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Applied Physics Letters | 絕緣體上磷化銦鎵(InGaP-on-Insulator)晶圓級制造工藝

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發(fā)表于 2024-9-30 08:01:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
引言/ c6 T) @0 v# ]4 d
集成光電子技術(shù)在高速通信、量子信息處理等多個領(lǐng)域帶來了變化。在眾多探索的材料中,磷化銦鎵(InGaP)因其強(qiáng)大的非線性光學(xué)特性和寬禁帶而成為極具潛力的候選材料。本文將探討InGaP-on-Insulator(InGaPOI)的晶圓級制造工藝及其在非線性和量子光電子應(yīng)用中的潛力[1]。
0 ^1 A+ c# g9 m9 ?
' }6 X% e, K: T
" g$ P! k  {" O; ~7 ^. j - @2 t' F2 ~5 E2 {
圖1:完成全部制造工藝后的100毫米InGaP-on-Insulator(InGaPOI)晶圓。3 J, }# n" j3 d: Z: Z  H6 u$ z1 i( H

. c3 G& c' T' g" o3 r& h6 ~

. [, l: l! _- ~) @' h; LInGaPOI平臺:優(yōu)勢與挑戰(zhàn)( t, e0 O% u1 ?
相比于集成光電子中常用的其他材料,InGaP具有多項優(yōu)勢。其二階非線性極化率(χ(2))高達(dá)約220 pm/V,是AlGaAs的1.5倍,是鈮酸鋰的10倍。此外,三階非線性極化率(χ(3))與其他III-V族半導(dǎo)體相當(dāng)。1.9 eV的寬禁帶(對應(yīng)波長645 nm)使得在電信波段進(jìn)行高效非線性過程時不會產(chǎn)生顯著的雙光子吸收。- V6 a8 t- z  j, a# m4 I. s/ ^5 Z

$ R1 J5 \, q) t- H盡管具有這些優(yōu)勢,InGaP在集成光電子中的廣泛應(yīng)用受到了制造工藝挑戰(zhàn)的限制。開發(fā)可擴(kuò)展、可制造的高質(zhì)量InGaPOI器件工藝對于實現(xiàn)其在實際應(yīng)用中的全部潛力具有重要意義。
% n4 y% Y" G1 ^& W7 M1 z/ l) b- n9 F- d8 n4 U
9 J7 l7 n4 N1 K8 ^: X1 b, N5 C
晶圓級制造工藝
; Q" E2 i- v" u, {5 k- b- p6 d0 w
2 s! s# p: ~" Y1 c! Q! D9 F圖2:InGaPOI工藝流程圖,展示了制造的關(guān)鍵步驟。
5 |7 W  o' w& o! i6 ?
# l  \- c6 Z& L9 L$ F$ B# iInGaPOI的晶圓級制造涉及幾個關(guān)鍵步驟:
  • 晶圓鍵合:首先進(jìn)行低溫等離子體活化鍵合,將InGaP外延晶圓與熱氧化硅基底晶圓鍵合。這一步驟需要仔細(xì)檢查和清潔晶圓,以確保高質(zhì)量的鍵合。
  • 襯底去除:使用NH4OH:H2O2濕法刻蝕去除GaAs生長襯底。然后用稀HF選擇性去除AlGaAs刻蝕停止層。
  • 波導(dǎo)定義:使用原子層沉積(ALD)沉積90 nm厚的SiO2硬掩模。通過深紫外光刻和電感耦合等離子體(ICP)刻蝕定義波導(dǎo)特征。
  • 包覆層和加熱器:沉積30 nm ALD SiO2層和1.5 μm PECVD SiO2層作為波導(dǎo)包覆層。然后在包覆層頂部圖案化Ti/Pt電阻加熱器,用于熱光相位調(diào)諧。
  • 刻面和切割:晶圓進(jìn)行刻面工藝,然后切割成單獨(dú)的芯片進(jìn)行測試和表征。8 m9 P% j1 _" Z+ M3 R
    [/ol]
      [* w* n  b( V- F4 T( `1 o) Q這一工藝可以在單個100毫米晶圓上制造數(shù)千個光電子器件,并有潛力擴(kuò)展到200毫米晶圓。
    : {3 K% X: O+ D6 A/ w: V" S  C+ \5 T& R9 v* `6 a/ O
    器件設(shè)計和優(yōu)化- J  V* h2 w' M4 `
    InGaPOI器件的設(shè)計需要仔細(xì)考慮波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)不同非線性過程的最佳性能。兩個主要關(guān)注的過程是自發(fā)四波混頻(SFWM)和自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)。
    " R, W6 B) x3 J  I: y" s2 c
    9 q% c5 E; J+ u7 Q* d# } + k* R1 E8 X4 t8 z2 p( F
    圖3:SFWM和SPDC設(shè)計的模態(tài)截面和色散特性。9 ^6 I7 C  l( K" ~3 w* Z# {, _
    % R# f" A; z2 p9 b/ F% J2 e
    對于依賴χ(3)非線性的SFWM,理想的是近零色散波導(dǎo)設(shè)計。這允許在更寬的帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生糾纏光子對。模擬表明,400 × 650 nm的波導(dǎo)截面對于使用基礎(chǔ)TE模式在1550 nm進(jìn)行SFWM是最佳的。
    9 T1 {/ T/ x# O" b( C" ?" P; a7 O3 T6 a2 s
    利用χ(2)非線性的SPDC需要泵浦光(通常在775 nm)和產(chǎn)生的光子對(約1550 nm)之間的相位匹配。由于InGaP的強(qiáng)材料色散,實現(xiàn)相位匹配需要使用高縱橫比的波導(dǎo)截面。對于102 nm的波導(dǎo)高度,相位匹配的理想寬度約為1.2 μm。
    4 E( h: d% w: |" I0 @8 q! f- T1 l0 z+ M/ P
    5 m. q. K  S& e  o+ `& x
    引言器件表征和性能  [' P) {7 d5 r( \3 K/ X9 ~2 j) d& N
    為評估制造的InGaPOI器件質(zhì)量,采用了多種表征技術(shù)。使用可調(diào)諧激光在1530至1600 nm范圍內(nèi)掃描,對微環(huán)諧振器進(jìn)行線性透射測量。4 z+ `1 K5 g, P1 I

