一种锗硅量子阱电致折射率调制器和集成光电子器件的制作方法

本发明属于集成光电子器件技术领域，更具体地，涉及一种锗硅量子阱电致折射率调制器和集成光电子器件。

背景技术：

随着光通信和光互联的迅速发展，光电集成电路在数据传输中扮演着越来越重要的角色。由于与成熟的cmos技术相兼容，硅基光电子被认为是最具有前景的电子和光子器件的集成平台。高效紧凑的硅基光电子器件是实现大规模光电子集成系统的前提，而一个兼容cmos工艺、高性能低功耗的光学调制器对于光通信与光互联系统来说是一个关键的器件。

目前硅基相位调制器主要是利用等离子体色散效应来实现光波的相位调制，即通过改变硅材料中的载流子浓度来改变材料的折射率。根据电压改变载流子浓度的方式可以将硅基调制器分为：载流子注入式调制、载流子积累式调制、载流子耗尽式调制。载流子注入技术是获得载流子浓度变化最成熟的技术，其优势是整个波导的参数指标相对比较均匀，可以实现很高的调制效率。然而，这种类型调制器的主要问题是由于硅中少子存活时间较长导致其运作速度慢。另外相对较大的注入电流会导致较高的功耗，这同时也会导致温度升高，而硅中热光效应会导致折射率的增大，但载流子注入却会使折射率减小，因此最终就会导致调制效果减弱。载流子积累式和载流子耗尽式的调制速度不再受限于硅中少子的寿命，而是取决于器件的rc常数，因此其调制速率相对较高。但是此类型的调制器由于载流子变化区域与光场的重叠面积较小，因而调制效率较低，而且能耗也较高。这三种方式的硅基调制器尺寸都较大，不利于片上硅基光电器件的集成。

yizhang等人对非对称ge/sige耦合量子阱电折射率变化进行理论分析，其公开了一种锗硅非对称耦合量子阱，其由8对cqw组成：8×[6nmgeqw+1.6nmsi0.1ge0.9内垒区+12nmgeqw+24nmsi0.15ge0.85外垒区]。非对称cqw设计与以往使用对称cqw结构相比，具有更好的调制效果。将cqw的更宽的geqw设置为与外部si0.15ge0.85垒区相同的宽度，以实现给定电场的低外加电压和每个有源区更高的cqw密度。外部垒区的宽度足以避免相邻连续量子阱中的耦合。内垒区的ge含量高于外垒区，因此可以获得较低的ge量子阱与内垒区之间的能隙，从而可以增强窄量子阱(qw1)与宽量子阱(qw2)之间的耦合。然而，该非对称cqw的中间垒区的势能比两侧垒区低。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术在不加电压时发生耦合、耦合效果差、制备过程中难以控制速度的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种锗硅量子阱电致折射率调制器，其由下往上依次包括：p型硅衬底、p型锗硅合金缓冲层、本征锗硅合金下隔离层、本征锗硅合金耦合量子阱层、本征锗硅合金上隔离层、n型锗硅合金盖层，所述本征锗硅合金耦合量子阱层由多个非对称耦合量子阱组成，单个非对称耦合量子阱由两个不同宽度的量子阱、一个中间薄壁垒、两个侧边壁垒组成，相邻两个非对称耦合量子阱共用一个侧边壁垒区，两个侧边壁垒的锗硅合金组分配比ge锗含量相同，中间薄壁垒的ge含量必须低于所述两个侧边壁垒。

具体地，所述本征锗硅合金耦合量子阱层由5～10个非对称耦合量子阱组成。

具体地，所述两个侧边壁垒的材料组分为si0.15ge0.85。

具体地，所述中间薄壁垒的材料组分为si0.17ge0.83。

具体地，有源区单个非对称耦合量子阱的组成成分为：12nmsi0.15ge0.85+6nmge+2nmsi0.17ge0.83+12nmge+12nmsi0.15ge0.85，所述中间薄壁垒的宽度为2nm。

具体地，所述p型锗硅合金缓冲层、本征锗硅合金下隔离层、本征锗硅合金上隔离层、n型锗硅合金盖层的合金组分ge锗含量配比必须大于所述两个侧边壁垒的锗硅合金组分ge锗含量配比。

具体地，所述p型锗硅合金缓冲层、本征锗硅合金下隔离层、本征锗硅合金上隔离层、n型锗硅合金盖层的材料组分为si0.1ge0.9。

具体地，所述p型硅衬底的高度为500μm～600μm，所述p型锗硅合金缓冲层的高度为400nm～450nm，所述本征锗硅合金下隔离层的高度为50nm～80nm，所述本征锗硅合金耦合量子阱层的高度为200nm～400nm，所述本征锗硅合金上隔离层的高度为50nm～80nm，n型锗硅合金盖层的高度为150nm～200nm。

