专业高效
微纳加工公司

写在前面：

本文作者想要突出强调的是新推出的BTO异质集成键合服务和室温键合设备 。强烈关注到这一点是受到匡老师（公众号：光通信女人）的一篇文章“”Y8T255 基于BTO钛酸钡的硅光集成调制器“”的启发，

以前看到PSIquantum和Lumiphase的异质集成工艺没注意，但是看到匡老师文章后发现里面的工艺小编可以提供这种材料的键合代工服务。

Lumiphase（BTO+Si）

匡老师文章原文：

背景

“”BTO，BaTiO3，钛酸钡，这个材料的一阶电光系数非常高，923pm/V，是铌酸锂的30倍。而硅没有直接电光效应，是采用载流子浓度变化作为间接控制折射率的一种技术路线。

如果用钛酸钡做电光调制器，不仅比硅要好很多，甚至比铌酸锂都好太多太多了，那产业界没有用起来一定有些原因的。

钛酸钡产业受限的原因之一：居里温度点太低

钛酸钡对居里温度点这么关注，是材料磁性消失的根本原因在于“相变”，材料的结构变了。

钛酸钡的居里点是125℃，高于这个温度，钛酸钡晶体就成了对称晶体，没有电光效应了，硅就是对称晶体，所以就没有直接电光效应。低于这个点，钛酸钡是非对称的“斜”晶，就能用作调制器”

*目前PIC行业主要用到的键合方式为亲水键合（有高温工艺），亲水键合利用的是分子间的氢氧键，为了增加键合强度，在进行表面活化，键合后，还会进行一步退火工艺来增强键合强度，但是这个退火温度较高（超过400度），无法适用于BTO和硅光光波导晶圆（SIO2包层-SI波导-SIO2热氧层-SI衬底）和氮化硅光波导硅光晶圆（SIO2包层-SIN波导-SIO2热氧层-SI衬底）晶圆键合。

*从下面的Lumiphase的工艺，我们可以看到他在硅光波导晶圆的顶层加了一层氧化铝

BTO与其他材料的集成解决方案

*这里小编就要推出我们的加工服务-室温表面活化键合（有中间层，非晶硅或者氧化铝）：

亲水键合：Ar离子轰击活化--初步键合形成氢氧键-退火增加键合强度

表面室温活化键合（有中间层非晶硅或者氧化铝）：Ar离子轰击活化--离子束溅射一层10nm左右非晶氧化铝或者非晶硅（材料可选，依照实际应用波段选择合适材料）-无需退火，全程室温加工

同时，我们提供的工艺，将Ar离子活化+离子束溅射集成在一个设备单元中，全流程设备自动加工。可以有效的解决BTO材料与其他材料的集成问题，支持4/6/8/12寸

PLD BaTiO3 SrTio3 镀膜晶圆 1.0版本

采用PLD 脉冲激光沉积，沉积BaTiO3和SrTiO3膜，最大可支持尺寸 2英寸 

面向PIC行业的异质集成服务

电光Pockels效应是许多应用中不可或缺的非线性效应。例如，折射率的超快调制对于光子电路中的光学调制器至关重要。硅已成为集成这些紧凑型电路的平台，但硅平台上并没有强烈的Pockels效应。在这里，我们通过使用钛酸钡展示了在硅光子器件中的大电光响应。我们通过确认铁电材料中Pockels效应的关键特征，验证了Pockels效应是响应的物理来源，且r42=923 pm V−1。具体特征包括：电光响应表现出晶体各向异性，在高频下依然保持强度，并在电场变化时表现出滞后现象。我们证明，即使在纳米尺度的器件中，Pockels效应仍然保持强烈，并展示了一个实际示例，数据调制速率高达50 Gbit/s。我们预计我们的工作将推动新型器件概念的出现，应用领域将远远超出通信技术.

