Warlink Kona ----- integrierte Wellenleitungen für die Photonik im mittleren Infrarot
Einleitung
Eine Germaniumplattform mit großem Kontrastindex der Kernbeschichtung, die Siliziumnitrid-Germaniumwellenleiter, wurde in der mittleren Infrarotwellenlänge gezeigt.Die Machbarkeit dieser Struktur wird durch Simulationen überprüft.Diese Struktur wird durch erstes Binden von mit Siliziumnitrid abgelagerten Germanium-auf-Silizium-Geberwaffen an Siliziumsubstratwaffen erreicht.und erhält dann die Struktur von Germanium auf Siliziumnitrid durch Schichtübertragungsmethode, die auf alle Wafergrößen skalierbar ist.
Einführung
Die siliziumbasierte Photonik hat in den letzten Jahren aufgrund ihrer Kompatibilität mit CMOS-Prozessen und ihres Potenzials für die Integration in die Mikroelektronik viel Aufmerksamkeit erhalten.Forscher haben versucht, die Betriebswellenlänge der Photonik auf das mittlere Infrarot (MIR) auszudehnen, hier als 2-15 μm definiert, weil es vielversprechende Anwendungen in MIR gibt, wie Kommunikation der nächsten Generation, biochemische Sensorik, Umweltüberwachung und mehr.Silizium auf Standardisolatoren (SOI) eignet sich nicht für MIR, da der Materialverlust beim Vergraben von Oxidschichten bei 3Es wurden viele Anstrengungen unternommen, um ein alternatives Materialsystem zu finden, das auf Mir funktionieren könnte.Die Silicon on Sapphire (SOS) Wellenleittechnologie wurde eingesetzt, um den Betriebswellenlängenbereich auf 4 Wellenlängen zu erweitern..4lm. Auch Siliziumnitrid (SON) -Wellenleitungen, die einen breiten Transparenzbereich von 1,2-6,7 μm bieten, wurden vorgeschlagen.Dies macht es zu einer guten Alternative zu SOI.
Es wurde ein Germanium on Insulator (GOI) vorgeschlagen und auf der Plattform wurden passive Wellenleitungen und aktive Germaniummodulatoren hergestellt.Das Vergraben von Oxidschichten begrenzt tatsächlich die Transparenz der Plattform.Es wurde auch berichtet, daß Germanium auf SOI elektrische Vorteile hat.Die Germanium-on-Silicium-Plattform (GOS) wird derzeit weitgehend in der Photonikforschung eingesetzt und hat bereits eine Reihe beeindruckender Leistungen erzielt.Der niedrigste Ausbreitungsverlust des Germaniumwellenleiters auf dieser Plattform wird nur mit einem Verlust von 0,6 dB/cm gemeldet.Der Biegeradius des GOS muss entsprechend größer sein als der Biegeradius des SOI., wodurch der Abdeckungsbereich der Geräte auf dem GOS-Chip in der Regel größer ist als der SOI.Was erforderlich ist, ist eine bessere alternative Germanium-Wellenleitplattform, die einen größeren Kontrast des Brechungsindex der Kernverkleidung bietet als GOS, sowie eine nützliche Transparenz und einen kleineren Kanalbiegungsradius.
Um diese Ziele zu erreichen, ist die in dieser Arbeit vorgeschlagene und implementierte Struktur Germaniumnitrid auf Silizium, hier GON genannt.Der Brechungsindex unseres PECVD-Siliziumnitrides (SiNx) wurde mittels Ellipsometrie bei 3 gemessen..8lm. Die Transparenz von SiNx beträgt in der Regel bis zu etwa 7,5 mm. Der exponentielle Kontrast in GON ist also.Es wird viele passive photonische Geräte geben, die mit einem kompakten Fußabdruck hergestellt werden können., wie z.B. MachZehnder-Interferometer, Mikroring-Resonatoren usw. Um einen kompakten Ring herzustellen, ist ein kleiner Biegeradius erforderlich,die nur bei kontrastreichen Wellenleitern mit starken optischen Einschränkungen möglich istIn Zukunft können auch kompakte Sensorikgeräte auf Basis von Mikroring-Resonatoren mit solchen Germanium-Plattformen realisiert werden.Wir haben eine praktikable und skalierbare Waferbindung und Schichtübertragungstechnologie entwickelt, um GON zu implementieren.
Experiment
Bei der Herstellung von Germanium-/Silizium-Plattformen können verschiedene Techniken verwendet werden, darunter die Kondensation von Germanium, die Epitaxie in flüssiger Phase und die Schichttransfertechnik.21wenn Germanium direkt auf Siliziumnitrid angebaut wirdDie Qualität der Germaniumkristalle wird voraussichtlich schlecht sein und eine hohe Defekthäufigkeit entsteht.
Graph. 2. Im Vergleich zu GOS ist der simulierte Biegeverlust der nepalesischen Regierung geringer, was darauf hindeutet, dass der Wellenleitungsbiegeverlust der nepalesischen Regierung geringer ist.
