摘要：我们报道了溅射氮化铝 (AlN) 光子波导的制造和特性。在 700°C 的温度下，使用反应性直流磁控溅射将 AlN 薄膜沉积在具有 3 µm 埋层氧化硅层的 6 英寸硅基板上。所得的未包覆多晶波导在 TE 偏振下，在波长 1310 nm 处表现出 0.137 ± 0.005 dB/cm 的传播损耗，在波长 1550 nm 处表现出 0.154 ± 0.008 dB/cm 的传播损耗。这些结果是 C 波段溅射 AlN 波导中报道的最佳结果，也是 O 波段中报道的第一份结果。这些性能可与报道的最佳 AlN 波导相媲美，后者是通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在蓝宝石基板上外延生长的。我们的研究结果凸显了溅射 AlN 在电信频谱光子平台中的潜力。
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1. 简介
氮化铝 (AlN) 是光子波导 (WG) 应用的极佳候选材料，因为它具有 6.2 eV 的大带隙，因此具有从紫外 (UV) 到中红外波长的宽透明窗口 [1,2]。AlN 平台具有与已建立的氮化硅 (SiN) 平台类似的优势，例如适度的光学限制，允许在电信频段实现类似的低损耗波导。AlN 优于 SiN 的优势包括 (i) 增强的透明窗口延伸到蓝色和近紫外光谱，(ii) 由于双光子吸收较少而能够处理更高的光功率 [3]，(iii) 显着更高的热导率导致更好的散热 [4,5]，以及 (iv) 非中心对称晶体结构，除了三阶光学非线性外，还产生显着的二阶非线性。因此，它可用于电光调制 [6] 和二次或三次谐波产生 [7,8]。AlN 还用于压电应用，使其适用于机电和光机设备 [9,10]。此外，AlN 制造工艺与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 制造工艺兼容，有助于以可扩展的方式在晶圆级生产具有成本效益且高度可靠的 AlN 基集成光子学设备（有源和无源）[3,11]。
通过金属有机气相外延 (MOVPE)（也称为金属有机化学气相沉积 (MOCVD)）在蓝宝石衬底上生长的 AlN，在工艺温度约为 1200°C 时，TE 和 TM 模式的传播损耗分别为 0.14 dB/cm 和 0.2 dB/cm [12]。然而，溅射比 MOCVD 更受青睐，因为它与蓝宝石以外的其他衬底兼容、没有有机污染，并且能够在较低温度下沉积薄膜。过去曾使用通过溅射沉积制备的 AlN WG，但据报道存在杂质、多晶结构和更大的光学损耗。在这里，我们研究了由高度优化的 AlN 薄膜制成的未包覆溅射 AlN WG。我们在电信 O 波段和 C 波段中，溅射 AlN 波导的波导损耗达到最低。
2. 制造
在 Centrotherm 炉中，在 6 英寸 Si (001) 晶片上热生长 3 μm 厚的二氧化硅 (SiO2)，以将 WG 与 Si 基板光学隔离。AlN 薄膜通过 Evatec Clusterline 200II 平面磁控溅射模块沉积。使用直径 304 毫米、纯度为 99.9995% 的 Al 靶在热生长的 SiO2 上沉积 AlN 薄膜。在我们之前的研究中 [13,14]，我们报告了生长温度和工艺气体对于控制 AlN 的晶体结构和光学特性以及减少薄膜中的杂质至关重要。因此，在纯氮气氛中以 700°C 溅射 AlN，以获得杂质含量低的高质量 AlN 薄膜。我们使用 5500 W 的功率、40 sccm 的气流和 10 mm 的靶材到基板距离。此外，保持 8 × 10-8和 1×10-7 mbar 之间的基本压力，以最大限度地减少溅射室中的氧气和其他杂质的含量。
