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中红外(MIR)波长在光通信、传感和量子信息方面具有巨大的潜力，因此基于硅(Si)的中红外光子集成电路(PICs)已通过利用硅光子学技术为近红外波长进行开发。然而，硅的透明波长窗口从1.2 µm到8 µm，限制了中红外光谱中可用的波长。由于硅德国(Ge)在整个中红外光谱中是透明的，因此它作为波导材料逐渐成为解决这一困难的方案。我们开发了一种用于中红外集成光子学的Ge-on-绝缘体(GeOI)平台。GeOI波导中的强光学约束使得超紧凑的中红外光子集成电路成为可能。通过晶圆键合和智能切割技术，成功制造了GeOI晶圆。因此，我们已经在GeOI平台上展示了各种Ge无源器件、热光相位调制器、调制器和光电探测器。

引言
在中红外(MIR)波长范围内工作的光子集成电路(PICs)预计将在光通信、传感和计算中发挥重要作用[1-3]。特别是在中红外波长下的光学传感为检测具有独特光学吸收指纹的各种分子开辟了道路[4, 5]。最初为近红外波长的光纤通信开发的硅光子学(Si photonics)也可以用于中红外光子集成电路[6-8]。然而，由于硅在大于8 µm波长时具有光学吸收，透明范围为2至14 µm的德国(Ge)因此引起了更多关注。Ge-on-Si结构是中红外光子集成电路的有前景平台之一，因为Ge可以通过化学气相沉积在硅晶圆上生长[9-14]。在Ge-on-Si平台上，已经开发出多种波导器件。
我们提出了一种用于传感的Ge-on-绝缘体(GeOI)平台，如图1所示[15]。由于薄Ge膜被键合在埋氧化物(BOX)上，Ge波导具有强光学约束，使其比Ge-on-Si波导更紧凑。我们采用晶圆键合技术，将大块Ge键合到热氧化硅晶圆上，并使用Smart-cut技术成功制造了GeOI晶圆[16]。因此，我们已经成功展示了在GeOI平台上的各种无源和有源器件[17-26]。本文回顾了我们在GeOI平台上的最新发展，包括为低损耗Ge波导、热光(TO)器件、光学调制器以及中红外光学传感的缺陷介导光电探测器制造GeOI晶圆，如图1所示。

图1. 基于Ge-on-绝缘体平台的中红外光子集成电路，用于光学传感。

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低损耗Ge波导的GeOI晶圆制造
我们已经开发了晶圆键合和Smart-cut工艺，以制造用于光子学的GeOI晶圆，如图2所示[27]。首先，将氢离子注入到大块Ge晶圆中。请注意，我们使用大块Ge晶圆而不是在硅晶圆上生长的Ge，以避免由于Ge与硅之间的晶格不匹配而引起的晶体缺陷。还准备了一块热氧化硅晶圆，以形成2微米厚的SiO2埋氧化物(BOX)层。为了进行晶圆键合，我们不使用O2等离子体表面激活，而是使用原子层沉积(ALD)在两个晶圆上沉积Al2O3作为键合界面。由于ALD Al2O3的亲水性表面，可以在不使用等离子体激活的情况下获得强晶圆键合。ALD Al2O3还为Ge提供了表面钝化，这对于减少Ge/BOX界面上的界面缺陷非常重要。键合后，晶圆在250℃的真空中退火。然后，通过逐渐提高退火温度至400℃来进行Smart-cut。随后，通过化学机械抛光(CMP)将分离晶圆的表面进行平整化。最后，晶圆在500℃的真空中退火1小时，以消除Ge层中的晶体缺陷。
使用GeOI晶圆，我们展示了包括弯曲、耦合器、环形谐振腔和光栅耦合器在内的无源波导器件。然而，我们发现，在晶圆键合和Smart-cut过程中产生的Ge器件层中的残余晶体缺陷会导致孔的产生。因此，即使我们使用n型大块Ge晶圆进行GeOI制造，制造出的GeOI晶圆也表现出p型导电性。由于Ge中孔的自由载流子吸收远大于电子的吸收，n型GeOI晶圆更适合减少Ge波导的传播损耗。低传播损耗对于传感所需的长Ge螺旋波导至关重要。

图2. 使用晶圆键合和Smart-cut工艺制造GeOI晶圆的过程[27]。
为了减少分离后Ge器件层中的晶体缺陷，我们研究了氢的注入能量的影响。图3a显示了使用80 keV注入能量制造的GeOI晶圆分离后的横截面透射电子显微镜(TEM)图像。结果发现，在氢注入形成的300纳米厚Ge器件层中存在许多缺陷，这些缺陷不能通过热处理完全消除。

