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#钛酸钡电光调制器 #钛酸钡光波导 #薄膜钛酸钡晶圆 

摘要：为了开发基于硅技术的光子学新一代高速光子调制器，具有大普克尔斯系数的新材料已被转移到硅衬底上。先前的方法侧重于在专用硅衬底上实现独立器件，这与硅代工厂的制造工艺不兼容。在本研究中，我们展示了基于钛酸钡 (BTO) 薄膜普克尔斯效应的电光调制器单片集成到光子集成电路 (PIC) 平台的后端生产线中。分子晶圆键合技术可实现完全兼容 PIC 的 BTO 器件集成，并且如图所示，可扩展至 200 毫米晶圆。PIC 集成的 BTO 马赫-曾德尔调制器在调制效率、损耗和静态调谐功率方面均优于传统的硅光子调制器。该器件表现出优异的VπL (0.2 Vcm)和VπLα (1.3 VdB)，工作速度高 (25 Gbps)，并且可在低静态功耗 (100 nW) 下进行调谐。我们的概念展示了在先进的硅光子平台中单片集成普克尔斯电光调制器的可能性。

索引词——电光调制器、单片集成电路、硅光子学

#0：10mm-10mmsto衬底-bto薄膜（300nm厚度可定制）

#1：sto外延片

2寸 外延 sto 2-20nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

#2：a向 bto外延片

2寸 外延 a-向 bto（300nm或者500nm，或者定制）-sto 8nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

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2寸 外延 c-向 bto（150nm或者300nm，或者定制）-sto 8nm(可定制)- 2um Sio2(可定制) -Si(可定制)

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一、引言

基于硅基集成电路 (SILICON) 技术的光子集成电路 (Si PIC) 在通信技术领域的各种应用中正变得至关重要 [1]。对于大型数据中心而言，Si PIC 技术为数据中心内部和数据中心间通信的收发器提供了极具吸引力的特性。利用先进的制造技术将光学和电子器件集成在一起，可以实现高速且经济高效的收发器解决方案，并充分利用器件的微缩优势。对于此类收发器而言，采用 CMOS（或 Bi-CMOS）进行真正的单片集成至关重要。光子器件和电子器件在后端工艺 (BEOL) 中的协同使用可以实现最小的寄生效应，这是高效射频驱动的先决条件。标准 Si PIC 调制器基于利用自由载流子色散效应的移相器。就移相器特性而言，这并非最佳解决方案。除了相当低的调制效率外，非线性和高损耗也限制了调制器的性能。幅度和相位调制无法分离，也限制了它们在更高调制格式中的应用[2], [3]。此外，高结电容限制了可实现的带宽[3]，并且不利于功耗。因此，迫切需要利用硅光子技术实现利用普克尔斯效应的纯电光移相器，以提供一种没有残余幅度调制，同时具有高线性度、高效率和低光损耗的解决方案。近年来，该研究领域经历了一次复兴，人们多次尝试证明普克尔斯调制器可能与Si-PIC兼容。目前，人们正在采用不同的策略，要么利用硅中的应变诱导泡克尔斯效应[4]，要么使用众所周知的泡克尔斯材料（例如LiNbO3），通过直接晶圆键合将其键合到硅上[5], [6]，要么引入具有大泡克尔斯系数的新型材料[7], [8]。所有这些方法都存在固有的缺陷，包括泡克尔斯效应较弱[4]、大晶圆尺寸的可用性有限[5], [6]、热稳定性问题[8]，或与标准制造工艺不兼容[7]。我们的方法利用单晶铁电BaTiO3 (BTO) 作为具有大泡克尔斯系数的材料，并且存在单晶层与硅的集成路径[9]–[11]。过去几年，BTO/硅混合技术的开发取得了巨大进展，包括低传播损耗的无源结构[12]、有源电光开关[13]、[14]、优异的热稳定性[15]，以及最近实现的r42 = 923 pm/V的大普克尔斯系数和光子器件的高速调制[10]、[11]。然而，之前的研究都是在绝缘体上硅衬底上进行的，没有考虑到在标准PIC或电子PIC (EPIC)工艺中的工艺集成。本文，我们克服了这一限制，展示了高效BTO普克尔斯调制器在硅光子工艺流程的BEOL中的集成，并展示了我们的方法可扩展至200毫米，使其成为一项极具吸引力的高速收发器技术。

二、技术概念

图 1. BTO/Si 在 PIC 平台上的单片集成方案。(a) PIC 的横截面示意图，包括电学和光学前端，以及 BTO 在后端（本研究）或前端（未来路线）的集成。(b) 用于电光调制器的有源 BTO/Si 波导的横截面。电极（灰色部分）在 PIC 平台的 BEOL 工艺中制造。(c) 本文报道的 BTO/Si 电光调制器的布局示意图。BTO/Si 有源波导用作马赫-曾德尔调制器中的移相器。

