中紅外光子集成電路的新型鍺波導(dǎo)平臺(tái)

引言

紹了在離子絕緣晶片上制作的鍺肋波導(dǎo)器件，作為鍺中紅外光子學(xué)的概念驗(yàn)證平臺(tái)。數(shù)值分析表明，在1.95微米波長(zhǎng)下，載流子注入鍺波導(dǎo)器件中給定光衰減的驅(qū)動(dòng)電流可以比硅器件中的驅(qū)動(dòng)電流小大約5倍，使得基于自由載流子吸收的同軸載流子注入鍺光調(diào)制器成為可能。我們通過晶片鍵合制備了具有2微米厚的掩埋氧化物層(BOX)的GeOI晶片。利用鍺晶片制作了鍺脊波導(dǎo)。鍺肋波導(dǎo)對(duì)2個(gè)微米波長(zhǎng)是透明的，傳播損耗為1.4分貝/毫米，這可能是由側(cè)壁散射引起的。

介紹

中紅外光子學(xué)現(xiàn)在在傳感和光通信應(yīng)用中引起了相當(dāng)大的關(guān)注。從2到15微米的MIR光譜為許多重要分子提供了獨(dú)特的靈敏度和特異性，這可能成為廣泛收集傳感器的基礎(chǔ)[3]。此外，由于低損耗光子晶體光纖和光纖放大器的發(fā)展，人們對(duì)利用2微米頻帶來增加未來光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量的興趣越來越大。

然而，傳統(tǒng)的MIR技術(shù)在應(yīng)用于這些新應(yīng)用時(shí)遇到了困難，因?yàn)檫@些設(shè)備是分立的、笨重的、昂貴的并且耗電[8]。為了克服這些困難，光子集成技術(shù)通過縮小器件尺寸是有效的。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了許多用于MIR光子學(xué)集成的新平臺(tái)，包括Si膜、Si-onAl2O3和Ge-on-Si平臺(tái)，其中Ge-on-Si平臺(tái)很有希望提供最寬的有用MIR波長(zhǎng)范圍和一定的工藝簡(jiǎn)易性。最近，已經(jīng)有一些研究在鍺硅波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了非常低損耗的MIR光傳輸。此外，像平面凹面光柵、陣列波導(dǎo)光柵和熱光移相器等其它鍺硅器件也已被證實(shí)。然而，硅上鍺平臺(tái)有一些固有的缺點(diǎn)。首先，硅包層中的吸收限制了可用的波長(zhǎng)范圍；第二，鍺和硅之間相對(duì)較小的折射率差異阻礙了光子器件覆蓋區(qū)的縮?。淮送?，由于晶格失配而導(dǎo)致缺陷鍺/硅界面也可能降低器件性能。因此，強(qiáng)烈需要一種替代結(jié)構(gòu)。

對(duì)于MIR光傳輸，Ge幾乎是一種理想的材料，因?yàn)樗鼛缀踉谡麄€(gè)MIR范圍內(nèi)都表現(xiàn)出高透明度[2]。特別是，對(duì)于2微米波段的電信，基于應(yīng)變鍺和鍺硅材料的激光和光探測(cè)的最新進(jìn)展[19–22]使得使用基于阿格的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)有源和無源光子器件的單片集成變得非?？尚小４送?，Ge在MIR范圍內(nèi)具有許多良好的光學(xué)性質(zhì)，例如高折射率(Si 3.45，Ge 4.1在2μm) 和強(qiáng)χ非線性(Si的100倍)。此外，體鍺的熱光效應(yīng)是體硅的3倍。據(jù)報(bào)道，鍺的自由載流子吸收比硅大得多。根據(jù)一些研究，鍺也有望表現(xiàn)出非常強(qiáng)的自由載流子吸收。在大約2微米波長(zhǎng)下，鍺中空穴的自由載流子吸收預(yù)計(jì)比硅中的自由載流子吸收大10倍，這可能導(dǎo)致MIR光的高效吸收調(diào)制應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)

在這項(xiàng)工作中，我們提出了一個(gè)概念驗(yàn)證Ge MIR集成光子學(xué)平臺(tái)，平臺(tái)上有無源和有源Ge光子器件。利用鍺有源光子器件，我們研究了基于自由載流子調(diào)制的光強(qiáng)調(diào)制。圖1顯示了帶有橫向p-i-n結(jié)的GeOI晶圓上的鍺肋波導(dǎo)示意圖。首先，我們對(duì)基于橫向p-i-n結(jié)自由載流子注入的阿格可變光衰減器進(jìn)行了數(shù)值分析。然后，我們?cè)u(píng)估了在2微米波長(zhǎng)的GeO晶片上制作的鍺肋無源波導(dǎo)。由于GeO結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)光學(xué)限制，我們?cè)阪N脊波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了良好的光傳輸，并且在2微米波段的急彎處幾乎可以忽略彎曲損耗。我們還通過橫向p-i-n結(jié)的載流子注入，證明了基于Ge中自由載流子吸收的光強(qiáng)調(diào)制。