图3. 在平面化之前，使用氢注入能量为（a）80 keV和（b）160 keV的GeOI晶圆的横截面TEM图像[27]。
图3b是使用160 keV注入能量制造的GeOI晶圆的横截面TEM图像。由于较高的注入能量导致氢的注入更深，因此发现300纳米厚的Ge器件层具有较少的晶体缺陷。因此，我们成功地获得了掺杂浓度约为4.7×10^16 cm^-3的n型GeOI晶圆。
使用n型和p型GeOI晶圆，制造了Ge波导，包括图4a所示的螺旋波导，用于损耗测量。采用基于Tm掺杂光纤放大器的放大自发辐射(ASE)光源，在2 µm波长带进行测量。使用光栅耦合器在Ge波导和单模光纤之间耦合。图4b显示了通过切割法评估的n型Ge波导（4.7×10^16 cm^-3）和p型Ge波导（3.9×10^16 cm^-3）的传播损耗。通过使用n型GeOI晶圆，传播损耗显著降低至约2.3 dB/cm。

图4. (a) GeOI晶圆上的螺旋Ge波导和 (b) n型和p型Ge波导的传播损耗[27]。

热光器件
TO相位调制器对于光子集成电路中的各种光信号处理和开关是必不可少的。我们在GeOI平台上研究了TO相位调制器，如图5a所示[22]。由于Ge的热光系数大约是硅的两倍，因此预计Ge TO相位调制器的调制效率将高于硅TO相位调制器，正如图5b中的模拟结果所示。

图5. (a) GeOI平台上Ge TO相位调制器的横截面示意图和 (b) Ge与Si TO相位调制器的模拟相位变化与加热功率的关系[22]。

我们在GeOI平台上制造了一个Ge TO相位调制器。通过电子束(EB)光刻和干法刻蚀形成Ge通道波导后，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积了1微米厚的SiO2包层。最后，通过溅射沉积了32纳米厚的钨加热器。图6a显示了Ge TO相位调制器的俯视图照片。为了测量光学相位变化，TO相位调制器被集成到非对称马赫-曾德干涉仪(AMZI)中。通过测量AMZI在不同加热功率下的传输光谱，提取出2微米波长下的相位调制效率为7.8 mW/π，大约是硅TO相位调制器的一半。

图6. (a) 带Ge TO相位调制器的非对称马赫-曾德干涉仪俯视图照片。 (b) Ge TO相位调制器的相位变化与加热功率的关系[22]。

使用Ge TO相位调制器，我们还制造了2×2 MZI开关，如图7所示。为MZI实现了2×2多模干涉(MMI)耦合器。我们成功地获得了约8 mW功率下在1957.5 nm波长下工作的2×2开关。

图7. 带Ge TO相位调制器的2×2马赫-曾德干涉仪开关的开关特性。

光学调制器
光学调制器对于在芯片上操控光信号至关重要。在SOI平台上，基于硅(Si)的光学调制器已经得到了显著发展，而基于Ge的中红外(MIR)光学调制器尚未得到广泛研究。在硅的情况下，光学调制是通过自由载流子效应完成的，涉及载流子耗尽、载流子注入和载流子积累。类似地，我们提出利用Ge中的自由载流子效应来调制MIR光学信号[15]。特别是，Ge由于间隙带吸收，预计会比硅具有显著更强的孔引起的自由载流子吸收[28]；我们预计基于Ge中自由载流子吸收的强度调制具有良好的前景。图8a展示了一个在GeOI平台上工作的载流子注入Ge光学调制器的横截面示意图，工作波长为1950 nm[25]。对于载流子注入，一个横向PIN结沿着Ge肋波导形成。图8b和8c展示了Ge波导和相同尺寸的硅波导中的基本横向电场(TE)模式。由于Ge的折射率大于硅，Ge波导中的光学约束大于硅波导中的光学约束，从而带来了更好的调制性能。