我们的高速收发器概念依赖于BTO薄膜的单片集成，该薄膜通过标准EPIC流程在层间电介质(ILD)上方进行晶圆直接键合（图1a）[16]。键合步骤可以在前端制程(FEOL)结构上方的任何ILD上进行。利用晶圆键合，我们可以首先在硅衬底上外延沉积BTO，然后将外延层转移到非晶衬底（例如ILD）上。外延BTO薄膜的重要性体现在两个方面：首先，单晶薄膜的低缺陷率对于在材料中实现较大的有效普克尔斯效应至关重要[17]。其次，外延BTO薄膜的低表面粗糙度对于获得高键合良率至关重要。为了制备BTO薄膜，我们采用了基于分子束外延的沉积工艺[9]，[18]，该工艺依赖于硅晶片上的外延生长，因此可以扩展到大尺寸晶片。与LiNbO3在硅上的键合或在晶体氧化物上的外延生长相比，大尺寸衬底的可用性是一个主要优势，因为这两种方法都受到可用衬底或施主晶体尺寸的限制。

BTO器件基于带状加载波导几何结构，其中BTO顶部的Si带引导光模式（图1b）。移相器的横向电极是在BTO集成之前，利用BEOL顶层金属层中制作的金属线制作的，并在BTO集成之后进行最终的金属化。光学模拟用于指导BTO-Si波导的设计，并确保横向电场（TE）光模式与BTO层在1550nm波长处有较高的重叠。使用170nm厚的BTO层加载100nm厚的Si带，我们实现了一阶TE模式与BTO层之间38%的光学重叠。BTO/Si移相器可用于马赫曾德尔调制器（MZM）或环形调制器。在本研究中，我们使用了非平衡MZM，并配备了多模干涉分束器。光栅耦合器用于耦合光进出器件（图1c）。普克尔斯效应引起的折射率变化幅度具有强烈的各向异性，并且取决于晶轴的相对取向、光电场和调制电场[10],[19]。为了确保最大响应，我们设计了沿BTO[110]方向带有波导的移相器。

III. 集成与制造

我们采用先前报道的工艺[9], [18]，在顶部Si厚度为100 nm的SrTiO3缓冲绝缘体上硅(SOI)衬底上沉积了BTO薄膜。采用分子束外延沉积BTO可确保获得高质量的单晶薄膜。沉积BTO后，我们将BTO层和顶层Si层转移到平坦化的受体晶圆上，并使用薄氧化铝层在键合界面处进行粘合。随后，通过机械研磨和化学蚀刻相结合的方法去除供体晶圆，从而实现了从源晶圆的高转移良率。

图 2. 200 毫米源晶圆和目标晶圆之间薄膜 BTO 的晶圆键合转移。（a）转移后的 BTO 层照片。（b）转移后的 BTO 层均匀性的径向测量。采用 XRD 和椭圆偏振仪测量 BTO 的晶格参数、摇摆曲线和厚度，结果显示整个 200 毫米晶圆具有良好的均匀性。

为了证明我们方法的可扩展性，我们将在 200 毫米 SOI 衬底上生长的 BTO 层转移到另一个已覆盖热氧化物的 200 毫米硅晶片上（图 2a）。利用 X 射线衍射 (XRD) 和椭圆偏振法对转移的 BaTiO3 层进行了全面表征（图 2b）。离面晶格参数和摇摆曲线显示出良好的晶体均匀性，沿 100 毫米半径方向仅有微小的变化。此外，通过椭圆偏振法测量的 BTO 厚度在整个晶片上变化很小。由于堆叠的其他层也存在变化，观察到的厚度变化具有很大的不确定性。

图 3. 在 PIC 工艺流程的 BEOL 中集成 BTO 调制器的简化工艺流程。左图为该工艺各个步骤的横截面示意图（右图）。BTO 层和 Si 层进行晶圆键合后，Si 层被图案化为带状加载波导，之后制作通孔和触点。图 (c)-(d) 为 (b) 中虚线矩形区域放大图。

对于调制器的制造（图 3），我们使用了 200 毫米目标晶片，该晶片采用与 EPIC 流程相同的 BEOL 工艺进行加工[20]。在本研究中，PIC 工艺的 BEOL 工艺在 ILD 平坦化后的第四层金属化层（顶层金属 1 (TM1)）处中断。我们将 170 nm 厚的 BTO 层从 50 mm SOI 晶圆转移到平坦化的 PIC 晶圆上。通过干法刻蚀对硅波导进行图形化。为了确保 BTO 上的电场均匀，并避免 BTO 和 TM1 之间的薄 ILD 层上出现电压降，沿着波导蚀刻了穿过 BTO 和 ILD 的 TM1 通孔。在最后的金属化步骤中，我们将埋置的射频线延伸到 BTO 的顶部。

