基于SiGe材料的电调谐有源波导结构以及应用其的MZI结构制造技术

本发明专利技术提供了一种基于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。

Electrically tunable active waveguide structure based on SiGe material and its MZI structure

The invention provides an electrically tunable active waveguide structure based on SiGe material and an MZI structure, belonging to the field of silicon-based optoelectronic devices. The electrically tuned active waveguide structure based on SiGe material is a ridge waveguide structure. It consists of Si substrate, SiO2 buried layer, first contact area, active area and second contact area from the bottom to the top. The active area is located in the central area of the first contact area and the second contact area, and the SiGe intrinsic layer is stacked from the bottom to the top of the active area. In the region and Ge/SiGe quantum well intrinsic region, a vertical electric field is applied to the active region via the first contact region and the second contact region. Therefore, the combination of QCSE effect and FK effect not only changes the absorption coefficient and refractive index of the material at a specific wavelength, but also obtains a linear absorption characteristic curve. Therefore, the modulation efficiency of the device, the working speed of the device, the linearity of the modulation compensation and the reduction of the device are improved. The power consumption of the device is reduced and the size of the device is reduced.

【技术实现步骤摘要】
基于SiGe材料的电调谐有源波导结构以及应用其的MZI结构
本专利技术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-ZehnderInterference：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。
技术介绍
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-ZehnderInterference：MZI)型结构、Fabry-Perot腔型结构、微环谐振腔(MicroringResonator：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-ConfinedStarkEffect：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。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种基于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)技术方案根据本专利技术的一个方面，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。本专利技术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。根据本专利技术的另一个方面，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，本专利技术基于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)本专利技术的基于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)本专利技术的基于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)本专利技术的基于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)本专利技术的基于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，有利于与其他器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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。

【技术特征摘要】
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，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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：匡迎新，李智勇，刘阳，常丽敏，刘磊，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11