CN109643031A - 光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种光调制器包括形成在包层(101)上的p型第一半导体层(102)、形成在第一半导体层(102)上的绝缘层(103)以及形成在绝缘层(103)上的n型第二半导体层(104)。第一半导体层(102)由硅或硅锗制成，且第二半导体层(104)由三种或更多种材料制成的III‑V族化合物半导体形成。

Description

光调制器
技术领域
本发明涉及一种使用由化合物半导体组成的MOS结构的电荷累积型光调制器。
背景技术
将化合物半导体元件集成在绝缘体上硅(SOI)衬底上用作通信光学器件的技术正引起越来越多的关注。特别地，集成激光器和光调制器的技术对于显著地增加通信器件的集成密度和降低成本而言是重要的。对于需要更高速度和效率的光调制器，光损耗较小的具有包括n型InP层和p型Si层在内的MOS结构的电荷累积型光调制器有潜力实现这些需求(参见非专利文献1)。
如图4所示，这种光调制器由形成在掩埋绝缘层401上的p型硅层402、形成在p型硅层402上的绝缘层403和形成在绝缘层403上的n型InP层404形成。p电极405连接到p型硅层402，且n电极406连接到n型InP层404。掩埋绝缘层401用作包层。通过在掩埋绝缘层401上图案化SOI层411来形成p型硅层402。空气槽412形成在p型硅层402的n电极406与SOI层411的形成侧上的侧面部分中。未被n电极406覆盖的n型InP层404的上表面向空间开放。
p型硅层402的一部分和n型InP层404的一部分被布置成在平面图中彼此重叠，并形成其中引导待调制的光的光波导部。在该光波导部中，绝缘层403沿堆叠方向被夹持在p型硅层402和n型InP层404之间。待调制的光被限制在包括由掩埋绝缘层401、空气槽412、上部空间等组成的包层区域的光限制部分中，从而形成波导模式421。
在该光调制器中，通过对在光波导部中的p型硅层402与绝缘层403之间以及n型InP层404与绝缘层403之间的界面处累积的多数载流子的浓度进行调制，光波导部中的p型硅层402和n型InP层404的折射系数被调制。在该结构中，对调制效率的改善预期比将Si用于n型层的情况大大约两到三倍。
相关技术文献
非专利文献
非专利文献1：D.Liang等，“A Tunable Hybrid III-V-on-Si MOS MicroringResonator with Negligible Tuning Power Consumption”，光纤通信会议2016，Th1K.4，2016。
发明内容
发明要解决的问题
然而，上述技术具有不易实现进一步改善调制效率的问题。为了改善调制效率，重要的是增加载流子引起的折射率改变(载流子等离子体效应)。另外，为了改善调制效率，重要的是进一步增加所产生的载流子对被引导光的作用(影响)。理论上，可以通过减小化合物半导体的有效质量和增大带填充效应来进一步增加载流子引起的折射率改变。此外，可以通过增大光限制系数来实现载流子对被引导光的更大作用。
然而，实际上，在常规技术中使用并形成InP层的InP是化学计量稳定的组分，并且具有独特确定的晶体结构。因此，不能对诸如有效质量和折射率的材料物理性质进行调节。根据上述两个因素，提高调制效率是相当困难的。
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于进一步改善具有MOS结构的电荷累积型光调制器的调制效率。
解决问题的方法
根据本发明，提供了一种光调制器，包括：p型第一半导体层，由形成在包层上的硅和硅锗之一制成；绝缘层，形成在所述第一半导体层上；n型第二半导体层，由形成在所述绝缘层上的至少三种材料制成的III-V族化合物半导体形成；第一电极，与所述第一半导体层相连；以及第二电极，与所述第二半导体层相连，其中，第一半导体层的一部分和第二半导体层的一部分被布置成在平面图中经由所述绝缘层彼此重叠并形成光波导部，在所述光波导部中沿平行于所述包层的平面的方向引导待调制的光，以及所述光波导部满足单模条件。
在所述光调制器中，所述第一电极形成在所述第一半导体层的未形成所述光波导部的区域上。
在所述光调制器中，所述第二半导体层由堆叠的多个化合物半导体层形成，并且在多个化合物半导体层中，越靠近所述绝缘层的化合物半导体层的带隙能量越小。
