Исследование отжига и пассивации германия на кремнии (GOS) для среднеинфракрасных волноводов в сенсорных приложениях

Чище воздух и прочнее датчики

От мониторов качества воздуха в офисах до датчиков утечек на химических предприятиях — многие современные сенсоры используют свет для обнаружения газов. В этом исследовании рассматривается, как сделать один многообещающий тип крошечных светопроводящих структур — на основе германия на кремнии — более эффективным и долговечным, чтобы устройства следующего поколения для среднеинфракрасного газового зондирования могли быть меньше, чувствительнее и служить дольше.

Чипы-волноводы для «отпечатков» газов

Газы и многие химические вещества поглощают инфракрасный свет в очень узких цветовых диапазонах, формируя уникальные «отпечатки». Нерассеивающие ИК‑датчики (NDIR) используют это: среднеинфракрасный свет пропускают через образец или вдоль него и измеряют, сколько каждого цвета поглощается. Размещение светового пути внутри микроскопического волновода на чипе позволяет существенно уменьшить размер сенсора, при этом давая свету достаточно возможностей взаимодействовать с газом. Германий на кремнии (GOS) привлекателен для этой роли, потому что он работает в широком диапазоне среднеинфракрасных длин волн и совместим со стандартными процессами изготовления микросхем. Однако волноводы GOS сталкиваются с двумя главными проблемами: они теряют слишком много света по мере распространения, и оголённая поверхность германия медленно окисляется и разрушается на воздухе и при влажности, что ставит под угрозу долговечность.

Использование нагрева для выравнивания и улучшения волноводов

Исследователи сначала изучили, как нагревание чипов GOS в контролируемой атмосфере «формирующего газа» — смеси водорода и азота — влияет на мелкие структуры и их способность направлять свет. Под микроскопом высокотемпературный отжиг вызывал образование ям и дефектов на поверхности германия; их размер и количество зависели от точной температуры, скорости нагрева и продолжительности обработки. Короткие, тщательно подобранные отжиги сглаживали часть шероховатости и меняли поглощение, связанное с влагой и химическими связями вблизи волновода. При измерениях потерь среднеинфракрасного света вдоль нескольких волноводов оказалось, что краткий отжиг примерно при 819 °C в течение 20 секунд уменьшал потери на длине волны около 5,85 микрометра примерно в 17 раз по сравнению с необработанным чипом. Хотя при более высоких температурах или длительных обработках количество ям увеличивалось, общая тенденция для хорошо контролируемых коротких отжигов — заметное улучшение характеристик в значительной части исследованного диапазона длин волн.

Борьба с медленным повреждением от воздуха и влажности

Далее команда исследовала, как простое оставление чипов в обычной чистой комнате влияет на них со временем. Через несколько месяцев относительно гладкие поверхности германия покрывались ямками и пузырьками. Ранние работы указывают, что сочетание влаги и кислорода стимулирует образование различных оксидов германия; некоторые из них летучи или растворяются, оставляя ямы, тогда как другие могут захватывать газы и образовывать волдыри. Это медленное химическое разрушение может шершавить поверхность, изменять световой путь и сокращать срок службы сенсора — явная проблема для практических устройств, рассчитанных на годы работы.

Тонкие защитные «шкурки»: оксид против нитрида

Чтобы защитить волноводы, авторы нанесли ультратонкие конформные покрытия на германиевую поверхность методом атомно-слойного осаждения, который формирует пленки по доли нанометра за шаг. Они опробовали оксид алюминия (Al2O3) и нитрид алюминия (AlN) толщиной 5 и 10 нанометров, затем наблюдали за старением поверхностей и влиянием покрытий на потери света. На чипах с покрытием Al2O3 быстро образовывались мелкие бугорки, и химический анализ предполагал, что вода, используемая при нанесении оксида, сама может способствовать окислению германия под пленкой. Напротив, чипы с покрытием AlN, выращенным с аммиаком вместо воды, оставались гладкими даже через две недели на воздухе, что указывает на гораздо лучшую защиту от окисления. Измерения показали, что оба типа покрытий добавляют некоторую дополнительную потерю на более длинных длинах волн — поскольку сами пленки поглощают среднеинфракрасный свет — но при этом уменьшают потери около 5,85 микрометра по сравнению с необработанными образцами. Более толстые пленки в целом давали больший вклад к потерям, чем более тонкие.

Баланс между производительностью и долговечностью

В совокупности результаты указывают на практический рецепт для надёжных среднеинфракрасных волноводных сенсоров GOS. Короткий, тщательно настроенный этап отжига в формирующем газе может резко снизить внутренние потери за счёт сглаживания поверхностей и удаления поглощения, связанного с влагой, но он не предотвращает повторное окисление поверхности со временем. Тонкое покрытие AlN затем действует как защитная оболочка, замедляя или предотвращая дальнейшее окисление, ценой некоторого дополнительного поглощения от самой пленки. Оптимизируя и условия отжига, и толщину пассивирующего слоя, авторы показывают, что можно довести потери в волноводах до уровней, сопоставимых с лучшими известными устройствами, сохранив при этом совместимость со стандартными процессами изготовления кремниевых чипов. Для неспециалистов основной вывод таков: мы приближаемся к созданию крошечных чип‑масштабных «носов», которые не только достаточно чувствительны, чтобы распознавать газовые отпечатки, но и достаточно прочны, чтобы выдерживать реальные условия эксплуатации.

Цитирование: Ang, R.C.F., Goh, J.S., Tobing, L.Y.M. et al. Annealing and passivation study of germanium on silicon (GOS) mid-infrared waveguide for sensing applications. Sci Rep 16, 6909 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35766-1

Ключевые слова: среднеинфракрасное газовое зондирование, германий на кремнии, потери в волноводе, отжиг, поверхностная пассивация