Da SiNx amorph ist, erhöhen diese Defekte die Streuverluste. In dieser Arbeit verwenden wir Waferbindung und Schichttransfertechniken, um GON zu fertigen, wie in Abbildung 2 gezeigt.Silikon-Geberwaffen verwenden reduzierte Druck chemische Dampfdeposition (RPCVD) und einen drei-Stufen-German-Wachstumsprozess.22 Die Germanium-Epitaxialschicht wird dann mit Siliziumnitrid beschichtet und auf ein anderes Siliziumsubstrat übertragen, um GON-Wafer zu erhalten.Einige Germanium-Silizium-Chips (GOS) (die auf ähnliche Weise wachsen, aber nicht übertragen) wurden in nachfolgende Experimente aufgenommenDie endgültige Germaniumschicht weist in der Regel eine Durchdringungsdislokationsdichte (TDD) von < 5106 cm2, Oberflächenrauheit < 1 nm und eine Zugspannung von 0,2%.23Die Spenderwafer wird gereinigt, um eine Oberfläche ohne Oxide und Verunreinigungen zu erhalten.Nach dem Reinigungsprozess werden die Spenderwafer in das Cello PECVD-System für die Ablagerung von Spannungsspannung SiNx geladen.Durch ein paar Stunden Anhälten nach der Ablagerung wird sichergestellt, dass während der Ablagerung Gase, die in der Wafer gefangen sind, freigesetzt werden.
Alle Wärmebehandlungen werden bei Temperaturen unter 40 °C durchgeführt. Zusätzlich wird auf der Rückseite der Wafer 1 mm SiNx abgelagert, um den Biegeeffekt auszugleichen.Durch chemische Niedertemperatur-Plasma-DampfdepositionDie Bindeschicht besteht aus Kieselsäure, wodurch sie leicht mit einer anderen mit Silizium behandelten Wafer verbunden werden kann.Wassermoleküle entstehen in der BindungsreaktionDaher wurde Silizium als Bindeschicht gewählt, da es diese Wassermoleküle absorbieren kann und so eine hohe Bindungsqualität bietet.24 Die Bindeschicht wird chemisch mechanisch (chemo-mechanisch poliert) auf 100 nm poliert, um die Oberflächenrauheit zu reduzieren und sie für die Bindung von Wafern geeignet zu machen.Die Spenderwafer kann dann an eine Siliziumsubstratwafer gebunden werden. Vor der Bindung werden beide Waferoberflächen etwa 15 Sekunden lang O2-Plasma ausgesetzt, um die Oberflächenhydrophilheit zu verbessern.
Anschließend wird der Adi-Waschschritt hinzugefügt, um die Dichte der Oberflächenhydroxylgruppe zu erhöhen und somit die Bindung auszulösen.Die gebundenen Waferpaare werden dann bei Temperaturen unter 30 °C für etwa 4 Stunden nach der Bindung gegrillt, um die Bindfestigkeit zu verbessernDie Bindungsplatten werden mit Hilfe von Infrarotbildern untersucht, um auf die Bildung von Schnittstellenleeren zu achten.Die oberste Siliziumspenderwafer wird gemahlen, um den Germanium-/Siliziumnitrid-Schichthaufen auf die Substratwafer zu übertragen.. Darauf folgt eine nasse Ätzung mit Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), um die Siliziumspenderwafer vollständig zu entfernen.die Ätzung auf der ursprünglichen Germanium-Silizium-Schnittstelle stoppt.
Die Germanium-Silizium-Schnittstelle wird dann chemisch und mechanisch poliert entfernt.Also ist es skalierbar für alle Chips.Bei der Charakterisierung der Qualität der dünnen Germaniumfolien wurde eine Röntgendiffraktionsanalyse (XRD) durchgeführt, die sich nach der Herstellung von Gunn-Chips auf GOS bezog. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.Die XRD-Analyse zeigt, dass sich die Kristallqualität der Germanium-Epitaxialschicht nicht deutlich verändert hat., und seine Spitzenfestigkeit und Kurvenform ähneln der von Germanium auf Siliziumwafer.
Grafik 4. XRD-Muster der Geng- und GOS-Germanium-Epitaxialschicht.
Zusammenfassung
Zusammenfassend kann man defekte Schichten mit nicht übereinstimmenden Dislokationen durch Schichtübertragung aufdecken und durch chemisch-mechanisches Polieren entfernen.Damit wird eine hochwertige Germaniumschicht auf SiNx unter der Beschichtung erzeugt. Simulationen wurden durchgeführt, um die Machbarkeit der GON-Plattform zu untersuchen, die einen kleineren Kanalbiegungsradius bietet.Wellenlängen von 8 mmDer Biegeverlust bei einem GON mit einem Radius von 5 mm beträgt 0.14600,01 dB/Bekehrung und der Ausbreitungsverlust beträgt 3.35600,5 dB/cm.Es wird erwartet, dass diese Verluste durch die Verwendung fortschrittlicher Verfahren (z. B. Elektronenstrahllithographie und tiefe reaktive Ionenatzung) oder durch keine Strukturierung zur Verbesserung der Seitenwandqualität weiter reduziert werden..
