CN108508635B

CN108508635B - 基于SiGe材料的电调谐有源波导结构以及应用其的MZI结构

Info

Publication number: CN108508635B
Application number: CN201810318367.6A
Authority: CN
Inventors: 匡迎新; 李智勇; 刘阳; 常丽敏; 刘磊
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: CN108508635A

Abstract

本发明提供了一种基于SiGe材料的电调谐有源波导结构、以及MZI结构，属于硅基光电子器件领域。基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，为脊形波导结构，从波导结构底部向上依次包括：Si衬底、SiO₂掩埋层、第一接触区、有源区及第二接触区，有源区位于第一接触区和第二接触区的中央区域，在有源区从下到上层叠有SiGe本征区和Ge/SiGe量子阱本征区，经由第一接触区和第二接触区对有源区施加垂直电场。由此，QCSE效应与FK效应相结合，不仅使材料吸收带边移动叠加从而材料在特定波长下的吸收系数和折射率改变，而且获得线性的吸收特性曲线，因而，提升了器件的调制效率、器件的工作速度、补偿了调制的线性度、降低了器件的功耗、缩减了器件的尺寸。

Description

基于SiGe材料的电调谐有源波导结构以及应用其的MZI结构

技术领域

本发明属于硅基光电子器件领域，具体涉及一种基于SiGe材料的电调谐有源波导结构、以及使用它的马赫曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interference：MZI)结构，特别是一种能够有效增加材料在电光调制时的吸收系数和折射率的改变、进一步缩小器件尺寸、提升器件的工作速度、补偿调制的线性度、降低器件的功耗的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，以及使用该波导结构的MZI结构。

背景技术

光通信与光互连技术是解决电学片上互连瓶颈的有力手段，随着后摩尔定律时代的到来，光互连与光子集成技术被寄予厚望。其中，光子集成器件中的光子有源器件包括激光器、调制器以及探测器等，而最关键的光子有源器件包括高调制速度、高线性度、低损耗、低功耗的电光调制器。通常，高速电光调制器广泛应用在数字通信中，高线性度电光调制器随着微波光子领域的发展而越来越多地应用于模拟信号处理。

高速电光调制器至少可按电学调制结构和光学调制结构划分。一方面，电学调制结构通过自由载流子的注入、积累、耗尽或反型来改变波导中的载流子浓度分布，从而使折射率或吸收系数相应地变化。并且，用于载流子的注入、积累、耗尽或反型的结构通常有正向偏置pin结构、MOS 电容结构、反向偏置pn结结构或场效应晶体管结构等。另一方面，光学调制结构通过光的相位调制实现光的强度调制以达成光的有效引导，光学调制结构的类型主要包括干涉型、全内反射型和光吸收型等，其中，干涉型光学调制结构包括马赫曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interference：MZI) 型结构、Fabry-Perot腔型结构、微环谐振腔(Microring Resonator：MRR) 型结构、光子晶体波导型结构等。

