近期，由吉林大學(xué)的研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 Vacuum 發(fā)布了一篇名為 Silicon-Based Gallium Oxide Optical Waveguide Fabricated by MOCVD（利用 MOCVD 技術(shù)制造硅基氧化鎵光波導(dǎo)）的文章。

1. 項目支持

該項研究得到了吉林省自然科學(xué)基金（20230101124JC）的資助。

2. 背景

光子集成電路（PIC）是一種基于光子學(xué)原理的集成電路技術(shù)，用于信息傳輸和處理。與傳統(tǒng)的電子集成電路相比，光子集成電路以光子（即光量子）作為傳輸和處理信息的媒介。光子集成電路具有更高的帶寬、更低的功耗和更高的速度，因此在高速通信領(lǐng)域大有可為。近年來，基于硅光子技術(shù)的光子集成電路因其優(yōu)異的光學(xué)特性以及與成熟的 CMOS 工藝的兼容性而備受關(guān)注。然而，由于硅的帶隙較窄（1.18 eV），其有效傳輸波長范圍僅限于紅外區(qū)域。這限制了硅在較短波長（如可見光和紫外線區(qū)域）的潛在應(yīng)用。氧化鎵（Ga₂O₃）是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其帶隙為 4.6 eV-5.1 eV，介電常數(shù)為 10.2-14.2 之間，具有出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。Ga₂O₃ 在電力電子學(xué)和日盲紫外檢測領(lǐng)域得到了廣泛研究。Ga₂O₃ 可以在紫外-近紅外光譜范圍內(nèi)提供寬帶透明度。優(yōu)異的光學(xué)特性使其在紫外-近紅外光譜范圍內(nèi)工作的集成光子器件中大有可為，包括頻率計量、片上鎖模和可見光通信。

3. 摘要

本文利用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法，在 Si/SiO₂ 模板上成功生長了氧化鎵（Ga₂O₃）薄膜，并深入探討了生長溫度對薄膜結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著生長溫度的升高，氧化鎵薄膜的結(jié)構(gòu)逐漸從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑?β 相，并觀察到氧結(jié)合狀態(tài)隨溫度變化的規(guī)律?；趯Ψ蔷?Ga₂O₃ 薄膜光學(xué)參數(shù)的測量結(jié)果，研究團隊設(shè)計并成功制備了寬 2.5 μm、高 310 nm 的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并采用截斷法（truncation method）測量了波導(dǎo)的光學(xué)損耗，結(jié)果顯示該波導(dǎo)在 1550 nm 波長處的光傳輸損耗為 12.4 dB/cm，與設(shè)計模擬結(jié)果高度一致。研究結(jié)果表明，非晶態(tài) Ga₂O₃ 薄膜光滑的表面形貌和較低的光損耗使其成為芯片級光波導(dǎo)的理想候選材料。通過優(yōu)化生長溫度和控制氧結(jié)合狀態(tài)，研究團隊有效地改善了 Ga₂O₃ 薄膜的光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，為未來基于 Ga₂O₃ 材料的光通信器件提供了重要的實驗基礎(chǔ)。

4. 研究亮點

• 成功制備了基于非晶氧化鎵（Ga₂O₃）的芯片級光波導(dǎo)，并驗證了其優(yōu)異的光傳輸性能。

• 通過金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法在 Si/SiO₂ 模板上實現(xiàn)了高質(zhì)量的 Ga₂O₃ 薄膜外延生長。

• 系統(tǒng)研究了不同生長溫度下氧化鎵薄膜的氧結(jié)合狀態(tài)以及其對材料光學(xué)性質(zhì)的影響。

5. 結(jié)論

利用 MOCVD 技術(shù)在 Si/SiO₂ 模板上生長了非晶和多晶 Ga₂O₃ 薄膜。對 Ga₂O₃ 薄膜的表面形貌和粗糙度、結(jié)晶質(zhì)量、原子組成、鍵合構(gòu)型和折射率進(jìn)行了表征。隨著生長溫度的升高，薄膜從無定形過渡到多晶 β-Ga₂O₃ 相。通過優(yōu)化生長溫度，獲得了均方根粗糙度為 0.77 nm 的光滑無定形 Ga₂O₃ 薄膜。XPS 分析表明，非晶態(tài)薄膜中的離格氧含量較高，這與其無序的原子構(gòu)型有關(guān)。經(jīng)測量，在 510 °C 生長的非晶態(tài) Ga₂O₃ 薄膜在 1550 nm 波長下的折射率為 1.878。采用截斷法測得所制作的 Ga₂O₃ 波導(dǎo)在 1550 nm 波長處的光傳輸損耗為 12.4 dB/cm。近場輸出圖像表明，Ga₂O₃ 光波導(dǎo)工作在基模。Ga₂O₃ 薄膜作為一種優(yōu)秀的材料，在片上波導(dǎo)的生產(chǎn)中具有巨大的應(yīng)用潛力。