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

1. 項目支持

該項研究得到了吉林省自然科學基金（20230101124JC）的資助。

2. 背景

光子集成電路（PIC）是一種基于光子學原理的集成電路技術，用于信息傳輸和處理。與傳統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，因此在高速通信領域大有可為。近年來，基于硅光子技術的光子集成電路因其優異的光學特性以及與成熟的 CMOS 工藝的兼容性而備受關注。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域。這限制了硅在較短波長（如可見光和紫外線區域）的潛在應用。氧化鎵（Ga₂O₃）是一種超寬禁帶半導體材料，其帶隙為 4.6 eV-5.1 eV，介電常數為 10.2-14.2 之間，具有出色的熱穩定性和化學穩定性。Ga₂O₃ 在電力電子學和日盲紫外檢測領域得到了廣泛研究。Ga₂O₃ 可以在紫外-近紅外光譜范圍內提供寬帶透明度。優異的光學特性使其在紫外-近紅外光譜范圍內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構及光學性能的影響。研究發現，隨著生長溫度的升高，氧化鎵薄膜的結構逐漸從非晶態轉變為多晶 β 相，并觀察到氧結合狀態隨溫度變化的規律。基于對非晶 Ga₂O₃ 薄膜光學參數的測量結果，研究團隊設計并成功制備了寬 2.5 μm、高 310 nm 的光波導結構，并采用截斷法（truncation method）測量了波導的光學損耗，結果顯示該波導在 1550 nm 波長處的光傳輸損耗為 12.4 dB/cm，與設計模擬結果高度一致。研究結果表明，非晶態 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的理想候選材料。通過優化生長溫度和控制氧結合狀態，研究團隊有效地改善了 Ga₂O₃ 薄膜的光學特性和結構質量，為未來基于 Ga₂O₃ 材料的光通信器件提供了重要的實驗基礎。

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，并驗證了其優異的光傳輸性能。

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

• 系統研究了不同生長溫度下氧化鎵薄膜的氧結合狀態以及其對材料光學性質的影響。

5. 結論

利用 MOCVD 技術在 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、結晶質量、原子組成、鍵合構型和折射率進行了表征。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，非晶態薄膜中的離格氧含量較高，這與其無序的原子構型有關。經測量，在 510 °C 生長的非晶態 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 光波導工作在基模。Ga₂O₃ 薄膜作為一種優秀的材料，在片上波導的生產中具有巨大的應用潛力。