图8. (a) 载流子注入Ge光学调制器的横截面示意图。 (b) Ge肋波导和 (c) 硅肋波导在1950 nm波长下的横截面光学模式[25]。

图9a显示了载流子注入Ge光学调制器的制造工艺。首先，我们通过晶圆键合和Smart-cut准备了一块220纳米厚的GeOI晶圆。Ge肋波导和光栅耦合器通过电子束光刻和使用CF4气体干法刻蚀形成。为了形成p+-Ge区域，使用10纳米厚的SiO2硬掩膜进行了硼离子注入。硼的剂量和注入能量分别为1×10^15 cm^-2和10 keV。在去除用于注入的SiO2掩膜后，再次沉积了100纳米厚的SiO2掩膜并进行了图案化，形成n+-Ge区域。随后，采用磷掺杂的旋涂玻璃(SOG)进行旋涂，并通过650℃下的快速热退火进行固态掺杂，退火时间为1分钟[29]。与离子注入相比，SOG中的磷扩散能够实现低缺陷密度和陡峭杂质剖面的掺杂剂高激活。通过BHF刻蚀去除SiO2掩膜和SOG，Ge表面通过Ge氧化物/Al2O3/SiO2层进行钝化。形成通孔后，通过溅射和起膜工艺形成金属垫。最后，进行了400℃下的后金属化退火1分钟，以减少接触电阻。制造的器件的平面照片如图9b所示。

图9. (a) 基于GeOI晶圆的载流子注入Ge光学调制器的制造工艺和 (b) 制造器件的平面照片[25]。

我们使用ASE光源在2微米波长范围内评估了制造的调制器。通过切割法测量，发现600纳米宽的Ge波导的传播损耗为1.63 dB/mm，主要受到侧壁粗糙度的限制。图10展示了250微米长的Ge调制器的光衰减与注入电流的关系。通过引入SOG掺杂，我们发现n+-Ge区域的电子密度从3×10^17 cm^-3提高到了1.9×10^19 cm^-3，导致通过横向PIN结的载流子注入效率提高。因此，调制效率相较于采用磷离子注入制造的Ge光学调制器提高了4倍。需要注意的是，Ge氧化物/Al2O3表面钝化可能有助于提高调制效率。由于使用自由载流子效应进行调制，我们发现从1940 nm到2000 nm波长范围内，吸收调制几乎没有波长依赖性。在中红外强度调制器中，所呈现的器件展示了最高的衰减调制效率，这归因于GeOI平台上较高的磷掺杂浓度、更好的表面钝化和比Ge-on-Si平台更强的光学约束。考虑到从调制带宽测量估算的载流子寿命，通过提高载流子寿命，调制效率仍有很大的提升空间。

图10. 载流子注入Ge光学调制器的吸收调制结果与注入电流的关系[25]。

亚带隙光电探测器
在GeOI平台上工作于中红外(MIR)波长的光电探测器(PD)对于构建MIR光子集成电路至关重要。制造MIR PD的一种方法是将GeSn生长在Ge上，因为GeSn的带隙能量小于Ge[30]。亚带隙光电探测是制造MIR PD的另一种有趣方法，正如在硅波导中所示[31]。我们在GeOI平台上使用横向Ge PIN波导，研究了在2微米波长范围内Ge波导中的亚带隙光电探测，如图11所示[26]。

图11. 带横向PIN结的亚带隙Ge波导示意图，位于GeOI平台上[26]。
该器件通过与图9所示的载流子注入Ge光学调制器相同的工艺制造。图12展示了带有横向PIN结的Ge波导的平面视图照片。为了获得较大的光电流，设计的结长度为500微米。使用2微米波长带的ASE光源来测量光电流。ASE光通过光栅耦合器耦合到Ge波导中，使用单模光纤进行传输。

图12. 亚带隙Ge波导光电探测器的平面视图照片[26]。

我们首先评估了Ge PIN波导的传播损耗，如图13a所示。我们发现，带有横向PIN结的Ge波导表现出比没有横向PIN结的波导更大的光学吸收，这可以归因于PIN结中的亚带隙吸收。在Ge PIN波导中额外的光学吸收为3.8 dB/mm。图13b展示了有无光照射情况下的I-V特性。我们发现，无论偏压电压如何，光电流大约为10 µA，从而得出响应度约为0.25 A/W，如图14所示。考虑到器件长度为500 µm，亚带隙Ge光电探测器的响应度显著大于亚带隙硅光电探测器的响应度。

图13. (a) Ge PIN波导的传播损耗和 (b) 光电流测量结果[26]。

图14. 500微米长亚带隙Ge光电探测器的响应度[26]。

结论
基于GeOI平台的Ge光子集成电路已针对中红外(MIR)波长进行了开发。得益于GeOI平台与SOI平台的相似性，GeOI上的MIR光子器件可以利用为近红外(NIR)波长开发的硅光子学技术。因此，我们开发了多种Ge无源器件和有源器件，包括调制器和光电探测器。GeOI光子学为MIR集成光子学在传感、通信和计算领域提供了新的范式。

作者：M.Takenaka^a, Z. Zhao^a, C.-P. Ho^a, T. Fujigaki^a, T. Piyapatarakul^a, Y. Miyatake^a,R.Tang^a, K. Toprasertpong^a, and S. Takagi^a