文章來源：半導體全解

原文作者：圓圓De圓

本文介紹了集成電路和光子集成技術的發展歷程，并詳細介紹了鈮酸鋰光子集成技術和硅和鈮酸鋰復合薄膜技術。

集成電路發展

1947年，貝爾實驗室成功制備出了第一支晶體管，克服了電子管體積大?功耗高和結構脆弱的缺點，揭開了集成電路(Integrated circuit , IC)的序幕?

幾十年以來，其按照摩爾定律預測的那樣發展著，即半導體芯片的集成度每18個月增長一倍，而價格卻降低一半? 然而，隨著器件的加工線寬發展到納米量級和集成度的不斷提高，集成電路面臨制備工藝達到極限和發熱量持續增加的問題，亟需新的解決方案?

與電子集成將晶體管?電容器和電阻器等電子器件集成類似，光子集成(Photonic integrated circuit, PIC)是將各種光子器件集成在一起，如：電光調制器? 激光器? 光放大器? 光電探測器和光復用/解復用器等?

光子集成技術的出現

PIC的概念從20世紀60年代后期開始提出，20世紀70年代后期開始從實驗室走入實際應用? 集成光子器件主要由微米或納米量級寬度的光波導構成?

將多個光子器件集成在同一塊襯底上，充分利用電光效應? 熱光效應和磁光效應等對光進行調制，具有小型化? 低成本? 調制效率高? 功率密度高和低功耗的優點?

到目前為止，各種制備工藝的進步(如:濺射技術? 化學氣相沉積技術? 刻蝕技術和光刻技術)為光子器件精細的結構制備提供了技術支持? 光子集成技術正在快速發展，一些新的應用也會隨工藝的改進而顯現出來，促進社會的進步和發展?

硅是應用最廣泛的半導體材料，帶隙為1.12eV，屬于間接帶隙半導體? 硅的導電性會因溫度? 摻雜濃度和光輻照強度變化而顯著變化，廣泛應用于集成電路?

絕緣體上硅(Siliconon insulator ,SOI)技術，即使用一薄的絕緣層將硅薄膜和硅襯底隔離開，給電子集成器件帶來許多的好處，pn結的面積減小，因而寄生電容和結的漏電電流減小，使器件工作速度高? 功率低；容易實現理想的淺結，使得短溝效應得到改善，使得芯片面積減小；可以簡化器件工藝,提高器件良率，降低生產成本；襯底仍然為硅，為微電子或納電子芯片提供所需的優質襯底?

同時，硅基光子集成可以與電子芯片的互補金屬氧化物半導體( Compementary meta oxide-semi conductor , CMOS)制備工藝兼容，可以充分利用電子集成芯片成熟的加工工藝，實現較低的生產成本和批量生產?

SOI的結構示意圖如圖所示，從上到下依次為：Si薄膜，SiO2絕緣層和Si襯底?

圖中(b)和(c)分別為淺刻蝕和深刻蝕的Si波導的TE模式分布圖(波長1550nm)? 波長為1550nm時，Si的折射率為3.48，SiO2的折射率為1.46，Si和SiO2之間存在大的折射率差，使得Si波導對光具有很強的限制能力，波導中光模式尺寸小和彎曲損耗低，大大減小了器件的體積和提高了光子器件在SOI上的集成密度?

正是因為SOI的這些優點，使其在集成光子學中成為一個極具吸引力的材料平臺?

得益于成熟的CMOS工藝，各種無源光波導器件已經在SOI上實現?

如：定向耦合器? 分支器 ? 波導布拉格光柵 ? 陣列波導光柵? 馬赫曾德爾干涉儀和環形諧振器等，如下圖所示?

在Si 中進行摻雜，利用載流子色散效應來實現電光調制，可以在SOI上實現電光調制器? 主要有三類調制機制：載流子注入? 載流子積累和載流子耗盡，如圖所示?

其中，載流子耗盡可以獲得最高的調制速度? 但是，自由載流子色散本質上是吸收的和非線性的，這降低了光調制幅度，并且在使用先進的調制格式時可能導致信號失真?

鈮酸鋰光子集成技術

鈮酸鋰(LN)晶體具有卓越的電光? 聲光? 非線性光學? 光折變? 壓電? 鐵電? 光彈和熱釋電等效應，且機械性能穩定和具有寬的透明窗(0.3-5μm)，在集成光學中有廣泛的應用?

基于鈮酸鋰晶體上傳統的光波導制備方法制備的光波導，如：離子注入? 質子交換和鈦擴散法，具有小的折射率差，大的波導彎曲半徑導致器件尺寸大，限制了其在集成光學中的應用?

鈮酸鋰薄膜( LNOI)具有較大的折射率對比度，這可以使波導具有僅數十微米的彎曲半徑和亞微米量級的波導截面，允許高密度的光子集成和強的光限制來增強光與物質相互作用?

