孔 輝,沈 浩,張忠偉,錢 煜,濮思麒,徐秋峰,*,王勤峰,*

(1.天通凱巨科技有限公司,江蘇 徐州 221000;2 天通控股股份有限公司,浙江 嘉興 314000)

0 引言

鈮酸鋰(LiNbO3,LN)晶體是一種優(yōu)良的多功能晶體材料,具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能[1]。鈮酸鋰具有較高的光學(xué)非線性系數(shù)、較寬的透明范圍、良好的光學(xué)均質(zhì)性和穩(wěn)定性[2-3],被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)和電子領(lǐng)域[4],是制備聲表面波(SAW)濾波器、光波導(dǎo)及調(diào)制器的重要功能材料[5-7]。

目前對鈮酸鋰在集成光電子器件的應(yīng)用研究較多,已在鈮酸鋰塊體材料上實現(xiàn)了光子學(xué)器件的商業(yè)化生產(chǎn)[8-9]。但在塊體材料上制備的光子學(xué)器件尺寸較大, 提高器件集成度較難[10]。隨著光電子領(lǐng)域向多功能、多類型化方向發(fā)展,需要將具有不同特征尺寸和材料的多個不同組件或裸片制造、組裝和封裝到器件上,以提高新一代器件的性能[11]。通過晶圓鍵合技術(shù)能實現(xiàn)不同材料的異質(zhì)集成,可顯著提高器件的功能[12]。鈮酸鋰作為優(yōu)異的光電材料,成為熱門的研究對象,如將鈮酸鋰與硅片或藍(lán)寶石鍵合,可提高器件的傳輸頻率,降低損耗。在具有高折射率對比度的平臺上,異質(zhì)集成塊狀鈮酸鋰可實現(xiàn)更短的彎曲半徑和更高的集成密度[13]。晶圓鍵合技術(shù)是將兩片表面清潔、原子級平整的同質(zhì)或異質(zhì)半導(dǎo)體材料經(jīng)表面清洗和活化處理,在一定條件下結(jié)合,通過范德華力、分子力,甚至原子力使晶片鍵合成為一體的技術(shù)[14-15]。目前晶圓鍵合技術(shù)在光電子器件領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,國內(nèi)外許多公司已運用晶圓鍵合技術(shù)展開了大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),如法國的 Soitec 公司、日本三菱公司、美國的IBM、TI等[16-17]。

鍵合技術(shù)分為間接鍵合技術(shù)和直接鍵合技術(shù)[18],不同鍵合技術(shù)根據(jù)其不同工藝條件和工藝原理應(yīng)用于特定的領(lǐng)域。本文介紹了有關(guān)鈮酸鋰鍵合技術(shù)研究進(jìn)展及鈮酸鋰鍵合技術(shù)在光電子器件的應(yīng)用,并對鈮酸鋰鍵合技術(shù)未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 鈮酸鋰鍵合技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 間接鍵合技術(shù)

間接鍵合技術(shù)是將兩個或多個晶圓通過中介層進(jìn)行可靠連接的技術(shù),在兩個晶圓之間引入中介層實現(xiàn)鍵合,中介層通常是一層薄膜,可以是金屬、聚合物、氧化物等材料。鍵合過程中,中介層的表面被激活,使其與晶圓表面形成強(qiáng)的鍵合[19]。

