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CN119053907A - 一种混合硅光子调制器及其制造方法 - Google Patents

一种混合硅光子调制器及其制造方法 Download PDF

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CN119053907A
CN119053907A CN202280092455.3A CN202280092455A CN119053907A CN 119053907 A CN119053907 A CN 119053907A CN 202280092455 A CN202280092455 A CN 202280092455A CN 119053907 A CN119053907 A CN 119053907A
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CN
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lithium niobate
soi
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邱圣安
罗贤树
卢国强
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Advanced Microcrystalline Circle Private Ltd
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Advanced Microcrystalline Circle Private Ltd
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Abstract

本说明书总体上涉及一种混合调制器，以及将混合材料(如绝缘体上铌酸锂)集成到绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)晶圆上以实现混合硅光子集成的方法，同时保持与标准硅光子元件的兼容性。特别是，SOI和绝缘体上铌酸锂(Lithium niobate on insulators，LNOI)被键合在一起，使调制器能够通过单个过渡层与铌酸锂器件或硅器件兼容。

Description

一种混合硅光子调制器及其制造方法
技术领域
本说明书涉及一种混合调制器，以及将混合材料如绝缘体上铌酸锂(Lithiumniobate on insulators，LNOI)，集成绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)晶圆上的方法。
背景技术
硅光子学为硅集成电路和半导体激光器的形成提供了一个平台。硅光子学有助于加快数据的远距离传输，并促进类似互补金属氧化物半导体(Complementary metal-oxidesemiconductor，CMOS)的制造，从而实现集成电路的大批量、低成本生产。硅光子学的一个主要应用是高速数据通信，如数据中心的光互连。此外，硅光子学还可应用于传感和高性能计算领域。
专利号为PCT/SG2020/050253的国际PCT出版物公开了一种混合光子芯片，该芯片包括多个半导体材料，这些半导体材料被布置成提供功能的芯片，其中芯片的至少第一部分由可使用CMOS技术制造的材料形成；芯片的至少第二部分由非线性晶体材料组成，并且未经蚀刻处理；其中芯片的第二部分与第一部分一起被配置为支持传播的低损耗单模。这种现有技术侧重于混合器件的波导结构，由于硅和铌酸锂的键合，与目前的硅光子器件不兼容。此外，这些现有技术主要侧重于制作调制器的集成工艺和方法，而不是侧重于与标准硅光子元件的集成工艺。在这种调制器及其方法中，添加LNOI晶圆可能会破坏兼容性。因此，必须保持与当前硅光子元件库的兼容性，否则就需要一个全新的工艺设计套件(Process Design Kit，PDK)元件库。
在另一项现有技术中，标题为《一种异质集成的硅光子/铌酸锂行波电光调制器》，由桑迪亚国家实验室，发表在《光学快报》，Vol.28,Issue 2,pp.1868-1884(2020)，公开了一种混合集成硅光子调制器。硅光子学是一个能够实现光子元件和系统密集集成以及与电子电路集成的平台。由于载流子在硅中的迁移率，在该平台上设计的耗尽模式调制器受到基频响应限制。基于铌酸锂的调制器已显示出很高的性能，但这种材料很难加工，也不容易与其他光子元件和电子器件集成。在这篇论文中，作者同时利用硅光子学的优势和铌酸锂中的Pockels效应，将硅光子集成电路与薄膜铌酸锂样品进行异质集成。研究表明，迄今为止最兼容CMOS的铌酸锂薄膜调制器的其电光3dB带宽为30.6GHz，半波电压为6.7V×cm。这些调制器完全是在CMOS设备中制造的，只有铌酸锂薄膜样品是在制造后键合的，并且不需要对铌酸锂进行蚀刻。在现有技术中，这种方法需要额外的氮化硅层，需要从硅层到铌酸锂层经历多次过渡。因此，插入损耗高达-10dB。