在高速电光调制器中，硅基电光调制器因高速、低功耗、低成本、小型化的特点而成为硅基光电子集成技术的必不可缺的器件。传统的硅基电光调制器的实现基于SOI衬底，因SOI衬底中材料折射率差大则其对光的限制作用强，从而可以实现微米甚至纳米量级的光学器件，然而，硅材料因本身光电性质的限制，即便自由载流子等离子色散效应也较弱，则其调制带宽、调制效率等其他器件性能难以大幅提升，理论上其带宽被限制在 60GHz。也就是，硅材料中自由载流子等离子色散效应等可用于光调制物理效应有限，这就需要还考虑硅化物、锗、有机聚合物等新材料，而新材料还必须与微电子集成技术中的设计原理和工艺方法相兼容。其中，锗 (Ge)材料、锗硅(SiGe)材料不仅有折射率高、载流子迁移率高、载流子有效质量小等的优势，还有与CMOS工艺的兼容性良好的特点，从而均是硅基电光调制器要引入的新材料选项。进而，Ge或SiGe材料的禁带宽度正好位于光通信波段，因而基于Ge或SiGe材料的电吸收型硅基电光调制器发展迅速，可以通过Ge或SiGe体材料的弗朗兹-凯尔迪什 (Franz-Keldysh：FK)效应来实现小体积、高速以及低功耗的电吸收调制器件；也可以通过由Ge或SiGe材料构成的量子阱结构的量子限制斯塔克效应(Quantum-ConfinedStark Effect：QCSE)来实现小体积以及低功耗的电吸收调制器件。另外，根据K-K(KramersKronig)关系，材料的吸收系数与折射率之间存在直接的联系，即当材料的吸收系数改变则其折射率随之而变，因此，能够通过利用与基于QCSE效应的吸收系数改变对应的折射率改变，来实现电折射型硅基电光调制器。另外，通过硅基电光调制器与MZI或MRR的干涉型光学调制结构结合等的合理的结构设计，还可以实现对光的进一步调制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种基于SiGe材料的电调谐有源波导结构、以及使用它的MZI结构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，为脊形波导结构，从波导结构底部向上依次包括：Si衬底、SiO₂掩埋层、第一接触区、有源区及第二接触区，有源区位于第一接触区和第二接触区的中央区域，在有源区从下到上层叠有SiGe本征区和Ge/SiGe 量子阱本征区，经由第一接触区和第二接触区对有源区施加垂直电场。

本发明的电调谐有源波导结构中的Ge/SiGe量子阱本征区根据有源区中的Ge组分、阱层厚度和势垒层厚度的不同有两种比较典型的结构，其中一种是电吸收效应的Ge/SiGe量子阱结构；另一种是电折射效应的 Ge/SiGe耦合量子阱结构，具体如下：

Ge/SiGe量子阱结构周期性排列有包括量子阱层和势垒层的单元结构；量子阱层为Ge量子阱层，势垒层为SiGe势垒层；Ge量子阱层厚度为10～15nm，SiGe势垒层厚度为15～20nm，单元结构的数量为10～15个。

第二种结构中，Ge/SiGe耦合量子阱结构周期性排列有耦合单元结构，该耦合单元结构依次包括外势垒层、内势垒层、阱层、内势垒层和外势垒层；外势垒层为SiGe外势垒层，内势垒层为SiGe势垒层，阱层为Ge阱层；SiGe外势垒层的厚度为12～14nm，SiGe内势垒层的厚度为1～2nm， Ge阱层厚度为5～7nm，SiGe外势垒层和SiGe内势垒层中Ge组分为 75％～85％，耦合单元结构的数量为4～5个。

进一步，SiGe本征区为i型SiGe本征区，厚度为100～250nm，Ge组分为80％～90％；第一接触区为p+型SiGe接触区，掺杂浓度为 1×10¹⁸cm-³～1×10¹⁹cm^-3；第二接触区为n+型SiGe接触区，掺杂浓度为 1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

根据本发明的另一个方面，提供了一种MZI结构，包括：分束器；两个调制臂，利用上述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构对来自分束器的光的相位进行调制；合束器，其与两个调制臂连接，将来自调制臂的存在相位差的光束进行干涉。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于SiGe材料的电调谐有源波导结构、以及使用它的MZI结构至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：

(1)本发明的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，在其有源区包括Ge/SiGe量子阱本征区以及SiGe本征区。通过Ge/SiGe量子阱本征区能够在波导设计上拓展多个自由度；通过改变Ge阱层厚度、SiGe势垒层厚度以及Ge的组分可以实现不同特性的波导结构，也就是，通过外加电压对波导结构有源区施加垂直于量子阱本征区方向的电场，从而实现高效的吸收系数的改变以及折射率的调谐，由此，有源波导结构可以作为光的电吸收结构，也可以作为折射率的电调谐结构；

(2)本发明的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，将Ge/SiGe量子阱本征区与SiGe本征区相结合，通过QCSE效应与FK效应的双重吸收作用，能够增强材料对光的吸收，可以有效减小波导的尺寸，提升响应速度和调制效率，降低调制功耗；

