CN114902130A - 用于形成稳定的四方相钛酸钡的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种电光器件，包括衬底和在衬底上的波导。该波导包括层堆叠，该层堆叠包括与多个中间层交错的多个电光材料层、与层堆叠相邻的波导芯、波导覆层以及与所述多个电光材料层电接触的一对电极。所述多个中间层在室温和制冷温度下保持第一晶格结构。所述多个电光材料层在室温和制冷温度下保持第二晶格结构和结晶相。

Description

用于形成稳定的四方相钛酸钡的方法和系统
其他申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月29日提交的题为“用于形成稳定的四方相钛酸钡的方法和系统”的第62/927,373号美国临时专利申请的优先权，在此将其全文通过引用并入本文。
背景技术
电光(EO)器件，例如EO调制器和EO开关，已经用于各种光学系统，例如光通信和光计算系统。例如，光相位调制器可用于集成光学系统、光通信发射机或收发机等。EO调制器或EO开关可以利用各种EO效应(例如自由载波电折射、自由载波电吸收、泡克尔斯(Pockels)效应、克尔(Kerr)效应等)来改变操作期间的光特性，例如改变通过EO调制器或EO开关中的某些路径传播的光的相位或幅度。使用具有较高EO效应的材料的EO器件可以以较低的控制电压、较低的功耗并且经常以较高的速度运行。
发明内容
本文公开的技术总体上涉及电光(EO)器件。更具体地，本文公开的实施例涉及用于在低温(例如制冷温度)下在EO器件(例如光开关或光学调制器)中实现高EO效应的技术。在一个具体的实施例中，包括EO材料堆叠的EO器件被用于改善EO器件在低温下的调制和/或开关性能，所述EO材料堆叠的特征在于在低温(例如制冷温度)下的高电光系数。EO材料堆叠可以包括交错和互锁的薄的EO材料层和中间层。EO材料层中的EO材料，当以块状使用时，可以在不同的工作温度下改变其晶体结构，而中间层可以具有在工作温度下不改变的晶格结构。因此，当工作温度改变时，互锁到中间层的薄的EO材料层可以保持它们的晶格结构并因此保持EO系数。本文公开的技术可用于在低温下操作的多种光子和光电子器件中。
根据某些实施例，电光器件可以包括衬底和在衬底上的波导。波导可以包括层堆叠，该层堆叠包括与多个中间层交错的多个电光材料层。波导还可以包括与层堆叠相邻的波导芯、波导覆层和与所述多个电光材料层电接触的一对电极。所述多个中间层可以被配置成在室温和制冷温度下保持第一晶格结构。所述多个电光材料层可以在室温和制冷温度下保持第二晶格结构和结晶相。在一些实施例中，所述多个中间层和所述多个电光材料层的特征可以在于在制冷温度下的四方晶格结构。在一些实施例中，所述多个电光材料层的特征可以在于在制冷温度下的面内极化。
在电光器件的一些实施例中，所述多个电光材料层可以包括铁电晶体或铁电薄膜。铁电晶体可以包括BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3或(Pb,La)(Zr,Ti)O3中的至少一者。在一些实施例中，所述多个电光材料层的特征可以在于在制冷温度下Pockels系数大于300pm/V。所述多个中间层可以包括MgO、LaAlO3、(Ba,Sr)TiO3、BaHfO3、BaMoO3、BaNbO3、BaZrO3,SrHfO3、SrTiO3、SrMoO3、SrNbO3或SrZrO3中的至少一者。在一些实施例中，所述多个电光材料层中的每个电光材料层的厚度与所述多个中间层中的每个中间层的厚度之间的比率可以等于或小于20:1。
在电光器件的一些实施例中，波导芯可以包括所述多个电光材料层中的一个或更多个电光材料层。波导覆层可以与所述多个电光材料层中的电光材料层物理接触，并且其特征可以在于其热膨胀系数和光学折射率与电光材料层的热膨胀系数和光学折射率不同。波导覆层可以包括例如Si3N4、SiO2、Al2O3、MgO、SiCN、SiON、SiCO、SiOCN或HfO2中的至少一者。
在一些实施例中，EO器件可进一步包括衬底与波导之间的外延籽晶层。外延籽晶层可以包括例如MgO、LaAlO3、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrTiO3、SrMoO3或SrZrO3中的至少一者。在一些实施例中，EO器件可进一步包括外延籽晶层与衬底之间的缓冲层。电极对中的每一者可以与所述多个电光材料层中的每个电光材料层物理接触。在一些实施例中，波导覆层可以在衬底和层堆叠之间。波导可以是马赫-曾德尔干涉仪、谐振器、光开关、电光调制器等的一部分。
