[論文レビュー] Direct growth of hexagonal boron nitride on photonic chips for high-throughput characterization

Evgenii Glushkov, Noah Mendelson+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2021

Photonic and Optical DevicesEngineering参考文献 39被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、移行に起因する汚染を回避するため、炭化珪素光子チップ上へのヘキサゴナルボロンナイトライド（hBN）の直接成長法を提示する。hBNを波ガイドチップ上に直接成長させることで、従来の湿式移行法に比べて信頼性とスループットが向上した、高スループットのインサイト光特性評価が可能になる。

ABSTRACT

Adapting optical microscopy methods for nanoscale characterization of defects in two-dimensional (2D) materials is a vital step for photonic on-chip devices. To increase the analysis throughput, waveguide-based on-chip imaging platforms have been recently developed. Their inherent disadvantage, however, is the necessity to transfer the 2D material from the growth substrate to the imaging chip which introduces contamination, potentially altering the characterization results. Here we present a unique approach to circumvent these shortfalls by directly growing a widely-used 2D material (hexagonal boron nitride, hBN) on silicon nitride chips, and optically characterizing the defects in the intact as-grown material. We compare the direct growth approach to the standard wet transfer method, and confirm the clear advantages of the direct growth. While demonstrated with hBN in the current work, the method is easily extendable to other 2D materials.

研究の動機と目的

• 2次元材料のフォトニクスチップ上での評価における移行関連汚染を排除すること。
• ヘキサゴナルボロンナイトライド（hBN）における欠陥の高スループット光特性評価を可能とすること。
• 炭化珪素波ガイドプラットフォーム上へのhBNの直接成長プロセスの開発。
• 直接成長法と標準的な湿式移行法との間でのhBN欠陥の品質および一貫性を比較すること。
• hBNにとどまらず、他の2次元材料に対してもスケーラブルなオンチップ欠陥評価プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 事前に作製された炭化珪素光子チップ上への直接化学蒸着法（CVD）を用いたヘキサゴナルボロンナイトライド（hBN）の直接成長。
• 波ガイド統合型光学顕微鏡を用いたインサイト、高スループットな欠陥評価。
• 直接成長hBNと従来の移行hBNとの間の欠陥シグネチャ（例：光励起分光）の比較。
• チップスケールプラットフォーム上での均一で高品質なhBN膜を実現するための成長パラメータの最適化。
• hBN膜内の欠陥状態をマッピングおよび分析するために、光励起分光法の活用。
• 標準的な移行法に基づく手法と比較することで、構造的および光学的品質の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭化珪素光子チップ上に、移行に起因する汚染を伴わずにヘキサゴナルボロンナイトライドを直接成長させることは可能か？
• RQ2 直接成長法と湿式移行法との間で、hBNの欠陥密度および光学的シグネチャにはどのような差異があるか？
• RQ3 直接成長法は、オンチップ欠陥評価のスループットおよび信頼性をどの程度向上させるか？
• RQ4 直接成長プラットフォームは、hBNにとどまらず、他の2次元材料に対しても拡張可能か？
• RQ5 チップスケール波ガイドプラットフォーム上での高品質hBNを実現するための重要な成長パラメータは何か？

主な発見

• 炭化珪素チップ上へのhBNの直接成長により、移行プロセスに起因する汚染が明確に排除された。
• 光励起分光を用いた欠陥評価により、直接成長hBNでは一貫性があり、高品質な光学的シグネチャが得られた。
• 直接成長法により、従来の移行法に比べてオンチップ欠陥分析のスループットが顕著に向上した。
• hBNの光学的特性、特に欠陥に起因する光励起分光特性は、保持され、かつ移行サンプルと同等またはそれ以上であった。
• この手法はスケーラブルであり、hBNにとどまらず、他の2次元材料のオンチップ統合に対しても容易に拡張可能である。
• 本プラットフォームは、2次元材料欠陥の信頼性の高いインサイト、高スループットの光学顕微鏡評価を可能にする。