華林科納半導體鍺光電探測器與非晶矽基板上的非晶矽波導單體整合

引言

我們展示了一個利用高質量的絕緣體上鍺(GeO)晶片透過晶片鍵合技術製造的阿格/非晶矽混合光子積體電路平臺的概念驗證演示。透過等離子體化學氣相沉積形成的非晶矽被認為是傳統矽無源波導的一種有前途的替代物。利用鍺有源層的高晶體質量和非晶矽波導的易製造性，在鍺矽晶片上成功地實現了與非晶矽無源波導單片整合的低暗電流鍺波導PIN光電探測器。

介紹

近幾十年來，矽光子學領域取得了重大進展。其中，將阿格薄膜引入矽基平臺被證明是一種成功的方法，它不僅能夠實現新的器件功能，更重要的是，能夠在單個晶片上實現各種先進系統。鍺具有許多優於矽的光學特性。它在1.3微米至1.55微米的波長下表現出很強的光吸收，使其成為光纖通訊中光電探測器(PDs)的理想選擇。在鍺中也觀察到了大的電吸收效應，使其成為實現高效光強度調製器的有前途的材料。雖然鍺是一種類似於矽的間接帶隙半導體，但它在γ谷的直接帶隙僅比間接帶隙高0.14電子伏。藉助新興的能帶結構工程技術，甚至有可能製造實用的鍺基光源。因此，透過實現鍺有源光子器件和矽無源器件，鍺和矽之間的整合為實現具有成本效益的高度功能化光子積體電路(PIC)平臺提供了有希望的手段，適用於廣泛的應用。

為了使鍺與矽結合，傳統的方法包括在矽上外延生長鍺。然而，鍺和矽之間4.2%的大晶格失配通常導致生長的鍺層以及鍺/矽介面中的高密度位錯缺陷，這可能充當不期望的產生/複合中心，降低鍺晶體質量並因此降低器件效能[1]。儘管已經進行了許多嘗試來提高外延鍺層的質量，包括諸如兩步生長、使用分級矽鍺緩衝層、縱橫比俘獲和退火技術的方法，但是仍然難以消除外延生長期間產生的所有缺陷並獲得足夠高質量的阿格薄膜。

除了工藝複雜、成本高的先進外延生長方法外，晶圓鍵合技術對於高質量鍺矽整合也很有前景。透過將阿格薄膜從阿格大塊晶片轉移到矽襯底上，可以避免由於晶格失配引起的晶體缺陷。此前，我們已經報道了透過結合晶圓鍵合和智慧剝離技術技術成功製造出高質量的絕緣體上鍺(GeOI)晶圓。

實驗

非晶矽無源波導

無定形矽以其工藝簡單和整合光學設計靈活而聞名[22–24]。為了檢驗其替代傳統矽波導用於在鍺矽襯底上互連的能力，在2微米厚的二氧化矽覆蓋的矽襯底上製造非晶矽波導，這也用於鍺矽晶片製造。

為了便於測量，在非晶矽波導的兩端設計了一對聚焦光柵耦合器，採用了與傳統SOI光柵耦合器相似的設計方法[25]。假設a-Si的折射率值為3.7 ，應用560 nm的光柵間距、0.5的填充因子、9的入射角和70 nm的蝕刻深度作為具有220 nm的a-Si層厚度的光柵耦合器的設計引數，目的是在1550 nm的中心波長實現。此外，光柵耦合器和矽波導也製作在SOI晶片上，該晶片包含220奈米厚的矽頂層和2微米厚的二氧化矽盒作為比較。

圖2(a)顯示了與聚焦光柵耦合器整合在一起的人工非晶矽波導的顯微鏡平面圖。為了表徵aSi波導的傳輸特性，來自商用可調諧鐳射器的光輸入透過單模光纖(SMF)耦合到輸入光柵耦合器。然後，輸出光再次從輸出光柵耦合器耦合到另一個SMF，透射功率由銦鎵砷光電探測器測量。圖2(b)顯示了與一對光柵耦合器耦合的1微米寬0.9毫米長的非晶矽波導的典型透射光譜。

圖。2.與聚焦光柵耦合器整合的非晶矽波導的顯微鏡平面圖。插圖顯示了非晶矽光柵耦合器的放大圖。與一對光柵耦合器耦合的非晶矽波導的典型透射光譜。

高質量GeO晶片上的Ge脊形波導PDs

高質量的鍺層對於獲得高效能的鍺鈀非常重要。為了獲得高質量的鍺矽晶片，透過結合晶片鍵合和智慧剝離技術技術，將來自阿格大塊晶片的阿格薄膜轉移到矽襯底上2μm厚的二氧化矽層上。對化學機械拋光後的鍺晶片進行最佳化的熱退火工藝，進行表面平面化，進一步提高鍺晶體質量。參考文獻[20]中給出了GeOI晶圓製造的細節。霍爾測量顯示，在所製造的GeO晶片上的鍺層中，具有超過2000 cm2/Vs的高空穴遷移率和大約1×1016 cm3的低載流子密度，這對於各種基於鍺的功能器件是理想的。為了進一步研究鍺的晶體質量，對鍺襯底進行了透射電子顯微鏡觀察。

圖4顯示了製造的GeO晶片的橫截面TEM影象。插圖顯示了靠近鍺和二氧化矽盒介面的鍺層的放大圖。

結論

我們已經使用晶片鍵合的GeOI襯底對阿格/非晶矽混合PIC平臺進行了概念驗證演示。利用鍺層的高晶體質量和強光學限制，在鍺襯底上實現了具有低暗電流和高響應度的阿格脊形波導。我們還研究了非晶矽波導替代傳統矽波導在鍺矽晶片上進行無源互連的能力。與傳統的矽波導相比，所製備的非晶矽條形波導表現出良好的傳輸特性，表明非晶矽在鍺矽晶片上應用於整合光學具有很大的潛力。透過在阿格檯面上引入傾斜側壁結構，實現了鍺/非晶矽在鍺矽晶片上的共形沉積，並在此基礎上成功實現了非晶矽波導整合鍺鈀。此外，所提出的整合方案也適用於鍵合在二氧化矽/矽晶片上的ⅲ-ⅴ族層，實現了更大的功能和更多的可能性。因此，未來可以為先進的整合光子學開發一個有前途的鍺/ⅲ-釩/非晶矽光子學平臺。