硅光子学已成为密集且低成本的集成光子电路的平台，可用于广泛的应用 1–5，所有这些应用都需要快速、节能的电光 (EO) 开关。基于硅的最先进的调制器 6依赖于等离子体色散效应 7，并且有两个主要限制。首先，折射率实部和虚部的变化是相关的。因此，不可能仅调制光相位，这使得使用高级调制格式变得困难 8,9。

其次，工作速度受正向偏置器件中的电荷载流子寿命或反向偏置器件中的 RC 特性 10 的限制，导致最大带宽为几十千兆赫。这些限制在利用铌酸锂 (LiNbO3, LNO) 单晶中的普克尔斯效应的分立调制器中不存在，这种调制器已在长途电信中使用了数十年11。由于在中心对称晶体（如硅）中不存在普克尔斯效应，因此必须将具有较大普克尔斯系数的材料集成到硅光子结构中，以将块体普克尔斯调制器的优势与集成硅光子学的低制造成本结合起来。不幸的是，到目前为止，还没有令人满意的解决方案。由于没有外延沉积工艺，LNO 在硅上的集成只能在局部12或在小晶圆尺度13上进行。具有大普克尔斯系数的有机材料已经集成在硅上并表现出高速性能14,15。不幸的是，它们有限的工作温度范围阻碍了它们在实际应用中的使用。锆钛酸铅 (PZT) 薄膜是一种更稳定的材料，也已用于在 SiN 波导平台上制造有源开关 16，但尚未实现在紧凑型硅光子学上的直接集成。钛酸钡 (BaTiO3, BTO) 出于多种原因，已成为在硅上实现基于普克尔斯效应的器件的绝佳候选材料。首先，BTO 是所有材料中普克尔斯系数最大的材料之一 17。其次，它之前曾用于异质氧化物基板上的薄膜 EO 调制器 18,19。第三，BTO 可以在硅基板 20,21 上生长，具有较大的晶圆尺寸，并且具有出色的晶体质量 22。事实上，先前的研究报告的普克尔斯系数值低于 BTO 块体值，但比块体 LNO20 大五倍。第四，BTO 是一种化学和热稳定性材料。最后，功能性无源光子结构，如低损耗混合 BTO-Si 波导，已经实现23。已经展示了 BTO-Si 波导22、24、25 或高速运行的 BTO 等离子体装置26 中的 EO 切换结果，但不能排除电荷迁移或等离子体弥散等不良效应作为 EO 响应的来源。没有证据表明 BTO 在嵌入微纳米级硅光子结构时仍能保持其优越的 EO 特性。在本文中，我们通过验证三个独立标准，明确证明了集成到硅光子器件中的 BTO 中存在普克尔斯效应。我们展示了 (1) 高达 65GHz 频率的高速调制，(2) EO 响应对光学和外部施加的电场相对于 BTO 晶体取向的取向的依赖性，以及 (3) 铁电畴切换的光学证据。这些特征是普克尔斯效应的独特特征，排除了其他物理切换机制。我们提取了普克尔斯系数 r42~923pmV−1，比 LNO 大 30 倍，是硅光子结构中报道的最高值。在以下章节中，我们首先公开了包含铁电 BTO 的层堆栈的制造，其中存在普克尔斯效应。接下来，我们描述了微尺度光子和纳米尺度等离子体装置的布局和设计，以验证普克尔斯效应的存在。然后，我们讨论了使用两个互补的设备几何形状来充分表征 BTO 的 EO特性的必要性。最后，我们通过以高达 50Gbits-1 的高速率执行数据调制来证明BTO 增强光子结构的通用适用性。

BTO层的制备

在本节中，我们展示了通过外延生长和直接晶圆键合相结合的方法，可以在SiO2上获得高质量的单晶BTO层。通过我们的方案，满足了在BTO–Si结构中实现电光开关的两个前提条件：(1) 该方法能够得到致密的、晶体结构明确的四方形BTO薄膜，这是保持Pockels效应所必需的；(2) 它能够在BTO薄膜下方形成较厚的下层包覆层，以避免光学泄漏到衬底中。之前的电光BTO–Si器件是基于硅基绝缘体(SOI)衬底上的BTO薄膜。然而，在这种层堆结构中，半导体器件硅层中的可移动电荷可能会屏蔽施加的电场，并由于等离子体色散效应导致电光响应。为了防止这一效应，我们采用了两步工艺，制备了没有硅层的混合非晶-外延异质结构。

