姚明奇 張玉紅 李念

【摘要】本文基于場致線性電光效應設計硅基電光調(diào)制器的電學結構，并應用ATLAS軟件對這種結構的電學性能進行了仿真。綜合評價MIS結構的適合應用于電光調(diào)制器。

【關鍵詞】電場強度 擊穿電壓 耗盡層 電學結構

1.引言

硅基集成光電子技術是近幾年的一個研究重要領域，特別是隨著光子計算機概念的提出與實踐，光集成電路變得更加重要，作為光集成的核心部件之一，迫切需要其在技術上有所突破。目前的光集成技術，仍然以硅基光集成為主，期中硅基電光調(diào)制的設計和實現(xiàn)也是目前迫切需要的。目前的硅基電光調(diào)制主要是基于載流子色散效應，但是其調(diào)制速度慢。2008年陳占國等人報道了在硅材料中發(fā)現(xiàn)了直流電場能夠破壞硅材料的對稱性?？梢曰谶@種電場誘導的線性電光效應來開發(fā)新型的電光調(diào)制器。如果能將這種場致線性電光效應應用電光調(diào)制器的設計，理論上將使得硅基電光調(diào)制器的調(diào)制速度提高到100MHz，而目前報道中的硅基電光調(diào)制器的速度是50MHz。

本文就是基于這種電光效應來設計新型的硅基電光調(diào)制器。這種電光調(diào)制器的設計一方面是電學結構的設計，另一方面是光學結構的設計。本文主要從電學結構人手進行設計，并對其電學性能進行分析。Silvaco TCAD軟件可以用來模擬半導體器件電學性能，進行半導體工藝流程仿真，Sivaco TCAD為圖形用戶界面，直接從界面選擇輸入程序語句，非常易于操作。因此本文采用Silvaco TCAD軟件對所設計的硅基電光調(diào)制器的性能進行仿真。

2.MIS電容結構硅基電光調(diào)制器的設計

本文基于場致線性電光效應設計電光調(diào)制器，其電學結構的設計尤其重要，因為外加直流電場的大小對其電光效應的影響很大，我們在設計中，主要考慮內(nèi)建電場和外加電場的共同作用，提高其直流電場的強度。同時還要考慮不能超過硅材料的擊穿電場3×10-5V/cm。文中提出了MIS電容結構基本電學結構的模型，如圖1所示。

3.器件電學性能仿真結果與分析

接下來利用Silvaco軟件中的二維仿真工具ATLAS進行仿真。采用的物理模型包括濃度依賴遷移率模型、平行電場依賴模型、能帶變窄模型、表面復合模型、復合模型和能量傳輸模型。在表面復合模型中，si和近本征硅區(qū)的交界面的電子和空穴復合速率都為100cm/s。電子和空穴載流子壽命分別為700 ns和300 ns。通過上述參數(shù)設置進行仿真，當在平衡態(tài)和施加調(diào)制電場作用下，所引起的電場強度和載流子濃度分布發(fā)生的變化。模型的邊界條件采用Dirichlet邊界條件，在計算窗口之外都為0。設置為air。其中計算窗口為12×12um，采用三角形網(wǎng)格劃分。結合邊界條件進行編程計算，即可獲得加在柵極或陽極的直流電壓與近本征硅區(qū)的電場強度的關系。

3.1近本征區(qū)電場強度分析

4小結

本文根據(jù)硅基場致電光調(diào)制器的基本理論，構建了MIS電學結構的硅基電光調(diào)制器，運用的器件仿真工具ATLAS，并結合有限數(shù)值方法，對器件在平衡態(tài)和非平衡態(tài)的電學性能進行了分析，得到耗盡態(tài)的MIS電容結構的柵極擊穿電壓為17V，這些仿真數(shù)據(jù)為基于場制線性電光效應的硅基電光調(diào)制器的電學結構設計提供有效幫助。