在另一篇题为《高性能混合硅和铌酸锂马赫曾德尔调制器，适用于100Gbits-1及更高》的论文中，由中山大学发表于《自然光子学》(2019)。光调制器是光通信链路的核心。理想情况下，它们应具有低损耗、低驱动电压、大带宽、高线性度、占地面积小和制造成本低的特点。遗憾的是，这些标准只有在个别情况下才能实现。基于硅和铌酸锂混合集成平台，证明了马赫-曾德调制器同时满足这些标准。该器件的插入损耗为2.5dB，单驱动推挽工作时的电压长度积为2.2Vcm，线性度高，电光带宽至少为70GHz，调制速率高达112Gbits-1。这种高性能调制器是通过将基于铌酸锂这种常用的调制器材料的高对比度波导，与紧凑型低损耗硅电路无缝集成而实现的。这里展示的混合平台可将“同类最佳”的有源和无源元件结合起来，为未来高速、高能效和高成本效益的光通信网络开辟了新的途径。然而，这种方法与现有的硅光子学库不兼容，因为硝酸锂(LN)层会直接影响硅层的光模。
与LNOI的混合集成很难在与标准硅光子SOI晶圆相结合的同时，保持与标准硅光子元件的兼容性。因此，对于许多类型的LNOI-SOI混合器件，都需要一个新的器件库。
因此，有必要在SOI晶圆上提供混合集成材料(如LNOI材料)的调制器，以保持与标准SOI光子设备的兼容性。
发明内容
下面的概述是为了便于理解所公开的实施方案所独有的一些创新特征，并不打算作为完整的描述。将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体来考虑，可以充分理解本文所公开的实施例的各个方面。
在本说明书的第一方面，提供了一种混合硅光子调制器，包括：第一部分，包括第一氧化层、第一衬底层和波导，其中所述第一氧化层包括一个或多个蚀刻区域；第二部分，包括非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层和第二氧化层；以及至少两个电极，其中所述第一部分通过所述至少两个电极和/或通过所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层与所述第二部分键合，其中所述调制器与铌酸锂(LN)器件和硅(Si)器件兼容。
在一些实施例中，所述第一部分是绝缘体上硅(SOI)，与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容，所述第一氧化层是二氧化硅(SiO2)层。
在一些实施例中，所述第二部分是LNOI且与所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容，所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层是铌酸锂(LN)层，所述第二氧化层是二氧化硅(SiO2)层。
在一些实施例中，所述波导是硅(Si)波导或氮化硅(SiN)波导。
在一些实施例中，所述铌酸锂(LN)层被定位为与所述波导接触。
在一些实施例中，所述铌酸锂(LN)层位于所述波导附近和上方。
在一些实施例中，所述电极位于所述铌酸锂(LN)层下方。
在一些实施例中，所述电极位于所述铌酸锂(LN)层上方。
在一些实施例中，所述绝缘体上硅(SOI)通过所述电极和所述铌酸锂(LN)层与所述绝缘体上铌酸锂(LNOI)键合。
在一些实施例中，所述一个或多个蚀刻区域包括蚀刻到所述绝缘体上硅(SOI)的所述二氧化硅(SiO2)层中的两个间隙，其中，所述电极形成金属柱，以光刻方式定位在所述两个间隙中。
在一些实施例中，所述两个间隙被位于其间的所述波导隔开。
在一些实施例中，所述铌酸锂(LN)层与所述金属柱形成金属键，并且其中所述金属柱位于所述铌酸锂(LN)层下方。
在一些实施例中，所述金属柱被配置为行波电极操作，并且位于所述第二部分的下方、上方或水平面上的任意组合位置。
在一些实施例中，所述绝缘体上硅(SOI)通过所述铌酸锂(LN)层与所述绝缘体上铌酸锂(LNOI)键合。
在一些实施例中，所述铌酸锂(LN)层直接键合在所述波导的顶部，其中所述二氧化硅(SiO2)层位于所述铌酸锂(LN)层的顶部，所述电极位于所述二氧化硅(SiO2)层的顶部。
在一些实施例中，所述绝缘体上铌酸锂(LNOI)封闭在所述绝缘体上硅(SOI)中，仅暴露所述绝缘体上铌酸锂(LNOI)的顶面。
在一些实施例中，所述硅(Si)器件为多项目晶圆(Multi-Project Wafer，MPW)半导体。
在一些实施例中，所述第二部分包括一个或多个蚀刻区域，用于与所述第二部分键合。