图1 | 混合晶体–非晶BTO–SiO2异质结构的制备工艺和结构表征。
a，原子力显微镜图像，显示了BTO在键合过程前的低粗糙度。
b，工艺示意图（从左到右），通过将MBE生长的BTO薄膜直接键合到热氧化的受体晶圆上，使用Al2O3作为键合界面，得到混合堆叠。
c，低分辨率横截面图（左），显示了均匀平滑的层堆结构，高分辨率HRSTEM图像（右），揭示了BTO的晶体结构和在沉积过程中形成的BTO–STO界面的高质量（右上），以及键合界面的清晰度（右下）。
d，HRXRD衍射图，确认最终混合堆叠中没有任何多晶域，仅显示BTO（h00）峰（伪立方符号），并且硅与BTO之间存在外延关系。
e，BTO层的高质量通过在BTO（200）布拉格峰上测得的摇摆曲线提取出的低马赛克度（Δω≈0.3°）得到证明。
f，围绕{224}硅和{203} BTO布拉格峰在倒易空间单位（r.s.u.）中的倒易空间图，揭示了三种可能的取向，长c轴平行于[001]（c轴域）或[110]或[−110]硅方向（a轴域）。
g,h，围绕伪立方（200）BTO峰的高分辨率衍射，突出了BTO层中a轴和c轴域的相对贡献。比较80纳米厚（g）和225纳米厚（h）BTO层，显示在较薄的薄膜中，c轴域的相对比例较高。

在第一步中，我们通过分子束外延(MBE)在SOI衬底上生长了80至225纳米厚的BTO层。为了确保外延生长，SOI表面覆盖了4纳米厚的MBE生长的钛酸钡(SrTiO3, STO)缓冲层（参见方法部分）。在第二步中，我们通过直接晶圆键合和衬底背面刻蚀将BTO层转移到另一个覆盖有SiO2的硅晶圆上，使用Al2O3作为键合界面。通过原子层沉积法在主晶圆和供给晶圆上沉积的5至10纳米厚的Al2O3层保证了高的键合强度。两片晶圆的低表面粗糙度（小于0.4纳米，见图1a）确保了高的键合产率。经过热处理后，供给晶圆通过磨削和多次刻蚀步骤被去除（参见方法部分），最终得到所需的晶圆堆叠结构Si/STO/BTO/Al2O3/SiO2/Si（见图1b）。这些步骤大多数在后端集成工艺中常见，并且能够通过标准CMOS工艺制造平整的氧化物覆盖晶圆，从而加入功能氧化物层。

这些层相对于晶圆展示了明确的晶体取向，这是获得高性能光子器件所必需的。晶体结构和界面在工艺完成后仍保持高质量，正如高分辨率扫描透射电子显微镜(HRSTEM)图像所示（见图1c）。高分辨率X射线衍射(HRXRD)分析确认了BTO层和器件硅层之间的立方外延关系（见图1d）。尖锐的摇摆曲线（见图1e）进一步确认了宏观尺度上的高晶体质量。

更详细的分析表明，BTO薄膜具有四方对称性，与BTO的体单位晶胞一致，具有两个较短的a轴和一个较长的c轴（见图1f）。这些轴的取向对于器件的操作至关重要，因为Pockels效应强烈依赖于静电场、光的方向和偏振、以及晶体取向之间的相对关系。围绕BTO(203)薄膜峰的倒易空间图（见图1f）显示了两种类型的a轴取向的域，它们在平面内相互旋转90°，以及较小比例的c轴取向域（见图注）。c轴取向域源自外延应变，预计将在STO和BTO的界面处形成。与此一致的是，在80纳米薄膜（见图1g）中，c轴域的相对体积分数大于225纳米厚膜（见图1h）中的相对体积分数。

