CN109597221A - 一种偏振无关的多量子阱电吸收红外光通信光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振无关的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，包括：具有悬空区域的衬底层；具有四方排布、中心对称结构的刻蚀窗口的P型掺杂缓冲层；下隔离层；量子阱层；上隔离层；N型掺杂接触层；具有电极与接触层之间的连接窗口的绝缘层；N电极和P电极。刻蚀窗口采用采用规则多边形、不规则多边形或这些形状中几种形状的组合，优选为：(a)为六边形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；(b)为双矩形连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；(c)为矩形半圆连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列。这些刻蚀窗口结构能够产生更大的双轴张应变，应变放大系数大幅度提高，大幅度减小器件尺寸。
Description
技术领域
本发明属于集成光路领域，更具体地，涉及一种偏振无关的多量子阱电吸收红外光通信光调制器。
背景技术
红外光调制器是集成光通信系统、电光集成系统的核心组成部分，而量子阱红外光调制器由于其能量损耗低，驱动电压小，器件尺寸小，使得其在大规模集成、低损耗、低功耗、CMOS兼容的集成光路系统中得到广发应用。在通信、医疗及其他领域都具有广阔的应用和巨大的经济效益。波导集成量子阱电吸收红外光调制器如今已经成为集成光路领域的研究热点和学科前沿。集成矩形光波导中存在着横电场TE和横磁场TM两种偏振模式，两种模式的光场共存于光波导中，光场总能量由两种偏振模式能量之和构成。集成光路的发展趋势要求光调制器对两种偏振模式的光场具有相同的调制作用，从而使得光路中光能量的损耗最小。然而由于量子阱材料的固有属性，在不外加应变时量子阱电吸收材料对两种偏振光的吸收谱不同，导致传统量子阱电吸收光调制器的调制作用是偏振相关的，已不能适应集成电光系统的发展需求，需要实现一种偏振无关的量子阱电吸收光调制器。
量子阱电吸收光调制器可以通过减小量子阱的个数和优化量子阱结构来减小驱动电压和吸收损耗，然而这些方法都不能改变量子阱材料偏振相关的固有属性。为克服这一难题，采用悬空微桥结构可以用来对材料施加双轴张应变，从而调控材料的能带特性，实现偏振无关的量子阱电吸收光调制器。
已公开的利用悬空微桥结构引入应变的技术，主要是应用于对体材料进行能带调控，并不涉及量子阱材料，也不涉及偏振相关性的改善。其他已公开的改善量子阱材料偏振相关性的技术主要是利用生长过程中引入的结构张应变，这种方式难以预测，张应变的大小也不能裁剪。高等人提出一种电吸收光调制器，如图1(a)所示，调制器从上到下依次为：N电极、P电极、SiO2、N型SiGe、SiGe隔离、量子阱层、SiGe隔离、P型SiGe缓冲层、刻蚀下Si衬底。调制器整体结构如图1(b)所示，悬空结构的实现依靠分布于调制器四角的刻蚀窗口和湿法腐蚀完成，刻蚀窗口的形状为四边形。但是，微桥结构的应变放大系数取决于腐蚀的形状，四边形刻蚀窗口产生的张应变较小，进一步导致器件尺寸较大。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中吸收红外光通信光调制器尺寸较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种偏振无关的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，所述光调制器由下到上依次为：
具有悬空区域的衬底层；具有四方排布、中心对称结构的刻蚀窗口的P型掺杂缓冲层；下隔离层；量子阱层；上隔离层；N型掺杂接触层；具有电极与接触层之间的连接窗口的绝缘层；N电极和P电极；
N电极通过连接窗口与N型掺杂接触层连接，P电极通过连接窗口与P型掺杂缓冲层连接。
具体地，其特征在于，所述刻蚀窗口采用规则多边形、不规则多边形或这些形状中几种形状的组合。
具体地，所述刻蚀窗口的形状为：(a)为六边形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；或者(b)为双矩形连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；或者(c)为矩形半圆连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列。
具体地，量子阱层为非掺杂。
具体地，被刻蚀的N型掺杂接触层、上隔离层、量子阱层、下隔离层和被部分刻蚀的缓冲层一起构成了脊形波导。