間接鍵合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料之間的鍵合,克服了直接鍵合中材料選擇的限制,可以在不同材料之間實現(xiàn)高質(zhì)量的鍵合連接[20]。間接鍵合通過中介層可以實現(xiàn)不同尺寸、形狀的元件間鍵合,使得間接鍵合技術(shù)適用于各種器件和應(yīng)用領(lǐng)域?；诒讲h(huán)丁烯(BCB)的粘合劑鍵合是目前鈮酸鋰間接鍵合常用的方法。但由于間接鍵合技術(shù)需要額外的中介層材料和加工步驟,加工流程復(fù)雜,制造成本較高。王鑫微[21]研究了基于BCB的硅和鈮酸鋰鍵合最佳工藝,鍵合實驗步驟示意圖如圖1所示。測得鍵合溫度250 ℃,保溫2 h,施加壓力0.05 MPa時,鍵合效果較好,鍵合率達(dá)到97.73%,剪切強(qiáng)度達(dá)到2.09 MPa,鍵合界面良好,這為加工與制造異質(zhì)集成的光電子器件提供了良好效果的工藝基礎(chǔ)技術(shù)。李云飛[22]通過退火溫度試驗,基于BCB完成了Si和LN的鍵合,通過降低退火固化最高溫度到200 ℃以及延長保溫時間至100 min,解決了鍵合中熱失配導(dǎo)致的LN碎裂問題,測試了旋涂速度、稀釋劑含量對鍵合層厚度及鍵合強(qiáng)度的影響,測得在旋涂轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,Mesitylene(均三甲苯)與BCB的質(zhì)量比為5∶1時,BCB層厚度僅約為150 nm,但鍵合強(qiáng)度隨著BCB層厚度的降低而減小,經(jīng)測試,鍵合強(qiáng)度為3 MPa。利用該技術(shù)研制了LN薄膜微環(huán)諧振器,其制備流程如圖2所示[22]。該諧振器的消光比為6.981 dB,傳輸損耗為0.415 dB/cm。李杰[23]通過BCB膠實現(xiàn)了鈮酸鋰晶片在硅襯底上異質(zhì)鍵合,測得當(dāng)甩膠轉(zhuǎn)速為 3 000 r/min,預(yù)烘溫度為90 ℃,預(yù)烘時間為80 s時,預(yù)鍵合質(zhì)量最佳。預(yù)烘溫度過高或預(yù)烘時間過長會導(dǎo)致預(yù)鍵合無法完成,預(yù)烘溫度過低或預(yù)烘時間過短會導(dǎo)致預(yù)鍵合層BCB膠溢出,鍵合壓力大于1 MPa時會導(dǎo)致鈮酸鋰晶片碎裂,低于0.4 MPa時會出現(xiàn)鍵合層不完整,固化溫度超過300 ℃或升溫速率高于2.5 ℃/min會出現(xiàn)裂紋。

圖1 基于BCB的硅-鈮酸鋰異質(zhì)鍵合實驗步驟示意圖

圖2 微環(huán)諧振器的制備流程

間接鍵合的中介層厚度對于間接鍵合的質(zhì)量和性能有一定影響,如果中介層過厚,可能會引起應(yīng)力集中、散熱問題或電性能損失等問題,而過薄的中介層可能會導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度較低。He Mingbo等[24]通過BCB鍵合技術(shù)制備了大于100 Gbit/s的馬赫-曾德爾調(diào)制器,該調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示?；旌喜▽?dǎo)的橫截面示意圖如圖4所示[24]。BCB中間層厚度僅300 nm,調(diào)制帶寬大于70 GHz,插入損耗為2.5 dB,調(diào)制速率高達(dá)112 Gbit/s,功耗低至170 fJ/bit,為未來高速、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的光通信網(wǎng)絡(luò)開辟了新的途徑。Xu Mengyue等[25]通過BCB鍵合技術(shù)實現(xiàn)了LN波導(dǎo)和Si波導(dǎo)的結(jié)合,BCB層厚度為 300 nm,而Si波導(dǎo)和LN波導(dǎo)之間的BCB層厚度為80 nm,使光可以從 Si 波導(dǎo)中耦合到LN脊波導(dǎo),測試結(jié)果表明,耦合效率大于90%。Roelkens等[26]通過稀釋BCB來降低BCB薄膜的厚度,得到的BCB鍵合層厚度為 200 nm。

圖3 整個電路的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 混合波導(dǎo)的橫截面示意圖

研究發(fā)現(xiàn),使用BCB膠鍵合制備的異質(zhì)集成器件的可靠性難以保證。Zhen Song等[27]研究發(fā)現(xiàn),使用BCB膠鍵合會伴隨空洞的形成,主要有中心空洞、花空洞、微空洞和絮狀空洞,使用未固化和部分固化的BCB粘合劑可減少空洞面積。為進(jìn)一步減少鍵合空洞現(xiàn)象,專家使用新的鍵合中間層或采用離子注入的方法。Takigawa等[28-30]采用銀和金作為中間層實現(xiàn)了LiNbO3和Si之間的鍵合,但因金屬對光固有的強(qiáng)吸收作用,使得以金屬作為中間層的鍵合方法無法用于波導(dǎo)器件的制備。Yao Shuai等[31]在鈮酸鋰中注入離子,然后使用BCB對鈮酸鋰和硅進(jìn)行鍵合,在硅襯底上制備出鈮酸鋰薄膜,但經(jīng)光學(xué)顯微鏡測試發(fā)現(xiàn),鈮酸鋰薄膜存在平行的微小裂紋。Asmatulu等[32]采用等離子體對鍵合界面進(jìn)行處理,以提高BCB厚度為300 nm的Si和InP的鍵合強(qiáng)度。測試表明,經(jīng)等離子體表面活化處理后樣品清潔度高,同時增加了鍵合樣品表面潤濕性和粘性。歐欣[33]發(fā)明了一種適用于鈮酸鋰的臨時鍵合和解鍵合方法,使用熱釋電材料SiO2或氮化硅為介質(zhì)層,介質(zhì)層厚度為0.1～10 μm,表面粗造度小于1 nm,無需增加均勻性和平整度較差的臨時鍵合過渡層或涂敷絕緣膠層,能夠耐受300 ℃以上的高溫,保證了后續(xù)器件加工的一致性。

