Warlink Kona ----- Germânio a nitruro de silício guias de onda fotônicos integrados de infravermelho médio

Warlink Kona ----- Germânio a nitruro de silício guias de onda fotônicos integrados de infravermelho médio

Introdução

Uma plataforma de germânio com grande contraste do índice de revestimento do núcleo, germânio nitrido de silício, foi demonstrada no comprimento de onda do infravermelho médio.A viabilidade desta estrutura é verificada por simulaçãoEsta estrutura é obtida pela primeira ligação de wafers doadores de germânio sobre silício depositados com nitruro de silício para wafers de substrato de silício,e, em seguida, obtendo a estrutura de nitruro de germânio em silício pelo método de transferência de camadas, que é escalável para todos os tamanhos de wafer.

Introdução

A fotônica baseada em silício recebeu muita atenção nos últimos anos devido à sua compatibilidade com processos CMOS e seu potencial de integração com a microeletrônica.Os pesquisadores têm tentado estender o comprimento de onda operacional da fotônica ao infravermelho médio (MIR), definido aqui como 2-15 μm, porque há aplicações promissoras em MIR, como comunicações de próxima geração, detecção bioquímica, monitoramento ambiental e muito mais.O silício em isoladores padrão (SOI) não é adequado para MIR porque a perda de material para enterrar camadas de óxido torna-se muito alta a 3Foram feitos muitos esforços para encontrar um sistema de material alternativo que pudesse funcionar no Mir.A tecnologia de guias de onda do silício sobre safira (SOS) foi prosseguida para alargar a gama de comprimentos de onda operacionais para 4.4lm. Os guias de onda de nitruro de silício (SON), que fornecem uma ampla faixa de transparência de 1,2-6,7 μm, também foram propostos.tornando-a uma boa alternativa ao SOI.

O germânio no isolante (GOI) foi proposto, e os guias de onda passivos e os moduladores de germânio ativo foram fabricados na plataforma, mas como mencionado acima,enterrar camadas de óxido realmente limita a transparência da plataformaTambém foi relatado que o germânio no SOI tem vantagens elétricas.A plataforma de germânio no silício (GOS) é actualmente amplamente utilizada na investigação fotónica e já alcançou uma série de conquistas impressionantesA perda de propagação mais baixa do guia de ondas de germânio nesta plataforma é relatada apenas ter uma perda de 0,6 dB/cm. No entanto, o germânio (n.o 4.O raio de curvatura do GOS deve ser correspondentemente superior ao raio de curvatura do SOI., resultando na área de cobertura dos dispositivos no chip GOS geralmente maior que o SOI.O que é necessário é uma melhor plataforma de guia de ondas de germânio alternativa que forneça maior contraste do índice de refração do revestimento do núcleo do que o GOS, bem como uma transparência útil e um raio de curvatura do canal menor.

Para atingir estes objectivos, a estrutura proposta e implementada neste trabalho é o nitruro de germânio no silício, aqui chamado GON.O índice de refração do nosso nitruro de silício PECVD (SiNx) foi medido por ellipsometria a 3.8lm. A transparência de SiNx é geralmente de até cerca de 7,5 mm. Assim, o contraste exponencial em GON é. Uma vez que esta plataforma Ge operando na faixa MIR é implementada, a sua transparência é de cerca de 7,5 mm.haverá muitos dispositivos fotônicos passivos que podem ser fabricados com uma pegada compactaPara fazer um anel compacto, é necessário um pequeno raio de curvatura,que só é possível em guias de onda de alto contraste com fortes limitações ópticasNo futuro, dispositivos de detecção compactos também podem ser realizados com base em ressonadores de micro-anel com tais plataformas de germânio.Desenvolvemos uma tecnologia viável e escalável de ligação de wafer e transferência de camadas para implementar o GON.

Experimento

As plataformas de germânio/sílico podem ser fabricadas através de várias tecnologias, incluindo a condensação de germânio, a epitaxia na fase líquida e as técnicas de transferência de camadas.quando o germânio é cultivado diretamente no nitruro de silício, a qualidade dos cristais de germânio é esperada ser pobre e uma alta densidade de defeitos é formada

Gráfico 2. Em comparação com o GOS, a perda de curvatura simulada do governo do Nepal é menor, indicando que a perda de curvatura do governo do Nepal é menor.

