Warlink Kona ----- Guida d'onda fotonica integrata ad infrarosso medio da germanio a nitruro di silicio
Introduzione
Una piattaforma di germanio con un indice di contrasto elevato del rivestimento del nucleo, la guida d'onda germanio al nitruro di silicio, è stata dimostrata alla lunghezza d'onda dell'infrarosso medio.La fattibilità di questa struttura è verificata mediante simulazioneQuesta struttura si ottiene prima legando le wafer donatrici di germanio sul silicio depositate con nitruro di silicio alle wafer del substrato di silicio.e quindi ottenendo la struttura del germanio sul nitruro di silicio mediante metodo di trasferimento dello strato, che è scalabile a tutte le dimensioni dei wafer.
Introdurre
La fotonica basata sul silicio ha ricevuto molta attenzione negli ultimi anni a causa della sua compatibilità con i processi CMOS e del suo potenziale di integrazione con la microelettronica.I ricercatori hanno cercato di estendere la lunghezza d'onda operativa della fotonica all'infrarosso medio (MIR), definito qui come 2-15 μm, perché ci sono applicazioni promettenti nel MIR, come le comunicazioni di prossima generazione, il rilevamento biochimico, il monitoraggio ambientale e altro ancora.Il silicio sugli isolanti standard (SOI) non è adatto al MIR perché la perdita di materiale per seppellire strati di ossido diventa molto elevata a 3Molti sforzi sono stati fatti per trovare un sistema materiale alternativo che potesse funzionare su Mir.La tecnologia di guida d'onda Silicon on Sapphire (SOS) è stata perseguita per estendere l'intervallo di lunghezza d'onda operativa a 4.4lm. Sono state proposte anche guide d'onda a nitruro di silicio (SON), che forniscono un ampio intervallo di trasparenza di 1,2-6,7 μm. Il germanio (ge) ha una grande trasparenza e molte proprietà ottiche,rendendolo una buona alternativa al SOI.
Il germanio sull'isolatore (GOI) è stato proposto, e sono stati fabbricati conduttori d'onda passivi e modulatori di germanio attivo sulla piattaforma, ma come accennato sopra,seppellire strati di ossido limita effettivamente la trasparenza della piattaformaIl germanio sul SOI ha anche vantaggi elettrici.La piattaforma germanium sul silicio (GOS) è attualmente ampiamente utilizzata nella ricerca fotonica e ha già raggiunto una serie di risultati impressionantiLa perdita di propagazione più bassa della guida d'onda germanica su questa piattaforma è riportata solo con una perdita di 0,6 dB/cm.il raggio di flessione del GOS deve essere corrispondentemente maggiore del raggio di flessione del SOI, con conseguente area di copertura dei dispositivi sul chip GOS generalmente maggiore dell'SOI.Ciò di cui si ha bisogno è una piattaforma di guida d'onda di germanio alternativa migliore che fornirà un contrasto più elevato dell'indice di rifrazione del rivestimento del nucleo rispetto al GOS, nonché una trasparenza utile e un raggio di piegatura del canale più piccolo.
Per raggiungere questi obiettivi, la struttura proposta e attuata in questo lavoro è il nitruro di germanio sul silicio, qui chiamato GON.L'indice di rifrazione del nostro nitruro di silicio PECVD (SiNx) è stato misurato con ellipsometria a 3.8lm. La trasparenza di SiNx è di solito fino a circa 7,5 mm. Quindi il contrasto esponenziale in GON è. Una volta implementata questa piattaforma Ge che opera nel range MIR,Ci saranno molti dispositivi fotonici passivi che possono essere fabbricati con un'impronta compattaPer realizzare un anello compatto è necessario un piccolo raggio di piegatura.che è possibile solo in guide d'onda ad alto contrasto con forti limitazioni otticheIn futuro, i dispositivi di rilevamento compatti possono anche essere realizzati sulla base di risonatori a microring con tali piattaforme di germanio.Abbiamo sviluppato una tecnologia di legame e trasferimento di strati per implementare GON.
Esperimento
Le piattaforme germanio/silicio possono essere prodotte attraverso diverse tecnologie, tra cui la condensazione del germanio, l'epitaxia in fase liquida e le tecniche di trasferimento di strati.quando il germanio è coltivato direttamente sul nitruro di silicio, la qualità dei cristalli di germanio dovrebbe essere scadente e si formerà un'alta densità di difetti
Grafico 2. Rispetto al GOS, la perdita di flessione simulata del governo del Nepal è inferiore, indicando che la perdita di flessione della guida d'onda del governo del Nepal è inferiore.