1.2 直接鍵合技術(shù)

直接鍵合是將兩種材料進(jìn)行處理后,無需任何粘結(jié)劑和外加電場將材料鍵合在一起。晶圓直接鍵合技術(shù)不需要中介層,減少了復(fù)雜的制備步驟和材料選擇的限制,可以減少電阻、電導(dǎo)等因素的影響,提高了器件的性能,能夠?qū)崿F(xiàn)多個晶圓的堆疊,從而實現(xiàn)更高的集成度和性能[34]。目前鈮酸鋰鍵合使用較多的直接鍵合法包括等離子活化鍵合、濕法活化鍵合和紫外光活化鍵合等。

Tadatomo Suga提出的等離子活化鍵合,一般是利用高速原子或活性等離子沖擊晶圓,去除晶圓表面有機(jī)物,提高晶圓表面活性,對晶圓表面的影響較小,保證了較高的界面強(qiáng)度。Takagi等[35]完成了鈮酸鋰、鉭酸鋰、藍(lán)寶石和釓鎵石榴石與硅的等離子活化鍵合,經(jīng)測試均有較好的鍵合強(qiáng)度,同時已能實現(xiàn)室溫下氧化物晶片之間的鍵合,但鍵合強(qiáng)度取決于氧化物材料。

等離子活化鍵合在加工時通常需進(jìn)行退火加工,退火過程中界面的部分水分子滲進(jìn)晶圓,晶圓與水反應(yīng)形成H2,氫氣聚集在鍵合界面形成孔洞。由于鈮酸鋰晶片莫氏硬度較低,同時本身具有熱釋電效應(yīng),在鍵合中如果溫度過高則會發(fā)生翹曲。當(dāng)鈮酸鋰與不同材料進(jìn)行鍵合時,由于熱膨脹系數(shù)、楊氏模量不同,若退火工藝不完善,在退火過程中易產(chǎn)生熱應(yīng)力[36]。通常情況下,預(yù)鍵合好的晶片在進(jìn)行退火工藝時,熱應(yīng)力的大小與退火溫度的變化成正比,退火溫度越高,熱應(yīng)力越大。但過大的熱應(yīng)力會導(dǎo)致晶片產(chǎn)生翹曲、解鍵合、滑移及碎裂,甚至產(chǎn)生熱損傷和界面空洞等問題,嚴(yán)重影響光電子器件的性能,近年來業(yè)內(nèi)學(xué)者對優(yōu)化退火工藝及常溫鍵合展開了大量研究。劉洪剛[37]發(fā)明了一種低溫晶圓鍵合方法,清洗后兩個晶圓表面沉積一層氧化鋁、氧化鉿或氧化鑭。采用O2、N2、SF6等離子體對兩個晶圓中的一個進(jìn)行表面活化處理。在真空環(huán)境下,將表面活化處理后的兩個晶圓彼此接觸并施加外力,使其鍵合,然后對鍵合后的晶圓進(jìn)行低溫(100～400 ℃)退火處理,最終有效鍵合面積達(dá)到98%。Takigawa等[38]對等離子活化鍵合進(jìn)行優(yōu)化,實現(xiàn)了 LN/SiO2/Si 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造,其原理示意圖如圖5所示[38]。改進(jìn)的表面活化工藝可以同時在LN和SiO2晶片表面上沉積超薄鐵層,使用 Ar 離子束在室溫下對鍵合表面進(jìn)行轟擊,室溫下,使LN和SiO2的表面與所施加的載荷相接觸,離子束轟擊時間為4 min,外加載荷約為22 MPa,鍵合強(qiáng)度為1.8 J/m2。