根据某些实施例，晶片可以包括衬底和衬底上的层堆叠。层堆叠可以包括多个电光材料层，以及与多个电光材料层交错的多个中间层。所述多个中间层可以在室温和制冷温度下保持第一晶格结构，并且所述多个电光材料层可以在室温和制冷温度下保持第二晶格结构和结晶相。在一些实施例中，第一晶格结构和第二晶格结构可以是相同的晶格结构，例如四方晶格结构。在一些实施例中，晶片还可以包括在衬底和层堆叠之间的外延籽晶层，其中外延籽晶层可以包括例如MgO、LaAlO3、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrTiO3或SrZrO3中的至少一者。在一些实施例中，晶片还可以包括在外延籽晶层和衬底之间的衬底的氧化层。
在晶片的一些实施例中，所述多个电光材料层可以包括BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3或(Pb,La)(Zr,Ti)O3中的至少一者。所述多个中间层可以包括MgO、LaAlO3、(Ba,Sr)TiO3、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrZrO3或SrNbO3中的至少一者。在一些实施例中，所述多个电光材料层中的每个电光材料层的厚度与所述多个中间层中的每个中间层的厚度之间的比率可以等于或小于20:1。
根据某些实施例，一种方法可以包括：在衬底上沉积籽晶层，在籽晶层上外延沉积第一电光材料层，在氧环境中对衬底、籽晶层和第一电光材料层进行退火以在衬底和籽晶层之间形成氧化物缓冲层，在第一电光材料层上沉积第一中间层，第一中间层包括可以在室温和制冷温度下保持第一晶格结构的材料，在第一中间层上沉积第二电光材料层，以及对第二电光材料层和第一中间层进行退火。第一电光材料层和第二电光材料层可以包括电光材料，该电光材料的特征在于在制冷温度下的第二晶格结构不同于在室温下的第三晶格结构。在一些实施例中，第三晶格结构和第一晶格结构可以是相同的晶格结构，例如四方晶格结构。在一些实施例中，第一电光材料层的厚度与第一中间层的厚度之间的比率可等于或小于20:1。
在一些实施例中，对衬底、籽晶层和第一电光材料层进行退火可以包括在高于氧化物缓冲层的软化温度的温度下退火。该方法还可以包括在第二电光材料层上沉积第二中间层(所述第二中间层包括在室温和制冷温度下保持第一晶格结构的材料)，在第二中间层上沉积第三电光材料层，以及对第三电光材料层和第二中间层进行退火。
在一些实施例中，该方法还可以包括将第三电光材料层图案化以形成波导芯，以及在波导芯上沉积电介质覆层。将第三电光材料层图案化可以包括使用第二中间层作为刻蚀阻挡层来刻蚀第三电光材料层。在一些实施例中，该方法还可以包括在第一电光材料层、第二电光材料层和第三电光材料层以及第一中间层和第二中间层中刻蚀沟槽，并且用导电材料填充沟槽。刻蚀沟槽可以包括使用氧化物缓冲层作为刻蚀阻挡层来刻蚀第一电光材料层、第二电光材料层和第三电光材料层。
在一些实施例中，该方法可以包括在第三电光材料层上形成波导。在一些实施例中，在第三电光材料层上形成波导可以包括在第三电光材料层上形成波导芯，以及在波导芯上沉积电介质覆层。在一些实施例中，在第三电光材料层上形成波导芯可以包括在第三电光材料层上沉积高折射率材料层，以及将高折射率材料层图案化。在一些实施例中，在第三电光材料层上形成波导芯可以包括在第三电光材料层上沉积电介质层，在电介质层上沉积高折射率材料层，以及将高折射率材料层图案化。在一些实施例中，在第三电光材料层上形成波导可以包括将包括波导的晶片键合到第三电光材料层。
与常规技术相比，通过本公开实现了许多益处。例如，在此公开的方法、器件和系统的例子可以在低温(例如制冷温度)下保持晶格结构，从而保持铁电材料的EO系数(例如BaTiO3的四方相和Pockels系数)，从而改善EO器件(例如EO开关或EO调制器)在制冷温度下的性能。这样，可以使用减小的电场或偏置信号来实现用于光调制或光开关的期望的折射率调制和/或相位调制，从而降低功耗并提高器件的效率和/或速度。此外，与使用常规技术相比，在此公开的实施例能够在低温下实现更大的有效折射率变化。结果，可以减小器件长度，这又减小了EO器件的光学损耗和物理尺寸。这些和其它实施例以及其许多优点和特征将结合下面的文本和附图进行更详细的描述。
