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微纳加工公司

作者：Alexander A. Demkov*a,b, Agham Posadasband Daniel Wassermanc

单位：a，Dept. of Physics, The University of Texas, Austin, TX USA 78712;bLa Luce Cristallina, Inc.,  Austin, TX USA 78759; cDept. of Electrical and Computer Engineering, The University of Texas,  Austin, TX, USA 78758

摘要

近年来，硅光子学 (SiPh) 的爆炸式增长主要源于两大驱动力：通信和计算。由于互联网服务和云计算需求的不断增长，数据中心成为光互连技术进步的主要驱动力。而数据中心对能源的巨大需求则是创新的主要动力。此外，现代 CMOS 实现的计算技术在小型化、芯片内连接和功耗方面已达到顶峰。此外，目前的芯片间铜互连无法超过 40 GHz。所有这些问题都推动了光计算的发展，其中关键的战略要素是快速、紧凑且低功耗的调制器。我们讨论了铁电氧化物，重点是 BaTiO3，它表现出强大的线性电光效应，并且可以与硅集成，从而利用新材料来实现器件和电路架构，以利用不断变化的计算机器学习范式，同时充分利用现有的硅制造基础设施。预计这将带来功耗更低、带宽更大的新一代计算机。

关键词：硅光子学、电光调制器、普克尔斯效应、BaTiO3、神经形态计算

#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)

#3:C向 bto外延片

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)

#离子注入铒代工

#6寸DUV步进式光刻代工，最小线宽180nm，超高性价比，可以只曝光

#快速氮化硅硅光铌酸锂流片 #高性价比 #低成本

#提供8寸 8umSiO2热氧片

室温低损伤@GCIB抛光代工@束斑小（4-5mm）更均匀

#降低硬质材料化合物晶圆等绝大多数材料的表面粗糙度，比如金刚石 ，磷化铟，砷化镓，碳化硅

#提高复合衬底和镀膜膜层的器件层膜厚均匀性，

比如SOI LNOI  LTOI SICOI 等 SMARTCUT得到的薄膜 

或者镀膜所得到的膜层 ，比如镀了一层氮化硅，但是由于是cvd镀膜所得到的，表面的膜厚精度很差，粗糙度很差，可以通过粗糙度初步降低粗糙度，然后通过GCIB团簇离子束抛光来修整整面的膜厚均匀性 到0.5%以下举例：

未经过Trimming 工艺的 6寸LN/LTOI晶圆 数据：

Range:100-200A

经过Trimming 工艺的 6寸LN/LTOI晶圆 数据：

Range:60A以内

ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

SINOI晶圆；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，

SICOI晶圆；新型量子光学平台

6寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶

8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

LN/LT-SOI/Si/SIN  W2W&D2W异质集成

流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆

划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

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1. 引言

过去50年来，现代计算一直基于冯·诺依曼架构，该架构采用硅互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术实现。然而，尽管摩尔定律在器件扩展方面仍然适用，但十多年来，处理器时钟速度一直停留在3 GHz左右[1]。速度瓶颈部分源于提供芯片内连接的后端金属层的RC延迟。另一个问题来自功耗和散热。多核架构的发展旨在提升性能，而时钟速度并未随之提高，这只会加剧这一问题，因为芯片内需要传输的数据量也随之增加。放弃冯·诺依曼架构，或许可以解决这个问题，因为在冯·诺依曼架构中，中央处理器 (CPU) 和内存是两个不同的组件。当它们之间的数据速率低于CPU本身的时钟速率时，就会导致现代计算机所面临的所谓冯·诺依曼瓶颈。

神经形态计算和人工智能的兴起是为了克服冯·诺依曼架构的局限性，但由于目前该架构是通过电子设备实现的，因此尚未解决功耗问题。在生物大脑中，存储和处理在同一位置完成，功耗非常低。

