微轉印技術整合InP-InGaAs於SiN光子平台：實現O波段感測能力

光子積體電路（PIC）是高速通訊、光學感測、光學雷達與光學運算等應用的關鍵元件。儘管目前多數採用 SOI（Silicon-on-Insulator）矽光平台，氮化矽（SiN）平台因具有低傳輸損耗、寬波長透明範圍與高功率容忍度等優勢，逐漸成為受矚目的替代方案。

然而，由於低壓化學氣相沉積（LPCVD）製程下的 SiN 無法直接整合主動元件，限制其應用範圍。微轉印（micro-transfer printing, μTP）技術的出現，為此挑戰提供了解方，可將 III-V 材料等異質元件精確轉印至 SiN 平台上，擴展其功能性。

實驗方法：微轉印製程導入 InP-InGaAs 光電二極體

本研究展示如何透過 μTP 技術，將操作於 O 波段（1310 nm）的 InP-InGaAs 光電二極體異質整合至 LPCVD SiN 光子平台。整體製程分為三階段：

1. 可轉印光電二極體結構製作

使用 InP-InGaAs 材料堆疊，並引入可移除的犧牲層，形成可釋放的元件結構。表面覆蓋 SiN 保護層與定位支撐結構，經化學方式分離後，利用 PDMS 印章轉印元件。

2. 微轉印至氮化矽光波導

光電二極體被轉印至預製的 SiN PIC 上（導波層厚度為 300 nm，寬度為 1.1 μm）。此步驟確保元件與波導精準對位。

3. 後製程處理

轉印後進行聚合物包覆（BCB cladding）與金屬電極製作，形成 GSG（Ground-Signal-Ground）測試結構。裝置同時包含輸入光柵耦合器與校正用參考波導。

特性驗證：響應度與暗電流表現

暗電流測試

在 -1 V 與 -3 V 偏壓下，6 × 25 μm² 主動區域的光電二極體展現分別為 47.5 nA 與 0.5 μA 的暗電流，具低漏電特性。

光模擬與響應度量測

模擬顯示 TE 模式可有效地從 SiN 波導耦合至光電二極體結構並迅速被吸收。實測響應度隨主動區域長度變化（11～25 μm），在 1310 nm 波長、-3 V 偏壓下可達 0.9 A/W，與模擬結果相符，差異主要來自光柵耦合效率變異。

結論

本研究成功展示利用微轉印技術，將 O 波段 InP-InGaAs 光電二極體整合至 SiN 光子平台，並達成高響應度與低暗電流等關鍵指標。此技術展現異質整合的可行性與擴展性，為開發高性能光子積體電路奠定基礎。

參考資料

[1]     Senbiao Qin, Laurens Bogaert, Jing Zhang, and Gunther Roelkens, "Micro-transfer printing of O-band InP-InGaAs photodiodes on a silicon nitride photonic platform," Ghent University - imec, Ghent, Belgium, 2024.