对 AlN WG 进行图案化需要薄 XHRiC (Brewer Science Ltd.) i 线底部抗反射涂层 (BARC)，以确保最佳的特征尺寸控制和光刻性能。然后通过 EVG-150 自动抗蚀剂旋涂机将正性光刻胶 AZmir-701 (Microchemicals GmbH) 沉积在涂有 BARC 的晶圆上。然后，使用 Canon-FPA 3000 i5+ i-line 步进机通过光学投影光刻技术定义 WG，并使用 Oxford Instruments PlasmaLab System 100 工具和含氯化学物质 (BCl₃、Cl₂ 和 He) 通过反应离子蚀刻 (RIE) 进行图案化。制造工艺流程如图 1a 所示。
图 1：(a) AlN 波导制造工艺流程，产生两个不同的波导横截面。(b) 制造的光栅耦合器和波导的光学图像。(c) 代表性横截面 SEM 图像。(d) 和 (e) 分别表示 1310 nm 处的脊形波导和 1550 nm 处的条形波导的 TE0 模式的模式分布。
我们为 O 波段制作了宽度为 2.8 μm、厚度为 200 nm、蚀刻深度为 180 nm 的脊形 WG，为 C 波段制作了宽度为 2.8 μm、厚度为 210 nm 的条形 WG（见图 1a 中的示意图）。图 1b 显示了所制作的 WG 的光学显微镜图像。在 Si 衬底上高度约为 110 nm 的代表性测试 AlN WG 的侧壁角度在 RIE 后为 68°（图 1c）。图 1d 和 1e 分别显示了 1310 nm 处的脊形 WG 和 1550 nm 处的条形 WG 的 TE0 模式的模式分布。如果没有 SiO2 包层，脊形 WG 在 1310 nm 支持三种模式 (TE0、TE1 和弱导引 TE2)，而条形 WG 在 1550 nm 支持两种模式 (TE0 和弱导引 TE1)。
3. 结果与讨论
首先对未图案化的 AlN 薄膜进行表征。使用 J. A Woollam 光谱椭偏仪测量薄膜的折射率和消光系数。（图 2a）折射率的实部与其他人报告的折射率相当 [15]。在整个电信范围内，确定的消光系数小于 10-11，这表明材料吸收损失可以忽略不计，并且可能低于工具的检测极限。使用 Bruker ICON 原子力显微镜 (AFM) 检查表面形貌（图 2b）。薄膜的均方根 (RMS) 表面粗糙度 (Rq) 为 2.1 nm，平均晶粒直径 (dgrain) 为 31 nm。X 射线衍射 (XRD) 分析采用 PANalytical X’Pert Pro MRD 衍射仪进行，该衍射仪配备 Ge-220 混合单色仪，可提供 Cu-Kα1 辐射。图 2c 显示了溅射在 SiO2/Si 上的纤锌矿型 AlN 的 XRD 2θ/θ 扫描。XRD 图案显示，即使 AlN 沉积在非晶态 SiO2 上，它也具有沿 [0001] 方向的强纹理，并且 0002 反射的 ω-FWHM 约为 3°（图 2d）。
图 2：(a) 6 英寸 Si 基片上 AlN 薄膜的折射率 (n) 和消光系数 (k) 与波长的关系，(b) 6 英寸氧化物晶片上沉积的 AlN 薄膜的 AFM 显微照片。均方根 (RMS) 粗糙度为 1.7 nm。(c) 700°C 下沉积在 SiO2 上的 AlN 的 XRD 2/ 图案，(d) AlN 0002 反射的 ω 扫描显示 ω-FWHM 约为 3°使用截断法表征未包覆光学 WG 的传播损耗。