模拟这种架构被称为神经形态计算或类脑计算。

传统计算的困境并不仅限于芯片之外。芯片间通信或互连也已达到40 GHz带宽壁垒，此时铜互连的性能更像是损耗很大的波导[2]。如果能够在芯片内部以及芯片之间将计算和通信信号从电子信号转换为光信号，所有这些问题都有可能得到克服。光学计算并非一个特别新的话题，但长期以来，人们仅从自由空间光学或光纤的角度来讨论它。在实现光学计算方案时，人们既考虑了纯光学方法，也考虑了混合光电方法。光子固有的大规模并行性使其成为实现神经形态计算和量子计算算法的天然媒介[3]。这种能力以及硅光子学产业的全面成熟，正推动人们对基于硅光子学的计算产生前所未有的兴趣。硅在1.55 μm的标准电信波长下是透明的，是连接外部光纤电信和芯片集成器件（称为光子集成电路或PIC）的天然桥梁。光学计算的一个缺点是有源光学元件的尺寸相对较大（约1毫米），尤其是与传统的硅晶体管相比。人们可以在相同的硅片上放置更多的晶体管，就像光开关一样。随着神经形态计算的出现，这种计算方式发生了改变，因为人们不再需要使用一系列基于布尔逻辑的简单开关来执行任务。特别是，基于少量非线性节点和延迟反馈的光子储存器计算可以执行高效的信息处理 [4]。此外，在同一物理装置上对多个储存器进行时间交织，已经证明了光子储存器计算的多功能性 [5]。这一点，加上现有硅制造基础设施仍然可以使用，使得硅光子器件不仅作为独立的计算平台，而且在光互连方面也极具吸引力 [6,7]。

生产硅基光子晶体（PIC）的一个难题是需要异质集成。硅本身是一种优良的波导材料，但对于光源和探测器来说用处不大，因为目前光源和探测器分别由III-V族材料和Ge制成。但即使是调制器，即芯片的光学活性元件，本质上仍然是电子器件。因此，尽管硅为波导、分束器、定向耦合器或延迟线等基本光学元件提供了一个非常便捷的平台，但像马赫-曾德尔调制器（MZM）或微环谐振腔调制器（MRM）这样的电光（EO）调制器却存在一个潜在的问题，尤其是在光学计算领域，因为在小型网络中需要多个元件。

电光调制可以在III-V族半导体器件中实现，但它们的行为更像是电吸收调制器，而不是纯粹的相位调制器。这类材料的电光效应源于弱线性电光效应或普克尔斯效应（GaAs 的系数为 −1.6 pm/V）和弗朗兹-凯尔迪什效应的结合。弗朗兹-凯尔迪什效应是指在施加电场的作用下，由于能带边缘的展宽和移动，导致近能带边缘波长的吸收率发生变化。这种效应可以通过多量子阱异质结构中发生的量子限制斯塔克效应来增强。III-V 族半导体的折射率较高（~3），可以部分补偿弱的普克尔斯系数，但为了与硅光子学兼容，需要采用复杂且昂贵的晶圆键合工艺将其键合到完全加工的绝缘体上硅 (SOI) 晶圆上 [8]。为了应对这一挑战，纯相移光调制器的研究活动十分活跃，这些调制器利用普克尔斯效应——折射率随施加电场而线性变化。这提供了一种简单的方法来制造移相器，移相器是一种场效应器件，仅需能量来对相关电容器进行充电/放电。效应的大小用称为普克尔斯系数r的参数来量化，该系数在形式上是一个张量性质，即其值取决于施加场的方向和相对于晶轴的光偏振。铁电氧化物，例如铌酸锂（LN）和钛酸钡（BTO），都具有吸引力，因为这些材料的单晶层已被键合或外延沉积在绝缘体上硅平台上，从而形成了薄膜铌酸锂（TFLN）（也称为绝缘体上铌酸锂或LNOI）和最近推出的绝缘体上BTO（“玻璃上BTO”）或BTOI等商业化产品。 LNOI 广泛用于 4 英寸晶圆，6 英寸晶圆即将上市；BTOI 目前为 2 英寸晶圆，8 英寸晶圆也已宣布上市。第三个竞争材料平台是电光聚合物。LN 的最大普克尔斯系数为 36 pm/V，而 BTO 的最大普克尔斯系数为 1300 pm/V。电光聚合物已展示出非常高的低频普克尔斯系数（高达 400 pm/V），并且与制造 LNOI 或 BTOI 基板相比，其沉积成本更低。由于普克尔斯效应与光学声子相关，LN 和 BTO 等晶体铁电体中的普克尔斯效应是调制折射率的最快机制之一，理论上可作用于 THz 频段。另一方面，电光聚合物依赖于分子取向，因此其普克尔斯系数随频率变化更快衰减。表 1 比较了这三种材料平台在集成到硅光子学中的难易程度，以及它们在功率、性能和面积 (PPA) 指标方面的比较情况。彩色背景表示好（绿色）、中等（黄色）或差（红色）。