具体地，所述p型硅衬底、所述p型锗硅合金缓冲层的宽度均为1.6μm～2.4μm；所述本征锗硅合金下隔离层、所述本征锗硅合金耦合量子阱层、所述本征锗硅合金上隔离层的宽度均为700nm～800nm。

第二方面，本发明实施例提供了一种集成光电子器件，所述集成电子器件采用如第一方面所述的锗硅量子阱电致折射率调制器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明中单个非对称耦合量子阱由两个不同宽度的量子阱、一个中间薄壁垒、两个侧边壁垒组成，相邻两个非对称耦合量子阱共用一个侧边壁垒区，两个侧边壁垒的锗硅合金组分配比ge锗含量相同，中间薄壁垒的ge含量必须低于所述两个侧边壁垒。相比于普通量子阱结构，在同等电场强度下，非对称耦合量子阱光吸收谱产生的红移更加明显，即光吸收谱变化更加显著；同时，相比于普通量子阱结构的吸收谱，非对称耦合量子阱光吸收谱有更多的激子吸收峰，因此产生的折射率变化也更加显著。相比于那种中间垒区比两侧垒区的ge含量要高的非对称耦合量子阱，本发明这种中间垒区比两侧垒区的ge含量要低的非对称耦合量子阱，它的势垒高度比两侧的势垒区要高，可以防止中间垒区两侧的量子阱在无外加电场时发生耦合，在加电场发生耦合时，对两个量子阱的耦合控制效果更好。同时，锗硅合金中硅含量越高，在生长锗硅合金材料时生长速度越慢，因此越容易精准地生长出期望的宽度。相比于那种中间垒区宽度较小的非对称耦合量子阱，本发明的中间垒区宽度更大，耦合的控制效果更好，材料宽度的准确生长更容易实现。

2.本发明中其他组件(p型锗硅合金缓冲层、本征锗硅合金下隔离层、本征锗硅合金上隔离层、n型锗硅合金盖层)的锗硅合金中的ge比例要略大于本征锗硅合金耦合量子阱层的最外层垒区，垒区的作用是用于限制量子阱中的电子，若小于则导致限制效果不好，如果大太多，会出现晶格不匹配。

3.本发明将本征锗硅合金下隔离层、所述本征锗硅合金耦合量子阱层、所述本征锗硅合金上隔离层的宽度设定为均为700nm～800nm，避免了太宽会变成多模，单个模式分配到的功率变小，能量不集中，而太窄不能导光，无法工作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种锗硅量子阱电致折射率调制器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的有源区单个非对称耦合量子阱的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的锗硅量子阱电致折射率调制器在不同电场强度下的光吸收谱图；

图4为本发明实施例提供的锗硅量子阱电致折射率调制器在30kv/cm电场强度下的折射率变化图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-p型硅衬底、2-p型锗硅合金缓冲层、3-本征锗硅合金下隔离层、4-本征锗硅合金耦合量子阱层、5-本征锗硅合金上隔离层、6-n型锗硅合金盖层、7-n电极、8-p电极、9-二氧化硅绝缘覆盖层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种锗硅量子阱电致折射率调制器，其由下往上依次为：p型硅衬底1、p型锗硅合金缓冲层2、本征锗硅合金下隔离层3、本征锗硅合金耦合量子阱层4、本征锗硅合金上隔离层5、n型锗硅合金盖层6。

p型锗硅合金缓冲层2用于释放材料生长时由于晶格不匹配而产生的应力。

本征锗硅合金下隔离层3用于阻止p型锗硅合金缓冲层中的掺杂离子扩散到本征锗硅合金耦合量子阱层中，其高度不宜过厚，以使光场能够更加集中于本征锗硅合金耦合量子阱层中，其合金组分配比必须与p型锗硅合金缓冲层2保持一致，以避免材料生长时产生应力和位错。

本征锗硅合金上隔离层5用于阻止n型锗硅合金盖层6中的掺杂离子扩散到本征锗硅合金耦合量子阱层中，其高度不宜过厚，以使光场能够更加集中于本征锗硅合金耦合量子阱层中，其合金组分配比必须与n型锗硅合金盖层6的合金组分配比保持一致，以避免材料生长时产生应力和位错。