器件集成与表征

图2 | 光子和等离子体器件的布局。
a，光子环形共振器在制作接触垫之前的伪彩色光学显微镜图像。角度α表示直线段相对于BTO <100>轴的取向（伪立方符号）。波导用黑色表示，BTO表面用蓝色表示，电极用黄色表示。
b，光子器件在电极之间的扫描电子显微镜（SEM）横截面图像。
c,d，光子TE（c）和TM（d）模式的模拟模态分布（见方法部分）。颜色表示电场强度，从蓝色（低）到红色（高）。
e，光子赛道共振器在两种不同偏压下的典型传输谱。电光响应是基于共振波长的变化来计算的。
f–h，等离子体器件的类似图像，分别显示了通过SEM记录的伪彩色顶视图（f）、横截面图（g）和模拟模态分布（h，颜色代码与c和d相同）。
i，等离子体相位调制器的传输谱示例，在λ=1,540 nm的波长下以30 GHz的射频信号运行。峰值（λ=1,540.00 nm）与第一个旁带（λ=1,539.75 nm和1,540.24 nm）之间的强度比用于确定等离子体模式的有效折射率Δneff的变化。

为了确认BTO层中的Pockels效应，我们测试了各种集成器件的电光响应的各向异性和频率行为。我们使用了与BTO晶体轴方向不同的直线段的赛道共振器（见图2a）。结构的相对较小的占地面积（约100μm×100μm）使得我们能够制造许多不同取向的独立器件，这对于探测电光响应的角度依赖性是必需的。共振器件已经得到很好的研究，并允许定量分析电光响应。由于有限的光子寿命，共振光子器件的电光带宽通常限制在几十吉赫兹，这限制了此类器件用于高速表征的能力，而高速表征是验证Pockels效应所需的。Mach–Zehnder调制器（MZM）可以在高速下运行，而不受有限光子寿命的带宽限制。然而，几毫米大小的MZM会影响电极的带宽。为了获得高带宽的BTO–Si基MZM结构，需要对行波电极进行先进的射频工程。作为替代，等离子体相位调制器由于其小型器件尺寸导致的低电容，提供了极高的带宽。在我们的研究中，我们使用了基于BTO的等离子体结构，将电光表征的频率范围扩展到65GHz。由于无法对等离子体相位调制器进行准确的定量分析（补充说明1），我们使用了光子和等离子体两种器件类型来分析电光响应。

因此，我们制造了嵌入BTO的光子器件和等离子体器件（见方法部分）。对于光子结构，器件硅层用于形成带有SiO2包覆的条带负载波导。该波导是单模的，并支持横电（TE）（见图2c）和横磁（TM）（见图2d）偏振，其中39%（TE）或55%（TM）的光功率被限制在BTO层中。电极与波导之间相隔2μm，产生平行于225纳米厚BTO层的电场（见图2a、b和补充说明2）。为了分析电光响应的张量性质，制造了不同角度α相对于BTO <100>伪立方晶体方向的赛道共振器（见图2a）。通过向电极施加直流或射频信号（见图2e），通过共振器的共振波长的变化来确定波导中有效模态折射率Δneff的变化（见方法部分）。

10微米长的等离子体结构基于80纳米厚的BTO层，从中刻蚀出50纳米宽的鳍并进行接触（见方法部分）。该等离子体波导（见图2f、g），将50%的光功率限制在BTO层中（见图2h），通过锥形结构与光子波导耦合（补充说明3）。我们通过射频信号施加到电极上产生的双波混合过程来从光谱带之间的功率比（见图2i）推导Δneff（见方法部分）。

Pockels效应的确认

为了确认BTO中Pockels效应的存在，关键是分析电光响应的特征特性，主要是其频率依赖性（以排除慢速电光效应）和其各向异性（以排除各向同性电光效应）。此外，铁电材料中的Pockels效应应表现为折射率与电场的滞后响应，这与铁电域的极化过程一致。在这里，我们研究了所有这些特性，以确认我们器件中存在Pockels效应。

