Warlink Kona ----- Guías de onda fotónicas integradas del infrarrojo medio de germanio al nitruro de silicio
Introducción
Se demostró una plataforma de germanio con un gran índice de contraste del revestimiento del núcleo, una guía de onda de germanio de nitruro de silicio, a longitud de onda del infrarrojo medio.La viabilidad de esta estructura se verifica mediante simulaciónEsta estructura se consigue mediante la unión de primeras obleas donantes de germanio sobre silicio depositadas con nitruro de silicio a obleas de sustrato de silicio.y luego obteniendo la estructura de germanio sobre nitruro de silicio por método de transferencia de capas, que es escalable para todos los tamaños de obleas.
- ¿ Qué es?
La fotónica basada en silicio ha recibido mucha atención en los últimos años debido a su compatibilidad con los procesos CMOS y su potencial de integración con la microelectrónica.Los investigadores han intentado extender la longitud de onda de funcionamiento de la fotónica al infrarrojo medio (MIR), definido aquí como 2-15 μm, porque hay aplicaciones prometedoras en MIR, como comunicaciones de próxima generación, detección bioquímica, monitoreo ambiental y más.El silicio en aislantes estándar (SOI) no es adecuado para MIR porque la pérdida de material para enterrar capas de óxido se vuelve muy alta a 3Se han hecho muchos esfuerzos para encontrar un sistema de material alternativo que pudiera funcionar en Mir.La tecnología de guía de onda de silicio sobre zafiro (SOS) se ha aplicado para ampliar el rango de longitud de onda de operación a 4También se han propuesto guías de onda de nitruro de silicio (SON), que proporcionan un amplio rango de transparencia de 1,2-6,7 μm. El germanio (ge) tiene una amplia transparencia y muchas propiedades ópticas,lo que lo convierte en una buena alternativa al SOI.
Se ha propuesto el germanio en aislante (GOI), y se han fabricado guías de onda pasivos y moduladores de germanio activo en la plataforma, pero como se mencionó anteriormente,En realidad, enterrar capas de óxido limita la transparencia de la plataforma.También se ha informado que el germanio en SOI tiene ventajas eléctricas.La plataforma de germanio en silicio (GOS) se utiliza actualmente ampliamente en la investigación fotónica y ya ha logrado una serie de logros impresionantesLa pérdida de propagación más baja del guía de ondas de germanio en esta plataforma sólo se informa que tiene una pérdida de 0,6 dB/cm. Sin embargo, el germanio (n.el radio de flexión del GOS debe ser correspondientemente mayor que el radio de flexión del SOI, lo que resulta en el área de cobertura de los dispositivos en el chip GOS generalmente mayor que el SOI.Lo que se necesita es una mejor plataforma alternativa de guía de ondas de germanio que proporcione un mayor contraste del índice de refracción del revestimiento del núcleo que el GOS, así como la transparencia útil y un radio de curvatura del canal más pequeño.
Para lograr estos objetivos, la estructura propuesta e implementada en este trabajo es el nitruro de germanio sobre silicio, aquí llamado GON.El índice de refracción de nuestro nitruro de silicio PECVD (SiNx) fue medido por ellipsometría en 3.8lm. La transparencia de SiNx suele ser de hasta unos 7,5 mm. Así que el contraste exponencial en GON es. Una vez que esta plataforma Ge que opera en el rango MIR se implementa, el contraste exponencial en el GON es de.8lm.Habrá muchos dispositivos fotónicos pasivos que se pueden fabricar con una huella compactaPara hacer un anillo compacto, se requiere un pequeño radio de flexión.que solo es posible en guías de onda de alto contraste con fuertes limitaciones ópticasEn el futuro, los dispositivos de detección compactos también se pueden realizar basados en resonatores de microrredes con plataformas de germanio.Hemos desarrollado una tecnología viable y escalable de unión de obleas y transferencia de capas para implementar GON.
El experimento
Las plataformas de germanio y silicio pueden fabricarse mediante varias tecnologías, entre las que se incluyen la condensación de germanio, la epitaxia en fase líquida y las técnicas de transferencia de capas.cuando el germanio se cultiva directamente en nitruro de silicioSe espera que la calidad de los cristales de germanio sea pobre y se forme una alta densidad de defectos.
