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引言
6 E- M, W6 ?& y+ k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]。+ P2 n% G! P$ `$ o+ D9 f6 Y' @4 k, @
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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。
) x1 D$ k( G% w/ C2 k9 |+ x1 A& t5 I* m" L
& R" B t0 o' ?. }InGaPOI平臺:優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
/ H4 l, A g: i% d3 l+ k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。 F$ S. m- V! u- u. j% j+ I* B
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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。
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晶圓級制造工藝
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. b0 I/ _) h( ~) L圖2:InGaPOI工藝流程圖,展示了制造的關(guān)鍵步驟。- M5 A, U( F/ ^" @7 v+ ?" O
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InGaPOI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,然后切割成單獨的芯片進(jìn)行測試和表征。8 {5 C, D- `! ]0 f1 F
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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(kuò)展到200毫米晶圓。
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9 r: }& _* J. d% s器件設(shè)計和優(yōu)化
. G( c% H- N8 CInGaPOI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)。6 b0 G( y2 @7 \/ Q! c4 }4 c9 ]
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% Y3 a( f9 B/ b+ h+ I. g圖3:SFWM和SPDC設(shè)計的模態(tài)截面和色散特性。5 G8 U! X2 ]8 w: r0 q6 a) ]
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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。
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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(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。7 x. z @! U' `2 o
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引言器件表征和性能5 n5 n1 Z3 `0 {: n: T$ i) L
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。/ b' I/ q+ F' r1 w ~) {$ h
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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。& }5 g; \# {3 C3 \2 M
* O6 l% ~3 J. S. g2 @3 E! Z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。) v4 E' D' r, z {
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0 y+ I+ m& I5 }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)。
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9 @9 `% O* C) f" U$ H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。
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( a' ~$ t$ x" p3 U+ i f9 T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。
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與其他非線性平臺的比較; x7 Z, j" D3 D+ @- q; Z
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。. ^ A$ p; @( z1 ]% s
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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。
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3 V4 X/ s3 z$ E0 r6 u h未來前景和改進(jìn)
8 x+ o3 w) {2 g! v# b' T) w, Y, P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。
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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。" @1 j; Q. A; j6 B) t& L: C: K K
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結(jié)論; f, H/ E, c7 `6 h
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。
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參考文獻(xiàn). f# G+ {3 |1 T) D
[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.: N6 ~1 v z9 }+ m; `
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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