附图说明
图1A是示出根据某些实施例的包括马赫-曾德尔干涉仪的光开关的示例的简化图；图1B是根据某些实施例的在图1A中所示的光开关的实施方式中的相位调节部分的示例的横截面图；
图2示出了根据某些实施例在约4K至约340K的温度下具有不同晶格取向的ABO3钙钛矿晶体(例如BaTiO3晶体)的有效Pockels系数；
图3A至图3D示出了根据某些实施例的BaTiO3在不同温度下的相变；
图4是示出根据某些实施例的用于制造包括EO材料层的EO器件的方法的示例的简化流程图，所述EO材料层的特征在于从室温到制冷温度的基本上恒定的EO系数；
图5A示出了根据某些实施例的其上生长有籽晶层的衬底的示例；
图5B示出了根据某些实施例的外延沉积在籽晶层上的铁电材料层的内应力和晶格取向；
图5C示出了根据某些实施例的在高温氧化退火之后外延沉积在籽晶层上的铁电材料层的内应力和晶格取向；
图5D示出了根据某些实施例的与工程化的晶片中的中间层交错的铁电材料层的内应力和晶格取向；
图5E示出了根据某些实施例的与波导结构中的中间层交错的铁电材料层的内应力和晶格取向；
图6示出了根据某些实施例的在退火之前和之后通过对外延层的示例的离子沟道示出的退火之后的晶体质量改善；
图7示出了根据某些实施例的x射线衍射数据的示例，其示出了在高温下外延层的示例中的异相晶格常数弛豫；
图8是根据某些实施例的包括在制冷温度下保持四方相的EO材料层的波导结构的示例的简化截面图；
图9是根据某些实施例的包括在制冷温度下保持四方相的EO材料层的波导结构的另一示例的简化截面图；
图10是根据某些实施例的包括在制冷温度下保持四方相的EO材料层的波导结构的又一示例的简化截面图；
图11是示出根据某些实施例的用于制造工程化的晶片和/或EO器件的方法的示例的简化流程图，所述EO器件包括EO材料层，所述EO材料层的特征在于从室温到低温的基本上恒定的EO系数；和
图12是根据某些实施例的包括电光器件的混合量子计算系统的示例的简化系统框图。
具体实施方式
本文公开的技术总体上涉及电光(EO)器件。更具体地，本文公开的实施例涉及用于在诸如制冷温度的低温下在EO材料(例如，铁电材料)中实现高EO效应，以及在诸如光调制器和光开关的EO器件中利用EO材料的高EO效应以在EO器件在低温下操作期间降低功耗并改善效率和速度的技术。仅作为示例，在包括有源光学器件的集成光学系统的背景中提供了实施例，但是这里公开的技术不限于该示例，并且对各种光学和光电子系统具有广泛的适用性。本文描述了各种发明实施例，包括方法、工艺、材料、晶片、系统、器件等。
与使用具有相对较低EO系数的材料的器件相比，使用具有较高EO效应的材料的EO器件可以以较低的控制电压、较低的功耗和较高的速度操作。在一些应用(例如线性光量子计算应用)中，EO器件可以在非常低的温度下操作，例如制冷温度(例如，约4K)。一些EO材料的EO效应(例如Pockels系数)，可能在低温下显著退化。例如，由于BaTiO3(BTO)的高Pockels系数(例如，在室温下大于约900皮米/V)以及与硅CMOS工艺的兼容性，BaTiO3(BTO)可以用于EO开关。然而，BTO在约4K下的Pockels系数可退化至小于在室温下的Pockels系数的约三分之一。因此，EO开关的效率可以在低温下显著降低。如本文所定义，室温为约20℃的温度且更具体地定义为18℃至22℃之间的温度。如本文所定义，制冷温度为低于-150℃的温度且更具体地定义为-150℃至-273℃之间的温度。
根据某些实施例，确定一些EO材料在低温下的EO效应(例如，Pockels系数)的退化可以由EO材料晶格在不同温度下的结晶相变引起。例如，BTO可以经历结晶相变，从室温下的四方相转变到低于室温的斜方相，然后转变到趋向于制冷温度下的菱方相。从四方相到菱方相的结晶相变可能促成了Pockels效应从室温到制冷温度的退化。因此，根据某些实施例，通过在低温下保持EO材料的四方晶格结构，可以在低温下将EO材料的EO效应保持在高水平(例如，接近室温的水平)。在一些实施例中，这可以通过例如将EO材料的薄层与当工作温度从室温降至制冷温度时不经历晶格结构(或结晶相)变化和极化变化的中间层互锁，或者在与EO材料的结晶相变温度不同的温度下经历结晶相变，从而阻碍EO材料的结晶相变来实现。当工作温度降低时，中间层可有助于保持EO材料中的应力并防止EO材料层改变晶格结构和极化。结果，EO材料的EO系数可以保持在接近于在室温下的EO系数的水平。因此，包括交错结构的EO器件可以在制冷温度下保持高的效率和速度。
