文章來(lái)源：半導(dǎo)體全解

原文作者：圓圓De圓

本文介紹了集成電路和光子集成技術(shù)的發(fā)展歷程，并詳細(xì)介紹了鈮酸鋰光子集成技術(shù)和硅和鈮酸鋰復(fù)合薄膜技術(shù)。

集成電路發(fā)展

1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)脆弱的缺點(diǎn)，揭開(kāi)了集成電路(Integrated circuit , IC)的序幕?

幾十年以來(lái)，其按照摩爾定律預(yù)測(cè)的那樣發(fā)展著，即半導(dǎo)體芯片的集成度每18個(gè)月增長(zhǎng)一倍，而價(jià)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(jí)和集成度的不斷提高，集成電路面臨制備工藝達(dá)到極限和發(fā)熱量持續(xù)增加的問(wèn)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(lèi)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(diào)制器? 激光器? 光放大器? 光電探測(cè)器和光復(fù)用/解復(fù)用器等?

光子集成技術(shù)的出現(xiàn)

PIC的概念從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始提出，20世紀(jì)70年代后期開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室走入實(shí)際應(yīng)用? 集成光子器件主要由微米或納米量級(jí)寬度的光波導(dǎo)構(gòu)成?

將多個(gè)光子器件集成在同一塊襯底上，充分利用電光效應(yīng)? 熱光效應(yīng)和磁光效應(yīng)等對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，具有小型化? 低成本? 調(diào)制效率高? 功率密度高和低功耗的優(yōu)點(diǎn)?

到目前為止，各種制備工藝的進(jìn)步(如:濺射技術(shù)? 化學(xué)氣相沉積技術(shù)? 刻蝕技術(shù)和光刻技術(shù))為光子器件精細(xì)的結(jié)構(gòu)制備提供了技術(shù)支持? 光子集成技術(shù)正在快速發(fā)展，一些新的應(yīng)用也會(huì)隨工藝的改進(jìn)而顯現(xiàn)出來(lái)，促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展?

硅是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，帶隙為1.12eV，屬于間接帶隙半導(dǎo)體? 硅的導(dǎo)電性會(huì)因溫度? 摻雜濃度和光輻照強(qiáng)度變化而顯著變化，廣泛應(yīng)用于集成電路?

絕緣體上硅(Siliconon insulator ,SOI)技術(shù)，即使用一薄的絕緣層將硅薄膜和硅襯底隔離開(kāi)，給電子集成器件帶來(lái)許多的好處，pn結(jié)的面積減小，因而寄生電容和結(jié)的漏電電流減小，使器件工作速度高? 功率低；容易實(shí)現(xiàn)理想的淺結(jié)，使得短溝效應(yīng)得到改善，使得芯片面積減小；可以簡(jiǎn)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(zhì)襯底?

同時(shí)，硅基光子集成可以與電子芯片的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)較低的生產(chǎn)成本和批量生產(chǎn)?

SOI的結(jié)構(gòu)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(dǎo)的TE模式分布圖(波長(zhǎng)1550nm)? 波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，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(dǎo)對(duì)光具有很強(qiáng)的限制能力，波導(dǎo)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?yàn)镾OI的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在集成光子學(xué)中成為一個(gè)極具吸引力的材料平臺(tái)?

得益于成熟的CMOS工藝，各種無(wú)源光波導(dǎo)器件已經(jīng)在SOI上實(shí)現(xiàn)?

如：定向耦合器? 分支器 ? 波導(dǎo)布拉格光柵 ? 陣列波導(dǎo)光柵? 馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x和環(huán)形諧振器等，如下圖所示?

在Si 中進(jìn)行摻雜，利用載流子色散效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制，可以在SOI上實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制器? 主要有三類(lèi)調(diào)制機(jī)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(diào)制速度? 但是，自由載流子色散本質(zhì)上是吸收的和非線性的，這降低了光調(diào)制幅度，并且在使用先進(jìn)的調(diào)制格式時(shí)可能導(dǎo)致信號(hào)失真?

鈮酸鋰光子集成技術(shù)

鈮酸鋰(LN)晶體具有卓越的電光? 聲光? 非線性光學(xué)? 光折變? 壓電? 鐵電? 光彈和熱釋電等效應(yīng)，且機(jī)械性能穩(wěn)定和具有寬的透明窗(0.3-5μm)，在集成光學(xué)中有廣泛的應(yīng)用?

基于鈮酸鋰晶體上傳統(tǒng)的光波導(dǎo)制備方法制備的光波導(dǎo)，如：離子注入? 質(zhì)子交換和鈦擴(kuò)散法，具有小的折射率差，大的波導(dǎo)彎曲半徑導(dǎo)致器件尺寸大，限制了其在集成光學(xué)中的應(yīng)用?

鈮酸鋰薄膜( LNOI)具有較大的折射率對(duì)比度，這可以使波導(dǎo)具有僅數(shù)十微米的彎曲半徑和亞微米量級(jí)的波導(dǎo)截面，允許高密度的光子集成和強(qiáng)的光限制來(lái)增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用?

