硅场致线性电光效应机理及其增强方法的研究

Silicon is the primary material for the photonic integration and the optoelectronic hyper integration as well as the most important microelectronic material. Because ideal silicon crystals do not have the linear electro-optic effect, silicon optical modulators have been researched widely as key materials of integrated optical circuits in recent years. With lots of breakthroughs, though the field-induced linear electro-optic effect by way of stress-induced silicon is applied generally to development optical modulators,there is still a long way to go in the actual application. Therefore, how to explain reasonably mechanisms of the stress-induced silicon linear electro-optic effect and enhance the silicon linear electro-optic effect become especially critical. At the beginning of our studies, experiments are designed to distinguish varieties of the silicon linear electro-optic effect, quantitate the stress-induced silicon linear electro-optic effect, and confirm factors of the effective second-order nonlinear susceptibility of stress-induced silicon linear electro-optic effect.Then, functions of the direct-current electric field on the strained silicon to induce the linear electro-optic effect are to be studied in order to attain stronger linear electro-optic effect. The researches are not only useful to reveal physical mechanisms and rules of the stress-induced silicon linear electro-optic effect, and provide a certain new way to quantify internal changes of the silicon material surface and interface,but also to promote the development of silicon optical modulators in use of functions of the direct-current electric field on the strained silicon to induce the linear electro-optic effect.

硅不仅是重要的微电子材料，同时也作为集成光路系统和光电混合集成的首选材料而倍受人们重视。由于理想的硅材料不具有线性电光效应限制了硅基光电子学的发展，所以利用应力诱导硅产生线性电光效应被广泛研究，这些研究尽管取得了很大突破，但仍有很多问题有待解决。怎样合理解释应力诱导的硅线性电光效应机理以及增强硅场致线性电光效应成为了研究焦点。本课题首先通过设计区分硅材料中各种电光效应的实验，定量分析施加应力大小与其对应的硅场致线性电光系数之间的关系，确定硅材料中应力诱导的二阶非线性极化率张量；之后利用“直流电场也可以使硅产生线性电光效应”这一新的实验发现研究使应变硅材料产生更强的线性电光效应的方法。本课题不仅可以揭示应力诱导硅线性电光效应的物理机质和物理规律，提供定量研究其表面和界面应变的新方法，而且利用应力及直流电场共同作用硅材料以增强其线性电光效应的新方法对推进硅基调制器的实用化进程也有很大的贡献。

硅作为重要的微电子材料、集成光路系统和光电混合集成的首选材料一直受到人们重视。但是由于理想的硅材料不具有线性电光效应却限制了硅基光电子学的发展。因此，利用应力诱导硅产生线性电光效应被广泛研究，这些研究尽管取得了很大突破，但仍有很多问题有待解决。怎样合理解释应力诱导的硅线性电光效应机理以及增强硅场致线性电光效应成为了研究焦点。为了揭示应力诱导硅线性电光效应的物理机质和物理规律，提供定量研究其表面和界面应变的新方法，进而得到使应变硅材料产生更强的线性电光效应的方法，我们开展了如下的研究工作：我们首先对各种电极结构下交直流电场的分布进行了理论分析与实验验证。在此基础上，利用横向电光调制系统，测量了MISIM结构的硅样品内的电光信号，分析等离子色散效应信号我们得出，在硅材料界面处空间电荷区附近，载流子的分布与外加交流电场成线性关系，而与外加直流电场成e指数关系。通过测量的线性电光信号，我们验证了在MISIM结构中硅材料上的两个结上内建电场方向相反，得出了通过外加直流电场测量硅半导体结上内建电场分布的方法。通过自制的应力施加装置以及测量系统测量了应力诱导的硅二阶极化率张量的值与应力的对应关系。通过实验证明，当我们对所使用的硅材料施加应力达到0.1Gpa量级时，其二阶极化率张量的值可达到pm/V的量级。此外，我们得出了一种新的测量硅材料应力分布的方法，与以往方法相比，其具有自身的优势，可作为已有应力检测方法的补充。