1
工作简介
现代通信技术的发展对数据容量的需求与日俱增，而目前已经有商业应用的体铌酸锂、硅基和磷化铟调制器逐渐无法满足未来对超过100 TB的数据中心的需求。近年来出现的薄膜铌酸锂凭借优异的电光性质，有望成为未来 1.6 TB 以上光模块的主要支撑技术。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称为上海微系统所）通过“万能离子刀”剥离转移技术（图1）在晶圆级图形化SOI晶圆上集成了高质量的铌酸锂薄膜，并制造出具备高数据传输能力的电光调制器。相关研究成果以“Lithium Niobate Electro-Optical Modulator based on ion-cut wafer scale heterogeneous bonding on patterned SOI wafers”为题发表光学期刊Photonics Research上。论文第一作者为上海微系统所的博士生李卓芸，论文通讯作者为上海微系统所硅基材料与集成器件实验室的欧欣研究员和蔡艳研究员，论文合作者还包括李卓芸的导师、上海铭锟半导体的余明斌研究员。
图1“离子刀”异质集成技术实现大尺寸硅基铌酸锂异质集成材料与芯片
2
研究背景
硅光技术以其CMOS 兼容、高集成度等突出优点而成为备受关注的新一代片上互联主流技术。电光调制器是光通信中的核心器件，硅基电光调制器在过去二十年中取得了长足的进步。然而，由于硅的间接带隙，以及中心反演对称性的晶体结构，低损耗、高线性度和高调制速率的集成电光调制器是目前硅基光电子技术中重要且亟待解决的部分。混合集成多种材料是硅光子技术未来发展的重要途径之一。铌酸锂（LN）具备极低的光吸收损耗以及高效的线性电光效应优异，被认为是大容量信号传输的竞争材料。为打破硅基调制器的性能限制，利用硅和铌酸锂的大面积键合技术实现两种材料的异质集成，为进一步提升硅上电光调制器性能提供了一个很好的解决方案。
本论文首次通过基于“万能离子刀”技术的晶圆级键合方案，在图形化SOI晶圆上集成了高质量的铌酸锂薄膜，成功实现了可支持192 Gbit/s信号传输的硅基铌酸锂异质集成电光调制器，同时该器件展示出良好的低频电光响应平坦度。为硅光与薄膜铌酸锂的大规模异质集成研究提供了有效的的技术方案。
3
研究亮点
通过离子束剥离技术与晶圆级直接键合方案制备硅光薄膜铌酸锂晶圆的流程如图2(a)、(e)所示。首先，通过标准的180 nm工艺在8英寸SOI晶圆上实现顶层硅的图案化，包括光栅、单模波导和倒锥形结构。顶层硅厚度为220 nm，box层厚度为2 μm。氧化物包层沉积后，通过CMP工艺将硅波导顶部的氧化层厚度减薄至160 nm以及平坦化。然后将此八英寸图案化SOI晶圆切割成六英寸晶圆，与LN晶圆直接键合，并通过“万能离子刀”技术实现600 nm TFLN的剥离转移。对整个异质晶圆进行550 ℃的后退火处理与CMP工艺以实现剥离LN的晶体质量恢复与损伤层去除，剥离后LN薄膜的厚度测试结果如图2 (f)所示。六吋SOI/LN异质晶圆如图2 (g)所示。随后通过在SOI/LN异质芯片上完成200 nm的薄膜铌酸锂浅刻蚀，通过物理气相沉积完成氧化硅包层。随后在LN波导两侧进行局部刻蚀开窗口，留下厚度为300 nm的氧化膜，最后通过lift-off工艺完成铝电极图形的制备。所制备的异质调制器显微镜图如图2 (d)所示。
图2 (a) 异质SI/LN电光调制器制备流程; (b) 硅波导与LN脊波导截面FIB图; (c) 铝电极SEM图; (d) 所制备的异质SI/LN电光调制器显微镜图; (e) 基于“万能离子刀”技术的SOI与LN晶圆级键合流程; (f) LN薄膜剥离与CMP后厚度测试图; (g) 六吋SOI/LN 异质晶圆。
