脊型波导电吸收调制器中横向电流扩展效应的建模与实验验证

主要作者及发表信息

该研究由来自中国科学院半导体研究所（Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences）的王辉涛（Huitao Wang）、卢丹（Dan Lu）、王浩（Hao Wang）、郭飞（Fei Guo）、刘松涛（Songtao Liu）、周代兵（Daibing Zhou）、朱洪亮（Hongliang Zhu）、王圩（Wei Wang）、黄永光（Yongguang Huang）、张瑞康（Ruikang Zhang）和吉晨（Chen Ji）共同完成。这项研究成果于2015年11月发表于国际知名学术期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》（IEEE电子器件汇刊）第62卷第11期，页码从3756至3759。

研究背景与目的

半导体电吸收调制器（Electroabsorption Modulators, EAMs）是高速光通信系统中的核心组件，因其尺寸小、速率高、驱动电压低等优势，在数字光纤通信和射频光纤（Radio-over-Fiber）系统中应用广泛。对EAM进行精确建模，尤其是推导出一个精确的射频等效电路（RF equivalent circuit），是优化高速EAM器件及其驱动集成电路（IC）设计的关键步骤。然而，早期的EAM等效电路模型要么过于复杂，要么依赖于缺乏明确物理意义的经验参数，限制了其通用性。尽管已有研究提出了改进模型，但是本研究的作者通过仿真和实验分析发现，这些模型未能合理考虑脊型波导（ridge waveguide）结构EAM中固有的横向电流扩展效应（lateral current spreading effect），而该效应正是影响EAM动态性能的重要因素。

此前，关于脊型波导激光器在正向偏置下的横向电流扩展效应已有研究报道，但针对脊型波导EAM在反向偏置工作条件下的这一效应，文献中尚缺乏系统性的研究。考虑到脊型波导EAM因其制造工艺简单、成本低，正在下一代光通信网络，尤其是在大容量的100G以太网光数据通信市场中变得普及，建立一个更精确的等效电路模型对于充分优化EAM及整体光数据链路性能具有重大意义。因此，本研究的目的，即是首次提出一个实用的、基于传输线模型（transmission line model）的脊型EAM等效电路，用以精确建模和分析此类结构中固有的横向电流扩展效应。

详细研究工作流程

本研究的工作流程涵盖了理论建模、器件制备、参数提取与模型验证等多个环节。

首先，在理论建模阶段，研究团队将脊型结构EAM中的横向电流扩展效应抽象为一个传输线电路模型。该效应主要表现为载流子在p型包层中的横向流动以及在有源区（active region）内、背离脊波导中心方向的扩散（diffusion），导致有效结区面积（effective junction area）增大，从而增加结电容（junction capacitance）并降低电光（Electro-Optical, E/O）响应带宽。在模型中，脊波导之外区域的材料被表征为单位长度电阻$R{e1}$（Ω/m），而p-n结的单位长度电容为$C{e1}$（F/m）。通过将脊两侧的对称传输线电路并联简化，得到了包含集中参数$R_e$和$C_e$的等效电路，并给出了传输线输入阻抗$Z_e$、特征阻抗$Z_0$和复传播常数$\gamma$的数学表达式。为了精确提取芯片的本征参数，模型还考虑了芯片烧结在氮化铝（AlN）基座（submount）上的寄生效应，包括基座的寄生电容$C_0$和键合线电感$L$。最终，完整的器件射频等效电路模型不仅包含了传输线网络所代表的横向电流扩展效应，还整合了其他寄生效应，如焊盘电容$C_p$、串联电阻$R_s$、脊正下方的结电容$C_j$以及结电阻$Rj$（由光电流$I{ph}$导出）。

其次，在实验验证阶段，研究人员制备了自主研制的EAM测试器件。该器件的制备流程如下：使用金属有机物化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）生长外延结构，有源区包含6对7纳米厚的InGaAsP量子阱（Quantum Wells）、10纳米厚的量子势垒（quantum barriers），以及标准的p型和n型InP包层（cladding layers）和p型InGaAs接触层。之后，通过湿法刻蚀（wet etching）工艺，在InGaAsP刻蚀停止层（etch stop layer）上形成反向台面脊型波导，脊底部宽度为1.6微米。在焊盘（bonding pad）下方制作了一层1微米厚的聚酰亚胺（polyimide）层以减小焊盘电容。后续工艺包括脊顶部的接触窗口开孔和接触金属化。芯片解理（cleaved）为150微米长的条状后，被烧结在AlN基座上用于射频和直流特性表征。

