晶圓級鈮酸鋰集成技術在200毫米硅基光電子平臺的應用

  引言

  數(shù)據(jù)中心對傳輸速度的需求正在持續(xù)增長，當帶寬要求超過100 GHz時，傳統(tǒng)硅基光電子平臺開始面臨性能瓶頸。硅基光電子是光電子集成芯片的主要平臺，因為可以利用成熟的半導體制造基礎設施，并且能夠將光子器件與電子線路集成在同一平臺上。但是硅材料在電光調制方面存在固有限制，特別是在新興通信標準要求的高速條件下。薄膜鈮酸鋰具有優(yōu)異的電光特性，能夠實現(xiàn)低損耗、高速的電光響應，成為解決這一問題的可行選擇。然而，由于鋰元素在CMOS制造設施中被視為污染源，傳統(tǒng)的前端集成方法難以應用。根特大學和imec的研究團隊采用微轉印技術，通過后端異質集成的方式，成功在200毫米晶圓上集成了超過200個鈮酸鋰光子結構，實現(xiàn)了半波電壓3.8 V、帶寬超過70 GHz的高速調制器[1]。

  01 混合材料調制器的設計原理

  研究團隊設計的混合鈮酸鋰/氮化硅馬赫-曾德爾調制器采用推挽配置，充分利用了不同材料的特性。在這種設計中，無源光學路由部分使用硅波導，而有源調制部分則采用鈮酸鋰/氮化硅混合結構。整個器件的設計基于一個商用硅基光電子平臺的Process Design Kit，該平臺包含硅層和氮化硅層。在完成硅基光電子晶圓的全部工藝流程后，通過微轉印技術集成薄膜鈮酸鋰板。

  為了避免鈮酸鋰系留結構可能造成的污染，研究團隊使用光刻膠系留結構來制造鈮酸鋰器件。這種打印工藝不需要對標準200毫米硅基光電子晶圓制造進行任何修改，也不需要在異質集成后對鈮酸鋰耦合器進行額外處理。光信號通過絕熱錐形過渡結構從硅路由波導進入兩個調制臂，在這些區(qū)域，氮化硅波導承擔光波導功能，鈮酸鋰板提供電光響應。在鈮酸鋰板頂部沉積的電極由10納米鈦層和1 μm金層組成，電極間隙為5 μm。

圖1：混合鈮酸鋰/氮化硅調制器及關鍵性能指標

  研究人員首先對7毫米長的非平衡馬赫-曾德爾調制器在1310納米附近進行了波長掃描測試。測量結果顯示消光比超過25 dB，插入損耗為5.0 dB。在這些損耗中，3.9 dB來自硅基光電子平臺，1.1 dB來自過渡到鈮酸鋰區(qū)域以及在鈮酸鋰中的傳播。從波長掃描曲線可以識別出正交點，位置在1309.38納米，該點的光功率比最大值低3 dB。

  在正交點，研究人員進行了準直流電光實驗，用100 kHz的電信號驅動電極。通過光電二極管記錄光功率并在示波器上顯示，可以繪制輸出電壓與輸入電壓的關系曲線。這個測量揭示了半波電壓為3.8 V。半波電壓是指使光學相位移動π弧度所需的電壓，對于實際系統(tǒng)來說，較低的驅動電壓意味著更低的功耗和更簡單的電子驅動線路。

  最后，研究人員使用矢量網(wǎng)絡分析儀進行高速測量，以確定電-光-電特性。測量結果表明帶寬超過70 GHz，這個數(shù)值實際上受限于測量設備的帶寬，說明調制器本身的帶寬可能更高。這樣的帶寬性能使調制器能夠支持每波長通道數(shù)百吉比特每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。

  02 200毫米平臺晶圓級集成的實現(xiàn)

  為了驗證工藝穩(wěn)定性，研究團隊在200毫米晶圓上沿兩個垂直軸和對角線方向選擇了多個芯片進行結構集成。使用商用微轉印設備，在200毫米商用硅晶圓上成功集成了217個預制鈮酸鋰耦合器，良率達到99%，包括截斷測試結構和調制器結構。三倍標準差的對準精度為1 μm，如果使用更好的對準標記，可以改善到500納米。只有一個器件因為打印位置預先存在的局部缺陷而未能鍵合。這是首次在商用200毫米晶圓上使用微轉印技術實現(xiàn)晶圓級鈮酸鋰集成。整個打印周期包括器件檢測、拾取、對準、打印和印章清潔，耗時1分鐘，并且可以完全自動化。

圖2：通過微轉印實現(xiàn)鈮酸鋰的晶圓級集成

  一個完全填充的芯片包含46個氮化硅/鈮酸鋰光子結構。在損耗測試區(qū)域，使用截斷結構來確定混合氮化硅/鈮酸鋰波導的傳播損耗。這些截斷結構的長度差為4.2厘米。通過比較所有打印結構中的長結構和短結構，收集了傳播損耗數(shù)據(jù)。平均傳播損耗為0.5±0.1 dB/cm，從未超過1 dB/cm。利用這個傳播損耗值，可以將單個耦合器的傳輸與七個耦合器鏈的傳輸進行比較，從而區(qū)分從硅路由到混合鈮酸鋰/氮化硅波導的過渡損耗。在所有打印位置上，觀察到的過渡損耗為0.25±0.01 dB/過渡。

  除了損耗測試結構外，每個芯片還打印了四個馬赫-曾德爾調制器組。作為示例，圖中顯示了一組中四個馬赫-曾德爾調制器的傳輸特性，可以確認所有八組調制器都表現(xiàn)出穩(wěn)定的行為。

  03 并行集成技術的探索

  在前面的工作中，大量耦合器是逐個打印的，但為了提高集成速度，研究團隊也在探索并行打印技術，目標是在一個打印周期內填充整個芯片。通過使用與目標間距匹配的專用印章和源，進行了首次演示，在一個打印周期內以4×7矩陣配置打印了28個1毫米的耦合器。從圖中可以看到，鈮酸鋰板的鍵合顯示出均勻的質量。

  這項工作展示了通過微轉印技術將鈮酸鋰集成到硅基光電子平臺的可擴展方法。研究在200毫米晶圓上實現(xiàn)了超過200個結構的集成，良率達到99%，同時器件性能包括3.8 V的半波電壓和超過70 GHz的帶寬。傳播損耗保持在0.5±0.1 dB/cm，過渡損耗為0.25±0.01 dB/過渡，顯示出良好的均勻性。并行打印技術的初步演示表明，未來可以進一步提高制造通量。這種后端集成方法避免了鋰污染問題，與現(xiàn)有硅基光電子制造工藝兼容，為高速光通信應用提供了實用的集成方案。

  參考文獻

  [1] M. Niels et al., "Wafer-scale integration of lithium niobate on a silicon photonics 200-mm platform," in IPC, 2025, paper MF3.2.