Warlink Kona ----- Германий к нитриду кремния средне-инфракрасные интегрированные фотонические волноводы

Warlink Kona ----- Германий к нитриду кремния средне-инфракрасные интегрированные фотонические волноводы

Введение

В средне-инфракрасной длине волны была продемонстрирована германская платформа с большим индексом контраста покрытия ядра, волновода кремниевого нитрида германия.Проверка целесообразности этой структуры осуществляется путем моделированияЭта структура достигается путем первой связывания донорских пластин германия на кремний, отложенных нитридом кремния, с пластинами кремниевого субстрата.и затем получение структуры германия на нитриде кремния методом переноса слоев, который масштабируется на все размеры пластинок.

Введение

Фотоника на основе кремния получила большое внимание в последние годы из-за ее совместимости с процессами CMOS и ее потенциала для интеграции с микроэлектроникой.Исследователи пытаются расширить длину волны работы фотоники до среднего инфракрасного диапазона, определенных здесь как 2-15 мкм, потому что в MIR есть многообещающие приложения, такие как коммуникации следующего поколения, биохимическое зондирование, мониторинг окружающей среды и многое другое.Кремний на стандартных изоляторах (SOI) не подходит для MIR, потому что потеря материала для захоронения слоев оксида становится очень высокой при 3Были предприняты многочисленные попытки найти альтернативную материальную систему, которая могла бы работать на Мире.Технология волновода Silicon on Sapphire (SOS) была использована для расширения диапазона рабочих длин волн до 4.4lm. Силициевый нитрид (SON) волноводы, которые обеспечивают широкий диапазон прозрачности 1,2-6,7 мкм, также были предложены.что делает его хорошей альтернативой SOI.

Предложен германий на изоляторе (GOI), и пассивные волноводы и активные модуляторы германия были изготовлены на платформе, но, как упоминалось выше,Засыпание слоев оксида фактически ограничивает прозрачность платформыТакже сообщалось, что германий на SOI обладает электрическими преимуществами.Платформа германия на кремнии (GOS) в настоящее время широко используется в исследованиях фотоники и уже достигла ряда впечатляющих достиженийНаименьшая потеря распространения германского волновода на этой платформе, как сообщается, имеет только потерю 0,6 дБ/см. Однако герман (No 4.радиус изгиба GOS должен быть соответственно больше радиуса изгиба SOI, в результате чего площадь покрытия устройств на чипе GOS обычно больше, чем SOI.Необходимо лучшее альтернативное платформы волновода германия, который обеспечит больший контрастный индекс преломления ядра облицовки, чем GOS, а также полезная прозрачность и меньший радиус изгиба канала.

Чтобы достичь этих целей, структура, предложенная и реализованная в этой работе, это нитрид германия на кремнии, здесь называемый GON.Индекс преломления нашего PECVD нитрида кремния (SiNx) был измерен эллипсометрией в 3.8lm. Прозрачность SiNx обычно составляет около 7,5 мм. Таким образом, экспоненциальный контраст в GON.будет много пассивных фотонических устройств, которые могут быть изготовлены с компактным следДля создания компактного кольца требуется небольшой радиус изгиба.что возможно только в высококонтрастных волноводах с сильными оптическими ограничениямиВ будущем, компактные сенсорные устройства также могут быть реализованы на основе микроринговых резонаторов с такими германными платформами.Мы разработали жизнеспособную и масштабируемую технологию связывания пластин и переноса слоев для реализации GON.

Эксперимент

Платформы германия и кремния могут быть изготовлены с помощью нескольких технологий.когда германий выращивается непосредственно на нитриде кремния, качество кристаллов германия, как ожидается, будет низким, и будет образована высокая плотность дефектов.

График 2. По сравнению с GOS, моделируемая потеря изгиба правительства Непала ниже, что указывает на то, что потеря изгиба волновода правительства Непала ниже.

