引言

在中紅外波長下，演示了一種具有大纖芯-包層指數(shù)對比度的鍺基平臺——氮化硅鍺波導(dǎo)。仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性。這種結(jié)構(gòu)是通過首先將氮化硅沉積的硅上鍺施主晶片鍵合到硅襯底晶片上，然后通過層轉(zhuǎn)移方法獲得氮化硅上鍺結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，該結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展到所有晶片尺寸。

介紹

近年來，硅基光子學(xué)由于其與CMOS工藝的兼容性以及與微電子集成的可能性而備受關(guān)注.研究人員一直試圖將光子學(xué)的工作波長擴(kuò)展到中紅外(MIR)，這里定義為2–15 μm，因?yàn)樵贛IR中有望應(yīng)用，如下一代通信、生化傳感、環(huán)境監(jiān)測等.標(biāo)準(zhǔn)絕緣體上硅(SOI)不適合MIR，因?yàn)檠诼裱趸飳拥牟牧蠐p耗在3.7lm及以上變得非常高。已經(jīng)做出了許多努力來尋找一種可以在和平號上工作的替代材料系統(tǒng)。藍(lán)寶石上的硅(SOS)波導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)被追求，以將工作波長范圍擴(kuò)展到4.4lm.氮化硅(SON)波導(dǎo)，提供1.2–6.7 μm的寬透明范圍，也已經(jīng)被提出.鍺(ge)具有寬透明性和許多光學(xué)特性，使其成為SOI的良好替代物。

絕緣體上鍺(GOI)已經(jīng)被提出，并且無源波導(dǎo)和有源鍺調(diào)制器已經(jīng)在該平臺上制造，但是如上所述，掩埋氧化物層實(shí)際上限制了該平臺的透明度.SOI上的鍺也已經(jīng)被報(bào)道具有其電學(xué)優(yōu)勢.硅上鍺(GOS)平臺目前被廣泛用于光子學(xué)研究，并且已經(jīng)取得了許多令人印象深刻的成就.該平臺上的最低傳播損耗鍺波導(dǎo)僅被報(bào)道具有0.6dB/cm的損耗.然而，鍺(n . 4。折射率的數(shù)值為3.8 μm。因此，GOS的彎曲半徑必須相應(yīng)地大于SOI的彎曲半徑，導(dǎo)致GOS片上器件的覆蓋區(qū)通常大于SOI。我們需要的是一種更好的替代鍺波導(dǎo)平臺，它將提供比GOS更大的芯包層折射率對比度，以及有用的透明度和更小的通道彎曲半徑。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，在本工作中提出和實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是硅上鍺氮化物，這里稱為GON。我們的PECVD氮化硅(SiNx)的折射率由橢偏儀測量，在3.8lm時(shí)為。SiNx的透明度通常高達(dá)約7.5毫米。所以GON中的指數(shù)對比是.一旦實(shí)現(xiàn)了這種工作在MIR范圍內(nèi)的Ge平臺，將會(huì)有許多可以用緊湊的占地面積制造的無源光子器件，例如MachZehnder干涉儀、微環(huán)諧振器等等。為了制造一個(gè)緊湊的環(huán)，需要一個(gè)小的彎曲半徑，而這只有在具有強(qiáng)光學(xué)限制的高對比度波導(dǎo)中才有可能.向前移動(dòng)，緊湊的傳感裝置也可以基于具有這種鍺平臺的微環(huán)諧振器來實(shí)現(xiàn)。最重要的是，我們開發(fā)了一種可行且可擴(kuò)展的晶圓鍵合和層轉(zhuǎn)移技術(shù)來實(shí)現(xiàn)GON。

實(shí)驗(yàn)

鍺/硅平臺可以通過幾種技術(shù)制造。這些技術(shù)包括鍺冷凝、液相外延、20和層轉(zhuǎn)移技術(shù).21然而，當(dāng)鍺直接生長在氮化硅上時(shí)，鍺晶體的質(zhì)量預(yù)計(jì)會(huì)很差，并形成高密度的缺陷