图3 | 电光响应证明Pockels效应的存在。
a，光子环形调制器（TE偏振）和等离子体相位调制器的电光响应的频率依赖性。
b，等离子体调制器高频区域的线性放大，直到65 GHz。
c,d，光子器件的电光响应的角度依赖性，分别为静态电场下（c）和在交变电场（交流电）下，光子和等离子体器件在1 GHz和30 GHz下的响应（d）。c和d中的虚线对应使用从实验中提取的Pockels张量对光子器件进行模拟的响应（补充说明5）。
e，在1 GHz（光子器件，TE偏振）和40 GHz（等离子体器件）下，通过扫描施加的偏压，在不同角度α下（见标签）获得的电光滞回曲线。顶部的示意图表示铁电域的取向，电场（绿色箭头）取向在α=±45°时。

在射频下调制折射率与热光效应和离子扩散过程的区别在于，后者发生在长时间尺度上。我们在光子器件中测量到恒定的电光响应，直到30GHz，光子器件的品质因子为5×10³（见图3a），这与我们实验设备的截止频率一致（见方法部分和补充图22）。由于有限的光子寿命和共振结构中的峰值效应，较高频率下的响应无法明确解释。通过光子器件中高达30GHz的恒定电光响应，我们不能完全排除由BTO层上方硅条带中的强电场引起的等离子体色散的可能贡献。为了扩展对更高频率的分析，使用了非共振的等离子体器件，其中活性区域中没有硅。事实上，等离子体器件中的电光响应在30至65GHz的频率范围内是恒定的（见图3a），并明确支持了BTO基器件中Pockels效应的存在。

与光子器件的平坦频率响应不同，等离子体调制器在约2至30GHz的频率范围内，电光响应下降约5dB（见图3b）。这种下降归因于等离子体器件中的机械边界条件：在几吉赫兹的频率下，由压电效应驱动的BTO鳍的水平变形，导致较大且未夹紧的电光响应，相比于高频区域。在光子器件中，由于SiO2包覆层的夹紧作用，机械运动被抑制，因此不会出现这种效应（补充说明4）。

由于Pockels效应的张量性质，波导的取向α（在图2中定义）应该会影响电光响应。事实上，光子赛道器件显示出明显的取向α依赖性（见图3c）。由于电场引起的Δneff在BTO层内的平行和垂直方向上是各向异性的，因此电光响应预计会对光模式的偏振敏感。我们在实验中确认了光子器件中TE和TM模式之间的这种各向异性（见图3c,d），并将其与预期电光响应的仿真结果进行了比较（补充说明5）。实验中的角度依赖性和偏振依赖性与仿真结果定量一致（见图3c）。我们确定了光子结构中BTO层Pockels张量的两个最大非零系数，分别为r42=923±215pmV−1和r33=342±93pmV−1。由于TM器件在α=0°时响应较小，因此无法可靠地提取r13系数（补充说明6）。静态和射频下电光调制的相似角度依赖性表明，在我们测量的所有时间和长度尺度上，电光响应的物理来源是一个共同且恒定的效应（见图3d）。在这里，我们将分析限制在1GHz，以最小化有限光子寿命对角度依赖性的影响（补充图21）。我们的实验程序不允许对射频下的Pockels响应进行准确的定量分析（见方法部分）。然而，光子器件中S21参数的平坦频率响应（见图3a）表明，从静态（见图3c）到高频（见图3d），Pockels效应是恒定的。

尽管我们可以在等离子体器件中测量到一个有效的、取向依赖的材料响应，这与Pockels效应的张量性质在定性上非常一致（见图3d和补充说明1），但无法像光子器件那样解卷并定量提取Pockels系数。纳米尺度的等离子体器件对外部效应（如工艺损伤或器件几何形状）以及内部效应（如死介电层或等离子体波导中c轴和a轴域的分布）更为敏感。然而，考虑到这些效应，使用在光子器件上确定的Pockels系数，可以再现等离子体器件的有效响应（补充说明1）。

