摘要：我们展示了在200毫米硅基后端CMOS工厂制造的薄膜铌酸锂调制器。我们实现了O波段传播损耗<0.5 dB/cm，且薄膜铌酸锂调制器具有110 GHz带宽和1.9 V·cm的调制效率。© 2026 作者(s)
1. 引言
薄膜铌酸锂（TFLN）平台已被报道能实现超过100 GHz的高速调制，因为该材料具有高电光系数和强光学约束[1]。尽管有许多芯片级的示范，但薄膜铌酸锂调制器的大规模生产仍然受到几个因素的制约：1）商业化晶圆尺寸的限制，2）晶圆上工艺的一致性，3）CMOS工厂中铌的污染问题。薄膜铌酸锂调制器已经使用市售的6英寸铌酸锂-绝缘体（LNOI）晶圆，借助主流商业化200毫米工厂的先进光刻技术，已实现带宽大于67 GHz、传播损耗小于0.5 dB/cm和3.12 V·cm调制效率的薄膜铌酸锂调制器[2]。另一种方法是将LNOI衬底通过晶圆对晶圆的键合方式与图案化的8英寸氮化硅基底结合[3]。这种方法得到了具有3.8 V·cm电压长度积（VπL）和大于110 GHz带宽的混合薄膜铌酸锂调制器，但它依赖于预处理步骤，如化学机械抛光（CMP）和不同尺寸晶圆的键合，导致材料浪费。
在这项工作中，我们设计并在8英寸TFLN-绝缘体（TFLNoI）晶圆上直接制造高性能的TFLN器件，使用的是后端CMOS工厂。这是首次报道在CMOS工厂中实现的8英寸TFLNoI平台上的TFLN调制器。我们获得了O波段平均波导传播损耗<0.5 dB/cm，并且具有110 GHz的最大带宽和最低的调制效率VπL为1.87 V·cm。这种8英寸晶圆级制造技术为TFLN调制器的大规模生产迈出了重要的一步。
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2. 器件制造
制造过程从8英寸TFLNoI晶圆开始，该晶圆具有350 nm X-cut LN薄膜，4.7 µm厚的埋氧层和高电阻率725 µm厚的硅手柄（来自NanoLN公司）。通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺沉积SiO2，作为LN蚀刻的硬掩膜。采用248 nm深紫外（DUV）光刻定义波导图案。LN蚀刻使用感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）进行，随后去除副产物。该工艺重复进行，以定义LN板层。波导的LN肋和板的厚度分别为200 nm和150 nm。采用优化的1 µm厚的SiO2包层作为顶部包层。金属化方案包括1 µm深的通孔和1.5 µm厚度的铝电极，采用GSG配置。
图1
(a) 在光学探针台上测试的8英寸晶圆照片。
(b) 和 (c) 分别为已制造的被动结构的倾斜扫描电子显微镜（SEM）图像：多模干涉仪（MMI）和微环谐振器。
(d) 和 (e) 分别为马赫-曾德尔调制器的横截面扫描电子显微镜（XSEM）和光学显微镜图像。
图1(a)显示了在探针台上测试的8英寸晶圆（FormFactor Summit200 Wafer）。图1(b)和1(c)分别显示了多模干涉仪（MMI）和环形谐振器的倾斜视角扫描电子显微镜（SEM）图像。图1(d)显示了调制器一臂的横截面SEM图像，图1(e)显示了制造的TFLN调制器的光学显微镜图像。
3. 结果与讨论
使用切削结构和垂直光栅耦合器，在整个8英寸晶圆上使用晶圆级光学测试仪（FormFactor Summit200 Wafer）测量了单模脊波导（宽度为1.0 µm）的传播损耗。
图2
被动TFLN器件表征：
(a) O波段单模波导的光传播损耗，显示平均损耗小于0.5 dB/cm。插图：在1330 nm波长下切削测量的线性拟合。
(b) 1330 nm时的晶圆级传播损耗，传播损耗为0.37 ± 0.06 dB/cm。
(c) 马赫-曾德尔干涉仪（MZI）调制器的归一化传输光谱，显示大于25 dB的消光比。
图2(a)显示了从1280 nm到1360 nm的传播损耗，O波段的平均损耗<0.5 dB/cm。此处的误差条表示标准差，在短波长处，由于光栅耦合器响应较弱，存在较大的波动。图2(b)显示了1330 nm时的晶圆级传播损耗，表明光学损耗均匀为0.37 ± 0.06 dB/cm。此处的差异的确切原因正在调查中，可能是由于以下几个因素的综合：i）LNOI晶圆的总厚度变化，ii）ICP蚀刻的不均匀性。接着，我们测量了典型的非平衡马赫-曾德尔干涉仪的传输光谱，如图2(c)所示，获得了大于25 dB的消光比，表明设计的MMI分 splitter 已经良好制造。我们还测量了微环谐振器的传输并提取了约4 × 10⁵的加载Q因子。这对应于约1.65 × 10⁶的固有Q因子，并提取的损耗约为0.3 dB/cm，与切削法提取的传播损耗相吻合（此处数据未显示）。
图3
(a) 在1310 nm波长下，通过1 kHz三角形电压扫描测量的5毫米长调制器的直流Vπ。
(b) 5毫米长调制器的VπL晶圆图，显示平均值为2.37 ± 0.35 V·cm，最佳结果为1.87 V·cm。
(c) 从EE S21响应中计算得到的射频损耗和微波相位指数。
(d) 在芯片级测量的调制器的电光S21响应，显示最大带宽为110 GHz。
图3(a) 显示了使用1 kHz正弦信号测量的典型结果，5毫米长的调制器在1310 nm处的Vπ为4.29 V，对应的VπL为2.15 V·cm。图3(b) 显示了晶圆级测量结果，调制效率的平均值为2.37 ± 0.35 V·cm，最佳结果为1.87 V·cm。图3(c) 显示了使用110 GHz矢量网络分析仪（VNA）测量的共面波导（CPW）电极的EE S参数。由此提取的微波相位指数为2.2，接近从马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构中提取的光学相位指数2.27。这使得射频和光波的相位匹配良好，从而实现了高电光调制效率。图3(d) 显示了在芯片级测量的几个典型MZI调制器的电光响应，3 dB带宽范围在93至110 GHz之间。
表1.晶圆级薄膜铌酸锂光子器件基准对比
4. 结论
我们展示了在8英寸BEOL CMOS制造线上实现的TFLN调制器，展示了O波段光传播损耗小于0.5 dB/cm的优异均匀性。TFLN调制器具有最高的110 GHz带宽和最佳的VπL为1.87 V·cm。该工作标志着使用8英寸CMOS兼容制造线进行TFLN光子集成电路大规模生产的重要里程碑。
文章名：Thin-Film Lithium Niobate Modulators with 110 GHz Bandwidth and 1.9 V·cm Efficiency on 200-mm Silicon Substrate作者：Y. Zhang1,2, C. Lau1,2, B. Li1,2, S. N. Foo1,2, J. O. Yoo1,2, B. Pan1,2, W. Q. Tan1,2, N. Singh1,2, L. W. Lim1,2, L. Tobing1,2,*, X. Luo1,2,*, Y. C. Yeo1,*单位:
1、National Semiconductor Translation and Innovation Centre (NSTIC), 4 Fusionopolis Way, Kinesis #09-11, Singapore 138635
2、Institute of Microelectronics (IME), Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), 2 Fusionopolis Way, Innovis #08-02, Singapore 138634, Republic of Singapore
