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

引言

我们展示了一个利用高质量的绝缘体上锗(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电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。利用锗有源层的高晶体质量和非晶硅波导的易制造性，在锗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锗波导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，能够在单个芯片上实现各种先进系统。锗具有许多优于硅的光学特性。它在1.3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。在锗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。虽然锗是一种类似于硅的间接带隙半导体，但它在γ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锗基光源。因此，通过实现锗有源光子器件和硅无源器件，锗和硅之间的集成为实现具有成本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。

为了使锗与硅结合，传统的方法包括在硅上外延生长锗。然而，锗和硅之间4.2%的大晶格失配通常导致生长的锗层以及锗/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，降低锗晶体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锗层的质量，包括诸如两步生长、使用分级硅锗缓冲层、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、成本高的先进外延生长方法外，晶圆键合技术对于高质量锗硅集成也很有前景。通过将阿格薄膜从阿格大块晶片转移到硅衬底上，可以避免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上锗(GeOI)晶圆。

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锗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，这也用于锗硅晶片制造。

为了便于测量，在非晶硅波导的两端设计了一对聚焦光栅耦合器，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。此外，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较。

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，透射功率由铟镓砷光电探测器测量。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。

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

高质量的锗层对于获得高性能的锗钯非常重要。为了获得高质量的锗硅晶片，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2μm厚的二氧化硅层上。对化学机械抛光后的锗晶片进行优化的热退火工艺，进行表面平面化，进一步提高锗晶体质量。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晶片上的锗层中，具有超过2000 cm2/Vs的高空穴迁移率和大约1×1016 cm3的低载流子密度，这对于各种基于锗的功能器件是理想的。为了进一步研究锗的晶体质量，对锗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。插图显示了靠近锗和二氧化硅盒界面的锗层的放大图。

 

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。利用锗层的高晶体质量和强光学限制，在锗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锗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，表明非晶硅在锗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，实现了锗/非晶硅在锗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锗钯。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锗/ⅲ-钒/非晶硅光子学平台。