В результате эти дефекты увеличивают потери рассеяния. В этой работе мы используем методы связывания пластин и переноса слоев для изготовления GON, как показано на рисунке 2.Кремниевые донорские пластины используют химическое отложение паров при пониженном давлении (RPCVD) и трехступенчатый процесс роста германия.22 Затем эпитаксиальный слой германия покрывается нитридом кремния и переносится на другую кремниевую подложку для получения пластинок GON.Некоторые чипы германия и кремния (GOS) (которые растут аналогичным образом, но не передают) были включены в последующие эксперименты.Окончательный слой германия обычно имеет плотность дислокации проникновения (TDD) < 5106 см2, шероховатость поверхности < 1 нм и натяжность 0,2%.донорская пластинка очищается, чтобы получить поверхность, свободную от оксидов и загрязнителейПосле очистки донорские пластины загружаются в систему Cello PECVD для отложения напряженного штамма SiNx.Отжигание в течение нескольких часов после осаждения обеспечивает, что газы, удерживаемые в вафеле, выделяются во время осаждения.

Все термические обработки проводятся при температуре ниже 40 °C. Кроме того, на задней стороне пластинки откладывается еще 1 мм SiNx для компенсации эффекта изгиба.При низкотемпературном плазменном химическом отложении паров, связующий слой 300 нм наконец оседает. Связующий слой представляет собой кремний, что позволяет легко связываться с другой кремниевой пластиной.молекулы воды образуются в реакции связиПоэтому кремний был выбран в качестве слоя связи, потому что он может поглощать эти молекулы воды, обеспечивая таким образом высокое качество связи.24 Соединительный слой химически механически полируется (химомеханическая полировка) до 100 нм, чтобы уменьшить шероховатость поверхности и сделать его подходящим для склеивания пластинок.Перед присоединением обе поверхности пластинки подвергаются воздействию плазмы О2 в течение примерно 15 секунд для улучшения гидрофильности поверхности.

После этого добавляется этап промывки Ади для увеличения плотности поверхностной гидроксильной группы, тем самым вызывая связывание.Затем соединенные пары вафли нагреваются в течение примерно 4 часов после слияния при температуре ниже 30 ° C для улучшения прочности слиянияДля завершения процесса переноса слоя, используется инфракрасное изображение, чтобы проверить образование интерфейсной пустоты.верхний кремниевый донорский пластинка измельчается, чтобы перенести слой германия / нитрида кремния на пластинку подложкиЗатем следует влажное гравирование с использованием тетраметиламониевого гидроксида (TMAH) для полного удаления кремниевого донорского пластина.остановка офорта происходит на оригинальном интерфейсе германий/кремний.

Затем слой интерфейса германия и кремния удаляется химической и механической полировкой.так что это масштабируемость для всех размеров чипаДля характеристики качества тонких пленок германия использовался рентгеновский дифракционный анализ (XRD), относящийся к GOS после изготовления чипов Gunn, и результаты показаны на рисунке 4.Анализ XRD показывает, что кристаллическое качество германия эпитаксиального слоя не имеет явных изменений, а его пиковая прочность и кривая похожи на германий на кремниевой пластине.

График 4. XRD-образ гена и германия GOS эпитаксиального слоя.

Резюме

В целом, дефектные слои, содержащие несовместимые дислокации, могут быть обнаружены путем переноса слоев и удалены химико-механической полировкой.таким образом, обеспечивая высококачественный слой германия на SiNx под покрытиемДля исследования целесообразности платформы GON, обеспечивающей меньший радиус изгиба канала, были выполнены моделирования.длины волны 8 ммПотеря изгиба при GON с радиусом 5 мм равна 0.14600,01 дБ/сгибание и потеря распространения равна 3.35600,5 дБ/см.Ожидается, что эти потери будут еще больше сокращены с помощью передовых процессов (таких как электронная лучевая литография и глубокая реактивная ионная гравировка) или без структурирования для улучшения качества боковой стенки.