Gráfico 2. En comparación con GOS, la pérdida de flexión simulada del gobierno de Nepal es menor, lo que indica que la pérdida de flexión de la guía de onda del gobierno de Nepal es menor.
SiNx es amorfo. Como resultado, estos defectos aumentan las pérdidas de dispersión. En este trabajo, utilizamos técnicas de unión de obleas y transferencia de capas para fabricar GON como se muestra en la Figura 2.Las obleas donantes de silicio utilizan deposición de vapor químico a presión reducida (RPCVD) y un proceso de crecimiento de germanio en tres pasos.22 La capa epitaxial de germanio se recubre con nitruro de silicio y se transfiere a otro sustrato de silicio para obtener obleas GON.Algunos chips de silicio germanio (GOS) (que crecen de manera similar pero no se transfieren) se incluyeron en experimentos posterioresLa capa final de germanio suele tener una densidad de dislocación por penetración (TDD) de < 5106 cm2, una rugosidad superficial < 1 nm y una deformación de tracción del 0,2%.23la oblea donante se limpia para obtener una superficie libre de óxidos y contaminantesDespués del proceso de limpieza, las obleas donantes se cargan en el sistema Cello PECVD para la deposición de la tensión SiNx.El recocido durante unas horas después de la deposición asegura que los gases atrapados en la oblea se liberen durante la deposición.
Todos los tratamientos térmicos se realizan a temperaturas inferiores a 40 °C. Además, se deposita otro 1 mm de SiNx en la parte posterior de la oblea para compensar el efecto de flexión.Por deposición química de vapor de plasma a baja temperaturaLa capa de unión es de sílice, lo que facilita la unión con otra oblea tratada con silicio.Las moléculas de agua se forman en la reacción de enlacePor lo tanto, se eligió la sílice como capa de unión porque puede absorber estas moléculas de agua, proporcionando así una alta calidad de unión.24 La capa de unión es pulida químicamente mecánicamente (polida quimiomecánica) a 100 nm para reducir la rugosidad de la superficie y hacerla adecuada para la unión de obleas.Antes de la unión, ambas superficies de la oblea se exponen al plasma de O2 durante unos 15 segundos para mejorar la hidrofilidad de la superficie.
Después de eso, se añade el paso de lavado Adi para aumentar la densidad del grupo hidroxilo superficial, lo que desencadena la unión.Los pares de obleas unidas se recocen durante aproximadamente 4 horas después de la unión a temperaturas inferiores a 30 ° C para mejorar la resistencia de uniónPara completar el proceso de transferencia de capas, se utiliza un sistema de imagen infrarroja para verificar la formación de huecos en la interfaz.la oblea donante superior de silicio se muela para transferir la pila de la capa de germanio/nitruro de silicio sobre la oblea del sustratoEsto es seguido por el grabado en húmedo con hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) para eliminar completamente la oblea donante de silicio.la parada de grabado se produce en la interfaz original germanio/silício.
La capa de interfaz germanio/silício se elimina luego por pulido químico y mecánico.Así que es escalable para todos los tamaños de chipsPara caracterizar la calidad de las películas delgadas de germanio, se utilizó el análisis de difracción de rayos X (XRD), en referencia a la GOS después de la fabricación de las virutas Gunn, y los resultados se muestran en la Figura 4.El análisis de XRD muestra que la calidad cristalina de la capa epitaxial de germanio no tiene cambios obvios, y su resistencia máxima y forma de curva son similares a la del germanio en oblea de silicio.
Gráfico 4. patrón XRD de la capa epitaxial de Geng y GOS germanio.
Resumen
En resumen, las capas defectuosas que contienen dislocaciones desajustadas pueden exponerse mediante transferencia de capas y eliminarse mediante pulido químico-mecánico,proporcionando así una capa de germanio de alta calidad en SiNx debajo del recubrimientoSe realizaron simulaciones para investigar la viabilidad de la plataforma GON que proporciona un radio de curvatura de canal más pequeño.Longitudes de onda de 8 mmLa pérdida de flexión en un GON con un radio de 5 mm es 0.14600,01 dB/curva y la pérdida de propagación es 3.3560.5 dB/cm.Se espera que estas pérdidas se reduzcan aún más mediante el uso de procesos avanzados (como la litografía de haz de electrones y el grabado de iones reactivos profundos) o no estructurando para mejorar la calidad de las paredes laterales.
