半导体锗光电探测器与非晶硅基板上的非晶硅波导单体集成.docx

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1、半导体楮光电探测器与非晶硅基 板上的非晶硅波导单体集成国g L基于GeO晶片的镂.啡品造混合光子自小SAAAAA引言 我们展示了一个利用高质量的绝缘体上楮(GeO)晶片通过晶片键合技术制造的阿 格/非晶硅混合光子集成曳路平台的概念验证演示。通过等离子体化学气相沉积 形成的非晶硅被认为是传统硅无源波导的一种有前途的替代物。利用楮有源层 的高晶体质量和非晶硅波导的易制造性，在错硅晶片上成功地实现了与非晶硅 无源波导单片集成的低暗电流错波导PIN光电探测器。介绍近几十年来，硅光子学领域取得了重大进展。其中，将阿格薄膜引入硅基平台 被证明是一种成功的方法，它不仅能够实现新的器件功能，更重要的是，能够

2、在单个芯片上实现各种先进系统。在具有许多优于硅的光学特性。它在L3微 米至1. 55微米的波长下表现出很强的光吸收，使其成为光纤通信中光电探测器 (PDs)的理想选择。在错中也观察到了大的电吸收效应，使其成为实现高效光强 度调制器的有前途的材料。虽然楮是一种类似于硅的间接带隙坐目隹，但它在 Y谷的直接带隙仅比间接带隙高0. 14电子伏。借助新兴的能带结构工程技术, 甚至有可能制造实用的锚基光源。因此，通过实现铸有源光子器件和硅无源器 件，错和硅之间的集成为实现具有本钱效益的高度功能化光子集成电路(PIC)平 台提供了有希望的手段，适用于广泛的应用。为了使错与硅结合，传统的方法包括在硅上外延生长

3、错。然而，错和硅之间 4. 2%的大晶格失配通常导致生长的楮层以及错/硅界面中的高密度位错缺陷，这 可能充当不期望的产生/复合中心，降低错晶隹质量并因此降低器件性能1。 尽管已经进行了许多尝试来提高外延错层的质量，包括诸如两步生长、使用分级硅楮缓冲层、纵横比俘获和退火技术的方法，但是仍然难以消除外延生长期 间产生的所有缺陷并获得足够高质量的阿格薄膜。除了工艺复杂、本钱高的先进外延生长方法外，晶圆键合技术对于高质量错硅 集成也很有前景。通过将阿格薄膜从阿格大块晶片转移到硅衬底上，可以防止 由于晶格失配引起的晶体缺陷。此前，我们已经报道了通过结合晶圆键合和智 能剥离技术技术成功制造出高质量的绝缘体

4、上错(GeOI)晶圆。国g L基于GeO晶片的镂.啡品造混合光子自小实验非晶硅无源波导无定形硅以其工艺简单和集成光学设计灵活而闻名22 - 24。为了检验其替代 传统硅波导用于在错硅衬底上互连的能力，在2微米厚的二氧化硅覆盖的硅衬 底上制造非晶硅波导，这也用于错硅晶片制造。为了便于测量,在非晶硅波导的两端设计了一对聚焦光栅遇合器，采用了与传 统SOI光栅耦合器相似的设计方法25。假设a-Si的折射率值为3.7 ,应用 560 nm的光栅间距、0.5的填充因子、9的入射角和70 nm的蚀刻深度作为具 有220 nm的a-Si层厚度的光栅耦合器的设计参数，目的是在1550 nm的中心 波长实现。止

5、匕外，光栅耦合器和硅波导也制作在SOI晶片上，该晶片包含220 纳米厚的硅顶层和2微米厚的二氧化硅盒作为比拟。图2(a)显示了与聚焦光栅耦合器集成在一起的人工非晶硅波导的显微镜平面图。 为了表征aSi波导的传输特性，来自商用可调谐激光器的光输入通过单模光纤 (SMF)耦合到输入光栅耦合器。然后，输出光再次从输出光栅耦合器耦合到另一 个SMF,透射功率由锢线神光电探测器测量。图2(b)显示了与一对光栅耦合器 耦合的1微米宽0. 9毫米长的非晶硅波导的典型透射光谱。厂厂0Q- ：a）nO-1420 1 440 14T-波长（纳米）图。2,与聚焦光栅耦合器集成的非晶硅波导的显微镜平面图。插图显示了非

6、晶 硅光栅耦合器的放大图。与一对光栅耦合器耦合的非晶硅波导的典型透射光谱。高质量GeO晶片上的Ge脊形波导PDs高质量的错层对于获得高性能的错钳非常重要。为了获得高质量的错硅晶片， 通过结合晶片键合和智能剥离技术技术，将来自阿格大块晶片的阿格薄膜转移 到硅衬底上2 u m厚的二氧化硅层上。对化学机械抛光后的楮晶片进行优化的热 退火工艺，进行外表平面化，进一步提高楮晶体质量。参考文献20中给出了 GeOI晶圆制造的细节。霍尔测量显示，在所制造的GeO晶片上的错层中，具有 超过2000 cm2/Vs的高空穴迁移率和大约1X1016 cm3的低载流子密度，这对 于各种基于错的功能器件是理想的。为了进

7、一步研究铭的晶体质量，对楮衬底 进行了透射电子显微镜观察。图4显示了制造的GeO晶片的横截面TEM图像。插图显7K了靠近楮和二氧化硅 盒界面的铭层的放大图。一结论我们已经使用晶片键合的GeOI衬底对阿格/非晶硅混合PIC平台进行了概念验 证演示。利用错层的高晶体质量和强光学限制，在楮衬底上实现了具有低暗电 流和高响应度的阿格脊形波导。我们还研究了非晶硅波导替代传统硅波导在错 硅晶片上进行无源互连的能力。与传统的硅波导相比，所制备的非晶硅条形波 导表现出良好的传输特性，说明非晶硅在倍硅晶片上应用于集成光学具有很大 的潜力。通过在阿格台面上引入倾斜侧壁结构，实现了楮/非晶硅在错硅晶片上 的共形沉积，并在此基础上成功实现了非晶硅波导集成楮钿。此外，所提出的 集成方案也适用于键合在二氧化硅/硅晶片上的iii-v族层，实现了更大的功能 和更多的可能性。因此，未来可以为先进的集成光子学开发一个有前途的错 /皿-钗/非晶硅光子学平台。