SOI平台上的量子限制斯塔克效应电吸收调制器的制作方法

本发明涉及调制器以及涉及soi平台上的调制器内的光学耦合，以及更具体地涉及sige量子限制斯塔克效应（qcse）调制器。

背景技术：

期望制造在o带（1.3μm波长）处操作的高速sige量子限制斯塔克效应（qcse）电吸收调制器（eam）以及用于数据中心网络应用的soi平台上可兼容的cmos。由于锗材料性质（带隙和吸收）的限制，使得sigeqcseeam在3μmsoi平台上在o带处操作的问题包括1）可以在1.3μm波长下操作的sige多量子阱外延（epi）堆叠的设计；2）耦合结构的设计，由于大的soi波导尺寸和sigemqw的si与sige缓冲层之间的大折射率对比，所述耦合结构将光从3μmsoi波导带入具有基于epi结构的低损耗的sige多量子阱（mqw）波导；以及3）由于mqw区中的载流子屏障效应而难以利用cmos驱动器实现2v驱动电压。本发明的实施例目标在于克服在3μmsoi平台上制造sigeqcseeam的至少这三个问题。

虽然本申请集中于耦合到3μmsoi波导，但应理解的是，本文中所描述的物理结构可相应于其它大小的波导在大小上按比例放大或缩小。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明提供了一种电吸收调制器，包括：soi波导；有源区（activeregion），所述有源区包括多量子阱（mqw）区；以及耦合器，用于将soi波导耦合到有源区；耦合器包括：过渡波导耦合区；缓冲波导耦合区；以及锥形区；其中，过渡波导耦合区耦合soi波导与缓冲波导耦合区之间的光；以及缓冲波导耦合区经由锥形区耦合过渡波导区与有源区之间的光。

这里提出了基于3μmsoi晶片的sigemqwepi堆叠和基于sigeepi堆叠的电吸收调制器（eam）。sigemqwepi堆叠被设计成使得其可以：1）实现在o带（1.3μm波长）中操作；2）通过适当选择具有低光学损耗的量子阱结构来实现与cmos驱动器可兼容的qcseeam的2v驱动电压；3）支持耦合结构的设计，以将光从3μmsoi波导带到sigemqw有源区。sigeepi堆叠（从底部到顶部）包括：用于第一渐逝耦合结构的过渡缓冲层，以将光从3μmsoi波导带向上；缓冲层，其用作虚衬底以确定sigemqw中的阱层和势垒层中的应变，以及第二渐逝耦合结构，用于通过锥形结构（模式扩展器）将光从过渡缓冲层向上带到sigemqw有源区；p型（例如硼）掺杂层，其用作具有1e18cm^-3的浓度的sigeeam中的pin结的p侧；本征间隔层，其分离p型掺杂层和sige量子阱；五个sige量子阱的层，其包括五个锗阱和六个sige势垒——应选择的量子阱的数量，使得在2v驱动电压下可以在1.3μm处实现4db或更大的消光比；本征间隔层，用于分离量子阱和n型掺杂层，即具有1e18cm^-3的浓度和与p型掺杂层相同的锗成分的n型（例如磷）掺杂层；具有1e18cm^-3的浓度但较低锗成分的n型掺杂层；具有1e20cm^-3的浓度和与上一个n型掺杂层相同锗成分的重n型掺杂层。使用具有不同锗成分和不同掺杂浓度的多个n型掺杂层是为了实现低光学损耗和低串联电阻两者以达到高调制速度。