圖5 等離子活化鍵合原理示意圖

濕法活化鍵合工藝需要將晶圓放入不同化學(xué)溶液中清洗,使晶圓表面呈現(xiàn)活性狀態(tài),晶圓表面懸浮鍵數(shù)量和表面活化能均大幅增加,晶圓接觸界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成共價鍵。濕法活化鍵合一般分為親水法處理和疏水法處理,親水鍵合一般是親水性的晶片吸收水分子,且彼此間形成鍵橋,晶片通過鍵橋連接。疏水鍵合一般依靠分子間范德華力將晶片鍵合在一起。親水法和疏水法形成化學(xué)鍵的多少決定了鍵合的質(zhì)量[39]。一般情況下,僅使用濕法活化工藝獲得的鍵合晶圓鍵合強(qiáng)度較低,需增加高溫退火使較弱的化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化為較強(qiáng)的化學(xué)鍵,或配合其他鍵合方法來提高鍵合效果,耿文平[40]發(fā)明了一種能在常溫下實現(xiàn)不同晶圓材料實現(xiàn)良好鍵合的晶圓鍵合方法,對晶片進(jìn)行Ar/O2束等離子活化處理,然后分別放入硫酸溶液及氨水和雙氧水混合液中清洗,進(jìn)一步提高晶圓表面活化程度,在壓力為1 000～12 000 N,真空度為9.8×103～1.1×108Pa的條件下,保持0.5～20 h,完成常溫下鈮酸鋰與其他鐵電單晶體的鍵合。

紫外光活化鍵合法采用紫外光照射晶圓表面,晶圓表面污染物受紫外光照射后會發(fā)生斷鍵,斷鍵后的不飽和活性基團(tuán)間重新組合后生成氣體,氣體揮發(fā)達(dá)到清洗晶圓的效果,同時表面活性基團(tuán)增多完成鍵合。許繼開等[41-42]基于CMOS工藝兼容的真空紫外光活化法和等離子體活化法對鈮酸鋰和玻璃的鍵合進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)真空紫外光和等離子體活化能大幅提升待鍵合晶片表面的親水性,兩種鍵合方法均能完成鈮酸鋰和玻璃的直接鍵合。經(jīng)測試,活化時間15 min時晶片粗糙度最小,不同活化時間下的粗糙度如圖6所示[41],隨著活化時間的增加,石英玻璃晶片表面的潤濕角會逐漸降低,之后在150 ℃下退火12 h時鍵合效果最佳,鍵合平均強(qiáng)度達(dá)到2.7 MPa。同時,通過紫外光活化可以提升晶圓表面羥基密度,提高晶片表面的親水性,有利于晶片間直接鍵合。王晨曦[43]發(fā)明了一種利用真空紫外光、氮等離子體兩步活化直接鍵合鈮酸鋰和硅晶片的方法,在20%～80%的濕度條件下將待鍵合的鈮酸鋰晶片和硅晶片置于真空紫外光光源下活化,然后將晶片置于N2等離子體下進(jìn)一步活化,室溫下相互貼合,最后在100～180 ℃條件下保溫完成鈮酸鋰和硅的直接鍵合,避免了因二者之間巨大的熱膨脹系數(shù)差異而發(fā)生鍵合界面開裂及鍵合材料斷裂的現(xiàn)象。

圖6 不同活化時間下鈮酸鋰的表面粗糙度

1.3 鍵合強(qiáng)度測試方法

鍵合強(qiáng)度是檢測鍵合質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,鍵合強(qiáng)度較低時易出現(xiàn)鍵合晶圓開裂的情況,導(dǎo)致鍵合失效。目前鍵合晶圓應(yīng)用的許多領(lǐng)域都要求鍵合晶圓有較強(qiáng)的鍵合強(qiáng)度和穩(wěn)定的鍵合界面,主流的鍵合強(qiáng)度檢測方法主要有裂紋傳播擴(kuò)散法(插刀法)、MC測試法及顆粒法等[44]。

裂紋傳播擴(kuò)散法需將刀片插入鍵合界面一定深度(見圖7),通過測量裂紋長度來計算鍵合能:

圖7 裂紋傳播擴(kuò)散法示意圖

(1)