2. 马赫-曾德尔调制器

典型的马赫-曾德尔调制器 (MZM) 移相器是一种由电光活性材料制成的波导，放置在两个电极之间。场由施加的电压 V 和电极之间的距离 d 决定。折射率的变化 Δ𝑛 与该场和有效普克尔斯系数 r 的乘积成正比。有效普克尔斯系数 r 是普克尔斯张量各分量的线性组合，由铁电极化、电极、光传播方向和光偏振方向的相对几何排列决定。总相移与折射率变化与调制区域长度 L 的乘积成正比，具体为 Δ𝜙 =𝑛3𝑟𝜋𝑉𝑑𝜆𝐿Γ其中 n 是折射率，L 是电极长度，λ 是光波长， 是电场和光场的重叠部分。MZM 的效率通常用所谓的半波电压长度积 VπL 来量化，即使光信号的相位偏移 π 乘以器件长度所需的电压。

该值越小，器件效率越高，即在相同性能下功耗越低。基于 TFLN 的调制器的该指标约为 2 V·cm，相对较大，需要在功耗和尺寸之间进行权衡。这使得TFLN调制器的长度约为1厘米。基于BTOI和EO聚合物的调制器的典型VπL值低于0.5 V·cm（聚合物约为0.1），这使得它们更适合制作光学计算所需的密集光调制器网络。

表 1. 比较使用普克尔斯调制的材料在集成到商业硅光子代工厂的准备程度，以及功率、性能（截至 2025 年）和面积 (PPA) 指标方面的表现。

目前电信和数据中心使用的最先进的硅基电光调制器在未来性能扩展方面面临着严重的限制。硅集成单晶铁电体（例如LN和BTO）利用普克尔效应，提供高速、低功耗、稳定（尤其是在LN的情况下）的宽带调制。它们可以支持几代集成电光调制器，工作频率远高于每通道100 GHz。就BTO而言，其制造工艺也与现有的CMOS基础设施完全兼容，这使得该材料尤其具有吸引力。其主要缺点（如表1所示）在于，它在硅光子学领域是一种非常新的材料，目前其加工工艺尚不完善。除了调制效率的VπL参数外，另一个重要方面是材料中的传播损耗。其中，LN 一直占据主导地位，其在块体单晶中的损耗值约为 dB/m，而在器件中，TFLN 的损耗值低于 0.1 dB/cm。电光聚合物的损耗值为几个 dB/cm，尽管其非常高的系数可以实现非常短的器件，因此损耗可能不那么重要，尤其是在采用其他材料（例如 Si 或 SiNx）进行波导的情况下。直到最近，文献中 BTO 的损耗值与电光聚合物的损耗值相似。最近的几份报告显示，BTO 的损耗现在远低于 0.5 dB/cm [9-11]。根据这些最近的报告，BTO 中调制效率与损耗乘积 VπLα 这一更有用的指标现在可能低于 0.05 V-dB，略低于 TFLN。最近有报道称 BTO 中固有传播损耗的物理来源 [12]。基于BTO的调制器具有较低的VπLα，加上其与LN相比较小的占用空间，使其非常适合用于神经形态（包括储层计算）[7]和光子量子计算[3]的光学计算。在本文的其余部分，我们将重点介绍我们最近在高性能、小尺寸BTO调制器方面取得的进展。

3. BTO在硅基衬底上的集成

我们开发了一种在硅或绝缘体上硅衬底上快速沉积高质量单晶光学级BTO薄膜的方法[13]。关键步骤是使用分子束外延(MBE)在硅(001)面上外延SrTiO3(STO)。

在STO缓冲层的帮助下，可以使用几种标准沉积工艺将外延单晶BTO集成到硅基衬底上。虽然最广泛使用的Si集成技术是MBE，但我们已经开发出一种使用离轴射频溅射技术沉积单晶光学级BTO的方法，速度显著加快（见图1）。

图1. 射频溅射玻璃基晶体生长的500纳米厚BTO薄膜的基本层堆叠。背景为在分子束外延生长的STO衬底上生长的射频溅射BTO的代表性透射电子显微照片，STO衬底本身生长在硅基二氧化硅衬底上。插图为（左）射频溅射BTO薄膜的RHEED图样和（右）X射线衍射谱，均表明晶体生长质量优异。