根据某些实施例，在本文描述的有源光子器件可以利用诸如Pockels效应的高电光效应来在低温下有效地调制和/或切换光信号。例如，这里公开的技术可应用于光调制器和光开关，在光调制器中，可以根据例如正弦函数或平方函数来调制透射光的强度，在光开关中，可以从一个或更多个输入端口中的输入端口(例如，波导)中选择光，并可以将光输出到一个或更多个输出端口中的输出端口(例如，波导)。
根据某些实施例，EO材料可用于具有不同的波导结构和/或通过不同工艺制造的波导结构的器件中。例如，EO材料可以用作波导结构中的波导芯、下包覆层和/或上包覆层。在各种实施例中，波导芯可沉积在EO材料层上或在EO材料层中刻蚀，或可形成在半导体衬底上然后被键合到包含EO材料层的晶片或装置。
现在将参考形成其一部分的附图来描述几个说明性实施例。随后的描述仅提供一个或多个实施例，而不旨在限制本公开的范围、适用性或配置。相反，随后对实施例的描述将向本领域技术人员提供用于实现一个或更多个实施例的可行描述。应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以提供对某些发明性实施例的透彻理解。然而，显然，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种实施例。附图和描述不是为了限制。词语“示例”或“示例性的”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。这里描述为“示例性的”或“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其它实施例或设计优选或有利。
硅光子集成电路(PIC)可以提供比电集成电路(EIC)更好的性能(例如，更低的损耗、更高的速度、更高的带宽和热绝缘)，并且可以用于量子通信或量子计算，其中光子由于其量子特性可以用作量子比特，并且光学互连可以用于为低温处理器(cryogenicprocessor)和室温环境之间的数字数据传输提供更高的带宽。然而，由于缺乏用于低温下的光开关和/或光调制的有效EO调制，因此会需要部分地改进PIC在制冷温度下的性能。例如，在制冷温度下工作的一些集成电路可使用热光移相器或等离子体色散开关，这会受到一些固有限制。使用热来改变材料的折射率的热光开关会需要显著的冷却功率，并且可具有低带宽和低开关速度。等离子体色散开关可以使用高掺杂水平来补偿低温下的电荷载流子冻结，因此可以在等离子体色散开关中使用小谐振器，其可具有高电阻、高插入损耗和低带宽。
一些EO材料可以表现出线性电光效应，其中材料的折射率可以与施加到材料上的电场的强度成比例地变化。这种线性电光效应被称为Pockels效应，并且可以出现在非中心对称材料中，例如铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、二氘磷酸钾(KDP)、β-硼酸钡(BBO)、氧化钛磷酸钾(KTP)的晶体材料，以及一些化合物半导体，例如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)。基于Pockels效应的EO开关在室温下可以具有低传播损耗、高带宽和低静态功耗。此外，基于EO Pockels效应的EO开关可能不会受到制冷温度下热光效应和等离子体色散效应的固有限制。