式中:tb為刀片厚度;tw為晶圓厚度;E為楊氏模量;L為裂紋長度。

裂紋傳播擴(kuò)散法是利用鍵合片分開部分的彈性力和開裂頂端的鍵合力相平衡的原理進(jìn)行測試,是目前測試鍵合能的主要測試方法,但測試結(jié)果會受到插刀深度及插刀速率的影響,同時,當(dāng)鍵合強(qiáng)度很高時,刀片難以插入,故此方法不適用。

MC測試法(V型測試法)是在裂紋傳播擴(kuò)散法基礎(chǔ)上衍化而來,MC測試法需要在鍵合前對晶圓刻蝕出一個V型結(jié)構(gòu),然后用拉力手柄對鍵合晶圓施加外部拉力。測試初期,楔狀頂端的裂紋隨著拉力增加穩(wěn)定擴(kuò)展,當(dāng)裂紋達(dá)到臨界長度后裂紋擴(kuò)展加速,晶圓的斷裂韌度K與最大拉力F之間的關(guān)系為

(2)

式中:W為樣品長度;a為楔狀頂端和拉力柄邊緣的距離與樣品長度的比值;t為晶圓厚度;B為樣品寬度。

MC測試法測試精度較高,誤差一般在3%內(nèi),單個鍵合片采用這種鍵合方法可以多次測試,而裂紋傳播擴(kuò)散法只能測試一次,但MC測試法操作較復(fù)雜。

顆粒法是一種非破壞性鍵合強(qiáng)度測試方法,在鍵合界面引入SiO2顆粒,然后進(jìn)行退火處理,當(dāng)SiO2顆粒周圍未鍵合部分表面能與彈性能之和達(dá)到最小值,鍵合達(dá)到平衡時,鍵合能為

(3)

式中:d為晶圓厚度;R為平衡狀態(tài)下未鍵合圓形半徑;Δ為SiO2顆粒高度。

顆粒法是無破壞性接觸,誤差較小,但不能測量儲藏期間鍵合能的變化。

2 鈮酸鋰鍵合晶圓在集成光電子器件的應(yīng)用

我國光電子器件經(jīng)過多年的發(fā)展取得長足進(jìn)步,但我國光電子器件產(chǎn)業(yè)大多屬于中低端器件領(lǐng)域,與歐美、日本等區(qū)域相比缺乏競爭力。隨著5G技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)量的大幅提升,對光電子器件的性能需求將越來越高,光通信器件正向著超高速、超大容量、超長距離方向發(fā)展,并將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、終端、應(yīng)用和場景間密切協(xié)同。鈮酸鋰晶體作為光電子器件的重要功能材料,經(jīng)過鍵合加工后所制備的調(diào)制器、諧振器等滿足未來光電子器件低成本、高集成、小型化的要求。

諧振器可以調(diào)節(jié)光信號的頻率和波長,實現(xiàn)光信號的調(diào)制和濾波功能,研究人員通過調(diào)整晶圓的尺寸、結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)等,實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)(Q)和大的諧振頻率范圍。Yoo Seung Lee等[45]將Z-切LN薄膜作為頂部覆蓋層,制備了Si和LN混合集成的電光可調(diào)環(huán)形諧振器,測得混合微環(huán)可調(diào)諧諧振器的有效系數(shù)為1.7 pm/V,但該諧振器的Q值相對較低,需要采用波導(dǎo)設(shè)計來減少損失。Chen等[46]通過苯并環(huán)丁烯將Z-切鈮酸鋰的亞微米薄膜鍵合到硅微環(huán)諧振器上,制備了Si-LN混合集成微環(huán)諧振器,將鈮酸鋰的電光功能與硅波導(dǎo)的高折射率對比度相結(jié)合,實現(xiàn)了緊湊的低調(diào)諧電壓微環(huán)諧振器,斷面結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。制造器件的紅外自由光譜范圍為7.15 nm,可調(diào)諧性為12.5 pm/V。

