用于传感应用的硅上锗（GOS）中红外波导的退火与钝化研究

更清洁的空气与更耐用的传感器

从办公楼的空气质量监测到化工厂的泄漏检测，许多现代传感器依赖光来“嗅出”气体。该研究考察了如何使一种有前景的微型导光结构——由硅上锗制成——更高效且更耐用，以便下一代中红外气体传感器能更小、灵敏度更高且寿命更长。

用于气体“指纹”的导光芯片

气体和许多化学物质在非常特定的红外波段吸收光，形成独特的“指纹”。非色散红外（NDIR）传感器利用这一点，通过让中红外光穿过或沿样品传播并观察每种波长的光强损失来识别成分。将光路集成到芯片上的微观波导中，可以在显著缩小传感器体积的同时，让光有充分机会与气体作用。硅上锗（GOS）适合这一用途，因为它在宽广的中红外范围内工作并且兼容标准芯片制造工艺。然而，GOS 波导存在两大问题：光在传输过程中损耗过多，以及暴露的锗表面会在空气和湿度作用下缓慢氧化和腐蚀，威胁长期稳定性。

用热处理平滑并改进波导

研究人员首先考察了在受控的“成形气”氛围（氢气与氮气的混合物）中加热 GOS 芯片如何改变微小结构及其导光能力。在显微镜下，高温退火会在锗表面产生坑洞和缺陷，其大小与数量取决于具体温度、加热速率和持续时间。短时间、精心选择的退火可抚平部分粗糙度，并改变波导周围和内部的水分与化学键对光的吸收。对多条波导测量的中红外光损耗表明，在约 819 °C 下短时退火约 20 秒可使接近 5.85 微米波长的损耗相比未经处理的芯片减少约 17 倍。尽管在更高温度或更长时间会增加坑洞，但在受控的短时退火下，整体趋势是在大多数测试波长范围内性能明显改善。

对抗来自空气与湿度的慢性损伤

接下来，团队研究了将芯片置于常规无尘间环境随时间推移的变化。几个月后，原本相对光滑的锗表面出现了点状坑洞和气泡样凸起。早期工作表明，水分与氧气共同促使锗形成各种氧化物；其中一些是挥发性或可溶解的，会留下坑洞，而另一些则可困住气体形成囊泡。这种缓慢的化学驱动损伤会使表面粗糙化、改变光传播路径并缩短传感器寿命——对需要多年稳定运行的实用设备而言显然令人担忧。

薄保护层：氧化物对比氮化物

为保护波导，作者采用原子层沉积在锗表面沉积了超薄且均匀的覆盖膜，该方法以原子级别逐层生长薄膜。他们尝试了氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN），厚度为 5 和 10 纳米，然后观察表面老化及涂层对光损耗的影响。涂有 Al2O3 的芯片很快出现小凸起，化学分析表明用于氧化物沉积的水分可能本身就促使底下的锗氧化。相比之下，使用氨气而非水生长的 AlN 涂层芯片在空气中放置两周后仍保持光滑，显示出对氧化更好的防护。测量显示，两种涂层在较长波长处都会增加一些额外损耗——因为膜本身会吸收中红外光——但在接近 5.85 微米处仍比未经处理的器件损耗更低。较厚的薄膜通常比较薄的导致更多附加损耗。

在性能与耐久性之间取得平衡

综合来看，研究结果指出了一种用于坚固中红外 GOS 波导传感器的实用方案。先在成形气中进行一次短且精细调校的退火步骤，可以通过抚平表面并去除与水分相关的吸收显著降低固有损耗，但这并不能阻止表面随后再次氧化。随后覆盖一层薄薄的 AlN 作为保护“皮”，可以减缓或防止进一步氧化，代价是涂层自身带来一些额外吸收。通过优化退火条件与钝化层厚度，作者证明有可能将波导损耗降至与已报道最佳器件相当的水平，同时保持与标准硅芯片制造的兼容性。对非专业读者而言，结论是我们正越来越接近那种不仅能读取气体指纹且足够坚固以适应现实环境的微型芯片级“嗅觉”设备。

引用: 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

关键词: 中红外气体检测, 硅上锗, 波导损耗, 退火, 表面钝化