在所述光调制器中，所述第一半导体层由堆叠的多个半导体层形成，并且在多个半导体层中，越靠近所述绝缘层的半导体层的带隙能量越小。
发明的效果
如上所述，根据本发明，由于n型第二半导体层由三种或更多种材料制成的III-V族化合物半导体形成，因此可以获得能够进一步改善具有MOS结构的电荷累积型光调制器的调制效率的优异效果。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的光调制器的布置的剖视图；
图2是示出根据本发明的第一实施例的光调制器的局部布置的平面图；
图3是示出根据本发明的第二实施例的光调制器的布置的剖视图；以及
图4是示出传统的具有MOS结构的电荷累积型光调制器的布置的剖视图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。
[第一实施例]
将参考图1和图2描述本发明的第一实施例。图1是示出根据本发明的第一实施例的光调制器的布置的剖视图。图2是示出根据本发明的第一实施例的光调制器的局部布置的平面图。
光调制器包括形成在包层101上的p型第一半导体层102、形成在p型第一半导体层102上的绝缘层103以及形成在绝缘层103上的n型第二半导体层104。第一半导体层102由硅或硅锗制成。第二半导体层104由三种或更多种材料制成的化合物半导体形成。第二半导体层104由例如InGaAsP制成。此外，光调制器包括连接到第一半导体层102的第一电极105和连接到第二半导体层104的第二电极106。
第一半导体层102的一部分和第二半导体层104的一部分被布置成在平面图中彼此重叠并形成光波导部121，在所述光波导部121中沿平行于所述包层101的平面的方向引导待调制的光。也就是说，绝缘层103沿光波导部121的堆叠方向被夹持在第一半导体层102和第二半导体层104之间。
注意，在第一实施例中，绝缘层107形成在第二电极106的形成侧上的包层101上的区域中。绝缘层107的侧面部分与第一半导体层102的侧面部分接触。绝缘层108形成在第二半导体层104上。绝缘层107和108用作包层，并且绝缘层107和108与包层101一起用作将光限制在由剖视图中的绝缘层围绕的区域中的功能。
光波导部121沿图2的平面图中的箭头所指示的光波导方向延伸。应注意图2未示出第一电极105、第二电极106和绝缘层108。在第一实施例中，相对于光波导部121，第一半导体层102沿一个方向延伸，并且第二半导体层104沿另一个方向延伸。在没有形成绝缘层103的区域中，即，包含在从第一半导体层102的光波导部121延伸的区域中的区域，第一电极105与第一半导体层102的表面形成欧姆连接。第二电极106与从第二半导体层104的光波导部121延伸的区域的表面形成欧姆连接。在平面图中，在光波导部121的区域中没有布置电极。换句话说，第一电极105形成在第一半导体层102的未形成光波导部121的区域中。
为了在光波导部121中形成波导模式，光波导部121满足单模条件。在光波导部121中，多数载流子累积在第一半导体层102与绝缘层103之间以及第二半导体层104与绝缘层103之间的界面处。因此，适当地设置第一半导体层102的厚度和第二半导体层104的厚度，使得光波导模场的中心布置在这些部分(即第一半导体层102与绝缘层103以及第二半导体层104与绝缘层103之间的界面)中。
下面将简要描述制造根据实施例的光调制器的方法。通过使用公知的SOI衬底、将掩埋绝缘层设置为包层101以及经由已知的光刻技术和蚀刻技术对表面硅层进行图案化，来在包层101上形成例如第一半导体层102。
接下来，在包层101上与第一半导体层102相邻地形成绝缘层107。绝缘层107由例如氧化硅、氮氧化硅、氧化铝等制成。绝缘层107以平坦化状态形成，使得其表面被布置成与第一半导体层102的表面齐平。接下来，在第一半导体层102和绝缘层107上形成绝缘层103。绝缘层103由例如氧化硅、氮氧化硅、氧化铝等制成。注意，可以在第一半导体层102和绝缘层107之间形成空气槽。
另一方面，通过公知的金属有机化学气相沉积在由InP制成的生长衬底上外延生长具有预定组分比的InGaAsP层。生长的InGaAsP层结合到上述绝缘层103上。之后，去除生长衬底。然后，通过已知的光刻技术和蚀刻技术对形成在绝缘层103上的InGaAsP层进行图案化来形成第二半导体层104。