图4. Si PIC 晶圆BEOL工艺中，顶部金属1 (TM1) 后集成的BTO调制器的横截面STEM图像。该示意图展示了本研究中调制器的集成方式。电子显微照片显示了BTO/Si调制器的成功集成。可以识别中间金属层（M1至M3）以及FEOL层。图 3. 在 PIC 工艺流程的 BEOL 中集成 BTO 调制器的简化工艺流程。左图为该工艺各个步骤的横截面示意图（右图）。BTO 层和 Si 层进行晶圆键合后，Si 层被图案化为带状加载波导，之后制作通孔和触点。图 (c)-(d) 为 (b) 中虚线矩形区域放大图。

横截面电子显微照片（图 4）证明了在 PIC 衬底上成功制造了 BTO/Si 调制器。使用 Al2O3 粘合层进行晶圆直接键合，其温度预算远低于 BEOL 工艺的限制范围。

[21] 然而，需要进行高达 350°C 的退火步骤，以减少 BTO 层中的传播损耗。[12]

图5. 集成BTO调制器前后FEOL Ge光电二极管性能比较。通过记录调制数据信号和测量暗电流来表征光电二极管。BTO调制器的集成未导致可检测到的性能下降，表明该集成方案与PIC FEOL兼容。

因此，有必要验证BTO集成不会导致FEOL组件的任何性能下降。由于FEOL中制造的Ge光电二极管对热性能下降高度敏感，我们对其BTO器件集成前后的性能进行了表征。我们未检测到任何暗电流或高速信号检测性能的下降（图5）。没有出现此类性能下降，证实了我们的集成策略能够适应FEOL和BEOL工艺的热限制，从而使BTO器件的集成与PIC平台兼容，并满足与EPIC平台兼容的先决条件。

IV. 器件性能

为了表征器件性能，我们使用了无源环形谐振器和有源MZM。环形谐振器的半径为30 μm，以确保弯曲损耗可忽略不计，并能够精确提取传播损耗。从环形谐振器的高Q值（约50,000）中，我们提取出5.8 dB/cm的传播损耗。由于BTO层本身对传播损耗的贡献很小[12]，因此我们反而受到Si波导中散射损耗的限制。采用优化的图案化工艺，可以进一步降低传播损耗。我们对移相器长度为1-2 mm的非平衡MZM进行了电光特性分析。

图 6. (a) 在 2 毫米长 MZM 的一个臂上施加电压时引起的相移。高电压下响应呈线性，但小偏置时由于 BTO 层中的铁电畴变，表现出非线性的滞后效应，如图 (b) 所示：黄色箭头对应于铁电畴的极化。在中间配置中，相反取向畴的电光响应相互抵消，导致有效普克尔斯系数消失。足够的偏置电压可以使畴变取向，从而最大化电光响应。铁电畴变是一种缓慢的效应，在频率 > 1 GHz 时不会发生。(c) 用于 VπL 提取的极化状态下不同偏置电压下的透射光谱。

通过在MZM的一个臂上施加电压，并记录引起的相移与施加电压的关系（图6），我们提取出的直流VπL值为0.23 Vcm。该值比最先进的硅耗尽型等离子体色散调制器（VπL~2 Vcm）[3, 17]小10倍，与集成硅半导体-绝缘体-半导体电容器 (SISCAP) 调制器（VπL~0.2 Vcm）[23]相当。考虑到传播损耗α，我们得到的VπLα为1.3 VdB，明显优于任何现有的高速硅调制器（VπLα >10 VdB）。在目前的器件中，传播损耗受到硅波导粗糙度散射的限制。通过改进工艺，传播损耗可以降低到3 dB/cm以下，从而实现VπLα < 0.7 VdB。较低的VπLα值体现了混合BTO/Si技术与其他调制器方案相比的关键优势之一：BTO/Si兼具较高的电光响应和较低的插入损耗，因为调制器设计中无需高掺杂浓度或吸收材料。

扫描偏置电压时，MZM的相移（图6a）表现出滞后行为，这与BTO的铁电特性一致[10]。滞后曲线表明，需要使用高于矫顽场（约1 V）的偏置对BTO层进行极化，以最大化电光响应。对于较小的偏置电压，混合铁电畴态会导致有效普克尔斯效应reff降低，而对于均匀分布的畴态，该效应reff最终会消失[9]（图6b）。当改变直流电压时，相反畴的抵消效应会导致线性相位响应出现偏差：总电光响应是线性普克尔斯效应和非线性畴切换效应的卷积。为了将普克尔斯效应与电光响应分离，我们提取了图6a所示曲线两端的Vπ，其中所有畴都已极化。铁电畴的重新取向是一个相对较慢的过程（<<1 GHz）[24]，即使在低于极化电压的偏置下，也不会影响调制器在高频下的运行。