图1A是示出根据某些实施例的包括马赫-曾德尔干涉仪120的光开关100的示例的简化图。在图1所示的例子中，光开关100包括两个输入端口(输入端口1和输入端口2)和两个输出端口(输出端口1和输出端口2)。光开关100的输入端口和输出端口可以例如使用可操作以支持单模或多模光束的光波导来实现。光开关100可以使用与一组50/50分束器(或定向耦合器)(诸如第一50/50分束器105和第二50/50分束器107)集成的马赫-曾德尔干涉仪120来实现。如图1所示，输入端口1和输入端口2可以光学耦合到第一50/50分束器105，第一50/50分束器105可以接收来自输入端口1或输入端口2的光。第一50/50分束器105可以通过渐逝耦合将来自输入端口1的输入光的大约50％引导到第一波导110中，并且将来自输入端口1的输入光的大约50％引导到第二波导112中。类似地，第一50/50分束器105可以将来自输入端口2的输入光的大约50％引导到第一波导110中，并且将来自输入端口2的输入光的大约50％引导到第二波导112中。因此，来自输入端口的输入光可以被大致均匀地分割并被引导到第一波导110和第二波导112。
马赫-曾德尔干涉仪120可以包括相位调节部分122，相位调节部分122包括波导124和电极126。可以通过相位调节部分122中的电极126在波导124两端施加电压信号V0，以调整波导124的折射率，从而调整通过相位调节部分122之后的光的相位延迟。因为第一波导110和第二波导112中的光在传播通过第一50/50分束器105之后是同相的，所以相位调节部分122中的相位调整可以在波导130和132中传播的光之间引入预定的相位差。如对于本领域的技术人员而言明显的是，在波导130和132中传播的光之间的相位关系可以导致输出光出现在输出端口1(例如，当光束同相时)或输出端口2(例如，当光束异相时)，从而基于施加在相位调整部分122的电压信号V0将光引导至输出端口1或输出端口2时提供开关功能。尽管在图1中示出了单个有源臂，但是在一些其它实施例中，马赫-曾德尔干涉仪120的两个臂可以都包括相位调节部分。
如图1所示，与所有光开关技术相比，电光开关技术在开关的有源区两端施加电偏压(例如，图1中的电压信号V0)以产生光学变化。由施加偏置电压产生的电场或电流可以引起有源区的一个或更多个光学特性(例如折射率或光吸收)的变化。除了由电流消耗的功率(在电流由施加偏置电压产生的情况下)之外，还可以通过产生电场来消耗能量，该电场可以具有E2κ/8π(cgs单位)的能量密度，其中E是电场并且κ是电介质常数。
尽管在图1中示出了马赫-曾德尔干涉仪实现的一个示例，但是在各种实施例中可以使用其它开关架构和/或其它相位调整器件，包括环形谐振器设计、盘谐振器设计、马赫-曾德尔调制器、通用马赫-曾德尔调制器等。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换。
上述相位调整可以使用EO效应，例如Pockels效应和/或Kerr效应来实现。Pockels效应在经历电场的光学介质中改变或产生双折射，其中双折射与所施加的电场成比例。Pockels效应可发生在缺乏反转对称性的晶体中，例如钙钛矿晶体、铁电晶体或其它非中心对称介质(诸如电场极化聚合物或玻璃)。在Kerr效应中，折射率变化(或双折射)与所施加电场的功率(例如，平方)成比例。所有材料可具有Kerr效应，但一些材料可具有比其它材料更高的Kerr效应。通常，Pockels效应可以是比Kerr效应高得多的EO效应。
铁电晶体通常具有可通过电场或应力重新定向的自发极化。自发极化可以由在某些温度范围内可以是稳定的非中心对称晶体结构引起。具有Pockels效应的铁电晶体的一些示例包括BaTiO3(BTO)、(Ba,Sr)TiO3(BST)、(Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)、(Sr,Ba)Nb2O6(SBN)等。例如，钛酸钡(BTO)在室温下具有相对大的Pockels系数。此外，BTO可以在大的Si衬底上生长，并且可以使用硅CMOS工艺集成在Si光子平台中。因此，BTO由于其优异的铁电特性、高电介质常数、低电介质损耗、化学和机械稳定性以及CMOS工艺兼容性而可用于各种电子应用中。
图1B是根据某些实施例的在图1A中所示的光开关100的实施方式中的相位调节部分150(例如，相位调节部分122)的示例的横截面图。相位调节部分150可以使用EO效应，例如上述的Pockels效应。相位调节部分150可以包括衬底152，可选缓冲层154、籽晶层156、EO材料层158、波导芯162、波导覆层160和电极164。EO材料层158可具有高Pockels系数，且可包括(例如)钙钛矿铁电体或其它铁电晶体，例如本文所述的钛酸钡(BaTiO3或BTO)。