(3)本发明的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，实现了QCSE 效应与FK效应的组合，这两种效应对于相同材料的吸收特性不同，由此这样的组合可以得到线性的吸收特性曲线，提升调制的线性度；

(4)本发明的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，有源区主要采用SiGe材料，因其制作工艺成熟，与传统CMOS工艺具有良好的兼容性，由此，有利于与其他器件集成和制造成本的降低。

附图说明

图1为本发明实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构的概要性纵向剖面图。

图2为本发明实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构的垂直电场分布示意图。

图3为本发明实施例电吸收效应的Ge/SiGe量子阱结构的概要性剖视图。

图4为本发明实施例电折射效应的Ge/SiGe耦合量子阱结构的概要性剖视图。

图5为使用本发明实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构的 MZI结构的俯视图。

【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

1-本征Si衬底；2-SiO₂掩埋层；3-p+型Si接触区；

4-第一电极；5-SiGe本征区；

6-Ge/SiGe量子阱本征区；7-n+型SiGe接触区；

8-第二电极；9-调制电场；

61-量子阱层；62-势垒层；

61’-外势垒层；62’-内势垒层；63’-阱层；

a-分束器；b-调制臂；a’-合束器；

50-有源波导结构；60-Ge/SiGe量子阱结构；

60’-Ge/SiGe耦合量子阱结构。

具体实施方式

本发明通过Ge/SiGe量子阱结构的QCSE效应与SiGe体材料的FK效应的结合，不仅使材料吸收带边移动叠加从而材料在特定波长下的吸收系数和折射率改变，而且获得线性的吸收特性曲线，由此，提升了器件的调制效率、器件的工作速度、补偿了调制的线性度、降低了器件的功耗、缩减了器件的尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于SiGe材料的电调谐有源波导结构(以下，有将“基于SiGe材料的电调谐有源波导结构”简称为“电调谐有源波导结构”、“有源波导结构”、“波导结构”的情况)，其主要包括Si衬底、SiGe体材料、Ge/SiGe量子阱结构。图1为本发明实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构的概要性纵向剖面图。如图1 所示，本实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，是脊形波导结构，包括：本征Si衬底1、SiO₂掩埋层2、p+型Si接触区3和设置在p+型Si 接触区3的两侧上的第一电极4及中央的SiGe本征区5、Ge/SiGe量子阱本征区6、n+型SiGe接触区7和设置在n+型SiGe接触区7的两侧上的第二电极8，其中SiGe本征区5和Ge/SiGe量子阱本征区6在其层叠方向的正交方向上的截面面积相同，且同轴设置。具体地，参见图1，本实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构从下向上依次包括：本征Si衬底1、 SiO₂掩埋层2、p+型Si接触区3、SiGe本征区5、Ge/SiGe量子阱本征区 6及n+型SiGe接触区7，在p+型Si接触区3的两侧上方分别设置有第一电极4，在n+型SiGe接触区7的两侧上方分别设置有第二电极8。另外，基于SiGe材料的电调谐有源波导结构的有源区包括SiGe本征区5和 Ge/SiGe量子阱本征区6，也就是，波导结构的有源区主要采用SiGe材料。

对波导结构的有源区经由第一电极4和第二电极8施加调制电压，如图2所示，会在波导结构的有源区产生垂直方向(即垂直于Ge/SiGe量子阱本征区6的方向)的调制电场9，在调制电场9的作用下，有源区的SiGe 本征区5和Ge/SiGe量子阱本征区6分别呈现FK效应和QCSE效应，通过FK效应和QCSE效应的双重吸收作用，而实现电吸收效应的增强，由此，可以进一步增强材料的吸收，更有利于进一步缩减波导结构尺寸，提升调制器件的工作速度。