由于四方BTO的c/a比非常接近1，因此可以通过控制薄膜应变来稳定Si基面内（长轴平行于表面）或a取向，以及面外（长轴垂直于表面）或c取向的BTO薄膜。这两种方法各有利弊，只要选择合适的器件架构即可。c取向器件类似于Z切LN器件，而a取向器件类似于X切或Y切LN器件。在a取向薄膜中，依赖于巨大的r42分量，但代价是场方向的相对介电常数分量非常大（约1000），这对于高速运行来说是个问题。另一方面，在c取向薄膜中，r33相对于r42的10倍下降可以通过介电常数的20倍降低来补偿。当器件在射频频率下工作时，高介电常数会导致性能下降。因此，两种取向均可在高频下提供合理的调制。在这两种情况下，都可以使用单片[14]（蚀刻在BTO中）或采用不同材料制备的混合波导[15,16]。本文我们讨论单片器件。c取向薄膜的一个潜在优势在于可以实现完全极化，从而消除c取向薄膜中铁电畴之间的180°畴壁[17]。在a取向薄膜中，可能存在四种不同的畴：它们是两个90°面内晶体畴，它们又可以各自分裂成两个180°的铁电畴。虽然铁电畴壁可以通过极化去除[18]，但晶体畴壁不能去除，并且可能成为光学损耗的来源。

4. 单片BTO器件

图 2. 所制备的 MZI 的 (a) 光栅耦合器、(b) 波导弯头、直臂和 Cr/Au 电极以及 (c) 直波导部分的扫描电子显微照片。

我们之前已演示了采用低损耗全BTO波导的单片BTO MZI，其光模式与非线性材料几乎完美重叠[19]。该波导采用500 nm厚的射频溅射取向BTO（X,Y切割）制备，该BTO采用玻璃基晶体技术在SOI衬底上生长[20]。干涉仪的制造工艺还需要演示单片BTO无源器件的制造，例如用于电信C波段λ≈1535-1565 nm的输入/输出耦合器、锥形波导、Y型分路器、弯波导和直波导（见图2）。器件采用电子束光刻技术制造，以定义BTO波导、锥形波导、分路器和光栅耦合器。图案化的电子束光刻胶用作蚀刻掩模，并使用离子束铣削将暴露的BTO蚀刻至175nm的深度。对于有源器件，采用第二步电子束光刻来确定器件触点，然后进行金属化和剥离工艺。初始器件特性分析旨在提取单片BTO波导的传播损耗。为此，我们制作了“切割”结构，该结构由输入/输出光栅耦合器组成，耦合器之间制作了具有相同数量弯曲但总长度不同的波导。通过测量此类结构上具有不同波导长度的传输信号，可以提取近似的波导损耗。值得注意的是，这项研究最重要的发现之一是，即使在任何极化之前，这种切割方法也能测定出0.7 dB/cm的波导光损耗。利用已制作的马赫-曾德尔干涉仪测量了与线性电光系数相关的相移机制的效率。利用实验装置中可实现的最大相移值，在0.75毫米长的器件中，实现π相移所需的电压为Vπ = 10 V。这相当于电压-长度乘积Vπ·L为0.75 V·cm，由此可得出有效普克尔斯系数reff = 207 pm/V。测得的Vπ·L可与最先进的基于LN的调制器相媲美，同时与硅光子晶体代工厂完全兼容。

图 3. 采用电子束光刻和离子铣削技术制作的半径为 50 µm 的高 Q 值环形谐振器的透射光谱

我们最近还在单片BTO系统中制作了半径为50μm的环形谐振器，如图3所示，其Q值非常高，约为105，这表明损耗极低。使用具有不同直线段的跑道谐振器，拟合谐振峰并分离出弯曲损耗后，提取的传播损耗为0.18 dB/cm。

结论

过去十年，基于BTO的集成电光调制器在技术成熟度方面取得了长足进步，并已证明其能够克服SiPh等离子体色散调制器的带宽限制和功耗问题。这些进步使BTO SiPh技术有望成为下一代电光调制器的首选材料，适用于数据中心和光互连应用（包括共封装光学器件），以及未来的光量子和神经形态计算平台。