在本说明书的第二个方面，提供了一种通过单个过渡层与所述调制器集成的铌酸锂(LN)或硅器件。
在本说明书的第三方面，提供了一种制造混合硅光子调制器的方法，包括以下步骤：形成包括第一氧化层、第一衬底层和波导的第一部分，其中，所述第一氧化层包括一个或多个蚀刻区域；以及形成包括非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层和第二氧化层的第二部分，其中，所述第一部分通过至少两个电极和/或通过所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层与所述第二部分键合，其中所述调制器与铌酸锂(LN)器件和硅(Si)器件兼容。
在一些实施例中，所述第一部分通过所述一个或多个蚀刻区域内的所述至少两个电极与所述第二部分键合，其中所述第一部分与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容，所述第二部分与所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容。
在一些实施例中，所述第一部分通过所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层与所述第二部分键合，其中所述至少两个电极位于所述第二氧化层的顶面。
在一些实施例中，所述第一部分是绝缘体上硅(SOI)，所述第二部分是绝缘体上铌酸锂(LNOI)，其中所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层是铌酸锂(LN)层。
在本说明书的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有混合硅光子调制器的计算机可读描述，所述计算机可读描述在芯片制造系统中处理时，可使所述芯片制造系统执行本说明书的方法。
附图说明
图1A是根据本说明书一些实施例所示的SOI的横截面图；
图1B是根据本说明书一些实施例所示的与SOI集成的LNOI的截面图；
图2A至2G是根据本说明书一些实施例所示的将LNOI与SOI集成的示例流程图；
图3A是根据本说明书另一实施例所示的SOI的截面图；
图3B根据本说明书另一实施例所示的与SOI集成的LNOI的截面图；
图4A至图4G是根据本说明书另一实施例所示的将LNOI与SOI集成的示例流程图；
图5A是根据本说明书一些实施例所示的如图6所示的混合硅光子调制器、过渡层和硅器件的截面图；
图5B是图2和图5中与过渡层和硅器件连接的混合硅光子调制器的俯视图；
图6A至图6E是根据本说明书一些实施例所示的混合硅光子调制器各部分的光模示意图；
图7是图2中具有额外键合层的混合硅光子调制器的俯视图；
图8是根据本说明书一些实施例所示的图4中的混合硅光子调制器、过渡层和硅器件的截面图；
图9是图4中混合硅光子调制器的俯视图；
图10是根据本说明书一些实施例所示的制造混合硅光子调制器的示例性流程图；
图11是根据本说明书一些实施例所示的将LNOI与SOI集成的示例性流程图；
图12是根据本说明书另一实施例所示的将LNOI与SOI集成的示例性流程图。
结合附图阅读，可以更好地理解上文的概述以及下文对说明性实施例的详细描述。为说明本说明书内容，附图中展示了本说明书内容的示例结构。然而，所披露的内容并不局限于本文所披露的具体方法和工具。此外，本领域的技术人员将理解，这些图纸并不是按比例绘制的。在可能的情况下，同类元素用相同的编号表示。
具体实施方式
以下描述中讨论的特定配置是可以变化的非限制性示例，仅用于说明至少一个实施例，而无意限制其范围。
本说明书公开了一种混合集成硅光子调制器及其制造方法。传统上，很难实现SOI与LNOI的集成，同时保持与标准硅光子元件的兼容性。将LNOI加入SOI可能会破坏兼容性，因此必须保持与现有硅光子元件库的兼容性，否则就需要全新的PDK元件库。因此，许多类型的混合LNOI-SOI调制器都需要一个新的器件库。
在这方面，本说明书一般涉及提供一种调制器，该调制器是通过将两个晶圆(主晶圆和供体晶圆)或部件键合在一起形成的，同时保持了与标准硅光子元件的兼容性。更具体地说，如本说明书所披露的，与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的主晶圆(即第一部分)，可以与非CMOS兼容的供体晶圆(即第二部分)键合，由此产生的调制器与标准硅光子元件兼容。
因此，本说明书公开的混合集成硅光子调制器提供了一种集成任何CMOS兼容晶圆和非CMOS兼容晶圆(例如，LNOI与SOI)的工艺，以确保与标准硅光子器件的兼容性。实现这种兼容性的集成过程需要考虑两个晶圆部分的电极位置和键合技术。这些主晶圆和供体晶圆可以在不改变CMOS流程的情况下组合。