圖。2.與GOS相比，尼泊爾政府的模擬彎曲損耗更低，表明尼泊爾政府的波導(dǎo)彎曲損耗更低。

因?yàn)镾iNx是非晶態(tài)的。因此，這些缺陷會(huì)增加散射損耗。在這項(xiàng)工作中，我們利用晶片鍵合和層轉(zhuǎn)移技術(shù)來制造如圖2所示的GON。硅施主晶片使用減壓化學(xué)氣相沉積(RPCVD)和三步鍺生長方法.22然后鍺外延層用氮化硅涂覆，并轉(zhuǎn)移到另一個(gè)硅襯底上以獲得GON晶片。為了比較，一些鍺硅(GOS)晶片(以類似的方式生長但不轉(zhuǎn)移)被包括在隨后的實(shí)驗(yàn)中。最終鍺層的穿透位錯(cuò)密度(TDD)通常< 5106cm2，表面粗糙度< 1nm，拉伸應(yīng)變?yōu)?.2%.23此外，對施主晶片進(jìn)行清洗，以獲得沒有氧化物和污染物的表面，然后用去離子水(DI水)沖洗并進(jìn)行N2干燥。在清洗過程之后，施主晶片被裝載到Cello PECVD系統(tǒng)中，用于拉伸應(yīng)變SiNx的沉積。沉積后退火幾個(gè)小時(shí)可以確保在沉積過程中釋放晶片中捕獲的氣體。

所有的熱處理都是在低于40℃的溫度下進(jìn)行的。此外，另一個(gè)1毫米的SiNx沉積在晶片的背面，以補(bǔ)償彎曲效應(yīng)。通過低溫等離子體化學(xué)氣相沉積，最終沉積300納米的結(jié)合層。該結(jié)合層是二氧化硅，使得能夠容易地與另一個(gè)硅處理晶片結(jié)合。由于在這項(xiàng)工作中使用了親水型鍵合，在鍵合反應(yīng)中會(huì)形成水分子。因此，選擇二氧化硅作為粘結(jié)層，因?yàn)樗梢晕者@些水分子，從而提供高粘結(jié)質(zhì)量.24粘結(jié)層經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光(化學(xué)機(jī)械拋光)至100納米，以降低表面粗糙度，使其適合晶片粘結(jié)。施主晶片然后可以被結(jié)合到硅襯底晶片上。在結(jié)合之前，兩個(gè)晶片表面都要暴露在O2等離子體中約15s，以改善表面的親水性。

之后，加入阿迪水洗步驟以提高表面羥基的密度，從而引發(fā)結(jié)合。然后在低于30℃的溫度下對鍵合晶片對進(jìn)行鍵合后退火約4小時(shí)，以提高鍵合強(qiáng)度。使用紅外成像檢查鍵合晶片，以檢查界面空隙的形成。為了完成層轉(zhuǎn)移過程，對頂部硅施主晶片進(jìn)行研磨，以便轉(zhuǎn)移襯底晶片上的鍺/氮化硅層堆疊。隨后使用四甲基氫氧化銨(TMAH)進(jìn)行濕法蝕刻，以完全去除硅施主晶片?？紤]到硅對鍺的高選擇性，蝕刻停止發(fā)生在原來的鍺/硅界面。

該鍺/硅界面層隨后將通過化學(xué)和機(jī)械拋光去除。我們的工藝使用兩個(gè)硅晶片，硅施主晶片和硅襯底晶片，因此可擴(kuò)展到所有晶片尺寸。x射線衍射(XRD)分析用于表征鍺薄膜質(zhì)量，參考制造耿氏晶片后的GOS，結(jié)果如圖4所示.XRD分析表明，鍺外延層的晶體質(zhì)量沒有明顯變化，其峰值強(qiáng)度和曲線形狀與硅晶片上的鍺相當(dāng)。

?圖。4.耿和GOS鍺外延層的XRD圖譜。

總結(jié)

總之，含有失配位錯(cuò)的缺陷層可以通過層轉(zhuǎn)移暴露出來，并通過化學(xué)機(jī)械拋光去除，從而在覆層下的SiNx上提供高質(zhì)量的鍺層。進(jìn)行模擬以研究GON平臺提供更小的通道彎曲半徑的可行性。波導(dǎo)在GON晶片上制造，并在3.8lm波長下表征。在半徑為5毫米的GON上的彎曲損耗為0.1460.01分貝/彎曲，傳播損耗為3.3560.5分貝/厘米。這些損失有望通過使用先進(jìn)的工藝(如電子束光刻和深反應(yīng)離子刻蝕)或不的結(jié)構(gòu)來提高側(cè)壁質(zhì)量來進(jìn)一步降低。

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