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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引言
2 ^- ~; L. `3 H- q5 }- Q/ Y" n集成光電子技術(shù)在高速通信、量子信息處理等多個領域帶來了變化。在眾多探索的材料中，磷化銦鎵（InGaP）因其強大的非線性光學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用中的潛力[1]。
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圖1：完成全部制造工藝后的100毫米InGaP-on-Insulator（InGaPOI）晶圓。

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2 ?. N# y3 G3 X9 F( g% f7 ~9 cInGaPOI平臺：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
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族半導體相當。1.9 eV的寬禁帶（對應波長645 nm）使得在電信波段進行高效非線性過程時不會產(chǎn)生顯著的雙光子吸收。

盡管具有這些優(yōu)勢，InGaP在集成光電子中的廣泛應用受到了制造工藝挑戰(zhàn)的限制。開發(fā)可擴展、可制造的高質(zhì)量InGaPOI器件工藝對于實現(xiàn)其在實際應用中的全部潛力具有重要意義。

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晶圓級制造工藝
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8 I' y2 ], l4 S6 m圖2：InGaPOI工藝流程圖，展示了制造的關(guān)鍵步驟。

7 W- r$ d( }# g* cInGaPOI的晶圓級制造涉及幾個關(guān)鍵步驟：

晶圓鍵合：首先進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：晶圓進行刻面工藝，然后切割成單獨的芯片進行測試和表征。
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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，并有潛力擴展到200毫米晶圓。

器件設計和優(yōu)化
InGaPOI器件的設計需要仔細考慮波導幾何結(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）。
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圖3：SFWM和SPDC設計的模態(tài)截面和色散特性。

$ f8 ]  x3 P3 u- z5 F對于依賴χ(3)非線性的SFWM，理想的是近零色散波導設計。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的波導截面對于使用基礎TE模式在1550 nm進行SFWM是最佳的。
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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的強材料色散，實現(xiàn)相位匹配需要使用高縱橫比的波導截面。對于102 nm的波導高度，相位匹配的理想寬度約為1.2 μm。

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引言器件表征和性能
7 P5 L6 R  G; x/ ?9 M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)諧振器進行線性透射測量。

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9 ~: G/ W3 t. N; n, r, G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。
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7 c" V0 |" G* N  h( b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440,000，對應1550 nm處的傳播損耗低至1.22 dB/cm。


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)。

對制造的器件進行進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。
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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。


與其他非線性平臺的比較
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。
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) ^( [" g' t* Y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InGaPOI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。

強大的χ(2)和χ(3)非線性，允許多樣化的非線性光學過程。

寬禁帶，減少了電信波長下不需要的非線性吸收。
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未來前景和改進
當前結(jié)果令人鼓舞，但InGaPOI平臺仍有改進空間：

先前研究表明，使用Al2O3進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。

進一步優(yōu)化制造工藝，包括改進刻蝕技術(shù)和表面處理，可能導致更低的傳播損耗。
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這些改進可能使InGaPOI器件的性能達到或超過其他非線性光電子平臺。
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結(jié)論
6 e+ J$ P6 S) i0 A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)展的重要進展。強大的χ(2)和χ(3)非線性、寬禁帶以及現(xiàn)已實現(xiàn)的低損耗波導的組合使InGaPOI成為適用于廣泛應用的多功能平臺。
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7 ~, R1 D0 p/ `4 M參考文獻
[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.
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