除了高频响应和角度依赖性外，BTO层引起的电光响应应当在扫描偏压时表现出滞后行为，这是由于铁电域的重新取向。由于Pockels效应是线性的电光效应，具有相反铁电取向的域会引起相反的相位偏移，导致在域均匀分布的薄膜中电光响应消失。随着偏压的增加，一旦所有域都朝相同方向极化，电光响应将达到饱和。事实上，预期的滞后效应在微尺度光子器件和纳米尺度等离子体器件中都清晰可见（见图3e）。为光子器件提取的矫顽场Ec（Ec=2×10⁵ V/m）与先前报告的相似厚度的BTO薄膜在硅上的值非常吻合。而在等离子体结构中的矫顽场则大于一个数量级（Ec=1×10⁷ V/m），但与电介质层上电压降一致（补充说明1），这与在薄铁电材料中常见的观察结果一致，其中域钉扎和有限的去极化场增强了具有缩小尺寸的器件中的Ec。

图4 | 光子和等离子体调制器中的数据传输。
a,b，40 Gbit/s（光子器件）和50 Gbit/s（等离子体器件）（b）的眼图。

在光子器件的情况下，由于离子扩散过程较慢，发生在与滞后测量时扫描速率相似的时间尺度上，因此滞后环在较大的电压下并未完全收紧（见方法和补充说明7）。这些扩散效应与键合材料堆叠对环境气氛的表面反应性有关，这些反应发生在电极和波导之间的间隙中。因此，器件内的电势分布略有改变，但并未影响角度依赖性和频率响应，如上述所讨论（补充说明7）。

Pockels效应的应用

在我们证明了结构中存在强烈的Pockels效应后，我们现在展示其在高速数据通信中的潜在应用（见图4）。记录眼图是评估电光调制器性能的有力方式。我们使用了一个品质因子Q=9×10³的光子环形调制器和一个10微米长的等离子体相位调制器，宽度为50纳米的槽来实现高调制带宽（见方法部分），数据速率为40Gbit/s（光子器件；低数据速率下的眼图见补充图24）和50Gbit/s（等离子体器件）。这些结果展示了BTO–Si技术在高速数据传输中的应用性。它们还可以用来估计MZM的性能，MZM如果工程设计得当，通常在集成光学链接中优于共振结构或相位调制器。我们在TE光子波导中测得的电光响应转换为VπL产品为0.45V·cm（补充说明8），这一性能与最先进的集成Si（参考文献42）和InP（参考文献43）电光相位调制器具有竞争力。此外，我们估计优化后的MZM的开关能量（补充说明8）为每比特96fJ，位于先进Si基MZM的同一范围内（参考文献44,45）。这些性能指标证明了在硅上实现Pockels效应作为电光开关机制的技术相关性。

结论

我们明确地证明了Pockels效应在集成到光子和等离子体结构中的混合BaTiO3–SiO2堆叠中存在。光子共振器件允许定量确定BTO的各个Pockels张量元素，而等离子体器件则使得能够在高达65GHz的频率下进行带宽测量。这两种互补器件结构的结果表明，BTO在制造微尺度光子和纳米尺度等离子体组件后保持其卓越的电光性能。关键特性，如高速响应、角度各向异性和滞后开关规则，排除了其他物理效应作为电光响应的来源。电光响应的大小类似于体材料，并且是以往集成在硅上的任何Pockels材料的许多倍大。氧化物的化学和热稳定性也优于有机非线性材料。

我们结构在50Gbit/s数据通信中的应用揭示了这项技术在新一代集成调制器中的前景。我们的方法可以提供具有竞争力的VπL，适用于复杂的调制格式，并且与CMOS制造线内的紧密集成兼容。在材料堆叠中证明了Pockels效应的存在后，我们预计通过进一步优化器件参数，如BTO层的厚度、电极之间的间隙以及优化电极布局以适应射频操作，可以获得更优的电光性能。

在集成光子器件中控制Pockels效应的能力，也对超越数据通信的应用产生深远的影响。传感、长波红外和类脑计算应用也将从以较低工作速度运行或利用非易失性电光效应的器件中受益。最终，混合BTO–Si光子器件为设计师提供了额外的自由度，不仅能够实现新一代紧凑型高速调制器，还能实现诸如超低功耗调节元件、非易失性光学存储器或微波到光量子转换器等新型器件。