ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯТОРА РЕФРАКТИВНОГО ТИПА НА ПОДЛОЖКЕ INP

III
V
Полезная модель относится к полупроводниковым гетероструктурам AB с множественными квантовыми ямами в качестве активной области, используемым для изготовления электрооптических рефрактивных модуляторов и фотонных интегральных схем инфракрасного диапазона.
III
V
III
V
Наиболее перспективным материалом для интеграции активных и пассивных компонент микроволновой фотоники C/L диапазонов (длина волны ~ 1,55 мкм) является фосфид индия (InP) [1,2]. Это обусловлено а) хорошо развитой технологией роста AB структур методами молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии, б) широким использованием подобных материалов в сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике и оптоэлектронике, в) удобством подстройки энергии запрещенной зоны в многокомпонентных твердых растворах полупроводников AB в диапазоне, соответствующем длинам волн 0,85 мкм - 1,8 мкм, таким образом, охватывая телекоммуникационный C/L диапазон. Кроме того, InP платформа позволяет интегрировать как пассивные элементы (волноводы, фильтры, резонаторы, разветвители и т.д.), так и активные - лазеры, фотодетекторы, СВЧ усилители, смесители и т.д., таким образом, представляя широкие возможности для формирования на подложках InP широкой номенклатуры элементов фотонных интегральных схем [2].
Актуальной проблемой оптимизации гетероструктур для полупроводникового электрооптического рефрактивного модулятора на подложке InP является компромиссное повышение электрооптического коэффициента в C/L оптическом диапазоне одновременно со снижением коэффициента поглощения (потерь). При этом увеличение электрооптического коэффициента позволяет сократить общие оптические потери в интерферометре Маха-Цандера (ИМЦ), таким образом, эта задача является приоритетной [3].
Наиболее эффективными являются конструкции ИМЦ на основе сверхрешеток [4-7]. При этом конструкция слоев сверхрешетки (CP), состав и толщины, сложность каскада CP влияют на электрооптический коэффициент и коэффициент поглощения, таким образом, являются предметом оптимизации.
0.52
0.48
Актуальным подходом является использование составных квантовых ям (КЯ), содержащих один или несколько туннельно-прозрачных нанобарьеров широкозонных полупроводниковых соединений, обычно - InAlAs толщиной от 1,5 нм до 5 нм, которые обеспечивают увеличение энергии квантового уровня электронов. В этом случае, конструкция одного каскада CP может состоять из большого числа полупроводниковых слоев.
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
x
1-x
0.52
0.48
0.53
0.47
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
0.52
0.48
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрана активная область на основе сверхрешетки из слоев решеточно-согласованных тройных твердых растворов InGaAs и InAlAs. Сверхрешетка, состоит из 6-слойного асимметричного каскада связанных КЯ [7]. Структура прототипа изображена на фиг. 1 [7], на которой указаны следующие друг за другом слои: на монокристаллической полу изолирующей подложке 1 (InP) эпитаксиально выращивается последовательность слоев: обкладочный контактный легированный донорами слой 2 InGaAs толщиной 280 нм, сверхрешетка 3, повторяемая 14 раз, за сверхрешеткой следует обкладочный слой 4 InAlAs толщиной 150 нм, слой 5 легированный акцепторами InAlAs толщиной 1300 нм и сильно легированный акцепторами и верхний контактный слой 6 InGaAs толщиной 20 нм, при этом сверхрешетка состоит из слоя 7 InGaAs толщиной в 15 монослоев, слоя 8 InAlAs толщиной в 3 монослоя, слоя 9 InGaAs толщиной в 4 монослоя, слоя 10 InAlAs толщиной в 8 монослоев, слоя 11 InGaAs толщиной в 19 монослоя и слоя 12 InAlAs.
x
1-x
y
1-y
Таким образом, CP структура каскада данной гетероструктуры имеет 6 слоев, из которых 3 слоя InAlAs служат барьерными слоями, а 3 слоя InGaAs - узкозонными слоями, формирующими 3 туннельно-связанные квантовые ямы. Недостатками данной структуры являются:
ширина КЯ (слой 9) в сверхрешетке оказывается достаточно малой (4 монослоя, т.е. 1,175 нм), а барьер, образованный слоем 10, достаточно толстым (8 монослоев, т.е. 2,35 нм), поэтому эффективная ширина составной структуры мала и не позволяет в полной мере реализовать преимущества квантового эффекта Штарка, который наиболее выражен в широких квантовых ямах; чтобы получить максимальный электрооптический эффект, отражающийся, например, в минимальном рабочем напряжении модулятора (V π⋅L < 1 В мм);
x
1-x
в InAlAs CP и обкладочных слоях мольная доля x(InAs) совпадает, вследствие этого показатель преломления между слоями CP и обкладками не изменяется, поэтому ограничение оптической волны в области CP - небольшое, а значит, электрооптический коэффициент снижен.
