硅基电光调制器的设计与仿真

姚明奇 张玉红 李念

【摘要】本文基于场致线性电光效应设计硅基电光调制器的电学结构，并应用ATLAS软件对这种结构的电学性能进行了仿真。综合评价MIS结构的适合应用于电光调制器。

【关键词】电场强度 击穿电压 耗尽层 电学结构

1.引言

硅基集成光电子技术是近几年的一个研究重要领域，特别是随着光子计算机概念的提出与实践，光集成电路变得更加重要，作为光集成的核心部件之一，迫切需要其在技术上有所突破。目前的光集成技术，仍然以硅基光集成为主，期中硅基电光调制的设计和实现也是目前迫切需要的。目前的硅基电光调制主要是基于载流子色散效应，但是其调制速度慢。2008年陈占国等人报道了在硅材料中发现了直流电场能够破坏硅材料的对称性。可以基于这种电场诱导的线性电光效应来开发新型的电光调制器。如果能将这种场致线性电光效应应用电光调制器的设计，理论上将使得硅基電光调制器的调制速度提高到100MHz，而目前报道中的硅基电光调制器的速度是50MHz。

本文就是基于这种电光效应来设计新型的硅基电光调制器。这种电光调制器的设计一方面是电学结构的设计，另一方面是光学结构的设计。本文主要从电学结构人手进行设计，并对其电学性能进行分析。Silvaco TCAD软件可以用来模拟半导体器件电学性能，进行半导体工艺流程仿真，Sivaco TCAD为图形用户界面，直接从界面选择输入程序语句，非常易于操作。因此本文采用Silvaco TCAD软件对所设计的硅基电光调制器的性能进行仿真。

2.MIS电容结构硅基电光调制器的设计

本文基于场致线性电光效应设计电光调制器，其电学结构的设计尤其重要，因为外加直流电场的大小对其电光效应的影响很大，我们在设计中，主要考虑内建电场和外加电场的共同作用，提高其直流电场的强度。同时还要考虑不能超过硅材料的击穿电场3×10-5V/cm。文中提出了MIS电容结构基本电学结构的模型，如图1所示。

3.器件电学性能仿真结果与分析

接下来利用Silvaco软件中的二维仿真工具ATLAS进行仿真。采用的物理模型包括浓度依赖迁移率模型、平行电场依赖模型、能带变窄模型、表面复合模型、复合模型和能量传输模型。在表面复合模型中，si和近本征硅区的交界面的电子和空穴复合速率都为100cm/s。电子和空穴载流子寿命分别为700 ns和300 ns。通过上述参数设置进行仿真，当在平衡态和施加调制电场作用下，所引起的电场强度和载流子浓度分布发生的变化。模型的边界条件采用Dirichlet边界条件，在计算窗口之外都为0。设置为air。其中计算窗口为12×12um，采用三角形网格划分。结合边界条件进行编程计算，即可获得加在栅极或阳极的直流电压与近本征硅区的电场强度的关系。

3.1近本征区电场强度分析

4小结

本文根据硅基场致电光调制器的基本理论，构建了MIS电学结构的硅基电光调制器，运用的器件仿真工具ATLAS，并结合有限数值方法，对器件在平衡态和非平衡态的电学性能进行了分析，得到耗尽态的MIS电容结构的栅极击穿电压为17V，这些仿真数据为基于场制线性电光效应的硅基电光调制器的电学结构设计提供有效帮助。