文档介绍：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
华中科技大学硕士学位论文
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 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 V·cm;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: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
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Silicon is an extraordinary material in microelectronics. Its low cost, vast exist,
technology allowing full integration of electronic and photonic devices make silicon
photonics e a subject of intense interest. And silicon Electro-Optic (EO) modulator
is a ponent of silicon photonics, and illustrates a good prospect of application
on munication, works, optical interconnection and optical
calculation. So it’s of significance to study silicon EO modulator.
Supported by the Natural Science Foundation of Hubei Province, pact
silicon EO modulators based on MOS capacitor with high permittivity (high-k) gate
dielectric are designed and demonstrated. The main contents are listed as 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 device’s parameters on the per