芯耀
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一、集成電路發(fā)展
1947年,貝爾實驗室成功制備出了第一支晶體管,克服了電子管體積大?功耗高和結構脆弱的缺點,揭開了集成電路(Integrated circuit , IC)的序幕?
幾十年以來,其按照摩爾定律預測的那樣發(fā)展著,即半導體芯片的集成度每18個月增長一倍,而價格卻降低一半?
然而,隨著器件的加工線寬發(fā)展到納米量級和集成度的不斷提高,集成電路面臨制備工藝達到極限和發(fā)熱量持續(xù)增加的問題,亟需新的解決方案?
與電子集成將晶體管?電容器和電阻器等電子器件集成類似,光子集成(Photonic integrated circuit, PIC)是將各種光子器件集成在一起,如:電光調制器? 激光器? 光放大器? 光電探測器和光復用/解復用器等?
二、光子集成技術的出現(xiàn)
PIC的概念從20世紀60年代后期開始提出, 20世紀70年代后期開始從實驗室走入實際應用?
集成光子器件主要由微米或納米量級寬度的光波導構成?
將多個光子器件集成在同一塊襯底上,?充分利用電光效應? 熱光效應和磁光效應等對光進行調制,?具有小型化? 低成本? 調制效率高? 功率密度高和低功耗的優(yōu)點?
到目前為止,?各種制備工藝的進步(如:?濺射技術? 化學氣相沉積技術? 刻蝕技術和光刻技術)?為光子器件精細的結構制備提供了技術支持? 光子集成技術正在快速發(fā)展,?一些新的應用也會隨工藝的改進而顯現(xiàn)出來,?促進社會的進步和發(fā)展?
硅是應用最廣泛的半導體材料,?帶隙為1.12eV,?屬于間接帶隙半導體? 硅的導電性會因溫度? 摻雜濃度和光輻照強度變化而顯著變化,?廣泛應用于集成電路?
絕緣體上硅(Siliconon insulator ,SOI)技術,?即使用一薄的絕緣層將硅薄膜和硅襯底隔離開,給電子集成器件帶來許多的好處，pn結的面積減小,?因而寄生電容和結的漏電電流減小,?使器件工作速度高? 功率低;?容易實現(xiàn)理想的淺結,?使得短溝效應得到改善,?使得芯片面積減小;?可以簡化器件工藝,提高器件良率,?降低生產(chǎn)成本;?襯底仍然為硅,?為微電子或納電子芯片提供所需的優(yōu)質襯底?
同時,?硅基光子集成可以與電子芯片的互補金屬氧化物半導體( Compementary meta oxide-semi conductor , CMOS)?制備工藝兼容,?可以充分利用電子集成芯片成熟的加工工藝,?實現(xiàn)較低的生產(chǎn)成本和批量生產(chǎn)?
SOI的結構示意圖如圖所示,?從上到下依次為: Si薄膜, SiO2絕緣層和Si襯底?
圖中(b)和(c)分別為淺刻蝕和深刻蝕的Si波導的TE模式分布圖(波長1550nm)? 波長為1550nm時, Si的折射率為3.48, SiO2的折射率為1.46, Si和SiO2之間存在大的折射率差,?使得Si?波導對光具有很強的限制能力,波導中光模式尺寸小和彎曲損耗低,?大大減小了器件的體積和提高了光子器件在SOI?上的集成密度?
正是因為SOI的這些優(yōu)點,?使其在集成光子學中成為一個極具吸引力的材料平臺?
得益于成熟的CMOS工藝,?各種無源光波導器件已經(jīng)在SOI上實現(xiàn)?
如:定向耦合器? 分支器 ? 波導布拉格光柵 ? 陣列波導光柵? 馬赫曾德爾干涉儀和環(huán)形諧振器等,?如下圖所示?
在Si?中進行摻雜,?利用載流子色散效應來實現(xiàn)電光調制,?可以在SOI上實現(xiàn)電光調制器? 主要有三類調制機制:?載流子注入? 載流子積累和載流子耗盡,?如圖所示?
其中,?載流子耗盡可以獲得最高的調制速度? 但是,?自由載流子色散本質上是吸收的和非線性的,?這降低了光調制幅度,?并且在使用先進的調制格式時可能導致信號失真?
三、鈮酸鋰光子集成技術
鈮酸鋰(LN)?晶體具有卓越的電光? 聲光? 非線性光學? 光折變? 壓電? 鐵電? 光彈和熱釋電等效應,?且機械性能穩(wěn)定和具有寬的透明窗(0.3-5μm),在集成光學中有廣泛的應用?
基于鈮酸鋰晶體上傳統(tǒng)的光波導制備方法制備的光波導,?如:?離子注入? 質子交換和鈦擴散法,具有小的折射率差,?大的波導彎曲半徑導致器件尺寸大,?限制了其在集成光學中的應用?
鈮酸鋰薄膜( LNOI)?具有較大的折射率對比度,?這可以使波導具有僅數(shù)十微米的彎曲半徑和亞微米量級的波導截面,?允許高密度的光子集成和強的光限制來增強光與物質相互作用?