本发明中本征锗硅合金耦合量子阱层4由5～10个非对称耦合量子阱组成。单个非对称耦合量子阱由两个不同宽度的量子阱、一个中间薄壁垒、两个侧边壁垒组成，相邻两个非对称耦合量子阱共用一个侧边壁垒区，其中，两个侧边壁垒的合金组分配比相同，且中间薄壁垒比两个侧边壁垒的ge含量必须低。如图2所示，有源区单个非对称耦合量子阱的组成成分为：12nmsi0.15ge0.85+6nmge+2nmsi0.17ge0.83+12nmge+12nmsi0.15ge0.85，其中，两个量子阱的宽度分别为6nm和12nm，材料组分为纯锗；中间薄垒区的宽度优选为2nm，材料组分优选为si0.17ge0.83；两边的垒区宽度均为12nm，材料组分为si0.15ge0.85，相邻两个非对称耦合量子阱共用一个12nmsi0.15ge0.85侧边壁垒区。相比于普通量子阱结构，在同等电场强度下，非对称耦合量子阱光吸收谱产生的红移更加明显，即光吸收谱变化更加显著；同时，相比于普通量子阱结构的吸收谱，非对称耦合量子阱光吸收谱有更多的激子吸收峰，因此产生的折射率变化也更加显著。相比于那种中间垒区比两侧垒区的ge含量要高的非对称耦合量子阱，本发明这种中间垒区比两侧垒区的ge含量要低的非对称耦合量子阱，它的势垒高度比两侧的势垒区要高，可以防止中间垒区两侧的量子阱在无外加电场时发生耦合，在加电场发生耦合时，对两个量子阱的耦合控制效果更好。同时，锗硅合金中硅含量越高，在生长锗硅合金材料时生长速度越慢，因此越容易精准地生长出期望的宽度。相比于那种中间垒区宽度较小的非对称耦合量子阱，本发明的中间垒区宽度更大，耦合的控制效果更好，材料宽度的准确生长更容易实现。

所述锗硅量子阱电致折射率调制器还包括：二氧化硅绝缘覆盖层9、n电极7和p电极8。其中，n电极7置于6上；p电极8置于2上左侧(也可以是右侧)一端；二氧化硅绝缘覆盖层9置于除n电极7和p电极8以外的整个调制器上表面，n电极7和p电极8嵌于9中。

本实施例中，锗硅量子阱电致折射率调制器是通过n电极7和p电极8来控制对光信号的相位调制。当器件没有外加电压时，整个器件的光吸收谱如图3中实线所示；当器件加上外置偏压时，耦合量子阱区会产生一个垂直量子阱层方向的电场，根据量子限制斯塔克效应，其光吸收谱会向长波长方向移动(红移)，如图3中虚线所示，且所加偏压越高，移动越明显。根据kramers-kronig关系，吸收谱的变化会导致折射率的改变，因而通过改变外加电压可以改变锗硅量子阱电致折射率调制器的折射率，从而实现了对光信号的相位调制。

如图4所示，当工作波长在1461nm附近时，在30kv/cm电场强度下，本实施例的锗硅量子阱电致折射率调制器可以产生约0.9％的折射率改变。相比于传统相位调制器，折射率变化幅度提升了近一个数量级。同时由于器件的厚度较小，实现该电场强度所需的电压不超过1v，大幅降低了调制器的工作电压和功耗，有利于片上硅基光电器件的集成。

优选地，p型硅衬底1的高度为500μm～600μm，宽度为1.6μm～2.4μm；p型硅衬底1的掺杂浓度为1×10¹³cm³～1×10¹⁵cm³，掺杂剂为b离子。

优选地，p型锗硅合金缓冲层2的高度为400nm～450nm，宽度为1.6μm～2.4μm，且与1的宽度一致；p型锗硅合金缓冲层2的掺杂浓度为5×10¹⁸cm³～1×10¹⁹cm³，掺杂剂为b离子。p型锗硅合金缓冲层2的合金组分配比为si0.1ge0.9。

优选地，本征锗硅合金下隔离层3的高度为50nm～80nm，宽度为700nm～800nm；本征锗硅合金下隔离层3的合金组分配比为si0.1ge0.9。

优选地，本征锗硅合金耦合量子阱层4的高度为200nm～400nm，宽度为700nm～800nm，且与3的宽度一致。

优选地，本征锗硅合金上隔离层5的高度为50nm～80nm，宽度为700nm～800nm，且与4的宽度一致；本征锗硅合金上隔离层5的合金组分配比为si0.1ge0.9。

优选地，n型锗硅合金盖层6的高度为150nm～200nm，宽度为700nm～800nm，且与5的宽度一致；n型锗硅合金盖层6的合金组分配比为si0.1ge0.9；n型锗硅合金盖层6的掺杂浓度为5×10¹⁸cm³～1×10¹⁹cm³，掺杂剂为p离子。

优选地，n电极7和p电极8均为镍铝合金，其中镍金属层厚度为10nm～20nm，为金属粘附层，用于增加电极和锗硅材料之间的粘附力；铝金属层厚度为100nm～200nm，为电信号接触层；电极与锗硅材料之间的接触面积不宜过大，以避免金属对光信号的吸收过强。

优选地，上述二氧化硅绝缘覆盖层的厚度为0.3μm～1μm，用于对器件整体进行电学隔离。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。