图 7. 2 mm 长 MZM 器件的功率-电压特性。在整个偏置范围内，漏电流都很小（<100 nA），因此在 2 V 工作点时静态功耗较低，约为 100 nW。

此外，由于普克尔斯效应是一种电场效应，因此可以实现MZM的极低功耗调谐。低泄漏使得调谐功率极低，Pπ<100 nW（图7），而硅热光调谐元件的Pπ通常>1 mW [25]。由于普克尔斯效应是一种线性电光效应，因此可以使用器件偏置进行调谐，而不会改变传播损耗，也不会影响调制效率。

根据测得的VπL，可以使用公式(1)提取BTO层的有效普克尔斯系数reff。

reff = 380 pm/V。其中，λ 为工作波长 1.55 µm，g 为电极间隙（2.6 µm），nBTO 为 BTO 的折射率（2.29），采用椭圆偏振法在类似薄膜上测得；ΓBTO 为电光相互作用因子，假设 BTO 上有均匀电场，则可将其估算为与 BTO 的光学重叠度（38%）。提取出的 reff 值在 BTO 薄膜的预期值范围内：电光响应超过了先前报道的在硅上用分子束外延生长 BTO 层的数值[9]、[13]、[17]，但小于参考文献[10]中的报道，该文献报道了具有非常高结晶质量的 BTO 薄膜，摇摆曲线为 0.3°。类似材料叠层中普克尔斯系数幅度的变化与电光响应对实际晶体质量和薄膜形貌的依赖性相一致[17]。

图 8. 1 毫米长 MZM 和半径 10 µm 的环形调制器的小信号频率响应。MZM 的带宽受限于光学模式和射频模式之间的失配，而环形调制器的带宽受限于光子寿命。

为了确定高频响应，在具有1 mm长电极的MZM上进行了小信号电光S21测量（图8）。3 dB带宽为2 GHz。带宽受限的原因是行波电极中光模和电模之间的不匹配，这是由BTO的高介电常数引起的。

我们的器件设计基于中等的BTO介电常数值εBTO = 100 [26]，与最近报道的外延BaTiO3薄膜中εBTO高达3000相比，该值被严重低估[10]、[27]、[28]。为了提高带宽，应根据BTO层的实际特性设计电极，以实现射频模式和光学模式之间的模式匹配。为了证明带宽并非受材料电光特性的限制，而是受电气设计的限制，我们测量了一个半径为10 µm的环形调制器的带宽。较小的半径会引起弯曲损耗，导致Q值降低至约15,000。测得的带宽约为20 GHz（图8），受光子寿命（Q值约为15,000）的限制，但这证明了使用BTO/Si器件实现高带宽工作的潜力——这与之前的报道[10]、[15]中证实的一致。我们进一步利用1 mm长的MZM进行数据调制实验，表征了BTO/Si调制器的高速性能。使用位模式发生器生成电伪随机二进制序列 (PRBS)，无需预加重或任何其他信号处理。信号被放大（Vp 约 2 V），然后与 2 V 直流偏压一起施加到 MZM 的一个臂上。MZM 采用行波配置工作，并带有片外 50 Ω 终端电阻。调制光信号被放大（以补偿光栅耦合器和实验装置的损耗），并使用高速光电二极管直接检测。眼图记录在采样示波器上，数据速率分别为 10、20 和 25 Gbps（图 9）。

图 9. 单驱动模式下，1 毫米长 BTO MZM 背靠背数据传输的眼图，传输速率分别为 10、20 和 25 Gbps。实验中施加的偏置电压为 2 V。

即使在 25 Gbps 的速率下也能实现不闭眼，然而，调制器有限的电光带宽会导致眼图张开度在 10 至 25 Gbps 之间明显减小。通过改进电极设计，我们预计使用马赫-曾德尔调制器 (MZM) 可实现 50 Gbps 以上的数据速率。

V. 结论

我们展示了如何通过直接晶圆键合将具有普克尔斯效应的材料 (BaTiO3) 以可扩展的方式集成到硅光子学平台中。所展示的马赫-曾德尔调制器表现出卓越的性能，在 VπL 和 VπLα 等多个性能系数上超越了最先进的硅基器件。成熟的集成概念为新一代高速调制器和超高速开关开辟了道路。然而，该技术并不局限于现有元件，它还能在硅光子学平台上实现全新类型的器件。利用BTO，可以实现超低功耗调谐元件[14]、紧凑型等离子体器件[10]、[29]，以及利用铁电畴切换实现光学神经形态计算的非易失性元件[30]。

作者；Felix Eltes, Christian Mai, Daniele Caimi, Marcel Kroh, Youri Popoff, Georg Winzer,  Despoina Petousi, Stefan Lischke, J. Elliott Ortmann, Lukas Czornomaz, Lars Zimmermann,  Jean Fompeyrine, Stefan Abel