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1、华中科技大学 硕士学位论文 高k栅介质层MOS电容式硅基电光调制器的研究与设计 姓名：朱梦霞 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：周治平 20090515 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 硅材料在地球上分布广泛，成本低廉，对光通讯波段的光吸收小，同时它作为 微电子领域的传统材料，具有加工工艺成熟，易于集成等诸多优点，是制作低成本 的光电子集成器件的首选材料。硅基电光调制器是硅基光电子学中的重要组成部分， 它在光通信、光网络、光互连、光计算等领域有着重要的应用和前景，因此开展硅 基电光调制器的研究有着重要的意义。 本文在湖
2、北省重大自然科学研究基金的资助下， 对硅基电光调制器， 特别是 MOS 电容式硅基电光调制器进行了深入的研究。采用高介电常数（高 K）材料代替传统 的二氧化硅材料作为 MOS 电容式硅基电光调制器的栅介质层，并设计出两种高 K 栅介质层的 MOS 电容式硅基电光调制器，完成的主要工作和创新性如下： （1）采用 ATLAS、RSoft 等模拟软件对载流子注入式、载流子耗尽式、MOS 电容式硅基电光调制器进行了模拟，研究和分析了器件的参数对器件性能的影响。 （2）重点研究了 MOS 电容式硅基电光调制器的栅介质层介电常数对于器件调 制效率的影响。基于 MOS 电容式结构，创新性地提出了使用高 K
3、材料代替传统的 二氧化硅作为硅基电光调制器的栅介质层的方法，以增大栅介质层附近的感生电荷 浓度和感生电荷层厚度，显著提高器件的调制效率，缩短器件尺寸。 （3） 基于传统的 MOS 电容式硅基电光调制器，应用高 K 材料，增大栅介质 层上下方较远处波导的掺杂浓度，优化栅介质层位置，设计出对称式的高 K 栅介质 层 MOS 电容式硅基电光调制器。器件调制效率为 0.37 Vcm，与目前一般的 1 Vcm 相比，有显著的减小；器件长度在微米量级，与传统 SiO2栅介质层调制器的毫米量 级相比，有显著的缩短；器件调制速度可以达到 21Gb/s。 （4）应用高 K 材料，优化器件尺寸和掺杂等参数，设计出
4、了传统式的高 K 栅 介质层 MOS 电容式硅基电光调制器。器件调制效率为 0.35 Vcm；器件长度在微米 量级；器件调制速度可以达到 20 Gb/s。 关键词：关键词： 硅基调制器 电光调制器 等离子色散效应 MOS 电容 高 K 栅介质层 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Silicon is an extraordinary material in microelectronics. Its low cost, vast exist, technology allowing full integration of electr
5、onic and photonic devices make silicon photonics become a subject of intense interest. And silicon Electro-Optic (EO) modulator is a critical component of silicon photonics, and illustrates a good prospect of application on optical communication, optical networks, optical interconnection and optical
6、 calculation. So its of significance to study silicon EO modulator. Supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province, ultra-compact silicon EO modulators based on MOS capacitor with high permittivity (high-k) gate dielectric are designed and demonstrated. The main contents are listed as
7、 follows: (1) The carrier injection, carrier depletion and MOS capacitor silicon EO modulator have been simulated by using ATLAS and RSoft software. Based on these simulations, the impact of devices parameters on the performance has been researched. (2) The impact of gate dielectrics permittivity on
8、 the performance in MOS capacitor modulator is researched and analysis in depth. Based on MOS capacitor structure, high-k material is selected as a substitute of SiO2 as the gate dielectric of EO modulator. So that the carrier concentration change and refractive index change are enlarged a lot. Thes
9、e result in much higher modulation efficiency and ultra-compact device. (3) Based on the traditional MOS capacitor structure, after optimizing the structure and enlarging the doping concentration of the area upper and under the gate dielectric, a symmetrical EO modulator with high-k gate dielectric
10、have been designed, which has a good performance and a ultra-compact dimension. The VL is only 0.37 Vcm, which is much smaller than the conventional silica gate dielectric modulator. (4) An another high-k gate dielectric EO modulator with optimized structure and parameters has been design, which als
11、o has a high modulation efficiency of only 0.35 V cm and modulation speed exceeding 20 Gb/s. Keywords: Silicon EO modulator Carrier plasma dispersion effect High-k MOS capacitor II 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在
12、 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华华
13、 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 引言引言 科学技术的迅猛发展促使了通信网络向着更大容量、更高速度快速发展，光网 络以其大容量、良好的透明性、可扩展性和兼容性等诸多优点，成为下一代高速通 信网络的首选，有着非常好的前景。光调制器作为光网络中的重要组成部分，有着 非常重要的作用，光调制器的性能和各项指标直接的影响着光网络的质量。 1.2 几种电光调制器简介几种电光调制器简介 光调制器基于材料的电光效应、声光效应、磁光效应、Frang-Keldgsh 效应、量 子阱 Stark 效应或自由载流子的等离子色散效应等， 通过电压或者电场的变化调制
14、输 出光的折射率、吸收率、振幅或者相位而实现调制1。下面简单的介绍常见的几种电 光调制器： （1）铌酸锂 LiNbO3电光调制器 铌酸锂电光调制器利用的是线形电光效应(pockels 效应)，在实际中具有广泛的 应用。它调制速度快，稳定性好，消光比高、啁啾几乎为零，但是体积大，VL一 般为十几，比较难与其它器件集成到一个模块中；微波介电常数高，不容易和 光波介电常数匹配，限制了带宽；具有偏振相关性。目前 40Gb/s 的铌酸锂调制器已 经实现商用化。单信道速率为 160Gb/s，传输距离为 80Km 的调制器已经由日本电信 电话公司在实验室研制成功2-7。 cmV （2）电吸收调制 电吸收调制
15、器主要使用 InGaAsP/InAlAs 等半导体量子阱材料。根据这些材料的 Stark 效应，当工作波长靠近吸收峰时，在外加电场下，器件可以产生明显的吸收调 制。电吸收调制器具有调制电压低，体积小，容易集成等优点，其缺点为对波长具 有选择性，消光比和色散容限值不高，输出功率小，通常小于 1dbm8-9。目前电吸收 调制器主要是在增加多量子阱材料的光吸收层周期数、缩短器件长度、优化材料组 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 分等方面改进10。 （3）聚合物电光调制器 聚合物电光调制器利用材料的线性电光效应进行调制，其电光系数高达 50100pm/v。聚合
16、物电光调制器具有种类多，可以使用薄膜形态，微波介电常数与 光波介电常数匹配，高带宽等优点，但是热稳定性差。目前聚合物电光调制器的速 度可以达到 40GHz。 1.3 硅基电光调制器发展概述硅基电光调制器发展概述 硅材料具有成本低，工艺成熟、来源广泛、与微电子兼容等诸多优点，20 世纪 80 年代，人们对于大容量、宽带宽，特别是低成本的信息传输系统的渴望促使了硅 基光子学的诞生11，高速硅基调制器、硅基拉曼激光器、硅基光放大器、硅基波长 转换器、SiGe 光探测器等模块的需求和研究促进了硅光子学的发展12，硅基光调制 器作为其中一个关键器件已经成为国际广泛研究的对象。 硅基光调制既可以利用热光效应也可以利用电光效应对光进行调制。工作波长 为 1.55 m 时，硅的热光系数为 210-4 K-1，硅的热导率为 1.57 w/cmK，都比二氧 化硅要大得多。硅基热光调制器具有比二氧化硅热光调制器更快的调制速度和更小 的功耗，但是在硅基热光