LNOI?可以通過脈沖激光沉積、容膠凝膠法? 射頻磁控濺射和化學氣相沉積法等方法制備,?但這些方法獲得的LNOI呈現(xiàn)出多晶結構的性質,?造成光傳輸損耗明顯增加? 其次,?薄膜的物理性質和指標與單晶LN也存在明顯的差距,?這無疑會對光子器件的性能產(chǎn)生不良影響?
1998年, M.Levy?等人采用離子注入和橫向刻蝕相結合的方法制備了單晶LN薄膜。目前,?隨著制備技術的不斷提高,?高質量?大尺寸的LNOI?晶圓已經(jīng)商業(yè)化,?促進了LN集成光子學的發(fā)展, LN薄膜厚度可以為300-900nm,?晶圓尺寸可達8英寸?
LNOI的制備是使用離子注入? 直接鍵合和熱退火等一系列過程,?從LN體材料中物理剝離LN薄膜并將其轉移到襯底上同時,?研磨和拋光的方法也可以產(chǎn)生高質量的?LNOI? 該方法避免了離子注入過程對?LN?晶體晶格的損傷,?對晶體質量影響較小,?但對薄膜厚度均勻性控制要求嚴格?
LNOI不僅保留了LN體材料的電光? 聲光和非線性光學等物理性質,?而且具有單晶結構,?有利于實現(xiàn)低的光傳輸損耗?
下圖顯示了LNOI的結構示意圖,以及淺刻蝕和深刻蝕的LN波導的?TE?模式分布圖(波長1550nm)?
光波導是集成光子學的基本器件之一?,?光波導的制備方法有多種?
LNOI上的光波導可以采用傳統(tǒng)的光波導制備方法制備,?如質子交換??LN化學惰性強,?為避免LN的刻蝕,?可以在LNOI上沉積容易刻蝕的材料來制備加載條波導,加載條材料有: TiO2?SiO2??SiNx??Ta2O5? 硫屬化合物玻璃和Si等?
利用化學機械拋光方法制備的LNOI?光波導實現(xiàn)了傳播損耗0. 027dB/cm,?但是其較淺的波導側壁使小彎曲半徑波導的實現(xiàn)比較困難?
利用等離子刻蝕的方法制備的LNOI?波導實現(xiàn)了0.027dB/cm的傳輸損耗,?這是一個里程碑式的進步,?意味著可以實現(xiàn)大規(guī)模的光子集成和單光子級處理?
除了光波導,?許多高性能的光子器件也在LNOI?上制備了,?如:?微環(huán)/微盤諧振器? 端面和光柵耦合器以及光子晶體等? 此外,?諸多功能光子器件也得以實現(xiàn)? 利用LN晶體卓越的電光和非線性光學效應,?在LNOI?上實現(xiàn)了高帶寬光電調制? 高效率的非線性轉換和電光可控光頻梳產(chǎn)生等多種光子功能器件?
LN還具有聲光效應,?在LNOI?上制備的聲光M-Z調制器,?利用懸浮鈮酸鋰薄膜上的光力學相互作用,?將頻率4.5GHz的微波轉換為了1500nm波長的光,?實現(xiàn)了微波光信號的高效轉換?
在藍寶石襯底的LN薄膜上制備的聲光調制器,?因為藍寶石具有高的聲速,?可以避免器件的懸浮結構,同時減小了聲波能量的泄露?
在LNOI上制備的集成聲光移頻器,?其移頻效率髙于氮化鋁薄膜上的聲光移頻器?激光器和放大器在稀土摻雜的LNOI上已經(jīng)取得了重大進展?
然而, LNOI的稀土摻雜區(qū)域對通訊光波段有明顯的光吸收,?限制了其大規(guī)模光子集成? 在LNOI?上探索局部稀土摻雜將是解決這一問題的好方法? 在LNOI?上沉積非晶硅可以制備光電探測器,?制備的金屬半導體，金屬光電探測器在波長635-850nm的響應度為22-37mA/ W?
同時,?將III-V族半導體激光器和探測器異質集成到LNOI上,?也是在LNOI上實現(xiàn)激光器和探測器的好方案,?但是制備工藝復雜,成本高,?需要完善工藝降低成本,?提高成功幾率??LNOI上的各種集成光子器件如下圖所示：
四、硅和鈮酸鋰復合薄膜技術
Si是廣泛應用的半導體材料,?具有重要的電子學和微加工優(yōu)勢?
SOI?給電子集成器件帶來了諸多好處,?廣泛應用于集成電路? 同時, SOI還具有如下優(yōu)點: Si?和SiO2之間具有大的折射率差,使其具有很強的限光能力和小的波導彎曲半徑;?在1200nm以上波段具有低的光吸收;?基于SOI的光子器件可以用CMOS工藝制備? 這使其在集成光學中也成為一種極具吸引力的材料平臺?但是, Si是中心對稱晶體,缺乏電光? 聲光和非線性光學等效應,?阻礙了其在集成光學中的發(fā)展?
如果將Si薄膜和LN薄膜結合在一起，就可以實現(xiàn)材料性能互補和充分利用。
LNOI保留了LN?體材料卓越的電光? 聲光和非線性光學等效應,?同時具有大的折射率對比度,?被認為是一種極具潛力的集成光學材料平臺?
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參考文獻：
(1)李青云 硅和鈮酸鋰復合薄膜及相關光子器件的研究[D].
(2)彭茂榮 2024年半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展議題[C].
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