具体地，衬底层中的悬空区域由湿法腐蚀形成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明使用四方排布、中心对称结构的刻蚀窗口，刻蚀窗口采用采用规则多边形、不规则多边形或这些形状中几种形状的组合，优选为：(a)为六边形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；(b)为双矩形连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；(c)为矩形半圆连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列。由于桥上的应变放大系数主要取决于腐蚀的形状，而这些刻蚀窗口结构能够产生更大的双轴张应变，应变放大系数大幅度提高，该结构在四个方向上具有对称性，其产生的张应变也具有相应的对称性，使得双轴张应变集中于调制器的中部区域，均匀分布，大幅度减小器件尺寸。
2.本发明将悬空微桥结构与波导结构相结合，光场被限制在波导中，使用波导结构能够更好地适应集成光学的发展要求，使得整个器件可以与其他器件相集成，器件尺寸更小。
附图说明
图1(a)为现有技术中调制器结构示意图；
图1(b)为现有技术中微桥结构示意图；
图2为本发明提供的一种偏振无关的多量子阱电吸收红外光通信光调制器材料构成示意图；
图3为本发明实施例提供的脊形波导与刻蚀窗口结构示意图；
图4为本发明提供的刻蚀窗口不同形状示意图；
图5为本发明实施例提供的悬空区域制作完成之后量子阱光调制器上的应变分布示意图；
图6为本发明实施例提供的悬空微桥双轴张应变多量子阱在无外加电压时的吸收系数曲线图；
图7为本发明实施例提供的悬空微桥双轴张应变多量子阱在外加2V电压时的吸收系数曲线图；
各附图标记的含义如下：100-光调制器；101-衬底层；102-P型掺杂缓冲层；103-下隔离层；104-量子阱层；105-上隔离层；106-N型掺杂接触层；107-绝缘层；108-N电极；入射光波-109；110-悬空区域；111-P电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是基于量子阱材料价带与导带间跃迁原理而工作的，位于量子阱价带顶部的电子吸收红外波长光子的能量，跃迁到导带底部，而在价带中留下一个空穴。量子阱中的能态由于量子限制效应呈量子化的特点，价带和导带中的能态非连续。价带中的空穴态根据跃迁选择特性的不同分为重空穴态HH和轻空穴态LH。位于价带顶部的空穴态称为基态重空穴HH1和基态轻空穴LH1，位于导带底部的电子态称为基态电子e1。量子阱材料的电吸收光调制是通过电极施加电场使得材料吸收谱边缘发生移动，覆盖入射光波所在的波长发生吸收，从而实现入射光波的调制。量子阱材料吸收谱边缘对应的波长位置和边缘形状主要取决于价带顶部空穴态HH1和导带底部电子态e1之间的跃迁。在不加应变的量子阱中，e1-HH1跃迁只吸收电场方向垂直于量子阱生长方向的光波，对偏振方向平行于量子阱生长方向的光波无法吸收，存在着偏振态间的差异。本发明利用悬空微桥结构在量子阱材料中引入双轴张应变，调控材料的能带结构，消除偏振态间的差异，使得e1-HH1跃迁对两种偏振态的光子有相同的吸收系数，从而实现偏振无关的电吸收光调制。
本发明提供一种偏振无关的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，如图2所示，所述光调制器100由下到上依次为：具有悬空区域110的衬底层101；具有刻蚀窗口的P型掺杂缓冲层102；下隔离层103；量子阱层104；上隔离层105；N型掺杂接触层106；具有电极与接触层之间的连接窗口的绝缘层107；N电极108和P电极111；N电极108通过连接窗口与N型掺杂接触层106连接，P电极111通过连接窗口与P型掺杂缓冲层102连接。
衬底层101中的悬空区域110由湿法腐蚀形成。
P型掺杂缓冲层102用于给P电极111提供良好的欧姆接触。该层与P电极一起构成了PIN结结电容的一极，P电极加电时电荷通过电极填充到该层。
N型掺杂接触层106用于给N电极108提供良好的欧姆接触。该层与N电极一起构成了PIN结结电容的另一极，N电极加电时电荷通过电极填充到该层。
量子阱层104为非掺杂，使得量子阱具有量子化的能带结构，能级间能带间隙充足，在通光状态(未加电压)下对入射光的吸收损耗小。量子阱层104是基于导带与价带之间直接带隙跃迁的多量子阱层。量子阱层104吸收谱边缘对应的波长为近红外波段，直接带隙对应的中心波长范围在1.3至2微米范围内。
绝缘层107中的电极窗口覆盖了P型掺杂缓冲层和N型掺杂接触层的部分区域，形成纵向PIN结构。
P电极111和N电极108是调制器的一部分，分别连接P掺杂层、N掺杂层构成电容。当电极加电压时，电容充电在掺杂层中产生电场。
脊形波导上表面为所述N型掺杂接触层106上表面，脊下边缘位于所述P型掺杂缓冲层102中。被刻蚀成矩形的N型掺杂接触层106、上隔离层105、量子阱层104、下隔离层103和被部分刻蚀的缓冲层102一起构成了脊形波导。入射光波109波长包含所需调制的近红外波段，光场被约束在脊形波导中，传播方向为沿波导方向，光场中心位置位于量子阱层104中。入射光波在沿波导传输的过程中经过调制器区域在电场的作用下被量子阱吸收，发生调制作用。
