华林科纳半导体锗光电探测器与非晶硅基板上的非晶硅波导单体集成

引言

我们展示了一个利用高质量的绝缘体上锗 (GeO) 晶片通过晶片键合技术制造的阿格 / 非晶硅混合光子集成电路平台的概念验证演示。通过等离子体化学气相沉积形成的非晶硅被认为是传统硅无源波导的一种有前途的替代物。利用锗有源层的高晶体质量和非晶硅波导的易制造性，在锗硅晶片上成功地实现了与非晶硅无源波导单片集成的低暗电流锗波导 PIN 光电探测器。

介绍

近几十年来，硅光子学领域取得了重大进展。其中，将阿格薄膜引入硅基平台被证明是一种成功的方法，它不仅能够实现新的器件功能，更重要的是，能够在单个芯片上实现各种先进系统。锗具有许多优于硅的光学特性。它在 1.3 微米至 1.55 微米的波长下表现出很强的光吸收，使其成为光纤通信中光电探测器 (PDs) 的理想选择。在锗中也观察到了大的电吸收效应，使其成为实现高效光强度调制器的有前途的材料。虽然锗是一种类似于硅的间接带隙半导体，但它在γ谷的直接带隙仅比间接带隙高 0.14 电子伏。借助新兴的能带结构工程技术，甚至有可能制造实用的锗基光源。因此，通过实现锗有源光子器件和硅无源器件，锗和硅之间的集成为实现具有成本效益的高度功能化光子集成电路 (PIC) 平台提供了有希望的手段，适用于广泛的应用。

为了使锗与硅结合，传统的方法包括在硅上外延生长锗。然而，锗和硅之间 4.2% 的大晶格失配通常导致生长的锗层以及锗 / 硅界面中的高密度位错缺陷，这可能充当不期望的产生 / 复合中心，降低锗晶体质量并因此降低器件性能 [1] 。尽管已经进行了许多尝试来提高外延锗层的质量，包括诸如两步生长、使用分级硅锗缓冲层、纵横比俘获和退火技术的方法，但是仍然难以消除外延生长期间产生的所有缺陷并获得足够高质量的阿格薄膜。

除了工艺复杂、成本高的先进外延生长方法外，晶圆键合技术对于高质量锗硅集成也很有前景。通过将阿格薄膜从阿格大块晶片转移到硅衬底上，可以避免由于晶格失配引起的晶体缺陷。此前，我们已经报道了通过结合晶圆键合和智能剥离技术技术成功制造出高质量的绝缘体上锗 (GeOI) 晶圆。

实验

非晶硅无源波导

无定形硅以其工艺简单和集成光学设计灵活而闻名 [22–24] 。为了检验其替代传统硅波导用于在锗硅衬底上互连的能力，在 2 微米厚的二氧化硅覆盖的硅衬底上制造非晶硅波导，这也用于锗硅晶片制造。

为了便于测量，在非晶硅波导的两端设计了一对聚焦光栅耦合器，采用了与传统 SOI 光栅耦合器相似的设计方法 [25] 。假设 a-Si 的折射率值为 3.7 ，应用 560 nm 的光栅间距、 0.5 的填充因子、 9 的入射角和 70 nm 的蚀刻深度作为具有 220 nm 的 a-Si 层厚度的光栅耦合器的设计参数，目的是在 1550 nm 的中心波长实现。此外，光栅耦合器和硅波导也制作在 SOI 晶片上，该晶片包含 220 纳米厚的硅顶层和 2 微米厚的二氧化硅盒作为比较。

图 2(a) 显示了与聚焦光栅耦合器集成在一起的人工非晶硅波导的显微镜平面图。为了表征 aSi 波导的传输特性，来自商用可调谐激光器的光输入通过单模光纤 (SMF) 耦合到输入光栅耦合器。然后，输出光再次从输出光栅耦合器耦合到另一个 SMF ，透射功率由铟镓砷光电探测器测量。图 2(b) 显示了与一对光栅耦合器耦合的 1 微米宽 0.9 毫米长的非晶硅波导的典型透射光谱。

图。 2. 与聚焦光栅耦合器集成的非晶硅波导的显微镜平面图。插图显示了非晶硅光栅耦合器的放大图。与一对光栅耦合器耦合的非晶硅波导的典型透射光谱。

高质量 GeO 晶片上的 Ge 脊形波导 PDs

高质量的锗层对于获得高性能的锗钯非常重要。为了获得高质量的锗硅晶片，通过结合晶片键合和智能剥离技术技术，将来自阿格大块晶片的阿格薄膜转移到硅衬底上 2μm 厚的二氧化硅层上。对化学机械抛光后的锗晶片进行优化的热退火工艺，进行表面平面化，进一步提高锗晶体质量。参考文献 [20] 中给出了 GeOI 晶圆制造的细节。霍尔测量显示，在所制造的 GeO 晶片上的锗层中，具有超过 2000 cm2/Vs 的高空穴迁移率和大约 1 1016 cm3 的低载流子密度，这对于各种基于锗的功能器件是理想的。为了进一步研究锗的晶体质量，对锗衬底进行了透射电子显微镜观察。