Использование прототипа для изготовления на его основе модулятора Маха-Цендера является малоэффективным, вследствие низкого значения элетрооптического коэффициента, вызванного неоптимальностью слоевой геометрии гетероструктуры.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении электрооптического коэффициента в C/L оптическом диапазоне без увеличения или с одновременным снижением коэффициента поглощения в сверхрешеточной гетероструктуре нового типа, за счет эффективного использования эффектов пространственного перераспределения электронных и дырочных волновых функций под действием поперечного электрического поля.
y
1-y
x
1-x
w
1-w
z
1-z
y
1-y
x
1-x
y
1-y
x
1-x
y
1-y
x
1-x
y
1-y
x
1-x
w
1-w
z
1-z
x
1-x
y
1-y
17
-3
17
-3
19
-3
Технический результат достигается тем, что полупроводниковая гетероструктура для интегрального оптического модулятора рефрактивного типа на подложке InP включает в себя последовательно слои: монокристаллическая полуизолирующая подложка InP, нижний легированный донорами обкладочный контактный слой, сверхрешетка из комбинации слоев InGaAs и InAlAs, верхний обкладочный слой, легированный акцепторами контактный слой и легированный акцепторами верхний контактный слой, при этом нижний легированный донорами обкладочный контактный слой состоит из InGaAsP, имеет толщину 100 нм и концентрацию доноров 5⋅10 см, сверхрешетка состоит из слоя InGaAs толщиной в 7 монослоев, слоя InAlAs толщиной в 4 монослоя, слоя InGaAs толщиной в 15 монослоев, слоя InAlAs толщиной в 6 монослоев, слоя InGaAs толщиной в 8 монослоев, слоя InAlAs толщиной в 4 монослоя, слоя InGaAs толщиной в 18 монослоев, слоя InAlAs толщиной в 10 монослоев, при этом сверхрешетка повторяется 17 раз, верхний обкладочный слой состоит из InGaAsP и имеет толщину 100 нм, легированный акцепторами контактный слой InAlAs имеет толщину 900 нм и концентрацию акцепторов 5⋅10 см и верхний легированный акцепторами контактный слой InGaAs имеет толщину 100 нм и концентрацию акцепторов 1 10 см, при этом x=0.52, y=0.53, w=0.75, z=0.55.
Применение данной полезной модели приводит к значительному увеличению электрооптического коэффициента при сохранении коэффициента оптических потерь за счет изменения сверхрешетки и обкладочных слоев.
0.75
0.25
0.55
0.45
0.75
0.25
0.55
0.45
0.52
0.48
y
1-y
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
0.52
0.48
17
-3
17
-3
19
-3
На фиг. 2 представлен пример конкретной реализации полупроводниковой гетероструктуры для модулятора на основе интерферометра Маха-Цандера на полуизолирующей монокристаллической подложке InP, демонстрирующий суть настоящей полезной модели. Она состоит из монокристаллической полуизолирующей подложки 1 InP, далее следует нижний обкладочный контактный легированный донорами слой 2 InGaAsP толщиной 100 нм и имеет концентрацию доноров 5 10 см, сверхрешетка 3, повторяемая 17 раз, за сверхрешеткой следует верхний обкладочный слой 4 InGaAsP толщиной 100 нм, легированный акцепторами слой 5 InAlAs толщиной 900 нм и концентрацией акцепторов 5⋅10 см и верхний контактный слой 6 легированный акцепторами InGaAs толщиной 100 нм, легирование которого имеет концентрацию акцепторов на уровне 10 см, при этом сверхрешетка состоит из слоя 7 InGaAs толщиной в 7 монослоев, слоя 8 InAlAs толщиной в 4 монослоя, слоя 9 InGaAs толщиной в 15 монослоев, слоя 10 InAlAs толщиной в 6 монослоев, слоя 11 InGaAs толщиной в 8 монослоев, слоя 12 InAlAs толщиной в 4 монослоя, слоя 13 InGaAs толщиной в 18 монослоев, слоя 14 InAlAs толщиной в 10 монослоев.
