Applied Physics Letters | 绝缘体上磷化铟镓（InGaP-on-Insulator）晶圆级制造工艺

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-9-30 08:01:00

引言
集成光电子技术在高速通信、量子信息处理等多个领域带来了变化。在众多探索的材料中，磷化铟镓（InGaP）因其强大的非线性光学特性和宽禁带而成为极具潜力的候选材料。本文将探讨InGaP-on-Insulator（InGaPOI）的晶圆级制造工艺及其在非线性和量子光电子应用中的潜力[1]。

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图1：完成全部制造工艺后的100毫米InGaP-on-Insulator（InGaPOI）晶圆。

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InGaPOI平台：优势与挑战
相比于集成光电子中常用的其他材料，InGaP具有多项优势。其二阶非线性极化率（χ(2)）高达约220 pm/V，是AlGaAs的1.5倍，是铌酸锂的10倍。此外，三阶非线性极化率（χ(3)）与其他III-V族半导体相当。1.9 eV的宽禁带（对应波长645 nm）使得在电信波段进行高效非线性过程时不会产生显著的双光子吸收。

尽管具有这些优势，InGaP在集成光电子中的广泛应用受到了制造工艺挑战的限制。开发可扩展、可制造的高质量InGaPOI器件工艺对于实现其在实际应用中的全部潜力具有重要意义。
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晶圆级制造工艺

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图2：InGaPOI工艺流程图，展示了制造的关键步骤。

InGaPOI的晶圆级制造涉及几个关键步骤：

晶圆键合：首先进行低温等离子体活化键合，将InGaP外延晶圆与热氧化硅基底晶圆键合。这一步骤需要仔细检查和清洁晶圆，以确保高质量的键合。

衬底去除：使用NH4OH:H2O2湿法刻蚀去除GaAs生长衬底。然后用稀HF选择性去除AlGaAs刻蚀停止层。

波导定义：使用原子层沉积（ALD）沉积90 nm厚的SiO2硬掩模。通过深紫外光刻和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀定义波导特征。

包覆层和加热器：沉积30 nm ALD SiO2层和1.5 μm PECVD SiO2层作为波导包覆层。然后在包覆层顶部图案化Ti/Pt电阻加热器，用于热光相位调谐。

刻面和切割：晶圆进行刻面工艺，然后切割成单独的芯片进行测试和表征。
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这一工艺可以在单个100毫米晶圆上制造数千个光电子器件，并有潜力扩展到200毫米晶圆。

器件设计和优化
InGaPOI器件的设计需要仔细考虑波导几何结构，以实现不同非线性过程的最佳性能。两个主要关注的过程是自发四波混频（SFWM）和自发参量下转换（SPDC）。

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图3：SFWM和SPDC设计的模态截面和色散特性。

对于依赖χ(3)非线性的SFWM，理想的是近零色散波导设计。这允许在更宽的带宽范围内产生纠缠光子对。模拟表明，400 × 650 nm的波导截面对于使用基础TE模式在1550 nm进行SFWM是最佳的。

利用χ(2)非线性的SPDC需要泵浦光（通常在775 nm）和产生的光子对（约1550 nm）之间的相位匹配。由于InGaP的强材料色散，实现相位匹配需要使用高纵横比的波导截面。对于102 nm的波导高度，相位匹配的理想宽度约为1.2 μm。
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引言器件表征和性能
为评估制造的InGaPOI器件质量，采用了多种表征技术。使用可调谐激光在1530至1600 nm范围内扫描，对微环谐振器进行线性透射测量。

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图4：1550-1600 nm范围内的典型环形谐振器透射谱，插图显示了高Q值谐振。

透射谱显示了载荷品质因数（QL）超过200,000的高质量谐振。通过将谐振拟合到解析模型，测得本征品质因数（Qi）高达440,000，对应1550 nm处的传播损耗低至1.22 dB/cm。

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图5：微环谐振器的传播损耗与半径和宽度的关系，以及整个晶圆上最高的本征品质因数。

对制造的器件进行进一步分析揭示了几个重要趋势：

传播损耗随环半径增加而降低，从20 μm半径时的约5.4 dB/cm降至40 μm半径时的约2.4 dB/cm。

更宽的波导表现出更低的损耗，这是由于与侧壁的模式重叠减少。

在整个晶圆上持续实现高质量器件，本征Q因子范围从194,000到440,000。
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这些结果展示了晶圆级制造工艺的优异性能和均匀性。
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与其他非线性平台的比较
InGaPOI在1550 nm处实现的1.22 dB/cm传播损耗与其他新兴非线性光电子平台相比具有竞争力。

虽然一些材料如AlGaAsOI和绝缘体上铌酸锂（LNOI）已经展示了更低的损耗，但InGaPOI平台提供了几个优势：

使用深紫外光刻的晶圆级制造，实现更高的产能和批量生产潜力。

强大的χ(2)和χ(3)非线性，允许多样化的非线性光学过程。

宽禁带，减少了电信波长下不需要的非线性吸收。
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未来前景和改进
当前结果令人鼓舞，但InGaPOI平台仍有改进空间：

先前研究表明，使用Al2O3进行表面钝化可以将本征品质因数提高3倍。

使用氘化SiO2作为包覆材料可以在1550 nm处将吸收损耗降低约7倍。

进一步优化制造工艺，包括改进刻蚀技术和表面处理，可能导致更低的传播损耗。
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这些改进可能使InGaPOI器件的性能达到或超过其他非线性光电子平台。

结论
高质量InGaP-on-Insulator器件的晶圆级制造是集成非线性和量子光电子技术发展的重要进展。强大的χ(2)和χ(3)非线性、宽禁带以及现已实现的低损耗波导的组合使InGaPOI成为适用于广泛应用的多功能平台。

参考文献
[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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