通过低频三角波信号电压驱动器件以测试调制效率。三角波驱动电压和调制光信号的典型正弦响应如图3 (a) 所示。黄色曲线对应的纵轴是加载到示波器上的探测器接收到的光电信号，与绿色曲线对应的纵轴是驱动电压的幅度，峰峰值为10 V，横轴是时间。可以看出，在驱动信号频率为0.01 kHz之前，调制信号不会出现明显失真。图3 (b)以箱线图的形式总结了各频率驱动电压下所计算得到的VπL值，均稳定在2.9 V·cm左右。这展示出器件具备良好的低频电光响应平坦度。研究人员认为这与SOI与LN晶圆异质集成中的后退火处理以及LN波导两侧氧化硅的局部刻蚀有关。
图3 (a) 三角波驱动电压和调制光信号的正弦响应测试图; (b) 不同频率三角波驱动信号下的VπL值。
该器件的眼图测试结果如图4 (a)所示,展示了从36 Gbit/s到96 Gbit/s的NRZ信号以及从72 Gbit/s到192 Gbit/s的PAM-4传输眼图。同时进一步测试了36 Gbit/s ~ 64 Gbit/s NRZ信号传输的B2B误码率测试，如图4 (b)所示，在较低的接收光功率下均能满足硬向前纠错阈值。
图4 (a) 器件在不同速率下的NRZ与PAM-4传输信号的眼图测试; (b) 器件在不同速率下的NRZ传输信号的误码率测试。
4
总结与展望
本工作中，研究人员通过实验证明了一种基于晶圆级SOI/TFLN异质集成的高性能调制器。采用基于“万能离子刀”的晶圆级直接键合工艺，在图形化SOI晶圆上集成了高质量的铌酸锂薄膜。所制造的器件在低至10 Hz的三角波信号驱动下表现出稳定的VπL 值，这在一定程度上表明器件具备良好的低频EO响应平坦度。在数据传输能力方面，该器件支持高达96 Gbit/s的NRZ信号传输和 192 Gbit/s的PAM-4信号传输数据速率。据该文作者所知，这项工作是基于“万能离子刀”剥离技术的异质Si/LN电光调制器的首次演示。此外，所提出的调制器结构具备进一步与硅基锗光电探测器大规模集成的潜力。
5
原文传递
文章链接：
https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-13-1-106id=565887
1
工作简介
现代通信技术的发展对数据容量的需求与日俱增，而目前已经有商业应用的体铌酸锂、硅基和磷化铟调制器逐渐无法满足未来对超过100 TB的数据中心的需求。近年来出现的薄膜铌酸锂凭借优异的电光性质，有望成为未来 1.6 TB 以上光模块的主要支撑技术。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称为上海微系统所）通过“万能离子刀”剥离转移技术（图1）在晶圆级图形化SOI晶圆上集成了高质量的铌酸锂薄膜，并制造出具备高数据传输能力的电光调制器。相关研究成果以“Lithium Niobate Electro-Optical Modulator based on ion-cut wafer scale heterogeneous bonding on patterned SOI wafers”为题发表光学期刊Photonics Research上。论文第一作者为上海微系统所的博士生李卓芸，论文通讯作者为上海微系统所硅基材料与集成器件实验室的欧欣研究员和蔡艳研究员，论文合作者还包括李卓芸的导师、上海铭锟半导体的余明斌研究员。
图1“离子刀”异质集成技术实现大尺寸硅基铌酸锂异质集成材料与芯片
2
研究背景
硅光技术以其CMOS 兼容、高集成度等突出优点而成为备受关注的新一代片上互联主流技术。电光调制器是光通信中的核心器件，硅基电光调制器在过去二十年中取得了长足的进步。然而，由于硅的间接带隙，以及中心反演对称性的晶体结构，低损耗、高线性度和高调制速率的集成电光调制器是目前硅基光电子技术中重要且亟待解决的部分。混合集成多种材料是硅光子技术未来发展的重要途径之一。铌酸锂（LN）具备极低的光吸收损耗以及高效的线性电光效应优异，被认为是大容量信号传输的竞争材料。为打破硅基调制器的性能限制，利用硅和铌酸锂的大面积键合技术实现两种材料的异质集成，为进一步提升硅上电光调制器性能提供了一个很好的解决方案。