Данная комбинация слоев была выбрана, поскольку позволяет вышеуказанного технического результата за счет
0.53
0.47
0.53
0.47
перехода к более широкой суммарной толщине каскада, реализующего более широкую составную квантовую яму. Увеличение толщины каскада реализуется за счет того, что формируется две составные квантовые ямы из InGaAs, разделенные тонким барьером. Таким образом, в каскаде возникает не 3, а 4 узкозонных слоя, относительно разделяющего барьера 10, поэтому возможно сформировать как более симметричный, так и более асимметричный вариант каскада, в зависимости от толщины слоев. Использование составных КЯ, разделенных барьером, позволяет увеличить суммарную толщину слоев InGaAs;
уменьшения толщины разделяющего барьера 10, которое приводит к увеличению туннельной связи составных слоев и приводит к формированию единой составной квантовой ямы в слоях 7-13;
вариации толщины барьерного слоя 8 и ширины слоев 9 и 11, благодаря чему возможно управлять туннельным расщеплением энергии между нижними электронными уровнями в составной квантовой яме, и,  таким образом, направленно изменять асимметрию структуры. Это позволяет достичь выбора рабочей точки с более низким напряжением и увеличенного значения электрооптического коэффициента;
снижения толщины барьера 12, разделяющего каскады CP гетероструктуры, которое приводит к туннельной связи различных каскадов, увеличивает плотность электронных состояний с номерами больше 3, что приводит к усилению электрооптического эффекта;
w
1-w
z
1-z
использования в качестве обкладок CP структуры слоев InGaAsP (с составом, отвечающим положению максимума пика фотолюминесценции на 1,25 мкм, показатель преломления n=3.431), решеточно-согласованного с подложкой InP, что обеспечит увеличение перепада показателя преломления между слоями CP с обкладочными слоями 1-2 и 4-5 и подложкой InP.
0.52
0.48
w
1-w
z
1-z
Таким образом, изменение состава обкладочных слоев 2 и 4 с InAlAs на InGaAsP приводит к увеличению контраста по показателю преломления на Δn ~ 0.1 по отношению к подложке InP. Вследствие этого возрастает ограничение оптической волны в области CP, а значит, и величина электрооптического коэффициента.
Для подтверждения заявленного эффекта при помощи решения уравнения Шредингера для квантоворазмерных подзон электронов и дырок были определены уровни энергии подзон размерного квантования, волновые функции электронных и дырочных подзон, определены матричные элементы оптических переходов и коэффициент поглощения в зависимости от величины внешнего однородного электрического поля, приложенного поперек слоев гетероструктуры. Для дырок зонная структура рассчитана в однозонном приближении, отдельно уровни для подзон тяжелых и для подзон легких дырок.
Были рассчитаны 3 варианта компоновки слоев каскада, представленные в таблице 1 - вариант 1, вариант 2 и вариант 3 соответствующий параметрами предложенной полезной модели, а также для сравнения - прототип, для изоморфного состава слоев х=0,521, у=0,53.
Вариант структуры 1 наиболее симметричный из всех, поскольку суммарные толщины составных квантовых ям близки (слои 7-9 и 11-13) и составляют 25 и 26 монослоев, соответственно. Вариант структуры 2 более асимметричен по сравнению с вариантом 1 за счет асимметричного расположения барьера 8 за счет изменения соотношения толщин слоев 7 и 9. Структура 3 самая кососимметричная, в ней увеличена асимметрия слоев составных КЯ: слои 7-9 и 11-13 имеют, соответственно, 22 и 26 монослоев. Кроме того, снижена толщина разделяющего барьера 10 до 6 монослоев.
Расчетные спектральные зависимости коэффициента поглощения для различных вариантов исполнения активных сверхрешеточных слоев структуры показаны на фиг. 3: линия «Прототип» - для структуры-прототипа, описанной в работе [1], линия 1 - для структуры со строением слоев каскада варианта 1, линия 2 - для структуры со строением слоев каскада варианта 2, линия 3 - для структуры со строением слоев каскада варианта 3.
