IBM發表Nature子刊：一種新器件集成方案！助力未來晶片

2020-10-04 材料material

導讀：本文提出了一種新的器件集成方案，利用模板輔助的選擇性外延(TASE)結合原位摻雜，實現了在Si上的一個InGaAs納米結構p-i-n光電探測器的平面內單片集成。利用自由空間耦合，光電探測器展示了1200−1700 nm的光譜響應。60 nm薄的器件，指間距小至至0.06 cm2，提供了超低電容，這使得器件能高速運行，3 dB帶寬超過~ 25 GHz。當作為發光二極體操作時，p-i-n器件發射約1600 nm，為未來的全集成光學鏈路鋪平了道路。


在過去的十年裡，電子集成電路的數據流量和集成密度急劇增加，導致全球計算機資源的電力消耗增加。直接外延生長III-Vs在矽上的光發射和探測器是一個難以實現的目標。納米線使高品質III-V材料的局部集成成為可能，但先進的器件受到其高縱橫比垂直幾何形狀的阻礙。本文通過TASE法，解決了上述問題，實現了平面內摻雜剖面，與通常使用的垂直或徑向p-i-n結構相比，形成水平p-i-n納米結構。

近日，IBM歐洲研究院Kirsten E. Moselund團隊報導了TASE與原位摻雜法在Si上單片集成出InGaAs納米p-i-n結構，實現了高性能的紅外探測以及紅外1600 nm發射。相關論文以題為「High-speed III-V nanowire photodetector monolithically integrated on Si」發表在Nature Communications上。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18374-z


圖1. 通過TASE製造的全光鏈路的設想。發射極和探測器都可以在平面內集成並對接耦合到矽波導。目前的工作採用自由空間耦合，但為未來的波導耦合器件鋪平了道路。

圖2. 模板輔助選擇外延製備工藝。（a）TASE法製備過程。1. SOI晶片；2. 圖案頂部Si層；3.含有Si種子的部分中空SiO2模板。4. p-i-n結構InGaAs的MOCVD生長。箭頭表示生長方向。5. 生長後的p-i-n納米結構。6. 納米結構上的Ni/Au觸點。（b）p-i-n InGaAs的MOCVD生長順序示意圖。彩色區域對應於前體的螢光的開啟。首先，執行退火步驟來解吸水殘渣。接著，一短的InAs種子被沉積成核，接著是p-i-n InGaAs的生長。（c）p-i-n納米結構的偽彩色SEM俯視圖。（d）p-i-n納米結構橫截面的STEM圖像。


圖3. 外延單晶InGaAs納米結構。（a）無接觸的寬為200 nm的p-i-n納米結構的STEM圖像。（b）高分辨STEM圖像。（c）InxGa1-xAs納米結構中EDS分析圖像。（d）沿著納米結構提取原子部分。


圖4. p-i-nInGaAs光電探測器的靜態電光特性。（a）不同指寬器件的I−V曲線。（b）200 nm寬器件在不同入射雷射功率(1346 nm)的I−V曲線。（c）在0.5 V偏壓下不同指寬器件的歸一化光譜響應，以及模擬器件(2D)的歸一化光譜響應。插圖描述了使用電光模擬的200 nm寬器件和模擬的2D器件的實驗獲得的光譜響應的比較。（d）光電器件的自由空間耦合原理圖。（e）模擬了不同入射波長(1350、1550和1650 nm)在具有金屬接觸的p-i-n InGaAs器件上吸收的光子密度。

圖5. 電學和光學泵浦的光發射。（a）測量的PL和響應光譜(w = 200 nm)。（b）在不同的電壓條件下，寬約1μm的器件的EL譜。


圖6. 高速數據接收。（a）S21測量不同的寬度的器件。（b）在2 V偏壓，500 nm寬的器件上的32Gb s-1眼圖。

綜上所述，這項研究提出了一種通過TASE法在Si上實現了單片集成InGaAs納米p-i-n結構其作為光電探測器實現了高速響應，3 dB帶寬超過~ 25 GHz。此外，作為發光二極體，實現了1600 nm的發射。TASE的側向整合使得同質和異質結能夠在納米幾何結構內實現平面整合。與矽和平面內的無縫集成，更容易兼容傳統處理，是未來超大規模集成電子-光子晶片電路的必要條件。（文：無計）


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