LNOI可以通過脈沖激光沉積、容膠凝膠法? 射頻磁控濺射和化學氣相沉積法等方法制備，但這些方法獲得的LNOI呈現出多晶結構的性質，造成光傳輸損耗明顯增加? 其次，薄膜的物理性質和指標與單晶LN也存在明顯的差距，這無疑會對光子器件的性能產生不良影響?

1998年，M.Levy 等人采用離子注入和橫向刻蝕相結合的方法制備了單晶LN薄膜。目前，隨著制備技術的不斷提高，高質量?大尺寸的LNOI 晶圓已經商業化，促進了LN集成光子學的發展，LN薄膜厚度可以為300-900nm，晶圓尺寸可達8英寸?

LNOI的制備是使用離子注入? 直接鍵合和熱退火等一系列過程，從LN體材料中物理剝離LN薄膜并將其轉移到襯底上同時，研磨和拋光的方法也可以產生高質量的LNOI? 該方法避免了離子注入過程對LN晶體晶格的損傷，對晶體質量影響較小，但對薄膜厚度均勻性控制要求嚴格?

LNOI不僅保留了LN體材料的電光? 聲光和非線性光學等物理性質，而且具有單晶結構，有利于實現低的光傳輸損耗?

下圖顯示了LNOI的結構示意圖，以及淺刻蝕和深刻蝕的LN波導的TE模式分布圖(波長1550nm)?

光波導是集成光子學的基本器件之一，光波導的制備方法有多種?

LNOI上的光波導可以采用傳統的光波導制備方法制備，如質子交換?LN化學惰性強，為避免LN的刻蝕，可以在LNOI上沉積容易刻蝕的材料來制備加載條波導,加載條材料有: TiO2?SiO2?SiNx?Ta2O5? 硫屬化合物玻璃和Si等?

利用化學機械拋光方法制備的LNOI光波導實現了傳播損耗0. 027dB/cm，但是其較淺的波導側壁使小彎曲半徑波導的實現比較困難?

利用等離子刻蝕的方法制備的LNOI波導實現了0.027dB/cm的傳輸損耗，這是一個里程碑式的進步，意味著可以實現大規模的光子集成和單光子級處理?

除了光波導，許多高性能的光子器件也在LNOI上制備了，如:微環/微盤諧振器? 端面和光柵耦合器以及光子晶體等? 此外,諸多功能光子器件也得以實現? 利用LN晶體卓越的電光和非線性光學效應，在LNOI上實現了高帶寬光電調制? 高效率的非線性轉換和電光可控光頻梳產生等多種光子功能器件?

LN還具有聲光效應，在LNOI上制備的聲光M-Z調制器，利用懸浮鈮酸鋰薄膜上的光力學相互作用，將頻率4.5GHz的微波轉換為了1500nm波長的光，實現了微波光信號的高效轉換?

在藍寶石襯底的LN薄膜上制備的聲光調制器，因為藍寶石具有高的聲速，可以避免器件的懸浮結構，同時減小了聲波能量的泄露?

在LNOI上制備的集成聲光移頻器，其移頻效率髙于氮化鋁薄膜上的聲光移頻器?激光器和放大器在稀土摻雜的LNOI上已經取得了重大進展?

然而，LNOI的稀土摻雜區域對通訊光波段有明顯的光吸收，限制了其大規模光子集成? 在LNOI上探索局部稀土摻雜將是解決這一問題的好方法? 在LNOI上沉積非晶硅可以制備光電探測器，制備的金屬半導體，金屬光電探測器在波長635-850nm的響應度為22-37mA/ W?

同時，將III-V族半導體激光器和探測器異質集成到LNOI上，也是在LNOI上實現激光器和探測器的好方案，但是制備工藝復雜，成本高，需要完善工藝降低成本，提高成功幾率? LNOI上的各種集成光子器件如下圖所示：

硅和鈮酸鋰復合薄膜技術

Si是廣泛應用的半導體材料，具有重要的電子學和微加工優勢?

SOI給電子集成器件帶來了諸多好處，廣泛應用于集成電路? 同時，SOI還具有如下優點: Si和SiO2之間具有大的折射率差，使其具有很強的限光能力和小的波導彎曲半徑;在1200nm以上波段具有低的光吸收;基于SOI的光子器件可以用CMOS工藝制備? 這使其在集成光學中也成為一種極具吸引力的材料平臺?但是， Si是中心對稱晶體,缺乏電光? 聲光和非線性光學等效應，阻礙了其在集成光學中的發展?

如果將Si薄膜和LN薄膜結合在一起，就可以實現材料性能互補和充分利用。

LNOI保留了LN體材料卓越的電光? 聲光和非線性光學等效應，同時具有大的折射率對比度，被認為是一種極具潛力的集成光學材料平臺?