衬底152可包括半导体衬底，例如硅晶片、锗晶片、硅上锗晶片、绝缘体上硅(SOI)晶片等。籽晶层156可以具有与EO材料层158的晶格结构类似的晶格结构，并且可以包括例如MgO、BaHfO3、BaZrO3、LaAlO3、SrHfO3、SrTiO3、SrMoO3或SrZrO3。籽晶层156可沉积(例如，外延生长)在衬底152上。在一些实施例中，缓冲层154可以位于籽晶层156和衬底152之间。缓冲层154可以包括例如衬底的氧化层(例如SiO2层)。在一个示例中，缓冲层154(例如SiO2)可以通过在氧环境中对籽晶层156(例如SrTiO3)和衬底152(例如Si)进行高温氧化退火来形成。
EO材料层158可外延沉积在籽晶层156上。波导芯162可以通过例如沉积和光刻直接形成在EO材料层158的顶部上，或者间接形成在EO材料层158上，其中缓冲层在EO材料层158和波导芯162之间。该缓冲层可用于防止EO材料层158和波导芯162之间的相互作用，和/或用作用于形成波导芯162的刻蚀阻挡层。波导芯162可以包括例如Si、SiN、SiGe、EO材料(例如BTO)等。波导覆层160可以包括折射率低于波导芯162的折射率的电介质材料，例如氧化物、氮化物或氮氧化物、碳氧化物等(例如SiO2、Si3N4、SiON、SiCO等)，并且可以沉积在波导芯162上。可以在波导覆层160中刻蚀沟槽并且用导电材料(例如金属)填充沟槽，以形成电极164。电极164可用于施加偏置电压，并因此在EO材料层158两端施加电场，以调制其折射率，用于相位调整。
如上所述，一些钙钛矿铁电体(例如钛酸钡)在室温下可以具有大的Pockels系数。钙钛矿铁电材料的Pockels系数对于不同的晶格取向可以是不同的。此外，钙钛矿铁电材料在不同工作温度下的Pockels系数可以不同。例如，在低温下，铁电材料的Pockels系数可显著降低。
图2示出了在约4K至约340K的温度下具有不同晶格取向的BaTiO3的有效Pockels系数，如例如Felix Eltes等人在2019年的应用物理学杂志(J.App.Phys)发表的“集成的低温光调制器(An integrated Cryogenic Optical Modulator)”中所报道的。在图2中，x轴对应于4K和340K之间的工作温度，y轴对应于Pockels系数(以pm/V为单位)。曲线210示出了具有45°晶格取向的BTO层在不同温度下的对应Pockels系数。曲线220示出了具有22.5°晶格取向的BTO层在不同温度下的对应Pockels系数。曲线230示出了具有67.5°晶格取向的BTO层在不同温度下的对应Pockels系数。曲线240示出了具有90°晶格取向的BTO层在不同温度下的对应Pockels系数。曲线210-240显示BTO的Pockels效应是各向异性的，因此EO效应可以是EO器件中BTO层中的晶格取向的函数。
曲线210-240还示出了Pockels系数的温度相关性。例如，图2示出，当BTO层中的晶格的取向为约45°时，Pockels系数可以在约200K和约260K之间是最高的，例如在约240K，其中Pockels系数可以大于700pm/V。在约240K以下，Pockels系数的大小可以逐渐减小到在4K下约200pm/V，其小于在室温下的Pockels系数的1/3。此外，在约140K至约100K下，Pockels系数可快速降低。
尽管与其室温下的Pockels系数相比，BaTiO3的Pockels系数在4K下可显著降低，但该值(例如，约200pm/V)仍可大于一些其它材料在室温下的值。降低的Pockels系数对EO开关的能量效率的影响可以通过降低BaTiO3在低温下的电介质常数来部分地补偿。此外，BaTiO3的电导率可以在低温下降低，这有助于降低BaTiO3器件在制冷温度环境中的静态功耗。
为了改善基于Pockels效应的EO器件在制冷温度下的性能，会期望在制冷温度下保持EO材料的高室温Pockels系数。根据某些实施例，确定Pockels效应的降低可以至少部分地由晶体的应变和极化随温度变化的变化以及晶体在某些温度下的结晶相和极化的转变引起，因为如上所述，Pockels效应可以发生在缺乏反转对称性(例如，非中心对称)的晶体中，并且Pockels张量的非零元素可以取决于晶体对称性。因此，如果EO材料可以在制冷温度下保持其室温晶体结构，则可以改善EO材料在低温下的Pockels系数。