接下来，通过在形成第一电极105的位置处的绝缘层103中形成开口来暴露第一半导体层102的表面，并在该处形成第一电极105。第一电极105由例如Ti制成。在第二半导体层104上形成第二电极106。第二电极106由例如AuGeNi制成。例如，通过公知的剥离方法形成每个电极。此外，在第二半导体层104和绝缘层103上形成绝缘层108。注意，不必总是形成绝缘层108，而是可以使用空气层代替。然而，通过形成绝缘层108，可以保护第二半导体层104免受周围环境的影响。
根据第一实施例，由于第二半导体层104由三种或更多种材料制成的化合物半导体形成，因此可以改善光调制器的调制效率，如将在下面所述。
可以通过控制组分来控制三元或四元化合物半导体的有效质量和折射率。可以改善光限制和载流子引起的折射率改变。
例如，组分y与In1-xGaxAsyP1-y的带隙能量Eg之间的关系由下面给出：
Eg＝1.344-0.738y+0.138y2
众所周知，由半导体中的电流注入引起的折射率改变具有载流子等离子体效应、带填充效应和带隙减小效应。鉴于这些效应，当电子浓度改变2×1018cm3时，InP的折射率改变0.0094。与之相反，当电子浓度改变2×1018cm3时，Eg＝0.95eV的In1-xGaxAsyP1-y的折射率改变0.013，Eg＝0.92eV的In1-xGaxAsyP1-y的折射率改变0.0145，且Eg＝0.89eV的In1- xGaxAsyP1-y的折射率改变0.016。
注意，Eg＝0.95eV的In1-xGaxAsyP1-y的带隙波长λ为1.3μm，Eg＝0.92eV的In1- xGaxAsyP1-y的带隙波长λ为1.35μm，Eg＝0.89eV的In1-xGaxAsyP1-y的带隙波长λ为1.4μm。
对于In1-xGaxAsyP1-y，当带隙能量通过改变组分比减少时，载流子引起的折射率改变增加，以大于二元材料的InP的折射率改变。
通常，对于In1-xGaxAsyP1-y，当带隙能量减少时，折射率增加。通过将具有高折射率的材料用于形成光波导部121的第二半导体层104，光波导部121中的光限制效应增加，从而可以增强光波导部121中的光强度(分布)。因此，可以使光波导部121中在第二半导体层104与绝缘层103的界面处产生的多数载流子更强地作用于被引导到光波导部121的光。因此，形成第二半导体层104的多组分化合物半导体理想地具有较小带隙能量的组分。
如上所述，通过由具有较小带隙能量的半导体形成第二半导体层104，首先可以通过载流子浓度的改变来增加折射率改变，其次可以增加所产生的载流子对被引导光的影响。注意，为了防止第二半导体层104中的带间吸收，带隙能量需要等于或大于与待调制的光的波长相对应的能量。例如，当待调制的光的波长是1.55μm时，第二半导体层104的带隙能量需要是0.8eV或更大。
第一半导体层102并不总是由硅制成，可以由具有较小有效质量的硅锗混合晶体材料制成。此外，使绝缘层103变薄以在获得介电击穿电阻和隧道电流防止性能的范围内实现CR时间常数的期望容量。
[第二实施例]
将参考图3描述本发明的第二实施例。图3是示出根据本发明的第二实施例的光调制器的布置的剖视图。
光调制器包括形成在包层101上的p型第一半导体层102、形成在第一半导体层102上的绝缘层103以及形成在绝缘层103上的n型第二半导体层204。此外，光调制器包括连接到第一半导体层102的第一电极105和连接到第二半导体层204的第二电极106。
第一半导体层102的一部分和第二半导体层104的一部分被布置成在平面图中彼此重叠并形成光波导部121，在所述光波导部121中沿平行于所述包层101的平面的方向引导待调制的光。也就是说，绝缘层103沿光波导部121的堆叠方向被夹持在第一半导体层102和第二半导体层104之间。
在第二实施例中，第二半导体层204由多个堆叠的化合物半导体层204a和204b形成。化合物半导体层204a和204b的带隙能量彼此不同，并且越靠近绝缘层103的化合物半导体层204a的带隙能量越小。除了第二半导体层204之外的布置与上述第一实施例中相同。同样在第二实施例中，在包层101上与第一半导体层102相邻地形成绝缘层107，在第二半导体层204上形成绝缘层108。