具体地，根据K-K关系，Ge/SiGe量子阱本征区6的QCSE效应，不仅能够导致其本身的电吸收效应，并且能够在特定波导结构情形下引起基于QCSE效应的电折射效应，也就是，在特定波导结构(特定的Ge组分、阱层厚度和势垒层厚度)情形下材料折射率随QCSE效应导致的吸收系数改变而变化即体现出电折射效应。这样，本申请实施例电调谐有源波导结构的Ge/SiGe量子阱本征区6，根据有源区中的Ge组分、阱层厚度和势垒层厚度的不同而主要有两种典型的情形：一种是电吸收效应的Ge/SiGe 量子阱结构；另一种是电折射效应的Ge/SiGe耦合量子阱结构。具体如下：

在第一种情形中，如图3所示，电吸收效应的Ge/SiGe量子阱结构60 通过多个单元结构层叠而成。每个单元结构包括SiGe势垒层62和Ge量子阱层61，其中，Ge量子阱层厚度为10～15nm，SiGe势垒层厚度为 15～20nm。由此，作为Ge/SiGe量子阱本征区6的Ge/SiGe量子阱结构60 中周期性排列有10～15个单元结构。

在第二种情形中，如图4所示，电折射效应的Ge/SiGe耦合量子阱结构60’周期性排列有4～5个耦合单元结构，该耦合单元结构为依次包括 SiGe外势垒层61’、SiGe内势垒层62’、Ge阱层63’、SiGe内势垒层62’、 SiGe外势垒层61’的多层结构，其中，Ge阱层厚度为5～7nm，SiGe外势垒层厚度为12～14nm，SiGe内势垒层厚度为1～2nm，SiGe势垒层(SiGe 外势垒层或SiGe内势垒层)中Ge组分为75％～85％。

需要说明的是，本发明实施例电调谐有源波导结构中，SiGe本征区 5为i型SiGe本征区5，厚度为100～250nm，Ge组分为80％～90％；p+型 SiGe接触区3的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3；n+型SiGe接触区7 的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

另外，本实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，是脊形波导结构，其具体结构参数由波导尺寸和刻蚀工艺来定义。该电调谐有源波导结构的制作方法主要包括：准备SOI衬底；通过电子束曝光而在SOI衬底定义出波导的宽度，利用刻蚀而在SOI衬底形成与波导的宽度相应的槽状结构；经由离子注入法对槽状结构进行硼离子注入而形成p+接触区3；经由材料生长设备在p+接触区3的中央区选择性生长i型SiGe本征区5以及Ge/SiGe量子阱本征区6；采用磷离子注入在i型SiGe本征区5上方形成n+型SiGe接触区7；由此，形成如图1所示的波导结构。

波导结构中，p+型接触区3和n+型接触区7分别通过第一电极4和第二电极8与外部电性连接。经由外加电压，会在Ge/SiGe量子阱与SiGe 体材料的有源区产生垂直的调制电场，该调制电场使Ge/SiGe量子阱与 SiGe体材料出现QCSE效应和FK效应，这样就会使材料对于特定波长的光的吸收改变。因此，通过控制外加电压信号的变化可以控制波导材料吸收系数的改变，进而控制波导材料的折射率的改变，由此实现对波导中传输的光的相位调制。

至此，本发明实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构介绍完毕。

在本发明另一示例性实施例中，提供了一种使用上述的电调谐有源波导结构的MZI结构。图5为使用本发明实施例基于SiGe材料的电调谐有源波导结构的MZI结构的俯视图。如图5所示，该MZI结构包括：分束器a、合束器a’、以及两个调制臂b，该调制臂b包括本申请实施例的有源波导结构50。具体地，外部入射的光信号(输入信号)进入分束器a，由分束器a分束后分别进入两个调制壁b，由调制臂b包括的有源波导结构50实现波导结构中材料吸收系数和折射率的变化进而改变波导结构中传输的光的相位后从与两个调制臂b分别连接的合束器a’的两个输入端口进入到合束器a’，由合束器a’使具有相位差的两路光信号干涉，而从合束器a’的输出端口输出。如图5所示，MZI结构分别通过改变调制臂b上施加的外加电压来改变传输的光的相位，再利用合束器来实现由有源波导结构50进行相位改变后的光的干涉，最终实现光的调制。由此，通过这样的MZI结构能够有效地将光的相位变化进一步转变为光的强度变化，实现对光的调制。

