近日，浙江大学信电学院林宏焘研究员联合西湖大学李兰研究员、中国科学院半导体研究所李明研究员、国科大杭州高等研究院李钧颖副研究员（原浙江大学特聘副研究员）、以及中国科学院微电子研究所唐波教授级高级工程师，共同在《Nature Communications》杂志上发表了题为“Monolithic back-end-of-line integration of phase change materials into foundry-manufactured silicon photonics”的研究工作。

研究背景：

    硅光子技术因其在高速光通信、光神经网络和光量子计算等方面的应用前景而备受关注。如何在不改变现有硅光PDK前提下，将高性能新型光子材料单片后道集成到代工厂制造硅光晶圆上是进一步提升硅光子器件性能并拓展技术应用的关键。其中，准确调控波导的折射率和吸收对于实现分立器件的高效运作十分重要，有助于实现硅光子网络中器件的精确控制和网络的调整功能。然而，当前的硅光子芯片调制方案主要依赖于热光调制和等离色散效应。这些方法调制强度弱且需要持续功率供给，导致光子芯片的尺寸较大且静态功耗较高，限制了进一步实现大规模光电集成网络。

    因此，将新材料引入硅光子功能单元以提升器件性能和降低功耗变得迫切必要。各类材料如电光聚合物、金属-绝缘体-金属氧化物和二维材料已被集成到超紧凑或超快速易失性调制的光子器件当中。然而，非易失性调制材料如电荷俘获材料、铁电材料和硫系相变材料（PCM）的集成对降低可重配置光子电路的静态功耗至关重要。其中，硫系相变材料由于其不同态之间的高折射率对比度而有望实现小尺寸的调控单元。尽管在原型器件方面取得了显著进展，但其制造流程与现有硅光子工艺不兼容，导致现有的硅光工艺设计套件无法直接应用。

    实现功能材料在硅光子中的整体集成，同时利用现有的硅光工艺设计套件（PDKs），变得极为重要。例如，PCM可直接沉积在硅上，实现小尺寸（约10 μm）和零静态功耗光子器件。在过去几十年里，PCM集成可重构光子器件在强度调制、相位调节和光路切换等方面得到了广泛应用。此外，它们在构建非易失性光子网络以应用于光存储、存内计算和模拟光计算等领域时也起着十分重要的作用。尽管PCM集成光子器件取得了重大进展，但在整个硅光子制造流程中实现PCM的全兼容性集成仍然是一个巨大的挑战。利用PDKs的光电器件不可避免地依赖于金属互连，并且在标准硅光子制造流程后，硅波导通常会被超过2微米厚的SiO₂涂覆，因为在硅波导和金属互连之间需要一个隔离层来避免金属吸收损失。为了实现与新型光电材料（如PCMs、量子点、钛酸钡、铌酸锂、电光聚合物和范德华材料）高性能混合集成的硅光子器件，减小这些材料与硅波导之间的距离至关重要。然而，由于硅波导顶部厚后端介电层的存在，将优异的光电材料与现有的后端金属集成变得极具挑战性。因此，新型功能材料在硅基光电子芯片上的后端集成方法有着广泛的需求和巨大潜力，是大规模集成可编程重构光电网络及芯片规模化扩展的有力解决方案之一。

研究亮点：

    本研究提出了一个用于硅光子的单片后道集成平台，成功将相变材料（PCMs）集成到代工厂生产的硅光子器件中。通过在硅波导上方采用SiN蚀刻停止层、刻蚀窄的低损耗SiO₂沟槽（低于0.09 dB），开发适用于不同PCMs的后道集成工艺，从而实现对硅光器件无影响的大规模非易失性光子器件制备。

    采用两种不同非易失性调制能力的硫系相变材料：SbSe和GSS4T1，并成功将其单片后道集成到硅光子器件中。其中，利用SbSe/Si混合光波导结构实现了非易失性的制备后相位修正，通过电脉冲调节单元以平衡推挽电压，将推挽马赫曾德尔干涉仪开关的峰值功耗降低了48%。非易失性可重配置的相位后修正单元可应用于不同光子器件甚至不同光子芯片以减少制造误差带来的影响。接着，展示了基于SbSe的非易失相位调制和基于GSS4T1的非易失强度调制。SbSe集成微环开关实现了高于25 dB的消光比及超过5位的多级切换。同时，GSS4T1基宽带衰减器实现了超过39 dB的最大消光比和7位以上的多级调制。并且，衰减器经受了1500次稳定切换循环而无明显性能退化。