In questo lavoro, utilizziamo le tecniche di legame dei wafer e di trasferimento dello strato per fabbricare GON come mostrato nella Figura 2.I wafer donatori di silicio utilizzano la deposizione chimica a vapore a pressione ridotta (RPCVD) e un processo di crescita del germanio in tre fasi.22 Lo strato epitaxiale di germanio viene poi rivestito di nitruro di silicio e trasferito su un altro substrato di silicio per ottenere le wafer GON.alcuni chip al silicio germanio (GOS) (che crescono in modo simile ma non si trasferiscono) sono stati inclusi negli esperimenti successiviLo strato finale di germanio ha generalmente una densità di dislocazione di penetrazione (TDD) di < 5106 cm2, rugosità superficiale < 1 nm e tensione di trazione dello 0,2%.23il wafer donatore viene pulito per ottenere una superficie priva di ossidi e contaminantiDopo il processo di pulizia, le wafer donatrici vengono caricate nel sistema Cello PECVD per la deposizione di SiNx.L'annegamento per alcune ore dopo la deposizione assicura che i gas intrappolati nel wafer siano rilasciati durante la deposizione.
Tutti i trattamenti termici sono effettuati a temperature inferiori a 40 °C. Inoltre, un altro 1 mm di SiNx viene depositato sul retro del wafer per compensare l'effetto di piegatura.Per deposizione chimica a bassa temperatura del plasmaIn questo caso, il livello di legame di 300 nm viene depositato. Lo strato di legame è di silice, che lo rende facile da legare con un altro wafer trattato con silicio.le molecole d'acqua si formano nella reazione di legamePertanto, la silice è stata scelta come strato di legame perché può assorbire queste molecole d'acqua, fornendo così una elevata qualità di legame.24 Lo strato di legame viene polito chimicamente meccanicamente (polito chemiomeccanico) fino a 100 nm per ridurre la rugosità superficiale e renderlo adatto per il legame dei waferPrima del legame, entrambe le superfici del wafer sono esposte al plasma di O2 per circa 15 secondi per migliorare l'idrofilicità della superficie.
Successivamente, viene aggiunto il passo di lavaggio Adi per aumentare la densità del gruppo idrossile superficiale, innescando così il legame.Le coppie di wafer legate vengono poi ricotte per circa 4 ore dopo l'incollaggio a temperature inferiori a 30 ° C per migliorare la resistenza all'incollaggioPer completare il processo di trasferimento dello strato, si utilizza un'imaging infrarosso per verificare la formazione di vuoti interfacciali.il wafer donatore superiore di silicio viene macinato per trasferire lo strato di germanio/nitruro di silicio sul wafer del substratoIl processo è seguito da un'incisione umida con idrossido di tetrametilammonio (TMAH) per rimuovere completamente il wafer donatore di silicio.l'arresto dell'incisione avviene all'interfaccia germanio/silicio originale.
Il nostro processo utilizza due wafer di silicio, wafer di donatore di silicio e wafer di substrato di silicio.quindi è scalabile a tutte le dimensioni di chipPer la caratterizzazione della qualità delle pellicole sottili di germanio, si è utilizzato l'analisi a diffrazione a raggi X (XRD), riferendosi al GOS dopo la fabbricazione dei chip Gunn, e i risultati sono illustrati nella figura 4.L'analisi XRD mostra che la qualità cristallina dello strato epitaxiale di germanio non ha cambiamenti evidenti, e la sua forza massima e la sua forma curva sono simili a quelle del germanio su wafer di silicio.
Grafico 4. Modello XRD dello strato epitaxiale di Geng e GOS germanio.
Riassunto
In sintesi, gli strati difettosi contenenti dislocazioni non corrispondenti possono essere esposti tramite trasferimento di strati e rimossi mediante lucidatura chimico-meccanica,fornendo così uno strato di germanio di alta qualità sul SiNx sotto il rivestimentoSono state eseguite simulazioni per studiare la fattibilità della piattaforma GON che fornisce un raggio di curvatura del canale più piccolo.lunghezze d'onda di 8 mmLa perdita di piegatura a un GON con un raggio di 5 mm è pari a 0.14600,01 dB/curvatura e la perdita di propagazione è di 3.35600,5 dB/cm.Tali perdite dovrebbero essere ulteriormente ridotte utilizzando processi avanzati (come la litografia a fascio elettronico e l'incisione a ioni reattivi profondi) o non strutturando per migliorare la qualità delle pareti laterali.