为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，本发明的另一示例性实施例介绍完毕。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)通过改变Ge/SiGe量子阱本征区的结构，例如对于Ge/SiGe耦合量子阱结构而主要改变Ge阱层的厚度、SiGe势垒层中Ge的组分、SiGe 势垒层的厚度，能够实现在较低电场作用下材料折射率的改变，这种特性可以用于基于等离子色散效应的调制结构中；

(2)波导有源区的SiGe本征区和Ge/SiGe量子阱本征区可以用 III-V族本征材料以及III-V族量子阱来代替；

依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于SiGe材料的电调谐有源波导结构有了清楚的认识。

综上所述，本发明提供一种通过主材料为SiGe的有源波导结构而使 Ge/SiGe量子阱结构的QCSE效应与SiGe体材料的FK效应相结合，从而实现电吸收效应的增强以及折射率的调谐，由此，波导材料的吸收系数和折射率的改变增加、器件尺寸缩减、器件工作速度提升、调制线性度得以补偿、器件功耗降低，从而可以广泛应用于高速电光调制、光发射模块以及光互连等诸多领域。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。此外，可以理解的是，本文各实施例的流程仅示出与对本发明的理解有关的步骤，且可以理解的是，可以在所示步骤之前、之后及之间执行用于完成其它功能的许多附加步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，为脊形波导结构，从波导结构底部向上依次包括：Si衬底、SiO₂掩埋层、第一接触区、有源区及第二接触区，所述有源区位于所述第一接触区和所述第二接触区的中央区域，在所述有源区从下到上层叠有SiGe本征区和Ge/SiGe量子阱本征区，其中，所述SiGe本征区为i型SiGe本征区，所述第一接触区为p+型Si接触区；经由所述第一接触区和所述第二接触区对所述有源区施加垂直电场，以实现基于SiGe本征区的FK效应和基于Ge/SiGe量子阱本征区的QCSE效应的组合。

2.根据权利要求1所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述Ge/SiGe量子阱本征区为电吸收效应的Ge/SiGe量子阱结构。

3.根据权利要求2所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述Ge/SiGe量子阱结构周期性排列有包括量子阱层和势垒层的单元结构。

4.根据权利要求3所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述量子阱层为Ge量子阱层，所述势垒层为SiGe势垒层。

5.根据权利要求4所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述Ge量子阱层的厚度为10～15nm，所述SiGe势垒层的厚度为15～20nm，所述单元结构的数量为10～15个。

6.根据权利要求1所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述Ge/SiGe量子阱本征区为电折射效应的Ge/SiGe耦合量子阱结构。

7.根据权利要求6所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述Ge/SiGe耦合量子阱结构周期性排列有耦合单元结构，该耦合单元结构依次包括外势垒层、内势垒层、阱层、内势垒层和外势垒层。

8.根据权利要求7所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述外势垒层为SiGe外势垒层，所述内势垒层为SiGe内势垒层，所述阱层为Ge阱层。

9.根据权利要求8所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述SiGe外势垒层的厚度为12～14nm，所述SiGe内势垒层的厚度为1～2nm，所述Ge阱层的厚度为5～7nm，所述SiGe外势垒层和所述SiGe内势垒层中Ge组分为75％～85％，所述耦合单元结构的数量为4～5个。

10.根据权利要求2或6所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构，其中，所述SiGe本征区的厚度为100～250nm，Ge组分为80％～90％；所述第一接触区的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3；所述第二接触区为n+型SiGe接触区，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

11.一种MZI结构，包括：

分束器；

两个调制臂，利用权利要求1至10中任一项所述的基于SiGe材料的电调谐有源波导结构对来自所述分束器的光的相位进行调制；

合束器，其与所述两个调制臂连接，将来自所述调制臂的存在相位差的光束进行干涉。