本说明书公开的调制器可与铌酸锂器件或硅器件兼容。此外，本说明书公开的调制器可通过单个过渡层与铌酸锂器件或硅器件集成。由于只有一个过渡层(例如，Si→SiN)，从而降低了调制器的插入损耗。相比之下，其他混合调制器需要多个过渡层和多个额外的波导层，从而导致插入损耗较高。
在一些实施例中，铌酸锂器件或硅器件可包括标准MPW硅光子器件或任何其他硅光子或氮化硅器件。
在一些实施例中，提供了一种混合硅光子调制器，该调制器至少包括两个部分(第一部分和第二部分)和至少两个电极。
在一些实施例中，第一部分可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的主晶圆，第二部分可以是非互补金属氧化物半导体(CMOS)供体晶圆。第一部分可通过至少两个电极和/或通过供体晶圆的第二衬底层与第二部分键合，以形成与标准硅光子元件兼容的调制器。
在一些实施例中，调制器可通过一个过渡层与铌酸锂器件或硅器件兼容。
第一部分可以包括第一氧化层、第一衬底层和波导，其中第一氧化层可以包括一个或多个蚀刻区域，第一部分可与CMOS兼容。第二部分可以包括非COS材料层和第二氧化层，其中第二部分可以与非COS兼容。
在一些实施例中，第一部分可以是SOI晶圆，第一氧化层是二氧化硅(SiO2)层。
在一些实施例中，第二部分的非COS材料层可以是非线性晶体材料(有时称为c材料)，如铌酸锂。一般来说，铌酸锂与标准CMOS制造工艺不兼容。因此，在一些实施例中，第二部分可以是LNOI晶圆。除铌酸锂外，与标准CMOS制造工艺不兼容的材料包括但不限于III-IV类材料(如磷化铟或砷化镓)和非线性晶体材料(如钽酸锂或氘化钾)。
在一些实施例中，提供了一种混合硅光子调制器，包括SOI和LNOI，其中SOI通过单个过渡层粘合到LNOI以确保与铌酸锂器件或硅器件的兼容性。
SOI可以代表调制器的第一部分。SOI可包括一个或多个二氧化硅(SiO2)层、衬底层和波导。可选择包括硅(Si)层。LNOI可以代表调制器的第二部分。LNOI可包括铌酸锂层和二氧化硅(SiO2)层。可选择包括硅(Si)层。
在一些实施例中，波导可以是硅(Si)波导或氮化硅(SiN)波导。
在第一部分和第二部分(即，SOI和LNOI)，第二部分的第二衬底层可以与波导接触，或者在第二衬底层和波导之间间隔一薄层。在一些实施例中，第二衬底层可以紧邻波导并位于波导上方。
为了整合第一和第二部分，第一部分的顶层可以包括一个或多个蚀刻区域，以容纳第二部分，从而将第二部分封闭在第一部分内，仅露出第二部分的顶面。
在一些实施例中，一个或多个蚀刻区域可以包括一个蚀刻区域，其中第一部分的顶层被蚀刻直至波导。蚀刻区域的大小和形状可以适当调整，以容纳第二部分。
在一些实施例中，一个或多个蚀刻区域可包括两个垂直向下延伸至波导水平以下的间隙或空间。在一些实施例中，两个间隙可以垂直向下延伸，直到第一部分的硅层。两个蚀刻间隙可以被位于其间的波导隔开。这两个间隙的大小和形状可以适当调整，以容纳电极。
为了解释本说明书，在图1至图12中，调制器的第一部分例如是SOI，第二部分例如是LNOI。本说明书并不局限于SOI和LNOI，任何与CMOS兼容的主晶圆和非CMOS供体晶圆都可以通过键合和集成形成本说明书所披露的调制器。
在下面描述的本说明书实施例中，第一部分包括第一氧化层、第一衬底层和波导中的一个或多个蚀刻区域。图1A展示了第一部分(例如SOI)的一个实施例。调制器的第一部分(例如SOI)包括第一衬底层110、第一氧化层(例如第一二氧化硅层108)、硅层106、额外二氧化硅层104和波导102。衬底层110可以形成底层，在底层上可以形成埋入式氧化物层或第一二氧化硅层108，然后在层108上形成硅层106，接着是额外二氧化硅层104，这就形成了具有暴露表面的SOI顶层。波导102可以位于额外二氧化硅层104的中央位置，并被其包围。波导可包括一个输入端和一个通向单一过渡层的输出端。
构成SOI顶层的额外二氧化硅层104可以包括一个蚀刻区域115和两个蚀刻间隙116，这两个蚀刻间隙垂直向下延伸到中央波导的两侧。这就形成了位于波导102所在的中心位置的二氧化硅部分。
在下文所述的本说明书实施例中，第二部分具有第二衬底层和第二氧化层。图1B展示了LNOI通过两个电极114与图1A的SOI集成并键合的实施例。调制器的第二部分(例如LNOI)包括铌酸锂层122、第二氧化层(例如二氧化硅(SiO2)层118)和第二衬底层(例如，构成LNOI的顶层和表面的硅层112)。两个电极114可以连接到铌酸锂层122的底面并相邻于其相对的两侧。二氧化硅(SiO2)层118可以形成在铌酸锂层122的上方。在一些实施例中，铌酸锂层122可以与电极114形成金属键，电极114相对于LNOI放置在SOI中时的方向，位于铌酸锂层下方。图1A的第一部分通过至少两个电极114与图1B的第二部分键合。