本论文首次通过基于“万能离子刀”技术的晶圆级键合方案，在图形化SOI晶圆上集成了高质量的铌酸锂薄膜，成功实现了可支持192 Gbit/s信号传输的硅基铌酸锂异质集成电光调制器，同时该器件展示出良好的低频电光响应平坦度。为硅光与薄膜铌酸锂的大规模异质集成研究提供了有效的的技术方案。
3
研究亮点
通过离子束剥离技术与晶圆级直接键合方案制备硅光薄膜铌酸锂晶圆的流程如图2(a)、(e)所示。首先，通过标准的180 nm工艺在8英寸SOI晶圆上实现顶层硅的图案化，包括光栅、单模波导和倒锥形结构。顶层硅厚度为220 nm，box层厚度为2 μm。氧化物包层沉积后，通过CMP工艺将硅波导顶部的氧化层厚度减薄至160 nm以及平坦化。然后将此八英寸图案化SOI晶圆切割成六英寸晶圆，与LN晶圆直接键合，并通过“万能离子刀”技术实现600 nm TFLN的剥离转移。对整个异质晶圆进行550 ℃的后退火处理与CMP工艺以实现剥离LN的晶体质量恢复与损伤层去除，剥离后LN薄膜的厚度测试结果如图2 (f)所示。六吋SOI/LN异质晶圆如图2 (g)所示。随后通过在SOI/LN异质芯片上完成200 nm的薄膜铌酸锂浅刻蚀，通过物理气相沉积完成氧化硅包层。随后在LN波导两侧进行局部刻蚀开窗口，留下厚度为300 nm的氧化膜，最后通过lift-off工艺完成铝电极图形的制备。所制备的异质调制器显微镜图如图2 (d)所示。
图2 (a) 异质SI/LN电光调制器制备流程; (b) 硅波导与LN脊波导截面FIB图; (c) 铝电极SEM图; (d) 所制备的异质SI/LN电光调制器显微镜图; (e) 基于“万能离子刀”技术的SOI与LN晶圆级键合流程; (f) LN薄膜剥离与CMP后厚度测试图; (g) 六吋SOI/LN 异质晶圆。
通过低频三角波信号电压驱动器件以测试调制效率。三角波驱动电压和调制光信号的典型正弦响应如图3 (a) 所示。黄色曲线对应的纵轴是加载到示波器上的探测器接收到的光电信号，与绿色曲线对应的纵轴是驱动电压的幅度，峰峰值为10 V，横轴是时间。可以看出，在驱动信号频率为0.01 kHz之前，调制信号不会出现明显失真。图3 (b)以箱线图的形式总结了各频率驱动电压下所计算得到的VπL值，均稳定在2.9 V·cm左右。这展示出器件具备良好的低频电光响应平坦度。研究人员认为这与SOI与LN晶圆异质集成中的后退火处理以及LN波导两侧氧化硅的局部刻蚀有关。
图3 (a) 三角波驱动电压和调制光信号的正弦响应测试图; (b) 不同频率三角波驱动信号下的VπL值。
该器件的眼图测试结果如图4 (a)所示,展示了从36 Gbit/s到96 Gbit/s的NRZ信号以及从72 Gbit/s到192 Gbit/s的PAM-4传输眼图。同时进一步测试了36 Gbit/s ~ 64 Gbit/s NRZ信号传输的B2B误码率测试，如图4 (b)所示，在较低的接收光功率下均能满足硬向前纠错阈值。
图4 (a) 器件在不同速率下的NRZ与PAM-4传输信号的眼图测试; (b) 器件在不同速率下的NRZ传输信号的误码率测试。
4
总结与展望
本工作中，研究人员通过实验证明了一种基于晶圆级SOI/TFLN异质集成的高性能调制器。采用基于“万能离子刀”的晶圆级直接键合工艺，在图形化SOI晶圆上集成了高质量的铌酸锂薄膜。所制造的器件在低至10 Hz的三角波信号驱动下表现出稳定的VπL 值，这在一定程度上表明器件具备良好的低频EO响应平坦度。在数据传输能力方面，该器件支持高达96 Gbit/s的NRZ信号传输和 192 Gbit/s的PAM-4信号传输数据速率。据该文作者所知，这项工作是基于“万能离子刀”剥离技术的异质Si/LN电光调制器的首次演示。此外，所提出的调制器结构具备进一步与硅基锗光电探测器大规模集成的潜力。
5
原文传递
文章链接：
https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-13-1-106id=565887