Заявленные структуры 8-слойного каскада CP имеют более высокие значения коэффициента поглощения в области энергий > 1,1 эВ, чем прототип. В области рабочей полосы вблизи 1,55 мкм, что соответствует 0,8 эВ и отмечено вертикальной линией на Фиг. 3 наиболее эффективной является вариант 3 гетероструктуры (указанной в таблице 1).
0
0
Далее был рассчитан электрооптический эффект в каскадах CP вариант 1, вариант 2 и вариант 3, а также для сравнения - прототип. Относительное изменение показателя преломления Δn/n на длине волны 1,55 мкм было рассчитано в зависимости от внешнего электрического поля в каскаде СР. График расчетных зависимостей изменения показателя преломления от напряженности приложенного к каскаду CP электрического поля для различных вариантов исполнения активных сверхрешеточных слоев структуры приведен на Фиг. 4. Как видно, значения Δn/n всюду положительны, а сама зависимость близка к теоретической параболической, типичной для квантово-размерного эффекта Штарка.
Фрагмент зависимости для области напряженности электрического поля минус -80 кВ/см до -40 кВ/см приведен на Фиг. 5. В данной области, новые типы структур CP обеспечивают преимущество в электрооптическом коэффициенте до 25% выше, чем в прототипе. Наиболее высокий электрооптический коэффициент демонстрирует структура типа 3 с наибольшей кососимметрией.
y
1-y
x
1-x
Такая конструкция приводит, во-первых, к увеличению плотности квантовых уровней энергии для носителей тока вблизи экстремумов зоны проводимости и валентной зоны из-за увеличения числа связанных квантовых ям InGaAs, разделенных туннельно-прозрачными барьерами InAlAs, во-вторых, к увеличению эффективной ширины составной квантовой структуры из четырех туннельно-связанных квантовых ям, в третьих, направленно изменяется асимметрия структуры за счет возможности независимо варьировать толщины слоев в каскаде относительно его центральной области. Все эти факторы приводят к увеличению амплитуды электрооптического эффекта, выражающемуся в увеличении изменения показателя преломления под действием электрического поля, приложенного к CP гетероструктуре.
Таким образом, применение данной полезной модели (вариант 3) приводит к значительному (до ~ 200% в сравнении с прототипом) увеличению электрооптического коэффициента при сохранении коэффициента оптических потерь, вследствие увеличения эффективной ширины составной квантовой структуры, состоящей из 4-х туннельно связанных квантовых ям, что в конечном счете приводит к снижению линейного размера и/или снижению рабочего напряжения модулятора, а также увеличению граничной частоты модуляции.
Список используемых источников
1. Klein, Holger. "Integrated InP Mach-Zehnder Modulators for 100 Gbit/s Ethernet Applications Using QPSK Modulation." PhD thesis. Technischen Universitat Berlin. (2010)
2. Meint Smit, Xaveer Leijtens, Huub Ambrosius et al. "An introduction to InP-based generic integration technology" // Semicond. Sci. Technol. 29 (2014) 083001 (41pp)
3. Chuang, S.L. Physics of Photonics Devices. Wiley; 2 edition, 2009. 840 pp.
4. Feng, Hao, J.P. Pang, M. Sugiyama et al. Field-Induced Optical Effect in a Five-Step Asymmetric Coupled Quantum Well with Modified Potential. // IEEE Journal of Quantum Electronics 34 (7): 1197-1207 (1998)
5. Ahland, Andreas, Dirk Schulz, and Edgar Voges. Efficient Modeling of the Optical Properties of MQW Modulators on InGaAsP with Absorption Edge Merging // IEEE Journal of Quantum Electronics 34 (9): 1597-1603 (1998)
6. Mohseni, H., H. An, Z.A. Shellenbarger, M.H. et al. Enhanced Electro-Optic Effect in GalnAsP-InP Three-Step Quantum Wells. // Applied Physics Letters 84 (11): 1823-25 (2004)
7. T. Arakawa, T. Hariki, Y. Amma, M. Fukuoka, M. Ushigome, and K. Tada, "Low-voltage Mach-Zehnder modulator with InGaAs/InAlAs five-layer asymmetric coupled quantum well," Jpn. J. Appl. Phys. 51, 042203 (2012)