在LNOI和SOI的集成过程中，两个电极114中的每一个都可以定位并置于SOI中的一个互补蚀刻间隙116中。因此，这两个电极位于铌酸锂层的下方。两个电极114可以通过光刻技术定位在两个间隙中。在一些实施例中，两个电极114可以配置为行波电极。在本说明书的另一个实施例中，金属柱被配置为行波电极，并以任何组合方式位于第二部分的下方、上方或水平位置。
因此，在一些实施例中，SOI可以通过两个电极键合到LNOI上。它们通过金属键合或共晶键合进行键合，其中SOI和LNOI先用键合金属(如钛、铂)进行图案化，然后再用共晶材料或其他金属(如铜、铝)进行图案化。金属键合或共晶键合用于键合这两个晶圆。
在一些实施例中，两个电极114可以是金属柱的形式。这种金属材料可以是商业CMOS代工厂制造的任何金属，如铝、铜、金等，或这些金属的任何合金。
图2A至2G是根据本说明书一些实施例所示的将LNOI与SOI集成的示例性流程图。参见图2A，调制器的第一部分例如是SOI晶圆。SOI晶圆上有一个衬底110、二氧化硅层108和硅层106。如图2B所示，首先生长二氧化硅层104，然后生长SiN层102并将其图案化以形成波导。然后，如图2C所示，再生长和平面化二氧化硅(SiO2)103。参见图2D，定义了一个蚀刻区域115，以提供用于LNOI键合的区域。蚀刻区域115包括波导102两侧的两个蚀刻间隙，用于容纳两个电极，如图2E所示。如图2F所示，LNOI可以包括两个额外的金属部件，用于与两个互补电极键合，从而将LNOI芯片键合到SOI晶圆上。最后，如图2F所示，LNOI顶部多余的衬底可以去除，也可以不去除。
图3A展示了第一部分的另一个实施例，例如SOI。调制器的SOI或第一部分可包括第一衬底层210、第一氧化层(例如二氧化硅层208)、第一衬底层(例如硅部分206)和波导202。衬底层可以形成一个底层，在其上可以形成二氧化硅层208，可与层208形成并层208包围的硅部分206。二氧化硅层208可以形成具有暴露表面的SOI顶层。波导202可以位于二氧化硅层208的中心位置，并被其包围。波导可包括一个输入端和一个通向单一过渡层的输出端。应该注意的是，硅部分206(不是调制器的一部分)与标准硅光子MPW工艺兼容，可用于与晶圆/芯片不同部分上的SiP电路耦合。
构成SOI顶层的二氧化硅层208可以包括直至波导202的蚀刻区域215。
图3B展示了与图3A中的SOI集成和键合的LNOI的另一个实施例。LNOI或调制器的第二部分可以包括非COS材料层，例如铌酸锂层222，第二氧化层如二氧化硅(SiO2)层218。在本实施例中，两个电极214可以耦合到层218的顶面，并彼此分开设置在相邻于层218的顶面的相对侧。因此，两个电极相对于LNOI与SOI键合时的方向，位于铌酸锂层的上方。在本实施例中，电极不与铌酸锂层222接触。其中，二氧化硅(SiO2)层218形成于铌酸锂层222和两个电极214之间。
在一些实施例中，SOI可以通过铌酸锂层222粘接到LNOI上。在一些实施例中，铌酸锂层222可以直接键合或熔融键合到蚀刻区域215内的SOI上。这种直接键合或熔融键合可以通过沉积氧化铝等氧化物薄层来加强。
因此，本文公开的混合硅光子调制器可以包括在二氧化硅(SiO2)层中具有一个或多个蚀刻区域的SOI，其中SOI包括衬底层和波导；LNOI，包括铌酸锂层和二氧化硅(SiO2)层以及至少两个电极，其中SOI通过至少两个电极和/或通过铌酸锂层与LNOI键合。
需要注意的是，调制器的两个部分，即第一部分和第二部分，可以分别称为主晶圆和供体晶圆。
更有利的是，本文公开的调制器可同时兼容铌酸锂器件和硅器件。在一些实施例中，硅器件可以是多项目晶圆(Multi-Project Wafer,MPW)半导体，或任何其他硅光子晶圆，或氮化硅晶圆。
在一些实施例中，铌酸锂器件或硅器件可通过单个过渡层与本文公开的调制器集成或耦合。
图4A至图4G是根据本说明书一些实施例所示的将LNOI与SOI集成的示例流程图。参见图4A，调制器的第一部分是SOI。SOI晶圆有一个衬底210、二氧化硅层208和硅层206。如图4B所示，首先生长SiO2402，然后生长SiN层202并将其图案化以形成波导。然后，如图4C所示，再生长出二氧化硅(SiO2)404，然后进行平面化处理。参见图4D，定义了一个蚀刻区域215，以提供用于LNOI键合的区域。然后，如图4E所示，LNOI在蚀刻区域内与SOI键合。然后，如图4F所示，去除LNOI的衬底层。最后，如图4G所示，可以去除或不去除部分二氧化硅(SiO2)，然后将两个电极键合到LNOI的顶面。
在一些实施例中，提供了一种制造本文公开的调制器的方法，包括以下步骤：在SOI的二氧化硅(SiO2)层中形成一个或多个蚀刻区域；形成由铌酸锂层和二氧化硅(SiO2)层组成的LNOI，通过至少两个电极和/或铌酸锂层将LNOI和SOI键合在一起。
