Warlink Kona ----- germanium tot siliciumnitride midden-infrarood geïntegreerde fotonicagolfleiders
Inleiding
Een germaniumplatform met een groot contrastindex van de kernbekleding, de siliciumnitride germaniumgolfgeleider, werd gedemonstreerd op midden-infraroodgolflengte.De haalbaarheid van deze structuur wordt geverifieerd door simulatieDeze structuur wordt bereikt door eerst germanium-op-silicium donorplaten die met siliciumnitride zijn afgezet, aan siliciumsubstraatplaten te binden.en vervolgens de structuur van germanium op siliciumnitride verkrijgen door middel van een laagoverdrachtmethode, die schaalbaar is voor alle wafergroottes.
Inleiding
De fotonica op basis van silicium heeft de afgelopen jaren veel aandacht gekregen vanwege de compatibiliteit met CMOS-processen en het potentieel voor integratie met micro-elektronica.Onderzoekers hebben geprobeerd de werkgolflengte van fotonica uit te breiden tot het midden-infrarood (MIR), hier gedefinieerd als 2-15 μm, omdat er veelbelovende toepassingen zijn in MIR, zoals communicatie van de volgende generatie, biochemische sensoren, milieumonitoring en meer.Silicium op standaardisolatoren (SOI) zijn niet geschikt voor MIR omdat het materiaalverlies bij het begraven van oxidelagen zeer hoog wordt bij 3Er is veel geprobeerd om een alternatief materiaal te vinden dat op Mir kan werken.De Silicon on Sapphire (SOS) -golfgeleidertechnologie is toegepast om het werkgolflengtebereik tot 4 te vergroten..4lm. Silicon nitride (SON) -golfleiders, die een breed transparantiebereik van 1,2-6,7 μm bieden, zijn ook voorgesteld.het maakt het een goed alternatief voor SOI.
Het is voorgesteld Germanium on Insulator (GOI) te gebruiken en er zijn passieve golfleiders en actieve germaniummodulatoren op het platform vervaardigd.Het begraven van oxidelagen beperkt de transparantie van het platformHet germanium op SOI heeft ook elektrische voordelen.Het germanium op silicium (GOS) -platform wordt momenteel veel gebruikt in fotonicaonderzoek en heeft al een aantal indrukwekkende prestaties behaald.De laagste verspreidingsverlies germanium golfgeleider op dit platform wordt slechts gemeld een verlies van 0,6 dB/cm.de buigradius van de GOS moet dienovereenkomstig groter zijn dan de buigradius van de SOI, wat resulteert in het dekkinggebied van de apparaten op de GOS-chip meestal groter dan de SOI.Wat nodig is, is een beter alternatief germanium golfgeleider platform dat een grotere kern bekleding brekingsindex contrast dan GOS zal bieden, evenals een nuttige transparantie en een kleinere radius van het kanaal.
Om deze doelstellingen te bereiken, is de in dit werk voorgestelde en geïmplementeerde structuur germaniumnitride op silicium, hier GON genoemd.De brekingsindex van onze PECVD siliciumnitride (SiNx) werd gemeten met ellipsometrie op 3.8lm. De transparantie van SiNx is meestal tot ongeveer 7,5 mm. Dus het exponentiële contrast in GON is.er zullen veel passieve fotonische apparaten zijn die kunnen worden geproduceerd met een compacte voetafdrukVoor het maken van een compacte ring is een kleine buigradius vereist.die alleen mogelijk is in hoogcontrastgolfleiders met sterke optische beperkingenIn de toekomst kunnen ook compacte sensoren worden gerealiseerd op basis van microringsresonatoren met dergelijke germaniumplatformen.We hebben een levensvatbare en schaalbare wafer binding en laag overdracht technologie ontwikkeld om GON te implementeren.
Experiment
Het germanium/siliciumplatform kan worden geproduceerd met behulp van verschillende technologieën.wanneer germanium rechtstreeks op siliciumnitride wordt geteeld, wordt verwacht dat de kwaliteit van de germaniumkristallen slecht is en dat er een hoge dichtheid aan defecten ontstaat.
Grafiek 2. In vergelijking met GOS is het gesimuleerde buigverlies van de regering van Nepal lager, wat aangeeft dat het buigverlies van de golfgeleider van de regering van Nepal lager is.