    & ~8 P1 M# p7 N/ t  @8 Y. y
    8 Q1 M' u; L* `$ U3 ?) |' d, f圖4:1550-1600 nm范圍內(nèi)的典型環(huán)形諧振器透射譜,插圖顯示了高Q值諧振。/ y  K2 M. N( b2 }
      k. b# ?# H- ~/ V% P, g4 T
    透射譜顯示了載荷品質(zhì)因數(shù)(QL)超過200,000的高質(zhì)量諧振。通過將諧振擬合到解析模型,測得本征品質(zhì)因數(shù)(Qi)高達(dá)440,000,對應(yīng)1550 nm處的傳播損耗低至1.22 dB/cm。. f4 T" I! G+ E; D* J

    ; g1 k3 T7 Q& ^  g# h5 P
    + P; L2 L  i! H4 l5 O) E圖5:微環(huán)諧振器的傳播損耗與半徑和寬度的關(guān)系,以及整個晶圓上最高的本征品質(zhì)因數(shù)。$ c3 h) x: n: D  c

    & L: U6 S7 B4 Z. L1 h9 t# |* p3 C對制造的器件進(jìn)行進(jìn)一步分析揭示了幾個重要趨勢:
  • 傳播損耗隨環(huán)半徑增加而降低,從20 μm半徑時的約5.4 dB/cm降至40 μm半徑時的約2.4 dB/cm。
  • 更寬的波導(dǎo)表現(xiàn)出更低的損耗,這是由于與側(cè)壁的模式重疊減少。
  • 在整個晶圓上持續(xù)實現(xiàn)高質(zhì)量器件,本征Q因子范圍從194,000到440,000。6 I* W+ _3 {" z5 g% ?
    [/ol]
    % N" Q/ N# c& U0 a這些結(jié)果展示了晶圓級制造工藝的優(yōu)異性能和均勻性。
    ! a( P9 Q1 J' \8 `9 O; X* B, O' _. F6 p9 R% w8 W, L8 q
    6 c. [' ~2 T; l% k1 I' R1 h
    與其他非線性平臺的比較+ |3 r/ a$ A$ r1 [8 y
    InGaPOI在1550 nm處實現(xiàn)的1.22 dB/cm傳播損耗與其他新興非線性光電子平臺相比具有競爭力。8 e& \* k+ U* ^) ]0 r

    6 h4 F- N, E* q雖然一些材料如AlGaAsOI和絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)已經(jīng)展示了更低的損耗,但I(xiàn)nGaPOI平臺提供了幾個優(yōu)勢:
  • 使用深紫外光刻的晶圓級制造,實現(xiàn)更高的產(chǎn)能和批量生產(chǎn)潛力。
  • 強(qiáng)大的χ(2)和χ(3)非線性,允許多樣化的非線性光學(xué)過程。
  • 寬禁帶,減少了電信波長下不需要的非線性吸收。0 t  ~1 K* c1 ~# a% ~/ b8 V
    [/ol]
    " d3 A4 C' N, j未來前景和改進(jìn)! W9 O: x0 B$ _' j* `; T
    當(dāng)前結(jié)果令人鼓舞,但I(xiàn)nGaPOI平臺仍有改進(jìn)空間:
  • 先前研究表明,使用Al2O3進(jìn)行表面鈍化可以將本征品質(zhì)因數(shù)提高3倍。
  • 使用氘化SiO2作為包覆材料可以在1550 nm處將吸收損耗降低約7倍。
  • 進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝,包括改進(jìn)刻蝕技術(shù)和表面處理,可能導(dǎo)致更低的傳播損耗。
    2 F1 {4 F" r9 q$ m: ^1 ~& v9 t[/ol]
    0 Z9 _' ^! u/ x0 D這些改進(jìn)可能使InGaPOI器件的性能達(dá)到或超過其他非線性光電子平臺。
    7 @# Y. d+ L! v% I" r0 c$ ~1 K% x  |3 Q% p
    結(jié)論
    $ H9 v5 W( {, p3 t& L* i高質(zhì)量InGaP-on-Insulator器件的晶圓級制造是集成非線性和量子光電子技術(shù)發(fā)展的重要進(jìn)展。強(qiáng)大的χ(2)和χ(3)非線性、寬禁帶以及現(xiàn)已實現(xiàn)的低損耗波導(dǎo)的組合使InGaPOI成為適用于廣泛應(yīng)用的多功能平臺。6 X3 ?: |- F, P) K+ {* s

    / h3 M! I7 G0 I. n# Q0 o6 O0 R) C/ c* z參考文獻(xiàn)
    & f- r& |# l- \% s3 b% ~$ {* g[1] L. Thiel et al., "Wafer-scale fabrication of InGaP-on-insulator for nonlinear and quantum photonic applications," Appl. Phys. Lett., vol. 125, no. 131102, Sep. 2024, doi: 10.1063/5.0225747.2 x6 b% R" o( N+ R

    5 z1 M+ v; D- E3 y' }2 e/ h1 i- END -
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