sigeqcseeam包括：soi波导；有源区，所述有源区包括sige多量子阱波导；以及两个耦合区，所述耦合区具有至少一个渐逝耦合和一个锥形结构，以耦合soi波导与sigemqw波导有源区之间的光。基于3μmsoi晶片，soi波导具有3μm的典型厚度和2.6μm的典型宽度。耦合区中的渐逝耦合结构包括在过渡缓冲层波导之上的过渡缓冲层波导和缓冲层波导。来自3μmsoi波导的光首先耦合到过渡缓冲层波导中；然后，光被耦合到缓冲层波导中，该缓冲层波导可以仅包括缓冲层本身或者包括缓冲层和p型掺杂层一起；然后，光经由包括过渡缓冲层、缓冲层、p型掺杂层、间隔层、sigemqw层、间隔层和n型掺杂层的锥形被耦合到sigemqw波导中。锥形结构被设计成使得其将缓冲波导的光学模式扩展到具有低光学损耗的sigemqw波导的光学模式，并且使额外的寄生电容最小化以保持eam以高速工作。在有源区中，sige波导是肋形波导，其中p型掺杂层在板之上，金属电极沉积在其上。为了降低金属电极与p型掺杂层之间的接触电阻，使用离子注入使其重p型（例如硼）掺杂，之后进行快速热退火（rta）过程以激活掺杂物。掺杂浓度约为1e20cm^-3。sigeeam的pin结的n侧上的电极利用波导板上的接合焊盘从波导的顶部接触重掺杂n型层。为了减小寄生电容，必须去除电极和用于n型层的接合焊盘下方的波导板上的p型掺杂层部分。已经使用了两种电极焊盘布置。一种布置是接地-信号（gs），以及另一种是接地-信号-接地（gsg）。在gs配置中，接地电极位于有源区的与信号电极相对的侧。在接地-信号-接地（gsg）配置中，第一接地电极和第二接地电极位于有源区的与信号电极相同的侧。有源区可以是有源区波导。在本发明的实施例中，光从3μmsoi波导高效地耦合到sige多量子阱（mqw）波导，其中光被调制，然后耦合回到3μmsoi波导。这克服了由于soi波导具有相对大的尺寸和用于sigemqw波导的si与sige缓冲层之间的折射率对比而引起的固有问题。

锥形区可包括多段模式扩展器。

多量子阱区可以是ge/sige多量子阱区。

过渡波导耦合区可以包括过渡波导的第一部分；以及缓冲波导耦合区包括位于过渡波导的第二部分之上的缓冲波导。

可选地，过渡缓冲层具有比soi波导的折射率大但是比缓冲层的折射率小的折射率。

可选地，soi波导是3μm波导；过渡缓冲层具有不多于400nm的厚度；以及缓冲层具有不多于400nm的厚度。

可选地，过渡缓冲层具有不多于600nm的厚度。

可选地，过渡缓冲层具有不多于800nm的厚度。

可选地，缓冲层和过渡缓冲层中的每一个都是sige波导。

有源区可以包括：缓冲层与多量子阱下面的间隔层的下表面之间的p掺杂区；以及位于多量子阱之上的间隔层的上表面处的n掺杂区。

调制器还可以包括具有不同锗成分和掺杂浓度的多个n型掺杂层。

有源区中的p型层的波导板可以利用离子注入进行p掺杂，之后进行rta过程。

电极可以以接地-信号（gs）配置布置，其中接地电极位于有源区的与信号电极相对的侧。

电极可以以接地-信号-接地（gsg）配置布置，其中第一接地电极和第二接地电极位于有源区的与信号电极相同的侧。

多量子阱区可以包括至少5个量子阱。

调制器还可以包括与有源区的与耦合器相对的表面接触的金属电极，金属电极可以在朝向锥形区的方向上延伸超出有源区。电极可以在朝向锥形区的方向上具有大于2.5μm的长度。虽然有源区包括mqw区，但是mqw区可以延伸超出有源区的主体的长度，即mqw区可以与上面讨论的间隔层相连。以这种方式，mqw区可以包括mqw材料的至少一个锥形部分，其延伸到锥形区中；并且其中金属电极在朝向锥形区的方向上延伸超出有源区与mqw材料的锥形部分一样远。