图10是根据本说明书一些实施例所示的制造混合硅光子调制器的工艺300的示例性流程图。如步骤302，在SOI的二氧化硅(SiO2)层中形成一个或多个蚀刻区域。然后，如步骤304，形成由铌酸锂层和二氧化硅(SiO2)层组成的LNOI。随后，在步骤306，通过至少两个电极和/或铌酸锂层将LNOI和SOI键合在一起。
在步骤306中，LNOI与SOI的键合可包括其他步骤。
在一些实施例中，金属柱以光刻方式置于SOI的蚀刻区域中，铌酸锂层则置于SOI的金属柱和波导之上。金属柱是铌酸锂层的金属键。
图11是根据本说明书一些实施例所示的将LNOI与SOI集成的工艺400的示例性流程图。参见步骤402，形成调制器的第一部分，例如SOI晶圆。SOI晶圆上有衬底、二氧化硅层和硅层。在步骤404，首先生长二氧化硅层，然后生长氮化硅层并进行图案化。然后，如步骤406，生长一些额外二氧化硅，然后进行平面化。参见步骤408，定义了一个蚀刻区域，以提供用于LNOI键合的区域。然后，如步骤410，定义了蚀刻间隙，以为两个电极中的每个电极提供一个区域。还可以定义更多区域，以提高总键合强度。然后，如步骤412，将LNOI与SOI键合，LNOI晶圆上可以包括或不包括额外金属。最后，如步骤414，可以去除或不去除LNOI顶部多余的衬底。
图12是根据本说明书另一实施例所示的将LNOI与SOI集成的工艺450的示例性流程图。
如步骤452，调制器的第一部分例如是SOI。如步骤454所示，首先生长SiO2，然后生长SiN并进行图案化。然后，如步骤456所示，生长一些额外二氧化硅，并进行平面化。如步骤458，定义了一个蚀刻区域，以提供用于LNOI键合的区域。然后，如步骤460，在蚀刻区域内将LNOI芯片与SOI键合。然后在步骤462中去除LNOI中多余的衬底。
最后，如步骤464所述，可以去除或不去除部分二氧化硅，然后将两个电极键合到LNOI的顶面。在这方面，铌酸锂层可以直接键合到蚀刻区域内的SOI上，并与SOI的波导相邻。电极位于LNOI的顶面。
对于将本文公开的调制器与铌酸锂器件或硅器件集成，该方法可分别包括形成过渡层和至少一个硅器件的额外步骤。
本文所述方法的各个步骤可以按照任何合适的顺序进行，也可以酌情同时进行。此外，在不脱离本文所述主题的精神和范围的情况下，可以从任何方法中删除个别模块。上述任何一个例子的各个方面都可以与上述任何其他例子的各个方面结合起来，形成更多的例子，而不会失去所追求的效果。
图5A和5B展示了如图2所示的调制器120通过晶圆中的过渡层130连接到硅器件140。过渡层130使本说明书能够与其他标准硅光子器件兼容。
过渡层130可以在调制器120和硅器件140之间形成，并且还可以包括硅层132和单硝酸硅层134。
硅器件140可以包括至少一个硅层142和至少一个金属连接器144。在一些实施例中，硅器件140可以作为多项目晶圆(Multi-Project Wafer,MPW)半导体。因此，本文公开的调制器可以与标准的“多用途晶圆”(Multi-purpose Wafer，MPW)流程兼容，从而与标准的硅器件库兼容。
图6A至6E是根据本说明书一些实施例所示的混合硅光子调制器各部分的光模示意图。图6A展示了顶部波导/LN部分内部的光模。
如图6B所示，顶部波导部分内的光模绝热锥形变小，同时底部波导(硅或SiN)绝热锥形变大。
参见图6C，光模在顶部和底部波导中都得到支持，并缓慢地传递到底部波导。图6D展示了全部位于底部波导中的光模。最后，图6E展示了与硅光子兼容的底部波导。
图7展示了图2中调制器的俯视图，该调制器定义了一个LN区域，该区域通过过渡部分与包含硅元件或器件146的硅区域集成在一起。从这个角度可以看到调制器的波导102、金属柱114和铌酸锂层122。在一些实施例中，调制器可以包括额外键合层150。这种元件配置可与标准SOI光子工艺兼容。额外的键合剂150增加了调制器的总键合强度。
图8展示了如图4所示的通过晶圆中的过渡层230与硅器件240连接的调制器220。
过渡层230可以在调制器220和硅器件240之间形成，可以包括硅层232和单硝酸硅层234。在一些实施例中，可以将过渡层包含在调制器中，从而使调制器波导到过渡层的输出在调制器内部开始。
硅器件240可以包括至少一个硅层和至少一个金属连接器。在一些实施例中，硅器件240可以作为多项目晶圆(Multi-Project Wafer,MPW)的半导体。因此，本文公开的调制器可以与标准的“多用途晶圆”(Multi-Purpose Wafer,MPW)流程兼容，从而与标准的硅器件库兼容。
图9展示了图4中调制器的俯视图，该调制器定义了一个LN区域，该区域通过过渡部分与包含硅元件或器件246的硅区域集成在一起。从这个角度可以看到调制器的波导202、电极214和铌酸锂层2222。这种元件配置可与标准SOI光子工艺兼容。