使用连接到宽带可调激光器 (Agilent 8164A) 的保偏 (PM)、单模 (SM) 光纤，通过光栅耦合器将基本 TE 模式耦合到 AlN WG 中。激光输入功率保持在 1 mW，而输入波长在所有测量中以 50 pm 的步长从 1260 nm 扫描至 1370 nm（O 波段），从 1520 nm 扫描至 1620 nm（C 波段）。输出光传输光谱通过连接到功率计（Agilent 81635A）的多模光纤 (MMF) 收集。所有耦合和耦合测量均以与法线成 15° 的角度进行。
掩模设计包括八个波长为 1.5 cm 至 109 cm 的波长，最小弯曲半径为 500 µm。通过绘制波长为 1.5 cm 至 109 cm 的波长的透射率（参见图 3a 和 d 中 O 波段和 C 波段的光谱）与波长（参见图 3b 和 e 中 O 波段和 C 波段的光谱）的关系图，并对数据进行线性拟合，从而通过折返法确定传播损耗。拟合斜率表示传播损耗，y 轴截距包含与波长为 1.5 cm 的波长无关的所有损耗。y 轴截距主要包括光栅耦合器输入和输出耦合的损耗。良好的线性拟合质量表示数据可靠，不同波长为 1.5 cm 的波长之间的 y 轴截距变化可以忽略不计。图 3c 显示了在 O 波段测量的所有八个芯片的平均传播损耗，并根据所有芯片的缩减图的线性拟合的不确定性进行了加权。整个光谱范围内的数据范围为 0.12 至 0.15 dB/cm，1310 nm 处的平均 WG 损耗为 (0.137 ± 0.005) dB/cm。图 3f 显示了测量的所有三个芯片的加权平均传播损耗，以及 C 波段的单个结果，整个光谱范围内的范围为 0.14 至 0.2 dB/cm。1550 nm 处的平均 WG 损耗为 (0.154 ± 0.008) dB/cm。1310 nm 和 1550 nm 波长的误差范围是所有测量芯片的损耗数据的标准偏差。请注意，所有测量的芯片都包含在分析中。但是，我们删除了有缺陷的 WG 的数据，这种情况很容易发生，例如，我们的长而无包层 WG 上有灰尘颗粒。对于 O 波段分析，我们使用了 64 个波导中的 48 个（产率为 75%），对于 C 波段分析，我们使用了 24 个 WG 中的 18 个（产率为 75%）。
O 波段中波长越短，损耗越大，这可归因于表面粗糙度引起的散射增加。对于 C 波段，我们将波长越长，损耗越大归因于衬底泄漏，这可通过在 AlN 下方使用更厚的 SiO2 或使用更厚的 AlN 层来避免，以实现更严格的模式限制。耦合器损耗在 1550 nm 和 1310 nm 时均为 ~12 dB/耦合器，因为它们未针对我们的 AlN 层进行优化。
表 1 显示了最先进的 AlN WG 损失与我们的工作的比较。
图 3：（a 和 d）实验测量的 O 波段 (a) 和 C 波段 (d) 中的 AlN 波导传输光谱。O 波段 (b) 和 C 波段 (e) 中的缩减图。在这两种情况下，“芯片 1”分别显示在 (a) 和 (d) 中。在 O 波段 (c) 和 C 波段 (f) 周围测量的全光谱中的传播损耗。
表 1：O 波段和 C 波段 AlN 波导的光波导损耗。
4. 结论
总之，在低背景压力下，在 700°C 的 SiO2 上溅射沉积 AlN 膜，以最大限度地降低氧含量并最大限度地提高膜的质量。我们制造了带有光栅耦合器的未包覆 AlN WG，并测量了它们的光损耗。我们在波长 1310 nm 和 1550 nm 处分别实现了 0.137 ± 0.005 dB/cm 和 0.154 ± 0.008 dB/cm 的光损耗。数据基于 2 个晶圆和 88 个测量的 WG，其中 75% 被认为无缺陷并包含在分析中。这种光学性能与之前报道的通过 MOCVD 在蓝宝石上外延生长 AlN 所实现的最佳值相匹配。此外，添加二氧化硅包层和/或退火有望进一步改善我们的 AlN 可实现的光损耗
