里是承运人的浓度N地区是承运人的浓度n地区。公式(3)表明,神经网络的电子势垒高度异质结硅/锗硅/ Si-OI结构也与掺杂浓度N地区和区域,材料的带隙,温度,和通用电气的内容。温度是常数时,N地区的掺杂浓度越低,孔越低势垒高度。n地区的掺杂浓度越高,越低势垒高度。n的宽禁带区域,内在载体浓度越低,孔越低势垒高度。的带隙窄N地区内在载体浓度越高,势垒高度降低洞。锗浓度越小,孔越低势垒高度。

假设 , 和通用电气内容是0.2,所以神经网络的电子势垒高度异质结可以等于计算 在室温下。SOI结构和SiGe-OI结构的神经网络连接是同质结,和电子势垒高度可以根据以下公式进行分析(17]:

神经网络的电子势垒高度同质结的SOI结构可以等于计算 和神经网络的电子势垒高度同质结SiGe-OI结构可以等于计算 。在相同的条件下,电子势垒高度的硅/锗硅/ Si-OI结构最低,和SOI结构的电子势垒高度最高。这个结果可以通过随调Silvaco CAD软件,如图4。

当正向偏压P地区和N之间的电压设置地区,原载体运动扩散和漂移运动之间的平衡打破,和销设备处于非平衡状态。因为我的掺杂浓度区域非常小,阻力很大。P地区的掺杂浓度和N地区非常大,阻力很小,所以外部正偏置电压基本上是在我出生的地区。正向偏置电压产生的电场相反我地区的内建电场,这会削弱我地区电场的强度,降低了空间电荷,势垒高度降低。因为Pn的洞势垒高度异质结和神经网络的电子势垒高度异质结硅/锗硅/ Si-OI结构都是低于SiGe-OI结构和SOI结构的势垒高度,所以乐队硅/锗硅/ Si-OI结构是平第一次在正向偏压下电压。换句话说,硅/锗硅/ Si-OI结构载体注入同一正向偏压越高电压。1 V正向电压,乐队模拟三种类型的调制结构如图5(17]。

3所示。结果分析

为了验证该硅/锗硅/ Si-OI结构具有更好的特性,SOI结构的载体浓度,SiGe-OI结构和硅/锗硅/ Si-OI结构如图6。图6(一)显示电子浓度之间的关系和调制电压三个结构,和图6 (b)显示了空穴浓度和调制电压之间的关系。从图可以看出6随着调制电压的增加,三种调制结构的载体浓度逐渐增加。调制电压超过0.6 V时,载体浓度的硅/锗硅/ Si-OI结构显著大于SOI结构的载体浓度;调制电压大于0.75 V时,载体浓度的硅/锗硅/ Si-OI结构显著大于载体浓度SiGe-OI结构;调制电压0.9 V时,载体浓度的硅/锗硅/ Si-OI结构6×10¹⁸厘米⁻³,但SOI结构和SiGe-OI结构达到相同的载体浓度在2 V调制电压;当调制电压达到2 V时,载体浓度的硅/锗硅/ Si-OI结构可能会增加到1.5×10¹⁹厘米⁻³。假设SOI结构和SiGe-OI结构所有工作2 V调制电压,所以硅/锗硅/ Si-OI结构只能工作在0.9 V电压调制。从这个我们可以看到电光调制器的调制电压有效降低,和电光调制器的注入效率有效提高硅/锗硅/ Si-OI结构。

为了验证理论分析和仿真结果的正确性,我们取得了微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制,如图7。调制的光学部分,选择micro-ring调制结构。图7(一)显示原理图的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制、数字7 (b)显示了激光扫描共聚焦显微镜(LSCM) LEXT-OLS4000设备的照片,图7 (c)显示了扫描电子显微镜(SEM)照片micro-ring结构的房子- 6700 f,和图7 (d)扫描电镜显示设备。波导宽度是450海里,脊波导高度是220海里,平面波导高度为50纳米,波导之间的差距和micro-ring 200海里,micro-ring半径是10μm P +地区的掺杂浓度是1×10¹⁹厘米⁻³的掺杂浓度是1×10 N +区域¹⁹厘米⁻³,我地区的掺杂浓度是1×10¹⁵厘米⁻³。在相同的工艺条件和设备参数,微纳SOI micro-ring电光调制也为测试比较。

的透射谱微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制已经测试,如图8。从这个我们可以看到自由光谱范围(FSR)是9.44 nm,和3 dB带宽的共振峰值为0.12 nm,靠近1549海里。相应的值为12900,消光比的共振峰值为11.2分贝。

在相同的测试条件下,微纳的透射谱SOI micro-ring电光调制也被测试,如图9。从这个我们可以看到自由光谱范围(FSR)是9.41 nm,和3 dB带宽的共振峰值为0.13 nm,靠近1548海里。相应的值为11900,消光比的共振峰值为7.0分贝。

比较的测试结果之间的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制和微纳SOI micro-ring电光调制,我们可以看到自由光谱范围,3 dB带宽,值、消光比和其他参数的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制比的微纳SOI micro-ring电光调制价值和消光比的尤其大于微纳SOI micro-ring电光调制。

测试结果的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制图所示10。正向偏置电压是0,1,1.1,1.2 V,分别。从这个我们可以看到谐振一直明显蓝移在正向偏压峰值电压设置,当正向偏压电压是1 V,蓝移的价值是0.71海里。

当正向偏压电压0,1.5,1.8,2 V,分别的透射谱微纳SOI micro-ring电光调制已经测试,如图11。从这个我们可以看到共振峰也显然在正向偏压后蓝移,但调制效应比硅/锗硅/ Si调制。只有当正向偏压2 V电压,蓝移的价值是0.71海里。

比较的测试结果之间的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制和微纳SOI micro-ring电光调制,我们可以看到,调制效率的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制比的微纳SOI micro-ring电光调制在相同的处理条件和测试条件。换句话说,调制电压的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制的低于微纳SOI micro-ring电光调制的调制功率微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制也低。因此,测试结果与之前的理论分析和仿真结果一致。

4所示。结论

本文提出一种微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制结构。基于单异质结的能带理论,定量分析了新结构的势垒高度,势垒高度的公式使用数值微积分和派生得到。载波注入增强在新结构的原因进行了分析。在仿真平台上,新的结构,SiGe-OI结构,SOI结构模拟。从仿真结果的比较,当调制电压0.9 V,载体浓度6×10的新结构¹⁸厘米⁻³,但SOI结构和SiGe-OI结构达到相同的载体浓度2 V调制电压。最后,微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制和测试。比较测试结果之间的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制和微纳SOI micro-ring电光调制、自由光谱范围,3 dB带宽,值、消光比和其他参数的微纳米硅/锗硅/ Si双异质结micro-ring电光调制比别人好,和调制电压和调制功率较低。所以,微纳米硅/锗硅/ Si双异质结光电调制结构是一个理想的设备结构取代传统SOI和SiGe-OI光电调节器结构。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是为中国国家自然科学基金资助(批准号61204080),中国陕西省自然科学基金(批准号2017 jm6075),陕西省基础教育部门(批准号17 jk0335)、信息功能材料国家重点实验室(批准号SKL201804),陕西省普通高校重点学科建设专项资金项目(批准号(2008)169)。

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