由于混合调制器由铌酸锂器件和硅器件组成，因此调制器可同时兼容铌酸锂器件和硅器件。需要注意的是，在本说明书中，金属电极有两个主要位置(底部金属/顶部金属)和两种主要类型的波导(Si-LN/SiN-LN)，它们可以以任何顺序组合而不受限制。
本说明书提供了一种混合集成的调制器，特别是确保与标准硅光子器件的兼容性。本说明书披露的内容包括独特的电极放置、键合和工艺集成。由于本文公开的调制器和制造方法可以与标准硅光子工艺兼容，因此可以同时利用硅光子和LNOI型器件，并将两种平台的优势结合起来。特别是，可以使用LNOI部分进行光调制，从而提供更高的电光带宽。不过，光可以通过SOI部分耦合进来，其中高性能耦合结构(如边缘耦合器和光栅耦合器)已得到验证。其次，可以利用铌酸锂的非线性效应，如二次谐波产生和自发参量向下转换，来创建一套用硅无法实现的量子器件。因此，硅和铌酸锂的优点都可以结合到一个光子芯片中。本说明书不必局限于硅和铌酸锂，任何特定的CMOS兼容晶圆和非CMOS兼容晶圆都可以这样组合。
利用本说明书，可将混合材料(如绝缘体上铌酸锂集成到SOI晶圆上)，从而实现混合硅光子集成。此外，本说明书与CMOS兼容，并与标准SOI光子设备保持兼容。
除上述内容外，还提供了一种用于形成本文公开的混合硅光子调制器的工艺设计套件，该套件在制造系统中加工时，可使制造系统产生任何实施例中的调制器。
在一个实施例中，提供了一种用于形成本文所披露的混合硅光子调制器的工艺设计套件，包括：用于形成SOI晶圆的参数，该晶圆在二氧化硅(SiO2)层中具有一个或多个蚀刻区域，其中晶圆包括衬底层和波导；形成LNOI的参数，该绝缘体上铌酸锂包括铌酸锂层和二氧化硅(SiO2)层；通过至少两个电极和/或通过铌酸锂层将LNOI键合到SOI的参数。
可提供一种如本文所述的工艺设计套件的制造方法。此外，还可以提供工艺设计套件数据集，当在制造系统中进行处理时，该数据集会产生本文所述的PIC和/或不对称排列的制造方法。
此外，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有调制器的计算机可读描述，当在制造系统中进行处理时，可使制造系统通过执行本文公开的方法来制造任意实施例中的调制器。
本文给出的任何范围或装置值都可以扩展或改变，而不会失去所寻求的效果，这一点对于技术人员来说是显而易见的。可以理解，上述益处和优点可涉及一个实施例或多个实施例。本实施例并不局限于那些解决了任何或所有所述问题的实施例，也不局限于那些具有任何或所有所述益处和优点的实施例。
任何对“一”项的引用都是指这些项中的一个或多个。本文中使用的术语“包括”用于表示包括所标识的方法模块或元素，但这些模块或元素并不包括排他性列表，方法或装置可以包含额外的模块或元素。
本文中使用的计算机程序代码和计算机可读指令是指用于处理器的任何类型的可执行代码，包括用机器语言、解释语言或脚本语言表示的代码。可执行代码包括二进制代码、机器代码、字节码、定义集成电路的代码(如硬件描述语言或网表)，以及用编程语言代码(如C、Java或OpenCL)表示的代码。可执行代码可以是，例如，任何类型的软件、固件、脚本、模块或库，当在虚拟机或其他软件环境中适当执行、处理、解释、编译、执行时，可执行代码所支持的计算机系统的处理器就会执行代码所指定的任务。
它还包括定义本文所述硬件配置的软件，如用于设计集成电路或配置可编程芯片以执行所需功能的HDL(硬件描述语言)软件。也就是说，可以提供一种计算机可读存储介质，其上以集成电路定义数据集的形式编码了计算机可读程序代码，当在工艺设计套件中处理该数据集时，该数据集配置该系统以制造本说明书中的部分或全部器件。
应当理解，上述公开的和其他特征和功能的变型，或其替代，可以理想地组合到许多其他不同的系统或应用中。此外，本领域技术人员随后可以对其进行各种目前不可预见或意外的替代、修改、变化或改进进，这些替代、修改、改变或改进也旨在被以下权利要求所涵盖。
尽管目前公开的实施例已被相当详细地全面描述以涵盖其可能的方面，但是本领域技术人员将认识到本说明书的其他版本也是可能的。

Claims (25)

1.一种混合硅光子调制器，包括：
第一部分，包括第一氧化层、第一衬底层和波导，其中，所述第一氧化层包括一个或多个蚀刻区域；
第二部分，包括非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层和第二氧化层；以及
至少两个电极，
其中，所述第一部分通过所述至少两个电极和/或通过所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层与所述第二部分键合，其中，所述调制器与铌酸锂(LN)器件和硅(Si)器件兼容。
2.根据权利要求1所述的调制器，其中，所述第一部分是所述绝缘体上硅(SOI)且与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容，所述第一氧化层是所述二氧化硅(SiO2)层。