有源区可以包括位于多量子阱区之上的间隔层的上表面上方的n掺杂区，并且n掺杂区可以包括si0.9ge0.1。

附图说明

参考说明书、权利要求和附图将领会和理解本发明的这些和其它特征和优点，其中：

图1是根据本发明的实施例的包括多qw结构的sige外延层结构；

图2a是具有gs电极结构的基于图1中所示出的sige外延层结构的器件设计#1的3d视图；

图2b是具有gsg电极结构的基于图1中所示出的sige外延层结构的器件设计#1的3d视图；

图3a是具有gs电极结构的基于图1中所示出的sige外延层结构的器件设计#1的顶视图；

图3b是具有gsg电极结构的基于图1中所示出的sige外延层结构的器件设计#1的顶视图；

图4示出了具有每个部分的详细器件结构的器件设计#1顶视图；

图5是沿器件设计#1的中线kk'的剖视图；

图6a是具有gs电极结构的基于图1中所示出的sige外延层结构的器件设计#2的3d视图；

图6b是具有gsg电极结构的基于图1中所示出的sige外延层结构的器件设计#2的3d视图；

图7a是具有gs电极结构的基于图1中所示出的sige外延层结构的器件设计#2的顶视图；

图7b是具有gsg电极结构的基于图1中所示出的sige外延层结构的器件设计#2的顶视图；

图8示出了具有每个部分的详细器件结构的器件设计#2顶视图；

图9是沿器件设计#2的中线kk'的剖视图；

图10是根据本发明的实施例的包括多qw结构的另一sige外延层结构；

图11示出了具有gs电极结构的基于图10中所示出的sige外延层结构的具有每个部分的详细器件结构的器件设计#3顶视图；

图12是沿器件设计#3的中线kk'的剖视图；

图13是根据本发明的实施例的包括多qw结构的另一sige外延层结构；

图14示出了具有gs电极结构的基于图13中所示出的sige外延层结构的具有每个部分的详细器件结构的器件设计#4顶视图；

图15是沿器件设计#4的中线kk'的剖视图；

图16是用于与本文中公开的所有器件一起使用的输入/输出3μmsoi波导；以及

图17是在1.3μm波长下从3μmsoi波导到sigemqw波导仿真结果的典型光学过渡；

图18是基于图1、图10和图13中所示出的sige外延层结构中的任何一个的器件设计#5的顶视图，图18的器件具有gs电极结构；

图19是沿器件设计#5的中线kk'的剖视图；

图20以顶视图示出了具有每个部分的详细器件结构的器件设计#1b；以及

图21是沿器件设计#1b的中线kk'的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的具体实施方式旨在作为根据本发明提供的电吸收调制器的示例性实施例的描述，而不是旨在表示可以构造或利用本发明的唯一形式。该描述结合图示的实施例阐述了本发明的特征。然而，应该理解的是，相同或等同的功能和结构可以由不同的实施例来实现，这些实施例也旨在涵盖在本发明的精神和范围内。如本文中其它地方所表示的那样，相似的元件编号旨在指示相似的元件或特征。

第一实施例（“epi设计#1”）示出于图1至图9中。

图1示出了根据本发明的sigeepi结构的示例，其中在3μmsoi波导与用于sigemqw的sige缓冲层之间插入过渡缓冲sige的薄层。

这个过渡缓冲sige层：

a）具有比si的折射率大并且比sige缓冲层的折射率小的折射率，因此，光可以从soi波导渐逝地耦合到过渡缓冲sige波导；以及

b）用作mqw波导的sige缓冲层的额外缓冲层，以减轻由于si与sigemqw之间的晶格失配造成的压力，这对于sigemqwepi质量是关键的。

所示出的过渡缓冲sige层具有20％（si0.8ge0.2）的含锗量为。可选地，该过渡缓冲sige层可具有范围从5％（si0.95ge0.05）至50％（si0.5ge0.5）的含锗量和范围从400nm至1000nm的厚度。