最后，在参数提取与模型验证阶段，研究者使用矢量网络分析仪（HP 8510C）配合50 GHz光电探测器测试了器件的S11反射系数和S21电光响应。输入的10 dBm、1310纳米、TE偏振光信号由可调谐激光源提供，并通过一对透镜光纤耦合输入和输出。器件模型和仿真在Agilent ADS软件中进行。通过将实测的S11数据（在反向偏置电压下）与基于所提出的传输线模型的仿真结果进行曲线拟合（curve fitting），提取出了等效电路的所有参数，如$R{e1}$、$C{e1}$、$C_p$、$Rs$等。为进一步直接证实模型的物理有效性，研究人员还对本结构中的锌（Zn）掺杂分布进行了二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS）分析，确定了脊波导底部刻蚀停止层区域的平均p型掺杂水平。基于此掺杂分布可计算出单位长度电阻$R{e1}$的理论值，并将其与S11拟合提取的$R_{e1}$值进行比较。

主要研究结果

研究结果清晰地证实了所提出模型的有效性和横向电流扩展效应的重要性。

S11曲线拟合结果显示，基于传输线模型的理论曲线在0至12 GHz的全部频率范围内，与在-1V偏置下测量的S11数据实现了完美吻合。并且，在所有测试的反向直流偏置水平下（-1V至-3V）均实现了精确拟合，成功提取了不同偏压下的电路参数。这是模型的第一个关键验证。

更为重要的是模型物理意义的验证。通过SIMS分析得到的p型掺杂分布图，研究者确认了湿法刻蚀停止层区域的锌掺杂浓度约为5×10¹⁷ cm⁻³。基于此掺杂浓度和器件结构，计算得到的单位长度电流扩展电阻$R{e1}$的理论值约为8×10⁷ Ω/m。这一数值与从S11曲线拟合中提取的$R{e1}$值（如表II所示）非常匹配。这一结果为传输线模型的物理有效性提供了强有力的直接证据，而非仅仅是数学上的曲线拟合。同时，计算出的$C_{e1}$值与提取值的数量级也相当。

对EAM小信号E/O响应（S21参数）的预测与比较，是模型的最终验证。假设S21响应是电学受限的（对于EAM半导体器件的典型情况），研究者基于等效电路模型和从S11拟合中提取的参数，仿真了E/O响应。将仿真结果与直接测量的S21响应进行对比，结果显示两者匹配得极佳。这证明了该传输线模型不仅能够精确拟合S11参数，更能准确预测脊型波导EAM的高速调制性能。

此外，研究还利用提取的参数对器件横向的射频电流分布进行了仿真。结果显示，在1 GHz频率下，射频电流流可以扩展到距离脊中心20微米处；而在20 GHz时，扩展范围缩减至5微米。这个仿真结果定量地揭示了横向电流扩展效应的频率依赖性：频率越低，扩展越严重。由公式(8)定义的传输长度（transfer length）在1、3、10和20 GHz时分别计算为5.19、3、1.64和1.16微米，这些数值均远小于芯片的横向尺寸，验证了模型的适用性。

结论与研究价值

本研究首次对脊型波导电吸收调制器中的横向电流扩展效应进行了系统性的研究，并提出了一个专门用于解释此效应的射频等效电路模型。通过严谨的实验验证，研究证明，所提出的传输线模型不仅能实现对S11数据的高精度拟合，还能对S21电光响应做出准确预测。模型参数的物理意义被SIMS掺杂分析剖面和电流扩展效应的直接仿真所充分证实。

本研究的科学价值在于，它解决了传统EAM模型未考虑脊型波导结构固有横向电流扩展效应的缺陷，提出了一种物理意义明确、预测能力强的新模型架构。其应用价值在于，该模型对于高速脊型波导EAM器件的设计和优化具有关键作用，能够帮助工程师更准确地预测器件带宽，优化外延结构（尤其是p型掺杂区的电阻率）和几何尺寸，从而推动脊型波导EAM在光通信网络中的大规模应用。

研究亮点

本研究的亮点主要体现在三个方面。第一，问题的新颖性：首次聚焦并系统性地解决了脊型波导EAM在反向偏置下的横向电流扩展效应建模问题，填补了该领域的知识空白。第二，方法的独创性与严谨性：提出了一个创新且简洁的基于传输线的等效电路模型，并且通过S11数据拟合、S21E/O响应预测以及基于SIMS掺杂分析的物理参数验证这一套完整、严密的验证链条，从现象拟合、性能预测到物理根源三个层面充分证明了模型的有效性和准确性，其中SIMS验证提供了极为坚实的物理基础。第三，结论的实用性：通过定量仿真，清晰地展示了横向电流扩展效应的频率依赖特性及其影响范围，为器件设计者提供了直观且可用于指导实践的重要见解。