高k栅介质层MOS电容式硅基电光调制器的研究与设计

论文摘要

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 V·cm,与目前一般的1 V·cm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 V·cm;器件长度在微米量级;器件调制速度可以达到20 Gb/s。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 几种电光调制器简介
• 1.3 硅基电光调制器发展概述
• 1.4 本文的工作
• 2 硅基电光调制器的理论基础
• 2.1 自由载流子等离子色散效应
• 2.2 载流子浓度调制方式
• 2.3 硅基电光调制器的几种光学结构
• 2.4 Mach-Zehnder 干涉型硅基电光调制器
• 2.5 主要性能参数
• 3 硅基电光调制器参数对性能影响的研究
• 3.1 仿真软件介绍
• 3.2 载流子注入式硅基电光调制器
• 3.3 载流子耗尽式硅基电光调制器
• 3.4 MOS电容式电光调制器
• 4 高K栅介质层MOS电容式硅基电光调制器的研究与设计
• 4.1 栅介质层介电常数对器件性能的影响
• 4.2 高K材料
• 4.3 对称式高K栅介质层MOS电容式硅基电光调制器
• 4.4 优化的传统式高K栅介质层MOS电容式硅基电光调制器
• 4.5 总结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录