基于所提出的sigeepi结构，波导渐逝耦合结构按以下步骤将光从soi波导（其可以是3μmsoi波导）带到sigemqw波导：

a）从soi波导（其可以是3μmsoi波导）到过渡缓冲sige波导（其可以是400nm过渡缓冲sige波导）。

b）从过渡缓冲sige波导（其可以是400nm过渡缓冲sige波导）到缓冲sige波导（其可以是400nm缓冲sige波导）。所示出的缓冲sige层具有79％（si0.21ge0.79）的含锗量。可选地，该缓冲sige层可具有范围从70％（si0.3ge0.7）至95％（si0.05ge0.95）的含锗量，以及范围从400nm至1000nm的厚度。

c）经由锥形结构从缓冲sige波导（其可以是400nm缓冲sige波导）到sigemqw波导。锥形结构将缓冲波导的光学模式花费到sigemqw波导的光学模式。其中锥形结构和sigemqw波导可以由下列组成：过渡缓冲sige、400nm缓冲sige、200nmp层、50nm间隔、在10nm厚的相应量子阱之间具有15nm的势垒或间隔的140nm量子阱层（5个qw）、50nm间隔、300nmn层、200nmn掺杂覆盖层和100nm重n掺杂覆盖层，如图1中所示出的那样。p层、间隔层和n层可以具有与缓冲层的含锗量相同的含锗量（79％，si0.21ge0.79）。可选地，p层、间隔层和n层可具有范围从70％（si0.3ge0.7）至90％（si0.1ge0.9）的含锗量。n掺杂覆盖层和重n掺杂覆盖层可以具有比缓冲层、p层、间隔层和n层的含锗量小的含锗量。n掺杂覆盖层和重掺杂的n掺杂覆盖层的含锗量可以是20％（si0.8ge0.2）。可选地，n掺杂覆盖层和重掺杂的n掺杂覆盖层的含锗量的范围可以从5％（si0.95ge0.05）至50％（si0.5ge0.5）。量子阱中势垒层的含锗量为65％（si0.35ge0.65）。可选地，量子阱中势垒层的含锗量的范围可以从60％（si0.4ge0.6）至85％（si0.15ge0.85），其中一般规则是ge/si量子阱中的平均含锗量与缓冲层的含锗量相同或基本相同。在该epi结构中，量子阱的数量是五个。可选地，量子阱的数量范围可以从5到15。

qcseeam由两个耦合区组成，其具有两个波导渐逝耦合结构和一个锥形结构，以及两个耦合区之间的一个有源区。

有源区优选地具有与sigemqw波导相同的波导结构。

来自si波导（其可以是3μmsi波导）的光行进通过第一耦合区以到达有源区。

在有源区中，根据外部偏置电压吸收和调制光。

在调制之后，光通过第二耦合区返回到一/该si波导（其可以是3μmsi波导）。

现在描述包含本发明的电吸收调制器的器件的三个示例。

第一示例（基于epi设计#1的器件设计#1）可以在图2a和图2b中所示出的3d视图中看到，以及也可以在如图3a（gs电极）和图3b（gsg电极）中所示出的顶视图中看到。在该器件设计#1中，锥形结构包括5个段以将缓冲波导的光学模式扩展到sigemqw波导的光学模式：三个模式扩展器区（c、d和e）以及过渡波导耦合区a和缓冲波导耦合区b。整个器件的测量的示例在图4中示出，以及器件的剖视图在图5中示出。对于te模式，在1.3μm波长下的器件设计#1的仿真结果如下：插入损耗4.87db、消光比4.16db以及链路损失9.97db。

第二示例（基于epi设计#1的器件设计#2）可以在图6a和图6b中所示出的3d视图中看到，以及也可以在如图7a（gs电极）和图7b（gsg电极）中所示出的顶视图中看到。在该器件设计#2中，锥形结构包括6个段以将缓冲波导的光学模式扩展到sigemqw波导的光学模式：四个模式扩展器区（c、d、e和f）以及过渡波导耦合区a和缓冲波导耦合区b。第二示例（基于epi设计#1的器件设计#2）的整个器件的测量的示例在图8中示出，以及器件的剖视图在图9中示出。对于te模式，在1.3μm波长下的器件设计#2的仿真结果如下：插入损耗4.43db、消光比4.16db以及链路损失9.53db。

