引言

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

介紹

近幾十年來，硅光子學領域取得了重大進展。其中，將阿格薄膜引入硅基平臺被證明是一種成功的方法，它不僅能夠實現(xiàn)新的器件功能，更重要的是，能夠在單個芯片上實現(xiàn)各種先進系統(tǒng)。鍺具有許多優(yōu)于硅的光學特性。它在1.3微米至1.55微米的波長下表現(xiàn)出很強的光吸收，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，使其成為實現(xiàn)高效光強度調(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。借助新興的能帶結構工程技術，甚至有可能制造實用的鍺基光源。因此，通過實現(xiàn)鍺有源光子器件和硅無源器件，鍺和硅之間的集成為實現(xiàn)具有成本效益的高度功能化光子集成電路(PIC)平臺提供了有希望的手段，適用于廣泛的應用。

為了使鍺與硅結合，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致生長的鍺層以及鍺/硅界面中的高密度位錯缺陷，這可能充當不期望的產(chǎn)生/復合中心，降低鍺晶體質量并因此降低器件性能[1]。盡管已經(jīng)進行了許多嘗試來提高外延鍺層的質量，包括諸如兩步生長、使用分級硅鍺緩沖層、縱橫比俘獲和退火技術的方法，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量的阿格薄膜。

除了工藝復雜、成本高的先進外延生長方法外，晶圓鍵合技術對于高質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)報道了通過結合晶圓鍵合和智能剝離技術技術成功制造出高質量的絕緣體上鍺(GeOI)晶圓。

實驗

非晶硅無源波導

無定形硅以其工藝簡單和集成光學設計靈活而聞名[22–24]。為了檢驗其替代傳統(tǒng)硅波導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，這也用于鍺硅晶片制造。

為了便于測量，在非晶硅波導的兩端設計了一對聚焦光柵耦合器，采用了與傳統(tǒng)SOI光柵耦合器相似的設計方法[25]。假設a-Si的折射率值為3.7 ，應用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計參數(shù)，目的是在1550 nm的中心波長實現(xiàn)。此外，光柵耦合器和硅波導也制作在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的顯微鏡平面圖。為了表征aSi波導的傳輸特性，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)顯示了與一對光柵耦合器耦合的1微米寬0.9毫米長的非晶硅波導的典型透射光譜。

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。與一對光柵耦合器耦合的非晶硅波導的典型透射光譜。

高質量GeO晶片上的Ge脊形波導PDs

高質量的鍺層對于獲得高性能的鍺鈀非常重要。為了獲得高質量的鍺硅晶片，通過結合晶片鍵合和智能剝離技術技術，將來自阿格大塊晶片的阿格薄膜轉移到硅襯底上2μm厚的二氧化硅層上。對化學機械拋光后的鍺晶片進行優(yōu)化的熱退火工藝，進行表面平面化，進一步提高鍺晶體質量。參考文獻[20]中給出了GeOI晶圓制造的細節(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，這對于各種基于鍺的功能器件是理想的。為了進一步研究鍺的晶體質量，對鍺襯底進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。

結論

我們已經(jīng)使用晶片鍵合的GeOI襯底對阿格/非晶硅混合PIC平臺進行了概念驗證演示。利用鍺層的高晶體質量和強光學限制，在鍺襯底上實現(xiàn)了具有低暗電流和高響應度的阿格脊形波導。我們還研究了非晶硅波導替代傳統(tǒng)硅波導在鍺硅晶片上進行無源互連的能力。與傳統(tǒng)的硅波導相比，所制備的非晶硅條形波導表現(xiàn)出良好的傳輸特性，表明非晶硅在鍺硅晶片上應用于集成光學具有很大的潛力。通過在阿格臺面上引入傾斜側壁結構，實現(xiàn)了鍺/非晶硅在鍺硅晶片上的共形沉積，并在此基礎上成功實現(xiàn)了非晶硅波導集成鍺鈀。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，實現(xiàn)了更大的功能和更多的可能性。因此，未來可以為先進的集成光子學開發(fā)一個有前途的鍺/ⅲ-釩/非晶硅光子學平臺。