异质集成硅基光电子MOSCAP微环调制器阵列

逍遥设计自动化

引言
随着数据流量呈指数级增长，开发节能且可扩展的片上光通信系统的需求日益增加。本文介绍异质集成的硅-导电氧化物MOSCAP微环调制器阵列，这项技术显著提升了光互连性能[1]。
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! L2 O4 Y- d' V- w, [( m( F( A- i6 a器件结构和工作原理
0 v8 C' n3 t+ P1 p* M* T硅微环调制器（Si-MRMs）已成为光互连中的关键组件，具有超小型的结构尺寸，并能实现片上波分复用（WDM）。本文介绍的创新设计采用了1×4金属-氧化物-半导体电容（MOSCAP）Si-MRM阵列，使用高迁移率的掺钛铟氧化物（ITiO）作为栅极材料。
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+ u# S2 Y" j/ X6 k4 ]5 j5 Z图1展示了(a) 用于片上WDM调制的1×4 ITiO栅控MOSCAP Si-MRM阵列的示意图，插图显示了具有ITiO/HfO2/Si MOSCAP结构的Si-MRM的局部放大图，以及(b) ITiO栅控MOSCAP Si-MRM有源区的横截面视图。
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! r% n2 B0 p1 c" m* q- l' _该器件结构包含四个环形谐振器，半径从6.00 μm到6.06 μm不等，能够在四个等间隔波长下运行。有源区采用10 nm的HfO2作为高介电常数介质层，这种选择在保持低漏电流的同时提供了较高的电容密度。高迁移率的ITiO作为栅极材料，显著提高了导电性并降低了硅波导的光学损耗。
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1 _7 s+ N9 h1 M  f$ |( Z" b1 o制造工艺和集成技术
制造工艺体现了工业和学术设施之间的独特合作，将英特尔的高容量制造（HVM）工艺与大学的TCO图形化技术相结合。

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3 i/ k" O# M+ y0 v5 e  }图2展示了ITiO栅控MOSCAP Si-MRM阵列的完整共同制造工艺流程，从初始掺杂硅波导层到最终金属接触形成的各个制造阶段。

工艺始于使用英特尔300 mm HVM硅基光电子工艺在硅绝缘体晶圆上制造硅微环阵列。随后的步骤包括精确图形化SiO2包覆层，通过原子层沉积法沉积HfO2绝缘层，以及在高温下射频溅射ITiO层。最后进行ITiO和HfO2层的精确图形化，并形成金属接触。

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+ u* H4 |9 i0 q% G+ \: \图3显示了(a)硅微环谐振器阵列的光学显微镜图像，(b)TCO图形化后完成的Si-MRM阵列及有源区的详细视图，以及(c)显示自由光谱范围的测量透射谱。
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6 F) V8 J0 u( j4 ~! H: Z- t0 t器件性能和表征
: |  r+ H& c# T8 @9 h该器件展现了卓越的性能特征，推动了硅基光电子技术的发展。调制器阵列表现出显著的电光效率，Vπ·L达到0.12 V·cm，大幅优于传统使用PN结的Si-MRMs。
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图4展示了(a)在不同栅极偏置下每个ITiO栅控MOSCAP Si-MRM的归一化透射谱，以及(b)每个通道在不同工作波长下的电光传输曲线。
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高速性能测试显示出优异的性能，器件实现了3×25 + 1×15 Gb/s的调制速率，测得带宽为14 GHz。该阵列在无需使用热加热器的情况下，成功实现了四个等间隔波长的片上WDM调制。

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& s. h" f3 l0 e: U图5显示了(a)测得的电光响应，显示14 GHz带宽，以及(b)在高达30 Gb/s的各种数据速率下测得的NRZ调制眼图。

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% g$ ]/ B1 s8 |# }  |2 Y5 S: \图6展示了(a)测量的电流-电压特性，(b-c)调谐前后的透射谱，以及(d)所有通道的NRZ调制眼图。
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应用前景
展示的集成方法将工业制造与学术设施相结合，为扩大先进光电子器件的生产规模建立了新途径。优异的性能特征，特别是高电光效率和降低的功耗，使这项技术在下一代数据中心和高性能计算应用中具有明显优势。

MOSCAP结构结合ITiO栅极的成功实现，有效解决了传统硅基光电子调制器的固有局限。在保持低功耗的同时实现高速调制的能力，使这项技术成为未来光电子集成芯片的重要支持技术。

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2 ^1 u$ k, l, n9 L% Q. j* P7 l* J6 i[1] W.-C. Hsu, S. Abdolhosseini, H. Rong, R. Kumar, B. Zechmann, and A. X. Wang, "Heterogeneously integrated silicon-conductive oxide MOSCAP microring modulator array," Photonics Research, vol. 13, no. 1, pp. 187-193, Jan. 2025.
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