Omdat SiNx amorf is, vergroten deze defecten het verstrooiingsverlies. In dit werk gebruiken we waferbinding en laagoverdracht technieken om GON te fabriceren zoals getoond in figuur 2.Silicon donor wafers gebruiken gereduceerde druk chemische damp afzetting (RPCVD) en een driestaps germanium groei proces.22 De germanium-epitaxiale laag wordt vervolgens bekleed met siliciumnitride en overgebracht naar een ander siliciumsubstraat om GON-wafers te verkrijgen.Sommige germanium silicium (GOS) chips (die op een vergelijkbare manier groeien, maar niet overdragen) werden opgenomen in latere experimentenDe uiteindelijke germaniumschaal heeft gewoonlijk een penetratie dislocatie dichtheid (TDD) van < 5106 cm2, oppervlakte ruwheid < 1 nm, en trekspanning van 0,2%.de donorenwafel wordt schoongemaakt om een oppervlak te verkrijgen dat vrij is van oxiden en verontreinigende stoffenNa het reinigingsproces worden de donorwafers in het Cello PECVD-systeem geladen voor de afzetting van spanningsstam SiNx.Door een paar uur na de afzetting te gloeien, worden tijdens de afzetting gassen die in de wafer zijn gevangen, vrijgegeven.
Alle warmtebehandelingen worden uitgevoerd bij temperaturen onder 40 °C. Bovendien wordt 1 mm SiNx op de achterzijde van de wafer afgezet om het buigeffect te compenseren.Door laagtemperatuur chemische plasma-dampdepositieDe bindende laag is silica, waardoor het gemakkelijk te binden is met een andere met silicium behandelde wafer.watermoleculen worden gevormd in de bindingsreactieDaarom werd silica gekozen als bindende laag omdat het deze watermoleculen kan absorberen en zo een hoge bindingskwaliteit biedt.24 De bindlaag wordt chemisch mechanisch gepolijst (chemo-mechanisch gepolijst) tot 100 nm om de oppervlakte ruwheid te verminderen en geschikt te maken voor waferbindingVoor de binding worden beide oppervlakken ongeveer 15 seconden aan O2 plasma blootgesteld om de hydrofilisiteit van het oppervlak te verbeteren.
Vervolgens wordt de Adi-wasstap toegevoegd om de dichtheid van de oppervlaktehydroxylgroep te verhogen, waardoor de binding ontstaat.De gebonden waferparen worden vervolgens ongeveer 4 uur na het binden bij temperaturen onder 30 °C gebrand om de bindsterkte te verbeterenOm het laagoverdrachtproces te voltooien, worden de wafers onderzocht met behulp van infraroodbeeldvorming om te controleren of er een interfaciale leegte is ontstaan.de bovenste siliciumdonorwafel wordt gemalen om de laag germanium/siliciumnitride op het substraatwafel te plaatsenDit wordt gevolgd door natte etsen met behulp van tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) om de silicium donor wafer volledig te verwijderen.de etsering stopt bij de originele germanium/silicium-interface.
De germanium/silicium interfaceschaal wordt vervolgens verwijderd door chemisch en mechanisch polijsten.dus het is schaalbaar voor alle chipgroottesVoor de kwaliteit van de dunne germaniumfolie werd gebruikgemaakt van een röntgendiffractieanalyse (XRD) met betrekking tot GOS na de vervaardiging van Gunn-chippen. De resultaten zijn weergegeven in figuur 4.De XRD-analyse toont aan dat de kristalkwaliteit van de epitaxiale laag van germanium geen duidelijke verandering heeft., en zijn pieksterkte en curve vorm zijn vergelijkbaar met die van Germanium op silicium wafer.
Grafiek 4. XRD-patroon van Geng en GOS germanium epitaxiale laag.
Samenvatting
Samengevat kunnen defecte lagen met ongelijke verplaatsingen worden blootgesteld door laagoverdracht en verwijderd door chemisch-mechanisch polijsten.Hierdoor wordt een hoogwaardige germaniumschaal op SiNx onder de coating geproduceerd. Simulaties werden uitgevoerd om de haalbaarheid te onderzoeken van het GON-platform dat een kleinere kanaalbuigradius biedt.8 mm golflengtenHet buigverlies bij een GON met een straal van 5 mm is 0.14600,01 dB/bocht en het verspreidingsverlies is 3.35600,5 dB/cm.Deze verliezen zullen naar verwachting verder worden verminderd door gebruik te maken van geavanceerde processen (zoals elektronstraal lithografie en diep reactief ion etsen) of door niet te structureren om de kwaliteit van de zijwand te verbeteren.