圖8 集成微環(huán)諧振器斷面結(jié)構(gòu)示意圖

由于Z-切鈮酸鋰薄膜鍵制備的諧振器存在漏光損耗現(xiàn)象,業(yè)內(nèi)專家開展了X-切鈮酸鋰薄膜制備光電子器件的研究。蔡璐彤等[47]采用晶體離子切片和晶片鍵合法在絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)上制備了鉻薄膜,避免Z-切割情況下存在的漏光損耗,通過優(yōu)化制備工藝,在X-切 LNOI 的鈮酸鋰薄膜中成功制備了通道波導(dǎo),形成了2 μm寬和0.16 μm交換深度的通道波導(dǎo),在1.55 μm波長時的傳播損耗低至0.2 dB/cm。Wang Mengke等[48]使用X-切的LN,將其薄膜化后與硅片鍵合,制備出絕緣體上薄膜鈮酸鋰材料。采用階梯結(jié)構(gòu)的新型邊緣耦合器,避免了高精度對準(zhǔn),該耦合器成本低,損耗小,在波長1.55 μm下可實現(xiàn)小于1.60 dB的低耦合損耗,邊緣耦合器的偏振消光比大于10 dB,提高了基于X-切LNOI調(diào)制器的調(diào)制效率和消光比。為克服現(xiàn)有薄膜體聲波諧振器機(jī)電耦合系數(shù)過低的缺陷,帥垚[49]設(shè)計了一種基于單晶鈮酸鋰薄片的薄膜體聲波諧振器,通過BCB完成Si和LN鍵合,該諧振器同時具有較大的諧振頻率和極大的機(jī)電耦合系數(shù),提高了器件傳輸頻率帶寬。

針對現(xiàn)有技術(shù)中鍵合溫度高引起晶格缺陷和機(jī)電耦合系數(shù)低的問題,周長見[50]通過設(shè)置鍵合金屬層實現(xiàn)壓電薄膜與高聲速襯底的鍵合,加工工藝溫度低,降低了器件的熱應(yīng)力,同時金屬鍵合保證了鍵合強(qiáng)度,器件更穩(wěn)定。通過使用X-切鈮酸鋰作為壓電薄膜,保證叉指電極的垂直方向與壓電薄膜Z軸成44°夾角,可以獲得更高的機(jī)電耦合系數(shù),進(jìn)而提高器件的帶寬。Weigel等[51]通過直接鍵合在200 ℃下實現(xiàn)了LN薄膜材料與SOI芯片的集成,得到了具有超高帶寬的Mach-Zehnder電光調(diào)制器,結(jié)構(gòu)圖如圖9所示,通過設(shè)計集成硅光子學(xué)光的輸入/輸出和光學(xué)元件,無需對薄膜LN進(jìn)行蝕刻或圖案化,調(diào)制帶寬可達(dá)106 GHz。

圖9 調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖

鈮酸鋰鍵合晶圓廣泛應(yīng)用于光學(xué)調(diào)制器中,光學(xué)調(diào)制器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,實現(xiàn)信號的調(diào)制和調(diào)節(jié)。鈮酸鋰鍵合晶圓可作為電光調(diào)制器的材料,通過外加電場改變晶體的折射率,從而實現(xiàn)對光信號的調(diào)制。調(diào)制速度、帶寬和功耗是制備調(diào)制器需考慮的主要因素,研究人員通過優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu),提高電光效應(yīng)的效率及采用新的調(diào)制器架構(gòu),實現(xiàn)了更高的調(diào)制速度、更大的頻率和波長范圍,以及更優(yōu)的調(diào)制能效。Mengyue Xu等[52]基于鈮酸鋰高對比度波導(dǎo)的無縫集成與緊湊及低損耗硅電路制備了一種調(diào)制器。調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示,該調(diào)制器插入損耗為3.3 dB,調(diào)制速度32 Gbit/s、40 Gbit/s下,其消光比分別為8 dB和6.6 dB。該裝置避免了傳統(tǒng)硅調(diào)制器中的吸收損耗和非線性,并證明了鈮酸鋰調(diào)制器中最低的半波伏積產(chǎn)物。Martin Thomaschewski等[53]基于鈮酸鋰襯底制備了等離子體電光定向耦合器,通過在鈮酸鋰襯底上的Au納米電極引導(dǎo)耦合電磁模式和控制耦合的電信號,從而實現(xiàn)緊湊高效的開關(guān)和調(diào)制功能,測得電光開關(guān)長度為20 μm時,在±50 V電壓下調(diào)制深度可達(dá)90%, 半波電壓長度積為0.3 V·cm。Ahmed等[54]利用SiN和LN鍵合制備了Mach-Zehnder調(diào)制器,該調(diào)制器采用3 dB多模干涉耦合器進(jìn)行分離和組合光,直流半波電壓為0.875 V,半波電壓長度積為2.11 V·cm,所制造器件的功率消光比約為30 dB,光學(xué)損耗約為5.4 dB。

