引言

我們展示了一個(gè)利用高質(zhì)量的絕緣體上鍺(GeO)晶片通過晶片鍵合技術(shù)制造的阿格/非晶硅混合光子集成電路平臺(tái)的概念驗(yàn)證演示。通過等離子體化學(xué)氣相沉積形成的非晶硅被認(rèn)為是傳統(tǒng)硅無源波導(dǎo)的一種有前途的替代物。利用鍺有源層的高晶體質(zhì)量和非晶硅波導(dǎo)的易制造性，在鍺硅晶片上成功地實(shí)現(xiàn)了與非晶硅無源波導(dǎo)單片集成的低暗電流鍺波導(dǎo)PIN光電探測器。

介紹

近幾十年來，硅光子學(xué)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。其中，將阿格薄膜引入硅基平臺(tái)被證明是一種成功的方法，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)新的器件功能，更重要的是，能夠在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)系統(tǒng)。鍺具有許多優(yōu)于硅的光學(xué)特性。它在1.3微米至1.55微米的波長下表現(xiàn)出很強(qiáng)的光吸收，使其成為光纖通信中光電探測器(PDs)的理想選擇。在鍺中也觀察到了大的電吸收效應(yīng)，使其成為實(shí)現(xiàn)高效光強(qiáng)度調(diào)制器的有前途的材料。雖然鍺是一種類似于硅的間接帶隙半導(dǎo)體，但它在γ谷的直接帶隙僅比間接帶隙高0.14電子伏。借助新興的能帶結(jié)構(gòu)工程技術(shù)，甚至有可能制造實(shí)用的鍺基光源。因此，通過實(shí)現(xiàn)鍺有源光子器件和硅無源器件，鍺和硅之間的集成為實(shí)現(xiàn)具有成本效益的高度功能化光子集成電路(PIC)平臺(tái)提供了有希望的手段，適用于廣泛的應(yīng)用。

為了使鍺與硅結(jié)合，傳統(tǒng)的方法包括在硅上外延生長鍺。然而，鍺和硅之間4.2%的大晶格失配通常導(dǎo)致生長的鍺層以及鍺/硅界面中的高密度位錯(cuò)缺陷，這可能充當(dāng)不期望的產(chǎn)生/復(fù)合中心，降低鍺晶體質(zhì)量并因此降低器件性能[1]。盡管已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試來提高外延鍺層的質(zhì)量，包括諸如兩步生長、使用分級(jí)硅鍺緩沖層、縱橫比俘獲和退火技術(shù)的方法，但是仍然難以消除外延生長期間產(chǎn)生的所有缺陷并獲得足夠高質(zhì)量的阿格薄膜。

除了工藝復(fù)雜、成本高的先進(jìn)外延生長方法外，晶圓鍵合技術(shù)對(duì)于高質(zhì)量鍺硅集成也很有前景。通過將阿格薄膜從阿格大塊晶片轉(zhuǎn)移到硅襯底上，可以避免由于晶格失配引起的晶體缺陷。此前，我們已經(jīng)報(bào)道了通過結(jié)合晶圓鍵合和智能剝離技術(shù)技術(shù)成功制造出高質(zhì)量的絕緣體上鍺(GeOI)晶圓。

實(shí)驗(yàn)

非晶硅無源波導(dǎo)

無定形硅以其工藝簡單和集成光學(xué)設(shè)計(jì)靈活而聞名[22–24]。為了檢驗(yàn)其替代傳統(tǒng)硅波導(dǎo)用于在鍺硅襯底上互連的能力，在2微米厚的二氧化硅覆蓋的硅襯底上制造非晶硅波導(dǎo)，這也用于鍺硅晶片制造。

