中红外光子集成电路的新型锗波导平台

引言

绍了在离子绝缘晶片上制作的锗肋波导器件，作为锗中红外光子学的概念验证平台。数值分析表明，在1.95微米波长下，载流子注入锗波导器件中给定光衰减的驱动电流可以比硅器件中的驱动电流小大约5倍，使得基于自由载流子吸收的同轴载流子注入锗光调制器成为可能。我们通过晶片键合制备了具有2微米厚的掩埋氧化物层(BOX)的GeOI晶片。利用锗晶片制作了锗脊波导。锗肋波导对2个微米波长是透明的，传播损耗为1.4分贝/毫米，这可能是由侧壁散射引起的。

介绍

中红外光子学现在在传感和光通信应用中引起了相当大的关注。从2到15微米的MIR光谱为许多重要分子提供了独特的灵敏度和特异性，这可能成为广泛收集传感器的基础[3]。此外，由于低损耗光子晶体光纤和光纤放大器的发展，人们对利用2微米频带来增加未来光纤通信系统的传输容量的兴趣越来越大。

然而，传统的MIR技术在应用于这些新应用时遇到了困难，因为这些设备是分立的、笨重的、昂贵的并且耗电[8]。为了克服这些困难，光子集成技术通过缩小器件尺寸是有效的。到目前为止，已经开发了许多用于MIR光子学集成的新平台，包括Si膜、Si-onAl2O3和Ge-on-Si平台，其中Ge-on-Si平台很有希望提供最宽的有用MIR波长范围和一定的工艺简易性。最近，已经有一些研究在锗硅波导中实现了非常低损耗的MIR光传输。此外，像平面凹面光栅、阵列波导光栅和热光移相器等其它锗硅器件也已被证实。然而，硅上锗平台有一些固有的缺点。首先，硅包层中的吸收限制了可用的波长范围；第二，锗和硅之间相对较小的折射率差异阻碍了光子器件覆盖区的缩小；此外，由于晶格失配而导致缺陷锗/硅界面也可能降低器件性能。因此，强烈需要一种替代结构。

对于MIR光传输，Ge几乎是一种理想的材料，因为它几乎在整个MIR范围内都表现出高透明度[2]。特别是，对于2微米波段的电信，基于应变锗和锗硅材料的激光和光探测的最新进展[19–22]使得使用基于阿格的平台实现有源和无源光子器件的单片集成变得非常可行。此外，Ge在MIR范围内具有许多良好的光学性质，例如高折射率(Si 3.45，Ge 4.1在2μm) 和强χ非线性(Si的100倍)。此外，体锗的热光效应是体硅的3倍。据报道，锗的自由载流子吸收比硅大得多。根据一些研究，锗也有望表现出非常强的自由载流子吸收。在大约2微米波长下，锗中空穴的自由载流子吸收预计比硅中的自由载流子吸收大10倍，这可能导致MIR光的高效吸收调制应用。

实验

在这项工作中，我们提出了一个概念验证Ge MIR集成光子学平台，平台上有无源和有源Ge光子器件。利用锗有源光子器件，我们研究了基于自由载流子调制的光强调制。图1显示了带有横向p-i-n结的GeOI晶圆上的锗肋波导示意图。首先，我们对基于横向p-i-n结自由载流子注入的阿格可变光衰减器进行了数值分析。然后，我们评估了在2微米波长的GeO晶片上制作的锗肋无源波导。由于GeO结构中的强光学限制，我们在锗脊波导中实现了良好的光传输，并且在2微米波段的急弯处几乎可以忽略弯曲损耗。我们还通过横向p-i-n结的载流子注入，证明了基于Ge中自由载流子吸收的光强调制。