图3A至图3D示出了ABO3钙钛矿晶体(例如BaTiO3)在不同温度下的结晶相变。钛酸钡(BaTiO3)通常在高于居里温度(例如，在约120℃)时可以处于无净极化的顺电相。图3A示出了高于居里温度的BaTiO3中的立方晶体结构310。大尺寸的钡离子(A离子)通常占据角落位置。尺寸小的钛酸根离子(B离子)通常位于立方体的中心。氧阴离子通常在表面中心上。与许多其它氧化物晶体不同，钙钛矿晶体中的氧阴离子可能不形成密堆结构。因此，钙钛矿晶体(例如BaTiO3)的晶体结构可能由于钙钛矿晶体中的温度变化和应力而改变。在约居里温度下，晶体可以经历相变(也称为位移相变)并且可以在约5℃至约120℃的温度范围内采用极性四方相。
图3B示出了在约5℃至约120℃的温度范围内BaTiO3中的极性四方晶体结构320。当从居里温度冷却下来时，可以形成极性四方晶体结构320。四方结构的形成可以使晶胞永久极化，这可以导致沿着c轴的自发极化，该c轴可以平行于立方晶体结构310中的六个等效<100>轴中的任何一个。因此，极性四方相可以具有平行于晶胞边缘的6个稳定的极化方向，从而产生6个不同的晶体变体。
图3C示出了在从约-90℃至约5℃的温度范围内的BaTiO3中的斜方晶体结构330。如图3C所示，在进一步冷却至低于约5℃时，BaTiO3的晶胞可以通过沿着面对角线(<110>)方向332伸长而进一步变形，并且四方晶体结构320可以改变为斜方晶体结构330。在立方晶体结构310中可以有12个等同的<110>方向，这可以导致在斜方相中有12个可能的极性方向。斜方相可以从约5℃降至约-90℃是稳定的。
图3D示出了在低于约-90℃的温度下BaTiO3中的菱方晶体结构340。如图3D所示，在进一步冷却至低于约-90℃时，BaTiO3的晶胞可沿主体对角线(<111>)方向342经历另一变形，从而产生菱方对称结构。在立方晶体结构310中，在沿着<111>方向的菱方相中可以有8个等效的极性方向。
因此，块状BaTiO3晶体可以从在室温下的四方相转变为在约270K或低于270K的温度下的正方相，然后在约180K或低于180K的温度下转变为菱方相。这种晶体结构和相变可以在许多钙钛矿铁电体中发现。相变可以改变Pockels张量的元素并修改有效Pockels系数的大小。
如上所述，晶体结构和相变也可以影响可用的极化方向。在微结构水平，具有均匀电极化的区域可以形成畴，其中每个域是包括单晶变体的区域。域之间的界面可以被称为畴壁。铁电晶体可以采用稳定的最小能量排列的畴和畴壁。在许多情况下，可能不能实现全局最小值，并且稳定状态可能是局部能量最小值，并且能量最小化可能导致具有多个畴的晶体，畴由畴壁隔开，畴壁被定向以通过保持跨壁的应变和极化的相容性来使能量最小化。
因此，通过在制冷温度下保持室温晶体结构和极化方向，可以提高EO材料在低温下的Pockels系数。例如，根据某些实施例，EO材料层可以包括交错的和互锁的薄的EO材料层和中间层。中间层可以具有在工作温度下不改变的晶格结构。因此，互锁到中间层的薄的EO材料层可以保持它们的晶格结构和极化方向，并因此保持EO系数，而不会在工作温度改变时经历相变(如以上关于图3A-3D所述)。
图4是示出根据某些实施例的用于制造包括EO材料层的EO器件的方法的示例的简化流程图400，所述EO材料层的特征在于从室温到制冷温度的基本上恒定的EO系数。即使图4描述了按顺序流程的操作，一些操作也可以并行或同时执行。一些操作可以以不同的次序执行。操作可以具有未包括在附图中的附加步骤。一些操作可以是可选的，因此在各种实施例中可以省略。一些操作可以与另一个操作一起执行。
在框410处，籽晶层(例如，籽晶层156)可沉积在衬底(例如，衬底152)上。如上所述，衬底可以是半导体晶片，例如单晶硅晶片、锗晶片、硅上锗晶片、绝缘体上硅(SOI)晶片等。衬底可以包括各种尺寸的半导体晶片，例如4英寸、6英寸、8英寸、10英寸、12英寸或更大。通常，希望使用大的晶片来提高生产率。例如，可以使用12英寸的硅晶片作为衬底。
籽晶层可以具有与EO器件中使用的EO材料的晶格结构类似的晶格结构，并且可以包括例如SrTiO3(STO)、MgO或LaAlO3。可以使用例如分子束外延(MBE)在衬底上外延沉积或生长籽晶层。在一个实施例中，可以在氧环境中在硅晶片的表面上沉积Sr和Ti以形成非晶SrTiO3层，并且非晶SrTiO3层可以在较高温度下结晶以形成外延结晶SrTiO3层。Si和STO之间的晶格失配可以是大约2％，并且当STO层的厚度小于例如大约5nm时，高质量的STO可以主要与硅相干。