為了便于測量，在非晶硅波導(dǎo)的兩端設(shè)計(jì)了一對(duì)聚焦光柵耦合器，采用了與傳統(tǒng)SOI光柵耦合器相似的設(shè)計(jì)方法[25]。假設(shè)a-Si的折射率值為3.7 ，應(yīng)用560 nm的光柵間距、0.5的填充因子、9的入射角和70 nm的蝕刻深度作為具有220 nm的a-Si層厚度的光柵耦合器的設(shè)計(jì)參數(shù)，目的是在1550 nm的中心波長實(shí)現(xiàn)。此外，光柵耦合器和硅波導(dǎo)也制作在SOI晶片上，該晶片包含220納米厚的硅頂層和2微米厚的二氧化硅盒作為比較。

圖2(a)顯示了與聚焦光柵耦合器集成在一起的人工非晶硅波導(dǎo)的顯微鏡平面圖。為了表征aSi波導(dǎo)的傳輸特性，來自商用可調(diào)諧激光器的光輸入通過單模光纖(SMF)耦合到輸入光柵耦合器。然后，輸出光再次從輸出光柵耦合器耦合到另一個(gè)SMF，透射功率由銦鎵砷光電探測器測量。圖2(b)顯示了與一對(duì)光柵耦合器耦合的1微米寬0.9毫米長的非晶硅波導(dǎo)的典型透射光譜。

圖。2.與聚焦光柵耦合器集成的非晶硅波導(dǎo)的顯微鏡平面圖。插圖顯示了非晶硅光柵耦合器的放大圖。與一對(duì)光柵耦合器耦合的非晶硅波導(dǎo)的典型透射光譜。

高質(zhì)量GeO晶片上的Ge脊形波導(dǎo)PDs

高質(zhì)量的鍺層對(duì)于獲得高性能的鍺鈀非常重要。為了獲得高質(zhì)量的鍺硅晶片，通過結(jié)合晶片鍵合和智能剝離技術(shù)技術(shù)，將來自阿格大塊晶片的阿格薄膜轉(zhuǎn)移到硅襯底上2μm厚的二氧化硅層上。對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光后的鍺晶片進(jìn)行優(yōu)化的熱退火工藝，進(jìn)行表面平面化，進(jìn)一步提高鍺晶體質(zhì)量。參考文獻(xiàn)[20]中給出了GeOI晶圓制造的細(xì)節(jié)。霍爾測量顯示，在所制造的GeO晶片上的鍺層中，具有超過2000 cm2/Vs的高空穴遷移率和大約1×1016 cm3的低載流子密度，這對(duì)于各種基于鍺的功能器件是理想的。為了進(jìn)一步研究鍺的晶體質(zhì)量，對(duì)鍺襯底進(jìn)行了透射電子顯微鏡觀察。

圖4顯示了制造的GeO晶片的橫截面TEM圖像。插圖顯示了靠近鍺和二氧化硅盒界面的鍺層的放大圖。

結(jié)論

我們已經(jīng)使用晶片鍵合的GeOI襯底對(duì)阿格/非晶硅混合PIC平臺(tái)進(jìn)行了概念驗(yàn)證演示。利用鍺層的高晶體質(zhì)量和強(qiáng)光學(xué)限制，在鍺襯底上實(shí)現(xiàn)了具有低暗電流和高響應(yīng)度的阿格脊形波導(dǎo)。我們還研究了非晶硅波導(dǎo)替代傳統(tǒng)硅波導(dǎo)在鍺硅晶片上進(jìn)行無源互連的能力。與傳統(tǒng)的硅波導(dǎo)相比，所制備的非晶硅條形波導(dǎo)表現(xiàn)出良好的傳輸特性，表明非晶硅在鍺硅晶片上應(yīng)用于集成光學(xué)具有很大的潛力。通過在阿格臺(tái)面上引入傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鍺/非晶硅在鍺硅晶片上的共形沉積，并在此基礎(chǔ)上成功實(shí)現(xiàn)了非晶硅波導(dǎo)集成鍺鈀。此外，所提出的集成方案也適用于鍵合在二氧化硅/硅晶片上的ⅲ-ⅴ族層，實(shí)現(xiàn)了更大的功能和更多的可能性。因此，未來可以為先進(jìn)的集成光子學(xué)開發(fā)一個(gè)有前途的鍺/ⅲ-釩/非晶硅光子學(xué)平臺(tái)。