圖。1.用于載流子注入光強(qiáng)度調(diào)制的geO晶片上具有橫向p-i-n結(jié)的Ge脊形波導(dǎo)的示意圖。

在這項(xiàng)工作中，我們提出了一個(gè)概念驗(yàn)證Ge MIR集成光子學(xué)平臺(tái)，平臺(tái)上有無源和有源Ge光子器件。利用鍺有源光子器件，我們研究了基于自由載流子調(diào)制的光強(qiáng)調(diào)制。圖1顯示了帶有橫向p-i-n結(jié)的GeOI晶圓上的鍺肋波導(dǎo)示意圖。首先，我們對(duì)基于橫向p-i-n結(jié)自由載流子注入的阿格可變光衰減器進(jìn)行了數(shù)值分析。然后，我們?cè)u(píng)估了在2微米波長(zhǎng)的GeO晶片上制作的鍺肋無源波導(dǎo)。由于GeO結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)光學(xué)限制，我們?cè)阪N脊波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了良好的光傳輸，并且在2微米波段的急彎處幾乎可以忽略彎曲損耗。我們還通過橫向p-i-n結(jié)的載流子注入，證明了基于Ge中自由載流子吸收的光強(qiáng)調(diào)制。

.載流子注入鍺調(diào)制器的數(shù)值分析

為了估算基于自由載流子效應(yīng)的載流子注入光鍺調(diào)制器的調(diào)制效率，我們通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模擬(TCAD圣塔魯斯)和有限元光模分析，對(duì)具有橫向p-i-n結(jié)的阿格肋波導(dǎo)進(jìn)行了數(shù)值分析。

圖2(a)說明了模擬的器件結(jié)構(gòu)及其摻雜分布。我們?cè)O(shè)計(jì)了芯寬600納米、芯厚220納米、板厚50納米的阿格肋波導(dǎo)。本征鍺層具有恒定的摻雜分布，硼摻雜濃度為1×1016 cm3.為了形成p +和n +摻雜區(qū)域，在鍺平板區(qū)域的左側(cè)和右側(cè)分別施加濃度為1×1020 cm3的硼和磷摻雜。使用這種結(jié)構(gòu)，使用有限元方法計(jì)算模態(tài)分布。圖2(b)顯示了具有二氧化硅包層的鍺脊波導(dǎo)在1.95微米波長(zhǎng)下的基本類熱電模的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

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圖。2.(a)具有橫向p-i-n結(jié)的阿格肋形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和(b)在具有二氧化硅包層的阿格肋形波導(dǎo)中基本類熱電模(在1.95微米)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

高質(zhì)量絕緣體上鍺晶片制造

以前有過電子器件用GeOI晶片制造的研究，通常使用薄BOX結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)于光子器件來說，厚的BOX結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光學(xué)限制是不可或缺的。為了制造我們的Ge MIR光子學(xué)平臺(tái)所需的具有厚BOX層的高質(zhì)量GeOI晶片，我們鍵合了阿格體晶片和硅晶片。為了分割鍵合的鍺晶片，我們使用了Smart-CutTM技。圖4(a)顯示了GeOI晶圓制造的工藝流程。

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?圖。4.(a)絕緣體上鍺晶片制造的工藝流程，以及(b)所制造的絕緣體上鍺晶片的橫截面透射電子顯微鏡圖像。

GeO晶片上的鍺肋無源波導(dǎo)

為了研究鍺脊波導(dǎo)在MIR波長(zhǎng)下的傳輸特性，采用傳統(tǒng)的硅CMOS工藝在鍺晶片上制作了直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)。首先，用CF4氣體通過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)對(duì)GeO晶片進(jìn)行預(yù)清洗，并將頂部鍺層減薄至300納米。然后，通過電子束光刻和用CF4氣體的RIE干蝕刻形成2-微米寬的波導(dǎo)圖案。我們制作了芯厚300納米、板厚100納米的鍺脊波導(dǎo)。最后，在樣品上沉積300納米厚的二氧化硅層進(jìn)行鈍化。

結(jié)論

通過在晶片上開發(fā)Ge MIR光子元件，包括Ge肋無源波導(dǎo)和載流子注入，我們成功地展示了概念驗(yàn)證Ge MIR集成光子學(xué)平臺(tái)。由于在MIR波長(zhǎng)下鍺中有望產(chǎn)生強(qiáng)自由載流子效應(yīng)，載流子注入鍺器件在MIR中具有很大的光強(qiáng)度調(diào)制潛力。為了實(shí)現(xiàn)基于工作在MIR波長(zhǎng)的阿格肋波導(dǎo)的載流子注入器件，我們?cè)贕eOI晶片上制作了Ge肋波導(dǎo)，并對(duì)其傳輸特性進(jìn)行了表征。鍺脊波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了2微米波段的光傳輸，傳播損耗為1.4分貝/毫米。由于強(qiáng)光學(xué)限制，我們還在具有5微米半徑的鍺彎曲波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了每90轉(zhuǎn)0.2分貝的可忽略彎曲損耗。利用具有橫向p-i-n結(jié)的鍺脊形波導(dǎo)，我們首次證明了通過Ge p-i-n結(jié)注入載流子實(shí)現(xiàn)的基于Ge中自由載流子吸收的光強(qiáng)調(diào)制。目前，鍺脊波導(dǎo)的傳播損耗高于鍺硅波導(dǎo)。然而，通過工藝優(yōu)化，平臺(tái)上的器件性能還有很大的提升空間。因此，我們證明了襯底上的光子學(xué)平臺(tái)對(duì)于MIR集成光子學(xué)非常有前途。

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