吉林大学董鑫教授团队---利用 MOCVD 技术制造硅基氧化镓光波导

近期，由吉林大学的研究团队在学术期刊 Vacuum 发布了一篇名为 Silicon-Based Gallium Oxide Optical Waveguide Fabricated by MOCVD（利用 MOCVD 技术制造硅基氧化镓光波导）的文章。

1. 项目支持

该项研究得到了吉林省自然科学基金（20230101124JC）的资助。

2. 背景

光子集成电路（PIC）是一种基于光子学原理的集成电路技术，用于信息传输和处理。与传统的电子集成电路相比，光子集成电路以光子（即光量子）作为传输和处理信息的媒介。光子集成电路具有更高的带宽、更低的功耗和更高的速度，因此在高速通信领域大有可为。近年来，基于硅光子技术的光子集成电路因其优异的光学特性以及与成熟的 CMOS 工艺的兼容性而备受关注。然而，由于硅的带隙较窄（1.18 eV），其有效传输波长范围仅限于红外区域。这限制了硅在较短波长（如可见光和紫外线区域）的潜在应用。氧化镓（Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体材料，其带隙为 4.6 eV-5.1 eV，介电常数为 10.2-14.2 之间，具有出色的热稳定性和化学稳定性。Ga₂O₃ 在电力电子学和日盲紫外检测领域得到了广泛研究。Ga₂O₃ 可以在紫外-近红外光谱范围内提供宽带透明度。优异的光学特性使其在紫外-近红外光谱范围内工作的集成光子器件中大有可为，包括频率计量、片上锁模和可见光通信。

3. 摘要

本文利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法，在 Si/SiO₂ 模板上成功生长了氧化镓（Ga₂O₃）薄膜，并深入探讨了生长温度对薄膜结构及光学性能的影响。研究发现，随着生长温度的升高，氧化镓薄膜的结构逐渐从非晶态转变为多晶 β 相，并观察到氧结合状态随温度变化的规律。基于对非晶 Ga₂O₃ 薄膜光学参数的测量结果，研究团队设计并成功制备了宽 2.5 μm、高 310 nm 的光波导结构，并采用截断法（truncation method）测量了波导的光学损耗，结果显示该波导在 1550 nm 波长处的光传输损耗为 12.4 dB/cm，与设计模拟结果高度一致。研究结果表明，非晶态 Ga₂O₃ 薄膜光滑的表面形貌和较低的光损耗使其成为芯片级光波导的理想候选材料。通过优化生长温度和控制氧结合状态，研究团队有效地改善了 Ga₂O₃ 薄膜的光学特性和结构质量，为未来基于 Ga₂O₃ 材料的光通信器件提供了重要的实验基础。

4. 研究亮点

• 成功制备了基于非晶氧化镓（Ga₂O₃）的芯片级光波导，并验证了其优异的光传输性能。

• 通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在 Si/SiO₂ 模板上实现了高质量的 Ga₂O₃ 薄膜外延生长。

• 系统研究了不同生长温度下氧化镓薄膜的氧结合状态以及其对材料光学性质的影响。

5. 结论

利用 MOCVD 技术在 Si/SiO₂ 模板上生长了非晶和多晶 Ga₂O₃ 薄膜。对 Ga₂O₃ 薄膜的表面形貌和粗糙度、结晶质量、原子组成、键合构型和折射率进行了表征。随着生长温度的升高，薄膜从无定形过渡到多晶 β-Ga₂O₃ 相。通过优化生长温度，获得了均方根粗糙度为 0.77 nm 的光滑无定形 Ga₂O₃ 薄膜。XPS 分析表明，非晶态薄膜中的离格氧含量较高，这与其无序的原子构型有关。经测量，在 510 °C 生长的非晶态 Ga₂O₃ 薄膜在 1550 nm 波长下的折射率为 1.878。采用截断法测得所制作的 Ga₂O₃ 波导在 1550 nm 波长处的光传输损耗为 12.4 dB/cm。近场输出图像表明，Ga₂O₃ 光波导工作在基模。Ga₂O₃ 薄膜作为一种优秀的材料，在片上波导的生产中具有巨大的应用潜力。