圖10 調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖

鈮酸鋰鍵合晶圓可用于制作光學(xué)波導(dǎo)器件,王廣慶等[55]發(fā)明了一種鈮酸鋰-氮化硅波導(dǎo)與激光器異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)的制備方法。首先在刻蝕后的條形鈮酸鋰波導(dǎo)上鍵合氮化硅,形成鈮酸鋰氮化硅混合波導(dǎo),保證鈮酸鋰波導(dǎo)層中光場能量低于分布在鈮酸鋰氮化硅混合波導(dǎo)中總光場能量的5%,然后在氮化硅層上鍵合IIIV族激光器,完成鈮酸鋰氮化硅波導(dǎo)與激光器異質(zhì)集成,克服了鈮酸鋰波導(dǎo)平臺無法實現(xiàn)激光器的集成和傳輸損耗大的難題。為改善壓電晶體的厚度,降低器件體積,實現(xiàn)SAW器件的高集成化,程進(jìn)等[56]針對聲表面波器件的鍵合減薄工藝進(jìn)行了研究,利用化學(xué)機(jī)械拋光提高鈮酸鋰晶片拋光精度,拋光后其粗糙度Ra為0.468 nm。Parfenov等[57]提出了一種鈮酸鋰襯底上集成光學(xué)超導(dǎo)單光子探測器(SSPD),由傳統(tǒng)鈦擴(kuò)散波導(dǎo)的LiNbO3襯底、NbN超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)和高折射率介電條帶和錐形波導(dǎo)模式變壓器組成,通過硅基結(jié)構(gòu)提供更高的光濃度,以保證有更高的吸收系數(shù),提高探測器效率。經(jīng)測試,TiO2的吸收系數(shù)約為1.31 dB/μm。

3 總結(jié)和展望

近年來,晶圓鍵合技術(shù)發(fā)展迅速,鍵合工藝呈現(xiàn)多樣化和實用化,但鍵合材料相對單一。目前有關(guān)鈮酸鋰鍵合晶片的研究及應(yīng)用中,硅片襯底較多,需開發(fā)更多的新型功能材料,同時需優(yōu)化鍵合工藝。通過改進(jìn)材料的制備方法、表面處理技術(shù)及優(yōu)化鍵合工藝參數(shù),國內(nèi)外正大力開發(fā)低溫鍵合技術(shù),并認(rèn)為低溫鍵合技術(shù)是未來鍵合技術(shù)的主流。低溫鍵合技術(shù)對晶圓本身粗糙度、平整度及預(yù)處理工藝要求較高,目前尚未形成一套穩(wěn)定統(tǒng)一的工藝處理流程,相關(guān)研究還需繼續(xù)進(jìn)行。未來集成光電子器件將向多功能、多類型化方向發(fā)展,需要將具有不同特征尺寸和材料的多個不同組件或裸片制造、組裝和封裝到單個器件或封裝上,以提高新一代器件的性能?；旌湘I合技術(shù)可以同時鍵合介電材料和電互聯(lián)材料,可有效解決高密度電互聯(lián)和多功能電子器件存在的問題,與集成光電子技術(shù)未來發(fā)展方向相契合?；旌湘I合與標(biāo)準(zhǔn)封裝工藝不同,在潔凈度、顆?？刂?、對準(zhǔn)和計量精度方面更接近前端制造,以混合鍵合技術(shù)為代表的微納系統(tǒng)集成,將是未來半導(dǎo)體延續(xù)摩爾定律的主要手段。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)視頻、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展,以及廣闊的應(yīng)用市場、5G新應(yīng)用場景的開發(fā)與成熟等因素驅(qū)動,光電子器件在全球的應(yīng)用越來越廣,國內(nèi)光電子器件市場將迎來新的增長周期。鈮酸鋰鍵合晶圓的電光響應(yīng)速度較快,潛在的高速高頻性能為光電子器件的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、材料性能及集成電路設(shè)計等方面的研究,進(jìn)一步提升了其高速高頻特性,滿足日益增長的高速通信和數(shù)據(jù)處理需求。我國應(yīng)加大相關(guān)基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究,加強(qiáng)自主創(chuàng)新研發(fā),提高我國在集成光電子技術(shù)領(lǐng)域的水平,以增強(qiáng)我國科技實力。