硅基電光調制器的設計與仿真

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，期中硅基電光調制的設計和實現也是目前迫切需要的。目前的硅基電光調制主要是基于載流子色散效應，但是其調制速度慢。2008年陳占國等人報道了在硅材料中發現了直流電場能夠破壞硅材料的對稱性。可以基于這種電場誘導的線性電光效應來開發新型的電光調制器。如果能將這種場致線性電光效應應用電光調制器的設計，理論上將使得硅基電光調制器的調制速度提高到100MHz，而目前報道中的硅基電光調制器的速度是50MHz。

本文就是基于這種電光效應來設計新型的硅基電光調制器。這種電光調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制器的性能進行仿真。

2.MIS電容結構硅基電光調制器的設計

本文基于場致線性電光效應設計電光調制器，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。通過上述參數設置進行仿真，當在平衡態和施加調制電場作用下，所引起的電場強度和載流子濃度分布發生的變化。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的電場強度的關系。

3.1近本征區電場強度分析

4小結

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