如图3所示，所述的刻蚀窗口位于P型掺杂缓冲层102，且深入到衬底层101，优选采用双矩形连接形结构。制作过程中先使用平面刻蚀工艺刻蚀出“刻蚀窗口”，然后浸泡在另一种腐蚀液中。湿法腐蚀时，腐蚀液通过刻蚀窗口接触到衬底层101中的材料，各向均匀地腐蚀衬底材料形成悬空区域110。悬空区域位于所述光调制器100的下方，通过结构应变集中效应在量子阱层104中产生双轴张应变。箭头表示入射光波109的传播方向。
如图4所示，P型掺杂缓冲层其中的刻蚀窗口分布在调制器四角，且具有中心对称的平面结构，其窗口具有六边形、四边形等形状，使得双轴张应变集中于调制器的中部区域，均匀分布。刻蚀窗口可能采用的不同形状包括：(a)为六边形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；(b)为双矩形连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；(c)为矩形半圆连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列。除此之外，也可采用规则多边形、不规则多边形或其他复杂的窗口形状，或这些形状中几种形状的组合。
P型掺杂缓冲层102在400摄氏度条件下采用减压化学气相沉积法生长，然后在800摄氏度条件下进行退火处理。由于P型缓冲层102与衬底层101存在一定的晶格失配，退火处理之后的P型掺杂缓冲层102中存在微量的残余张应变，该微量张应变被悬空微桥中的结构应变集中效应放大。
P型掺杂缓冲层102具有掺杂浓度：1018-1019/cm3，使得缓冲层具有良好的欧姆接触特性，当电极加电时P型掺杂缓冲层中有足够的电荷分布。N型掺杂接触层106具有掺杂浓度：1018-1019/cm3，使得N型掺杂接触层具有良好的欧姆接触特性，当电极加电时N型掺杂接触层中有足够的电荷分布。
如图5所示，调制器所在区域的双轴张应变被放大了数倍。被悬空的部分具有类似桥梁的形状，研究人员称之为悬空微桥。悬空微桥结构的双轴张应变集中在中心20微米至50微米区域内。P型缓冲层102中残余张应变为0.2％，经过悬空微桥的放大，中心区域双轴张应变为0.7％至0.8％。
量子阱层存在着双轴张应变，使得量子阱对两种偏振模式的光场具有相同的吸收特性，从而实现偏振无关电吸收光调制。如图6所示，其示出了不同波长的吸收系数，可见吸收谱边缘位于1460纳米，且吸收谱边缘比较陡峭，可以实现较大的调制对比度。如图7所示，在2V电压的作用下吸收谱边缘移动到1490纳米位置处，且对波长在1485纳米以下的光有较大的吸收系数。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种偏振无关的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，其特征在于，所述光调制器由下到上依次为：
具有悬空区域的衬底层；具有四方排布、中心对称结构的刻蚀窗口的P型掺杂缓冲层；下隔离层；量子阱层；上隔离层；N型掺杂接触层；具有电极与接触层之间的连接窗口的绝缘层；N电极和P电极；
N电极通过连接窗口与N型掺杂接触层连接，P电极通过连接窗口与P型掺杂缓冲层连接。
2.如权利要求1所述的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，其特征在于，所述刻蚀窗口采用规则多边形、不规则多边形或这些形状中几种形状的组合。
3.如权利要求1所述的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，其特征在于，所述刻蚀窗口的形状为：(a)为六边形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；或者(b)为双矩形连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列；或者(c)为矩形半圆连接形刻蚀窗口，按中心对称的方式排列。
4.如权利要求1所述的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，其特征在于，量子阱层为非掺杂。
5.如权利要求1所述的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，其特征在于，被刻蚀的N型掺杂接触层、上隔离层、量子阱层、下隔离层和被部分刻蚀的缓冲层一起构成了脊形波导。
6.如权利要求1所述的多量子阱电吸收红外光通信光调制器，其特征在于，衬底层中的悬空区域由湿法腐蚀形成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190409 |