在光波导部121中由第一半导体层102与绝缘层103之间和第二半导体层204与绝缘层103之间的界面处产生的载流子导致折射率改变的区域靠近第一半导体层102与绝缘层103之间和第二半导体层204与绝缘层103之间的界面，在所述界面处累积载流子。因此，将具有较大折射率改变且具有较小带隙能量的层布置在绝缘层103附近。如上所述，具有较小带隙能量的化合物半导体层204a布置在绝缘层103的一侧。
该布置的特征在于折射率之间的关系被描述为“化合物半导体层204a＞化合物半导体层204b”。利用这种布置，在第二半导体层204中沿堆叠方向产生折射率差异。因此，在光波导部121中引导的光集中在具有较高折射率的化合物半导体层204a的一侧，并且光被更强地限制与绝缘层103的界面附近，其中在所述界面处累积载流子。因此，可以增加载流子对被引导光的作用。
注意，同样在第二实施例中，适当地设置第一半导体层102和化合物半导体层204a和204b的厚度，使得光波导模场的中心布置在光波导部121内的累积多数载流子的部分中，即在第一半导体层102与绝缘层103之间或第二半导体层204与绝缘层103之间的界面附近。此外，同样在第二实施例中，第一电极105形成在第一半导体层102上除光波导部121之外的区域中，并且在平面图中，在光波导部121的区域中没有布置电极。
对于具有较小带隙的化合物半导体，载流子引起的折射率改变较大，而由于载流子引起的吸收也较大。因此，可以通过在不包括不发生载流子累积的界面周边的区域中形成具有较小损耗的化合物半导体层204b，来降低被引导光的吸收损耗。
在第二实施例中，第一半导体层102由硅或硅锗制成，第二半导体层204具有化合物半导体层204a和204b的堆叠结构，化合物半导体层204a和204b具有不同的带隙能量，并且越靠近绝缘层103的化合物半导体层的带隙能量越小。然而，类似于第二半导体层204，第一半导体层102也可以具有半导体层的堆叠结构，所述半导体层具有不同的带隙能量，并且可以配置成使得越靠近绝缘层的半导体层的带隙能量越小。同样在第一实施例中，第一半导体层102可以具有上述堆叠结构。可以通过硅锗混合晶体材料的组分控制第一半导体层102的带隙和折射率，并且可以获得与第一半导体层中的上述效果相同的效果。
如上所述，根据本发明，由于n型第二半导体层由三种或更多种材料制成的III-V族化合物半导体形成，因此可以进一步改善具有MOS结构的电荷累积型光调制器的调制效率。
注意，本发明不限于上述实施例，并且显而易见的是，本领域技术人员可以在本发明的技术范围内做出各种修改和组合。例如，上面举例说明了InGaAsP。然而，本发明不限于此，第二半导体层可以由另一种三元或四元III-V族化合物半导体形成。它们不一定总是晶体。
附图标记和符号的说明
101...包层，102...第一半导体层，103...绝缘层，104...第二半导体层，105...第一电极，106...第二电极，107...绝缘层，108...绝缘层。

Claims (4)

1.一种光调制器包括：
p型第一半导体层，由形成在包层上的硅和硅锗之一制成；
绝缘层，形成在所述第一半导体层上；
n型第二半导体层，由形成在所述绝缘层上的至少三种材料制成的III-V族化合物半导体形成；
第一电极，与所述第一半导体层相连；以及
第二电极，与所述第二半导体层相连，
其中，所述第一半导体层的一部分和所述第二半导体层的一部分被布置成在平面图中经由所述绝缘层彼此重叠并形成光波导部，在所述光波导部中沿平行于所述包层的平面的方向引导待调制的光，以及
所述光波导部满足单模条件。
2.根据权利要求1所述的光调制器，其中，所述第一电极形成在所述第一半导体层的未形成所述光波导部的区域上。
3.根据权利要求1或2所述的光调制器，其中，所述第二半导体层由多个堆叠的化合物半导体层形成，并且在所述多个化合物半导体层中，越靠近所述绝缘层的化合物半导体层的带隙能量越小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光调制器，其中，所述第一半导体层由多个堆叠的半导体层形成，并且在所述多个半导体层中，越靠近所述绝缘层的半导体层的带隙能量越小。
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