硅基III族氮化物紫外光子电路
2024/6/12 10:13:21 材料来源：雅时
南京邮电大学报告了在硅衬底上使用III族氮化物外延层实现紫外（UV）光子集成电路（PIC）的进展。[Jiabin Yan et al, IEEE Transactions on Electron Devices, published online 2 April 2024]
研究人员通过一个50μm宽的氮化镓波导（WG）将四个二极管集成在一个层面上，这四个二极管分别充当监视器、发光二极管（LED）、调制器、光电探测器（PD）。利用金属有机化学气相沉积法，按照制造激光二极管（带有波导层和熔覆层）的典型顺序来添加氮化铟镓（InGaN）外延层和氮化铝镓（AlGaN）外延层（图1）。
研究人员看到了紫外显微技术、生物传感和片上数据通信的前景。研究团队评论道：“我们的集成方案基于硅基外延III-V，可实现紧凑、低成本、低复杂度的PIC系统。”
III族氮化物层是获取并传输紫外光的必要条件，由于紫外光子的能量远远高于硅的带隙能量，硅几乎可以完全吸收这种辐射。不过，出于热量和成本的考虑，硅衬底的导热性能要高于蓝宝石等更昂贵的替代品。
研究人员评论道：“虽然目前通过调制器的数据传输速率受到严重限制，但PIC芯片在音频传输和传感器应用方面具有潜在的前景。”
该结构的有源层由四个InGaN多量子阱（MQW）组成，中间由AlGaN势垒隔开。多量子阱序列的最后一个量子势垒层（LBQ）为p掺杂。外延结构包含一层电子阻挡层（EBL），目的是防止因电子越过多量子阱并在空穴注入层中进行非辐射复合而造成的损耗。
利用蚀刻到n型熔覆层的槽，将监视器和光电探测器与主波导隔开。
对PIC（图2）的蚀刻使用了由氯化氢和三氯化硼组成的电感耦合等离子体（ICP），分两步进行：首先对p型接触层进行图案化，然后向下蚀刻到n型熔覆层/接触层，形成台面结构和槽结构。然后通过等离子体增强化学气相沉积法添加100nm二氧化硅（SiO2），实现电气隔离。电极由镍/金（Ni/Au）组成。
表1：元件性能参数
波导的光损耗相对较高，为11dB/mm（表1）。研究小组将其归因于多量子阱层的吸收和粗糙的蚀刻侧壁。研究人员希望将来能实现更光滑的侧壁。研究团队报告称，3dB调制带宽较窄，可能受限于反向偏压下电场分布的缓慢响应。
研究人员对PIC进行了一系列调制测试（图3）。研究人员建议，可以同时使用直接调制和间接调制。研究团队提出：“例如，可以通过LED进行直接调制，从而传输视频信号，同时，可以通过调制器进行间接调制，从而传输语音信号。”
虽然目前直接调制可实现更高的数据传输速率，但直接调制存在非线性失真、瞬时加热效应、RC延迟等问题。
研究团队对使用调制器的优势进行了评论：“首先，光源和调制器的设计可以分开，灵活性就会更高。其次，通过单个调制器的多个通道可以共享一个光源，从而减小设备尺寸和系统的总功率预算。此外，通过对单个光路进行直接调制和间接调制，可以同时传输两种类型的数据，或者其中一种调制可以加密另一种调制信号的数据传输。”
图1：紫外光电集成芯片方案及相关制造步骤。
图2：扫描电子显微镜（SEM）图像：（a）完整的PIC。（b）调制器和光电探测器之间的槽区。（c）波导调制器。（d）波导边缘。（e）波导层。
图3：（a）在LED上施加多级电流并在调制器上施加频率为200Hz的方波信号后，监测器和光电探测器接收到的光电流波形。（b）在LED上施加多级电流并在调制器上施加频率为400Hz的方波信号后，监测器和光电探测器接收到的光电流波形。（c）在周期超过10,000的调制器上，光电探测器对5Hz调制频率的检测响应。插图：在LED上进行30兆比特/秒直接调制时的眼图。
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