锗对氮化硅中红外集成光子学的波导

引言

在中红外波长下，演示了一种具有大纤芯-包层指数对比度的锗基平台——氮化硅锗波导。仿真验证了该结构的可行性。这种结构是通过首先将氮化硅沉积的硅上锗施主晶片键合到硅衬底晶片上，然后通过层转移方法获得氮化硅上锗结构来实现的，该结构可扩展到所有晶片尺寸。

介绍

近年来，硅基光子学由于其与CMOS工艺的兼容性以及与微电子集成的可能性而备受关注.研究人员一直试图将光子学的工作波长扩展到中红外(MIR)，这里定义为2–15 μm，因为在MIR中有望应用，如下一代通信、生化传感、环境监测等.标准绝缘体上硅(SOI)不适合MIR，因为掩埋氧化物层的材料损耗在3.7lm及以上变得非常高。已经做出了许多努力来寻找一种可以在和平号上工作的替代材料系统。蓝宝石上的硅(SOS)波导技术已经被追求，以将工作波长范围扩展到4.4lm.氮化硅(SON)波导，提供1.2–6.7 μm的宽透明范围，也已经被提出.锗(ge)具有宽透明性和许多光学特性，使其成为SOI的良好替代物。

绝缘体上锗(GOI)已经被提出，并且无源波导和有源锗调制器已经在该平台上制造，但是如上所述，掩埋氧化物层实际上限制了该平台的透明度.SOI上的锗也已经被报道具有其电学优势.硅上锗(GOS)平台目前被广泛用于光子学研究，并且已经取得了许多令人印象深刻的成就.该平台上的最低传播损耗锗波导仅被报道具有0.6dB/cm的损耗.然而，锗(n . 4。折射率的数值为3.8 μm。因此，GOS的弯曲半径必须相应地大于SOI的弯曲半径，导致GOS片上器件的覆盖区通常大于SOI。我们需要的是一种更好的替代锗波导平台，它将提供比GOS更大的芯包层折射率对比度，以及有用的透明度和更小的通道弯曲半径。

为了实现这些目标，在本工作中提出和实现的结构是硅上锗氮化物，这里称为GON。我们的PECVD氮化硅(SiNx)的折射率由椭偏仪测量，在3.8lm时为。SiNx的透明度通常高达约7.5毫米。所以GON中的指数对比是.一旦实现了这种工作在MIR范围内的Ge平台，将会有许多可以用紧凑的占地面积制造的无源光子器件，例如MachZehnder干涉仪、微环谐振器等等。为了制造一个紧凑的环，需要一个小的弯曲半径，而这只有在具有强光学限制的高对比度波导中才有可能.向前移动，紧凑的传感装置也可以基于具有这种锗平台的微环谐振器来实现。最重要的是，我们开发了一种可行且可扩展的晶圆键合和层转移技术来实现GON。

实验

锗/硅平台可以通过几种技术制造。这些技术包括锗冷凝、液相外延、20和层转移技术.21然而，当锗直接生长在氮化硅上时，锗晶体的质量预计会很差，并形成高密度的缺陷

图。2.与GOS相比，尼泊尔政府的模拟弯曲损耗更低，表明尼泊尔政府的波导弯曲损耗更低。

因为SiNx是非晶态的。因此，这些缺陷会增加散射损耗。在这项工作中，我们利用晶片键合和层转移技术来制造如图2所示的GON。硅施主晶片使用减压化学气相沉积(RPCVD)和三步锗生长方法.22然后锗外延层用氮化硅涂覆，并转移到另一个硅衬底上以获得GON晶片。为了比较，一些锗硅(GOS)晶片(以类似的方式生长但不转移)被包括在随后的实验中。最终锗层的穿透位错密度(TDD)通常< 5106cm2，表面粗糙度< 1nm，拉伸应变为0.2%.23此外，对施主晶片进行清洗，以获得没有氧化物和污染物的表面，然后用去离子水(DI水)冲洗并进行N2干燥。在清洗过程之后，施主晶片被装载到Cello PECVD系统中，用于拉伸应变SiNx的沉积。沉积后退火几个小时可以确保在沉积过程中释放晶片中捕获的气体。

所有的热处理都是在低于40℃的温度下进行的。此外，另一个1毫米的SiNx沉积在晶片的背面，以补偿弯曲效应。通过低温等离子体化学气相沉积，最终沉积300纳米的结合层。该结合层是二氧化硅，使得能够容易地与另一个硅处理晶片结合。由于在这项工作中使用了亲水型键合，在键合反应中会形成水分子。因此，选择二氧化硅作为粘结层，因为它可以吸收这些水分子，从而提供高粘结质量.24粘结层经过化学机械抛光(化学机械抛光)至100纳米，以降低表面粗糙度，使其适合晶片粘结。施主晶片然后可以被结合到硅衬底晶片上。在结合之前，两个晶片表面都要暴露在O2等离子体中约15s，以改善表面的亲水性。

之后，加入阿迪水洗步骤以提高表面羟基的密度，从而引发结合。然后在低于30℃的温度下对键合晶片对进行键合后退火约4小时，以提高键合强度。使用红外成像检查键合晶片，以检查界面空隙的形成。为了完成层转移过程，对顶部硅施主晶片进行研磨，以便转移衬底晶片上的锗/氮化硅层堆叠。随后使用四甲基氢氧化铵(TMAH)进行湿法蚀刻，以完全去除硅施主晶片。考虑到硅对锗的高选择性，蚀刻停止发生在原来的锗/硅界面。

该锗/硅界面层随后将通过化学和机械抛光去除。我们的工艺使用两个硅晶片，硅施主晶片和硅衬底晶片，因此可扩展到所有晶片尺寸。x射线衍射(XRD)分析用于表征锗薄膜质量，参考制造耿氏晶片后的GOS，结果如图4所示.XRD分析表明，锗外延层的晶体质量没有明显变化，其峰值强度和曲线形状与硅晶片上的锗相当。

​图。4.耿和GOS锗外延层的XRD图谱。

总结

总之，含有失配位错的缺陷层可以通过层转移暴露出来，并通过化学机械抛光去除，从而在覆层下的SiNx上提供高质量的锗层。进行模拟以研究GON平台提供更小的通道弯曲半径的可行性。波导在GON晶片上制造，并在3.8lm波长下表征。在半径为5毫米的GON上的弯曲损耗为0.1460.01分贝/弯曲，传播损耗为3.3560.5分贝/厘米。这些损失有望通过使用先进的工艺(如电子束光刻和深反应离子刻蚀)或不的结构来提高侧壁质量来进一步降低。

 

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