[发明专利]一种硅基电吸收调制器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种硅基电吸收调制器及其制备方法。该调制器基于电吸收的方式利用电压调节半导体的光吸收系数，从而实现光信号强度的调节。由于硅是一种弱电光材料，因此引入了在通信波段C波段有显著的电光吸收调节效应，同时与现CMOS工艺兼容相兼容的材料锗。通过外延生长调制层(200)，实现光束平滑地耦合进入和耦合出调制层(200)，不产生光束光场功率在调制层和波导层之间的震荡，消除器件插入损耗与调制层长度之间的依赖关系，同时通过调节调制层(200)中合金的组分可以实现不同的工作波长，调制效率高。

技术领域

本发明涉及光互连领域，尤其涉及一种锗硅电吸收调制器。

背景技术

随着集成电路的不断发展，集成密度不断提高，传统的电互连成为性能提高的主要瓶颈，主要表现在：时延增长、功耗升高和信号串扰增大等。由于光互连具有高速度、高带宽、低功耗等特点，以硅基光子器件为基础的片上光互连是有望解决传统电互连对集成电路发展限制的优选方案。其中，硅基电光调制器是硅基光互连的关键器件之一，也是近年来重要的研究课题。常见的硅基调制器主要有两种：基于自由载流子色散效应的调制器和基于电吸收的调制器。

基于自由载流子色散效应的调制器是利用电压调节硅调制层中载流子浓度，载流子浓度变化来改变光在硅中的折射率，为了把折射率的改变转换成强度调制，一般有MZI(Mach-Zehnder Interferometer)和微环两种结构。前者具有较高的调制速率和较大的光学调制带宽等优点，但是存在尺寸大、功耗高、插入损耗较大、需要设计行波电极等缺点；后者具有尺寸小、功耗低和调制速率高等优点，缺点是工艺容差很小、对温度极其敏感、光学调制带宽极小。

基于电吸收的调制器是指利用电压调节半导体的光吸收系数，从而实现光信号强度调节的器件。然而，硅是一种弱的电光材料，要实现电吸收调制器，需要引入第二种材料，这种材料至少要满足以下两个条件：(1)在通信波段C波段有显著的电光吸收调节效应；(2)与现有的CMOS工艺兼容。锗材料正好满足这两个要求。首先锗虽然是间接带隙材料，但是其直接带隙为0.8eV，正好对应于通信波段，而且这个带隙可以通过引入硅组分进行调节。其次Ge与Si同属四族材料，因此完全与Si的CMOS工艺兼容。在电光吸收的调节中有两种基本物理机理：量子限制stark效应(Quantum-confined Stark effect)和FK效应(Franz-Keldysh)。前者具有器件尺寸小、光吸收系数变化大、调制效率高等优点，但是Ge/SiGe量子阱材料结构复杂，难以实现硅波导集成、插入损耗大，目前还无法工作在C波段；后者虽然光吸收系数相对较小，但是由于材料结构相对简单、工作波段可调、具备电吸收调制器的器件尺寸小、光学调制带宽较大、调制速率快、功耗低等优点，成为目前硅基电吸收调制器的研究热点。

基于FK效应的锗或锗硅调制器的调制层和硅基波导的耦合是这类调制器的主要课题。目前主要的耦合方式为：(1)锗或锗硅调制层和硅基波导直接对准耦合(butt-coupling)；(2)采用倏逝波进行耦合(evanescent coupling)。前者由于硅和锗之间折射率差，直接对准耦合会在硅/锗耦合端面形成反射，从而造成耦合损耗。此外，通常需要对锗进行刻蚀形成波导，与硅波导对准难度较大，且PIN结也均制作在锗调制层上，这使得器件暗电流漏电较大，从而功耗较大。后者工艺相对简单，但需要考虑光从调制层耦合进入硅波导的耦合效率问题。这种耦合结构包括根特大学以及华为公司提出的水平方向PIN结的结构和中国科学院半导体研究所提出的垂直方向PIN结的结构。根特大学提出的结构，需要对硅进行选择性腐蚀，锗硅选择外延后需要进行化学机械抛光，并制作光耦合器(taper)结构，工艺比较复杂；华为公司提出的结构，PN结均制作在硅上，锗直接选择外延在硅上，不需要后续刻蚀或减薄工艺，但是由于PN结均制作在硅上，硅锗界面存在势垒，锗中的分布电场很弱，需要很大的偏压才能工作，而且由于没有taper结构，器件的插入损耗对调制层长度非常敏感，工艺容差较小；而中国科学院半导体研究所提出的垂直PIN结的结构制作工艺也比较复杂，需要多次生长、刻蚀和掺杂等工艺，而且为了使n⁺⁺Si容易制作，锗硅调制层较宽，造成调制层为多模，影响通信容量和传输距离。