3.根据权利要求2所述的调制器，其中，所述第二部分是绝缘体上铌酸锂(LNOI)且与所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容，所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层是铌酸锂(LN)层，所述第二氧化层是二氧化硅(SiO2)层。
4.根据权利要求3所述的调制器，其中，所述波导是硅(Si)波导或氮化硅(SiN)波导。
5.根据权利要求4所述的调制器，其中，所述铌酸锂(LN)层被定位为与所述波导接触。
6.根据权利要求5所述的调制器，其中，所述铌酸锂(LN)层位于所述波导附近和上方。
7.根据权利要求4所述的调制器，其中，所述电极位于所述铌酸锂(LN)层下方。
8.根据权利要求4所述的调制器，其中，所述电极位于所述铌酸锂(LN)层上方。
9.根据权利要求4所述的调制器，其中，所述绝缘体上硅(SOI)通过所述电极和铌酸锂(LN)层与所述绝缘体上铌酸锂(LNOI)键合。
10.根据权利要求9所述的调制器，其中，所述一个或多个蚀刻区域包括蚀刻到所述绝缘体上硅(SOI)的所述二氧化硅(SiO2)层中的两个间隙，其中，所述电极形成金属柱，以光刻方式定位在所述两个间隙中。
11.根据权利要求10所述的调制器，其中，所述两个间隙被位于其间的所述波导隔开。
12.根据权利要求10所述的调制器，其中，所述铌酸锂(LN)层与所述金属柱形成金属键，并且其中所述金属柱位于所述铌酸锂(LN)层下方。
13.根据权利要求10所述的调制器，其中，所述金属柱被配置成作为行波电极操作，并且位于所述第二部分的下方、上方或水平面上的任意组合位置。
14.根据权利要求4所述的调制器，其中，所述绝缘体上硅(SOI)通过所述铌酸锂(LN)层与所述绝缘体上铌酸锂(LNOI)键合。
15.根据权利要求14所述的调制器，其中，所述铌酸锂(LN)层直接键合在所述波导的顶部，其中，所述二氧化硅(SiO2)层位于所述铌酸锂(LN)层的顶部，所述电极位于所述二氧化硅(SiO2)层的顶部。
16.根据权利要求4所述的调制器，其中，所述绝缘体上铌酸锂(LNOI)封闭在所述绝缘体上硅(SOI)中，仅暴露所述绝缘体上铌酸锂(LNOI)的顶面。
17.根据权利要求4所述的调制器，其中，所述调制器与所述铌酸锂(LN)器件和所述硅(Si)器件兼容。
18.根据权利要求17所述的调制器，其中，所述硅(Si)器件为多项目晶圆(Multi-project wafer，MPW)半导体。
19.根据权利要求17所述的调制器，其中，所述第二部分包括一个或多个用于与所述第二部分键合的蚀刻区域。
20.一种铌酸锂(LN)或硅(Si)器件，通过单个过渡层与权利要求1所述的调制器集成。
21.一种混合硅光子学调制器的制造方法，包括：
形成包括第一氧化层、第一衬底层和波导的第一部分，其中，所述第一氧化层包括一个或多个蚀刻区域；以及
形成包括非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层和第二氧化物层的第二部分，其中，所述第一部分通过至少两个电极和/或通过所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层与所述第二部分键合，其中所述调制器与铌酸锂(LN)器件和硅(Si)器件兼容。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一部分通过所述一个或多个蚀刻区域内的所述至少两个电极与所述第二部分键合，其中，所述第一部分与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容，所述第二部分与所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一部分通过所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层与所述第二部分键合，其中所述至少两个电极位于所述第二氧化层的顶面。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一部分是绝缘体上硅(SOI)，所述第二部分是绝缘体上铌酸锂(LNOI)，其中所述非互补金属氧化物半导体(CMOS)材料层是铌酸锂(LN)层。
25.一种计算机可读存储介质，其上存储有混合硅光子调制器的计算机可读描述，所述计算机可读描述在芯片制造系统中处理时，可使所述芯片制造系统执行如权利要求21或24的方法。
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