Como o SiNx é amorfo, esses defeitos aumentam as perdas de dispersão. Neste trabalho, utilizamos técnicas de ligação de wafer e transferência de camadas para fabricar GON, como mostrado na Figura 2.As bolhas doadoras de silício usam deposição de vapor químico a pressão reduzida (RPCVD) e um processo de crescimento de germânio em três etapas.22 A camada epitaxial de germânio é então revestida com nitruro de silício e transferida para outro substrato de silício para obter wafers GON.Alguns chips de silício de germânio (GOS) (que crescem de forma semelhante, mas não transferem) foram incluídos em experimentos subsequentesA camada final de germânio tem geralmente uma densidade de dislocação por penetração (TDD) de < 5106 cm2, rugosidade da superfície < 1 nm e tensão de tração de 0,2%.23a bolacha doadora é limpa para obter uma superfície livre de óxidos e contaminantesApós o processo de limpeza, as bolinhas doadoras são carregadas no sistema Cello PECVD para a deposição da tensão SiNx.O recozimento durante algumas horas após a deposição garante que os gases presos na wafer sejam liberados durante a deposição.

Todos os tratamentos térmicos são realizados a temperaturas inferiores a 40 °C. Além disso, é depositado mais 1 mm de SiNx na parte de trás da bolacha para compensar o efeito de dobra.Por deposição química de vapor de plasma a baixa temperaturaA camada de ligação é de sílica, o que facilita a ligação com outra bolacha tratada com silício.As moléculas de água são formadas na reação de ligaçãoPor conseguinte, a sílica foi escolhida como camada de ligação porque pode absorver estas moléculas de água, proporcionando assim uma elevada qualidade de ligação.A camada de ligação é polida quimicamente mecânicamente (polida quimiomecânica) a 100 nm para reduzir a rugosidade da superfície e torná-la adequada para ligação de wafer.Antes da ligação, ambas as superfícies são expostas ao plasma de O2 por cerca de 15 segundos para melhorar a hidroflicidade da superfície.

Após isso, é adicionada a etapa de lavagem Adi para aumentar a densidade do grupo hidroxilo superficial, desencadeando assim a ligação.Os pares de wafers ligados são então aquecidos por cerca de 4 horas após a ligação a temperaturas abaixo de 30 ° C para melhorar a resistência da ligaçãoPara concluir o processo de transferência de camadas, a imagem de ligação é examinada usando imagens infravermelhas para verificar a formação de vácuo interfacial.a bolacha de doador de silício superior é moída para transferir a camada de germânio/nitruro de silício sobre a bolacha do substratoA partir daí, a borracha de silicone é cortada por um processo de gravação em húmido, com o uso de hidróxido de tetrametilamónio (TMAH) para remover completamente a bolacha do doador de silício.a parada de gravação ocorre na interface germânio/sílico original.

A camada de interface germânio / silício é então removido por polimento químico e mecânico.Então é escalável para todos os tamanhos de chipsA análise por difração de raios X (XRD) foi utilizada para caracterizar a qualidade das películas finas de germânio, referindo-se ao GOS após o fabrico de chips Gunn, e os resultados são apresentados na Figura 4.A análise XRD mostra que a qualidade cristalina da camada epitaxial de germânio não tem nenhuma mudança óbvia, e sua força máxima e forma de curva são semelhantes às do germânio em wafer de silício.

Gráfico 4. Padrão XRD da camada epitaxial de Geng e GOS germânio.

Resumo

Em resumo, as camadas defeituosas que contenham deslocações desajustadas podem ser expostas por transferência de camadas e removidas por polir químico-mecânico,fornecendo assim uma camada de germânio de alta qualidade no SiNx sob o revestimentoForam realizadas simulações para investigar a viabilidade da plataforma GON, proporcionando um raio de curvatura de canal menor.comprimentos de onda de 8 mmA perda de curvatura num GON com um raio de 5 mm é 0.14600,01 dB/curva e a perda de propagação é de 3.35600,5 dB/cm.Espera-se que estas perdas sejam ainda mais reduzidas através da utilização de processos avançados (como litografia por feixe de elétrons e gravação de íons reativos profundos) ou não estruturando para melhorar a qualidade da parede lateral.