LNOI可以通過(guò)脈沖激光沉積、容膠凝膠法? 射頻磁控濺射和化學(xué)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(jié)構(gòu)的性質(zhì)，造成光傳輸損耗明顯增加? 其次，薄膜的物理性質(zhì)和指標(biāo)與單晶LN也存在明顯的差距，這無(wú)疑會(huì)對(duì)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(jié)合的方法制備了單晶LN薄膜。目前，隨著制備技術(shù)的不斷提高，高質(zhì)量?大尺寸的LNOI 晶圓已經(jīng)商業(yè)化，促進(jìn)了LN集成光子學(xué)的發(fā)展，LN薄膜厚度可以為300-900nm，晶圓尺寸可達(dá)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(guò)程，從LN體材料中物理剝離LN薄膜并將其轉(zhuǎn)移到襯底上同時(shí)，研磨和拋光的方法也可以產(chǎn)生高質(zhì)量的LNOI? 該方法避免了離子注入過(guò)程對(duì)LN晶體晶格的損傷，對(duì)晶體質(zhì)量影響較小，但對(duì)薄膜厚度均勻性控制要求嚴(yán)格?

LNOI不僅保留了LN體材料的電光? 聲光和非線性光學(xué)等物理性質(zhì)，而且具有單晶結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)低的光傳輸損耗?

下圖顯示了LNOI的結(jié)構(gòu)示意圖，以及淺刻蝕和深刻蝕的LN波導(dǎo)的TE模式分布圖(波長(zhǎng)1550nm)?

光波導(dǎo)是集成光子學(xué)的基本器件之一，光波導(dǎo)的制備方法有多種?

LNOI上的光波導(dǎo)可以采用傳統(tǒng)的光波導(dǎo)制備方法制備，如質(zhì)子交換?LN化學(xué)惰性強(qiáng)，為避免LN的刻蝕，可以在LNOI上沉積容易刻蝕的材料來(lái)制備加載條波導(dǎo),加載條材料有: TiO2?SiO2?SiNx?Ta2O5? 硫?qū)倩衔锊ＡШ蚐i等?

利用化學(xué)機(jī)械拋光方法制備的LNOI光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了傳播損耗0. 027dB/cm，但是其較淺的波導(dǎo)側(cè)壁使小彎曲半徑波導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)比較困難?

利用等離子刻蝕的方法制備的LNOI波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了0.027dB/cm的傳輸損耗，這是一個(gè)里程碑式的進(jìn)步，意味著可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光子集成和單光子級(jí)處理?

除了光波導(dǎo)，許多高性能的光子器件也在LNOI上制備了，如:微環(huán)/微盤(pán)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(shí)現(xiàn)? 利用LN晶體卓越的電光和非線性光學(xué)效應(yīng)，在LNOI上實(shí)現(xiàn)了高帶寬光電調(diào)制? 高效率的非線性轉(zhuǎn)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(yīng)，在LNOI上制備的聲光M-Z調(diào)制器，利用懸浮鈮酸鋰薄膜上的光力學(xué)相互作用，將頻率4.5GHz的微波轉(zhuǎn)換為了1500nm波長(zhǎng)的光，實(shí)現(xiàn)了微波光信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換?

在藍(lán)寶石襯底的LN薄膜上制備的聲光調(diào)制器，因?yàn)樗{(lán)寶石具有高的聲速，可以避免器件的懸浮結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(jìn)展?

然而，LNOI的稀土摻雜區(qū)域?qū)νㄓ嵐獠ǘ斡忻黠@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(wèn)題的好方法? 在LNOI上沉積非晶硅可以制備光電探測(cè)器，制備的金屬半導(dǎo)體，金屬光電探測(cè)器在波長(zhǎng)635-850nm的響應(yīng)度為22-37mA/ W?

同時(shí)，將III-V族半導(dǎo)體激光器和探測(cè)器異質(zhì)集成到LNOI上，也是在LNOI上實(shí)現(xiàn)激光器和探測(cè)器的好方案，但是制備工藝復(fù)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：

硅和鈮酸鋰復(fù)合薄膜技術(shù)

Si是廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，具有重要的電子學(xué)和微加工優(yōu)勢(shì)?

SOI給電子集成器件帶來(lái)了諸多好處，廣泛應(yīng)用于集成電路? 同時(shí)，SOI還具有如下優(yōu)點(diǎn): Si和SiO2之間具有大的折射率差，使其具有很強(qiáng)的限光能力和小的波導(dǎo)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(xué)中也成為一種極具吸引力的材料平臺(tái)?但是， Si是中心對(duì)稱(chēng)晶體,缺乏電光? 聲光和非線性光學(xué)等效應(yīng)，阻礙了其在集成光學(xué)中的發(fā)展?

如果將Si薄膜和LN薄膜結(jié)合在一起，就可以實(shí)現(xiàn)材料性能互補(bǔ)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(xué)等效應(yīng)，同時(shí)具有大的折射率對(duì)比度，被認(rèn)為是一種極具潛力的集成光學(xué)材料平臺(tái)?