图 4 显示了制造的 GeO 晶片的横截面 TEM 图像。插图显示了靠近锗和二氧化硅盒界面的锗层的放大图。

结论

我们已经使用晶片键合的GeOI衬底对阿格/非晶硅混合PIC平台进行了概念验证演示。利用锗层的高晶体质量和强光学限制，在锗衬底上实现了具有低暗电流和高响应度的阿格脊形波导。我们还研究了非晶硅波导替代传统硅波导在锗硅晶片上进行无源互连 的能力。与传统的硅波导相比，所制备的非晶硅条形波导表现出良好的传输特性，表明非晶硅在锗硅晶片上应用于集成光学具有很大的潜力。通过在阿格台面上引入倾斜侧壁结构，实现了锗 / 非晶硅在锗硅晶片上的共形沉积，并在此基础上成功实现了非晶硅波导集成锗钯。此外，所提出的集成方案也适用于键合在二氧化硅 / 硅晶片上的 ⅲ- ⅴ 族层，实现了更大的功能和更多的可能性。因此，未来可以为先进的集成光子学开发一个有前途的锗 / ⅲ - 钒 / 非晶硅光子学平台。

1传感器的定义编辑国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成"。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。2传感器的分类编辑目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。3、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量(“1"和"0"或“开"和“关")的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。3传感器的静态特性编辑传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。4传感器的动态特性编辑所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。5传感器的线性度编辑通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。6传感器的灵敏度编辑灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。7传感器的分辨力编辑分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。8电阻式传感器编辑电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。9电阻应变式传感器编辑传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式、箔式的几十倍)、横向效应小等优点。10压阻式传感器编辑压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片(或称膜片)材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。11热电阻传感器编辑热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。12传感器的迟滞特性编辑迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。 接口传感器、魏德米勒传感器/执行器接口产品，可以通过加装相应的总线协议适配器，SAI产品可以直接连接到现场总线。可以支持Profibus-DP、CANopen、DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。无源传感器/执行器接口产品(SAI)防护等级达到IP68，可直接安装而无需防护。节约安装材料、时间、空间。提供4、6、8路的分配器，每路有3针、4针和5针的结构(提供一路和两路信号)。有带接线盖型(标准型)和电缆预制型。可另外提供金属外壳的产品，适用于食品行业。带有信号和电源的指示。有源传感器/执行器接口产品(SAI)通过加装相应的总线协议适配器，SAI产品可以直接连接到现场总线。可以支持Profibus-DP、　CANopen、 DeviceNet、Interbus和ASi现场总线协议。提供两种防护等级的产品：IP67(总线连接方式为圆形接头连接)， IP68(总线连接方式为自装配型)。提供8DI、8DO、8DI/4DO、16DI、8DI/8DO五种输入输出的产品。传感器的发展趋势采用新原理、开发新型传感器；大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求)；传感器的集成化；传感器的多功能化；传感器的智能化(Smart Sensor)；研究生物感官，开发仿生传感器。

16岁。s风机等,“高的自发辐射

从板型光子晶体,“物理》杂志,第。

78:没有。3294。3294 87年),页。

17。b . D 'Urso等,“模态的反射率的Finite-Depth二维的

光子晶体孔洞、“选择”。(Soc)。是。第3期。

2002年,页1155 - 1159。

18岁。Kanskar >,“观察漏水的方式在一个Air-Bridged

半导体光波导与二维光子

格,“应用物理学卷,第1期,页,70%。1438。

19。M.D.B.吴文峰罗伯茨和查尔顿的比赛中,“导模式G.J.帕克

分析与二维光子晶体看得见

在一个平面上带结构半导体、"

材料科学研究所硕士论文,页。B49,没有。155出版社,1997年版。

20。陈:《y制作二维光子格

材料:中,“超晶格结构定期石墨和

微观”。109出版社,1997年版。

21。Labilloy >,“定量测量的传递,

反射、衍射的二维光子带

间隙结构,在近红外波段,“物理》信件,

1997年,第79页。,p。4147。

22。政府正等,“三维光子限制了

低维光子晶体中的周期,研究所。

Optoelec.卷,第1期,1998年,p。145 384页。

23。Coccioli >,“什么是尽可能小的电磁模式

在一个介电腔体积?研究所。Optoelec.,第18期。

391,1998年。

24。Coccioli >>,于《Yablonovitch,即。北京:国防工业出版社,页。

3283,1号,1998年。

25。s.g。约翰逊等,“导模式在光子晶体板,"

物理》卷,第1期,1999年,第60 - 5758。5751。

26。H.A.房子、波浪和字段的光电卷,第二期,归纳

新泽西州的悬崖,三联书店,1984年。

27。V.A. Mandelshtam和h .泰勒,“谐波反演的时间

信号及其应用[j].化学”。王金斌,第107(1997)。。

28。O.J.画家等,“缺陷模式的二维光子

晶体光学薄绝缘板,“选择”。(Soc)。,

卷,第二期,1999年2月号,页275,第13 - 285。

29。。Joannopoulos大学新奇的光子晶体”

触发。北约ASI 2000:光子晶体和轻本土化,

被出版。

30岁。h . Benisty等,“辐射损耗的Waveguide-Based二维的

光子晶体的积极作用基材、“应用

物理学杂志,第76年1月2000年。页。532 - 534。

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