示例（epi设计#2）和关联的器件设计#3在图10-图12中示出。该实施例与图1（epi设计#1）的不同之处在于：

a）过渡缓冲层：600nm，si0.9ge0.1

b）覆盖n掺杂层：si0.9ge0.1。

与上述器件一样，包括第二实施例的epi设计的器件可以利用下列来制造：

a）gs电极；或

b）gsg电极。

在第三示例中，器件设计#3，锥形结构包括6个段以将缓冲波导的光学模式扩展到sigemqw波导的光学模式：四个模式扩展器区（c、d、e和f）以及过渡波导耦合区a和缓冲波导耦合区b。对于te模式，在1.3μm波长下的器件设计#3的仿真结果如下：插入损耗4.87db、消光比4.16db以及链路损失9.97db。

本发明的第三实施例（epi设计#3）和关联的器件设计#4在图13-图15中示出。该实施例与图1（epi设计#1）的实施例的不同之处在于：

a）过渡缓冲层：800nm，si0.9ge0.1

b）覆盖n掺杂层：si0.9ge0.1。

与上述器件一样，包括第三实施例的epi设计的器件可以利用下列来制造：

a）gs电极；或

b）gsg电极。

在该器件设计#4中，锥形结构包括6个段以将缓冲波导的光学模式扩展到sigemqw波导的光学模式：四个模式扩展器区（c、d、e和f）以及过渡波导耦合区a和缓冲波导耦合区b。对于te模式，在1.3μm波长下的器件设计#4的仿真结果如下：插入损耗4.66db、消光比4.16db以及链路损失9.76db。

图16中示出了本文中描述的用于耦合到epi区中的任何一个的输入（和/或输出波导）的示例。在一些实施例中，这可以采用3μmsoi波导的形式。

对于半器件结构，在图17中示出了在1.3μm波长下从3μmsoi波导到sigemqw波导仿真结果的典型光学过渡。该器件是对称的，因此半结构仿真使得能够在节省计算机空间的同时取得相关信息。

图18示出了器件设计的另一示例；“器件设计#5”。该器件设计可以包含图1、图10和图13中所示出的实施例的epi结构（epi设计#1、epi设计#2和epi设计#3）中的任何一个。器件设计#5的锥形结构包括4个段，其起作用来将缓冲波导的光学模式扩展到sigemqw波导的光学模式：两个模式扩展器区（c和d）以及过渡波导耦合区a和缓冲波导耦合区b。使用具有4个段的这种锥形结构的优点是利用较少处理步骤的器件制造过程的简易性。图19示出了沿中线kk'的设计#5的剖视图。

图20-图21中示出了本发明的第四实施例（epi设计#1b）和关联的器件设计。

图20中示出了整个器件的测量的示例，以及图21中示出了器件的剖视图。该设计与例如图14中示出的设计的不同之处至少在于：与有源区的与耦合器相对的表面接触的图20的电极在朝向它们相应的锥形区的方向上延伸超出有源区的主体。在该实施例中，mqw区包括有源区的主体中的主要部分，但还包括mqw材料的至少一个锥形部分，其从活性材料的主体延伸，从而形成覆盖下面的锥形层的有源锥形部分。如图20中可以看到的那样，mqw材料的锥形部分因此从有源区的主体（标记为“e”）朝外延伸到至少有源模式扩展器区（标记为“d”）中。

尽管本文中已经具体描述和说明了电吸收调制器的示例性实施例，但是许多修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应理解的是，根据本发明的原理构造的电吸收调制器可以体现为不同于如本文中具体描述的那样。本发明还在以下权利要求及其等同物中限定。