    据了解，这是首次展示基于硅光子代工厂8英寸器件制备工艺与PCMs的单片后道集成，并且在此基础上展示了电可编程的多级切换的非易失光子器件。这些发现证明了实现大规模制造的可编程PCM基非易失光子芯片的可行性。这为进一步将非易失光子器件嵌入到光计算和光通信网络中、实现低功耗、可大规模集成的应用奠定了基础。此外，这一得到验证的代工厂兼容、单片后道集成平台也为将其他优秀的光电材料（包括PCMs、量子点、BTO、LiNbO₃、电光聚合物和范德华材料）集成入未来的硅光子PDK铺平了道路。

图1采用SiN辅助的硅光子工艺实现相变材料（PCMs）后道集成。（a）器件制造过程的流程图。（b）不同数量级联开槽波导的测得的透射光谱。插图显示了级联器件的布局。（c）通过削减法评估由SiO₂沟槽蚀刻过程引入的波导损耗。误差条表示多次损耗表征结果的标准偏差。（d）制造后器件的3D示意图。

图2推挽式马赫曾德尔干涉仪（MZI）开关的工作原理与具有可编程后修正功能（PFT）的性能展示：（a）推挽式MZI开关的PFT原理。通过精确后修正，两个输出端口的分光比在0 V时达到平衡。（b）器件的显微镜图像。（c）PFT前测量的光功率-电压（O-V）曲线以及（d）PFT前测量的光谱。（e）PFT后的O-V曲线和（f）PFT后测量的光谱。（g）PFT后条形态和交叉态的测量光谱。

图3将SbSe与微环谐振器（MRR）集成实现的多级相位调制。（a）微环谐振器的显微镜图像。（b）测得的可逆切换器件光谱。（c）通过施加固定幅度变脉宽的电脉冲（PVAFD），诱导的多级结晶过程（1551.145 nm处的ΔT）。插图显示了两个不同状态的放大误差条，对应每个级别中多次传输值的标准偏差。（d）通过施加固定幅度变脉宽的典卖从（PVDFA）诱导的多级结晶过程（1551.145 nm处的ΔT）。（e）器件的五百次可逆切换事件。透射变化（ΔT）是1551.513 nm处光功率的差异。

图4硅基直波导中GSS4T1的后道集成用于多级强度调制。（a）硅基底上GSS4T1薄膜的光学常数，在退火前后的对比。（b）光子衰减器的显微镜图像。多级非晶化（c）和结晶化（d）过程的测量光谱。非晶化过程使用了500纳秒脉冲，幅值范围从7.50伏到8.80伏，间隔0.05伏，排除了7.55伏、7.60伏和7.65伏，包含8.02 V。结晶化过程使用了100毫秒脉冲，幅值范围从1.90伏到2.25伏，间隔0.01伏，排除了2.21伏、2.22伏、2.23伏和2.24伏。（e）通过应用PVDFA实现的多级结晶。插图显示了逐步结晶的放大图。（f）光子衰减器1500次可逆切换事件。通过不同幅度（g）和持续时间（h）引发的任意状态配置。所有透射变化均在1550纳米处测量。

总结：

    研究团队演示了利用硅光代工厂兼容的平台实现相变材料后道集成的光子器件，为进一步实现硅光工艺设计套件兼容的性能优异的光电材料后道集成奠定了基础。

浙江大学博士生魏茂良、博士生许恺以及中国科学院微电子研究所唐波教授级高级工程师为共同一作。通讯作者为浙江大学信电学院林宏焘研究员、西湖大学李兰研究员、中国科学院半导体研究所李明研究员和国科大杭州高等研究院李钧颖副研究员。该工作的合作者还包括浙江大学硕士生贠亦婷、博士生雷坤皓、博士生马辉，西湖大学博士生吴迎春、博士生鲍康健、博士生陈泽群、助理研究员孙春雷，中国科学院微电子研究所张鹏高级工程师、刘若男助理研究员。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47206-7