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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
集成光電子技術(shù)在高速通信、量子信息處理等多個(gè)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(jí)制造工藝及其在非線性和量子光電子應(yīng)用中的潛力[1]。
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$ ^* j: P' B( C- H* ~" G+ e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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( \. B7 T3 {, h3 Y1 N: k; ?+ UInGaPOI平臺(tái)：優(yōu)勢(shì)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)。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(duì)應(yīng)波長(zhǎng)645 nm）使得在電信波段進(jìn)行高效非線性過程時(shí)不會(huì)產(chǎn)生顯著的雙光子吸收。
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8 @+ o; J0 @" r& \盡管具有這些優(yōu)勢(shì)，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(duì)于實(shí)現(xiàn)其在實(shí)際應(yīng)用中的全部潛力具有重要意義。

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+ Z3 m: |) _% k! V晶圓級(jí)制造工藝

$ i. L% [7 \& P7 b圖2：InGaPOI工藝流程圖，展示了制造的關(guān)鍵步驟。

& g. w/ k0 X5 s5 wInGaPOI的晶圓級(jí)制造涉及幾個(gè)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(zhǎng)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(cè)試和表征。
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& D, @8 a4 M" R: M+ Y這一工藝可以在單個(gè)100毫米晶圓上制造數(shù)千個(gè)光電子器件，并有潛力擴(kuò)展到200毫米晶圓。

: v. d* j( u. G7 y( L/ d) D器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化
InGaPOI器件的設(shè)計(jì)需要仔細(xì)考慮波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不同非線性過程的最佳性能。兩個(gè)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）。


* Z' X9 B5 U/ j) q) M圖3：SFWM和SPDC設(shè)計(jì)的模態(tài)截面和色散特性。

對(duì)于依賴χ(3)非線性的SFWM，理想的是近零色散波導(dǎo)設(shè)計(jì)。這允許在更寬的帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。模擬表明，400 × 650 nm的波導(dǎo)截面對(duì)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(duì)（約1550 nm）之間的相位匹配。由于InGaP的強(qiáng)材料色散，實(shí)現(xiàn)相位匹配需要使用高縱橫比的波導(dǎo)截面。對(duì)于102 nm的波導(dǎo)高度，相位匹配的理想寬度約為1.2 μm。


引言器件表征和性能
為評(píng)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(duì)微環(huán)諧振器進(jìn)行線性透射測(cè)量。

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( v7 ?& i: H. k- D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。

+ q* v$ C/ Q0 E5 P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(cè)得本征品質(zhì)因數(shù)（Qi）高達(dá)440,000，對(duì)應(yīng)1550 nm處的傳播損耗低至1.22 dB/cm。


/ ~. C7 I+ M% K5 V9 D# r, x. t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(gè)晶圓上最高的本征品質(zhì)因數(shù)。

. p% T- ?* {- B( \對(duì)制造的器件進(jìn)行進(jìn)一步分析揭示了幾個(gè)重要趨勢(shì)：

傳播損耗隨環(huán)半徑增加而降低，從20 μm半徑時(shí)的約5.4 dB/cm降至40 μm半徑時(shí)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(gè)晶圓上持續(xù)實(shí)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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8 t* ?) Q; I9 N2 z這些結(jié)果展示了晶圓級(jí)制造工藝的優(yōu)異性能和均勻性。


3 o9 `) W# ]0 e5 _: \3 ]8 q與其他非線性平臺(tái)的比較
InGaPOI在1550 nm處實(shí)現(xiàn)的1.22 dB/cm傳播損耗與其他新興非線性光電子平臺(tái)相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。

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(tái)提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

使用深紫外光刻的晶圓級(jí)制造，實(shí)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(zhǎng)下不需要的非線性吸收。
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未來前景和改進(jìn)
; n- V2 X% Q3 g: H當(dāng)前結(jié)果令人鼓舞，但I(xiàn)nGaPOI平臺(tái)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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2 ]' J9 X" N- B8 t% }! i9 D6 L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(tái)。
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' i6 X' p& {, B' o1 z! N# m結(jié)論
( M  m! Q" o5 ~. r6 k3 b3 [高質(zhì)量InGaP-on-Insulator器件的晶圓級(jí)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(shí)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(tái)。
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% ]# @' b' N. V, q8 L" Y8 a參考文獻(xiàn)
[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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