图。1.用于载流子注入光强度调制的geO晶片上具有横向p-i-n结的Ge脊形波导的示意图。

在这项工作中，我们提出了一个概念验证Ge MIR集成光子学平台，平台上有无源和有源Ge光子器件。利用锗有源光子器件，我们研究了基于自由载流子调制的光强调制。图1显示了带有横向p-i-n结的GeOI晶圆上的锗肋波导示意图。首先，我们对基于横向p-i-n结自由载流子注入的阿格可变光衰减器进行了数值分析。然后，我们评估了在2微米波长的GeO晶片上制作的锗肋无源波导。由于GeO结构中的强光学限制，我们在锗脊波导中实现了良好的光传输，并且在2微米波段的急弯处几乎可以忽略弯曲损耗。我们还通过横向p-i-n结的载流子注入，证明了基于Ge中自由载流子吸收的光强调制。

.载流子注入锗调制器的数值分析

为了估算基于自由载流子效应的载流子注入光锗调制器的调制效率，我们通过计算机辅助设计模拟(TCAD圣塔鲁斯)和有限元光模分析，对具有横向p-i-n结的阿格肋波导进行了数值分析。

图2(a)说明了模拟的器件结构及其掺杂分布。我们设计了芯宽600纳米、芯厚220纳米、板厚50纳米的阿格肋波导。本征锗层具有恒定的掺杂分布，硼掺杂浓度为1×1016 cm3.为了形成p +和n +掺杂区域，在锗平板区域的左侧和右侧分别施加浓度为1×1020 cm3的硼和磷掺杂。使用这种结构，使用有限元方法计算模态分布。图2(b)显示了具有二氧化硅包层的锗脊波导在1.95微米波长下的基本类热电模的电场强度分布。

 

图。2.(a)具有横向p-i-n结的阿格肋形波导的结构和(b)在具有二氧化硅包层的阿格肋形波导中基本类热电模(在1.95微米)的电场强度分布。

高质量绝缘体上锗晶片制造

以前有过电子器件用GeOI晶片制造的研究，通常使用薄BOX结构。然而，对于光子器件来说，厚的BOX结构对于实现强光学限制是不可或缺的。为了制造我们的Ge MIR光子学平台所需的具有厚BOX层的高质量GeOI晶片，我们键合了阿格体晶片和硅晶片。为了分割键合的锗晶片，我们使用了Smart-CutTM技。图4(a)显示了GeOI晶圆制造的工艺流程。

 

​图。4.(a)绝缘体上锗晶片制造的工艺流程，以及(b)所制造的绝缘体上锗晶片的横截面透射电子显微镜图像。

GeO晶片上的锗肋无源波导

为了研究锗脊波导在MIR波长下的传输特性，采用传统的硅CMOS工艺在锗晶片上制作了直波导和弯曲波导。首先，用CF4气体通过反应离子刻蚀(RIE)对GeO晶片进行预清洗，并将顶部锗层减薄至300纳米。然后，通过电子束光刻和用CF4气体的RIE干蚀刻形成2-微米宽的波导图案。我们制作了芯厚300纳米、板厚100纳米的锗脊波导。最后，在样品上沉积300纳米厚的二氧化硅层进行钝化。

结论

通过在晶片上开发Ge MIR光子元件，包括Ge肋无源波导和载流子注入，我们成功地展示了概念验证Ge MIR集成光子学平台。由于在MIR波长下锗中有望产生强自由载流子效应，载流子注入锗器件在MIR中具有很大的光强度调制潜力。为了实现基于工作在MIR波长的阿格肋波导的载流子注入器件，我们在GeOI晶片上制作了Ge肋波导，并对其传输特性进行了表征。锗脊波导实现了2微米波段的光传输，传播损耗为1.4分贝/毫米。由于强光学限制，我们还在具有5微米半径的锗弯曲波导中实现了每90转0.2分贝的可忽略弯曲损耗。利用具有横向p-i-n结的锗脊形波导，我们首次证明了通过Ge p-i-n结注入载流子实现的基于Ge中自由载流子吸收的光强调制。目前，锗脊波导的传播损耗高于锗硅波导。然而，通过工艺优化，平台上的器件性能还有很大的提升空间。因此，我们证明了衬底上的光子学平台对于MIR集成光子学非常有前途。

 

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