图5A说明根据某些实施例的具有外延籽晶层520的衬底510(例如，半导体晶片)的示例。在图5所示的例子中，衬底510可以包括硅或SOI晶片。外延籽晶层520可以包括相干外延STO层，其可以具有例如几纳米或几十纳米的厚度，例如小于约8nm或小于约5nm。
再参考图4，在框420处，可以通过例如外延沉积将薄的第一EO材料层沉积在籽晶层上。薄的第一EO材料层可以包括例如铁电材料或钙钛矿铁电材料，例如BaTiO3(BTO)、(Ba,Sr)TiO3(BST)、(Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)等。薄的第一EO材料层可以具有小于例如100nm的厚度。BTO和硅之间的晶格失配可以是大约4％，并且当BTO层的厚度小于大约100nm时，BTO层可以部分地与Si/STO相干，这可能导致BTO层中的压应力。因此，沉积在籽晶层上的薄的第一EO材料层(例如，BTO)可能由于压应力而具有面外极化。
图5B示出了根据某些实施例外延沉积在籽晶层520上的EO材料层530的内应力和晶格取向。如上所述，EO材料可包括例如BaTiO3(BTO)、(Ba,Sr)TiO3(BST)、(Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)等。当沉积时，EO材料层530(例如，STO/Si上的BTO)可主要包括具有四方结构525的畴，其中四方结构525的c方向垂直于层530(即，面外极化)，这是由于如图5B所示的压应力。层530可以是薄层，例如小于100nm或更薄，以便层530中的铁电材料在低温下锁定到具有四方结构的中间层。
在图4的框430处，衬底、籽晶层和薄的第一EO材料层可以在氧环境中在较高温度(例如在SiO2的熔点以上)下退火。例如，退火温度可以高于600℃，例如750℃或更高。高温退火可有助于释放应力并在衬底(例如，Si)和籽晶层(例如，STO)之间的界面处形成缓冲层。缓冲层可以包括氧化物层，例如SiO2层。例如，可以在高退火温度和氧环境下氧化衬底和籽晶(例如，STO)层之间的界面处的硅，以形成SiO2层。当退火温度高于缓冲层的熔点(例如，约600℃)时，缓冲层(例如，SiO2)可以软化，并且因此籽晶层和薄的第一EO材料层可以与衬底分离并且可以允许释放籽晶层和薄的第一EO材料层中的应力。因此，由于在高温退火期间SiO2软化，EO材料中的应力(例如BTO)可以从压应力变为自然应力，并且可以改善籽晶层和薄的第一EO材料层的质量。
在高温下，BTO(例如，约3.5E-6/℃)和硅(例如，约2.6E-6/℃)之间的热膨胀系数(CTE)可能存在较大差异。因此，当缓冲层(例如SiO2)在冷却下来的过程中在550℃以下硬化时，硅和BTO之间的大CTE差异可导致BTO中的应力经历自然应力至张应力的转变。这样，在室温下，BTO中的净应力或主应力可能已经从压应力改变为张应力，这可能导致极化从面外极化改变为面内取向。因此，可以选择退火温度，使得BTO可以处于张应力下，并且在冷却之后由于BTO和硅之间的CTE的大差异所引起的应力而可以具有面内极化。
图5C示出了根据某些实施例的在高温氧化退火之后外延沉积在籽晶层520上的EO材料层530的内应力和晶格取向。如所示，由于如上所述的退火之后的层530中的张应力，铁电材料层530(例如，STO/Si上的BTO)可以主要包括具有四方结构535的畴，其中四方结构535的c方向平行于层530(即，面内极化)。图5C还示出了在高温氧化退火期间通过衬底的氧化形成的缓冲层540，例如氧化物层(例如SiO2)。
图6示出了根据某些实施例的在退火之后的晶体质量改善，其通过针对在退火之前和退火之后的外延层(例如SrTiO3外延层)的示例使用卢瑟福(Rutherford)背散射光谱(RBS)/沟道测量的离子沟道来示出。在RBS/沟道中，从它们的晶格位置移位的原子可以与被引导的光束相互作用，导致散射产率(scattering yield)的增加。图6中的曲线610示出了在退火之前由SrTiO3外延层背散射的不同沟道中检测到的背散射粒子(例如，离子)的总数(背散射粒子的能量)。如图所示，在退火之前，SrTiO3外延层包括许多移位的Sr和Ti原子。图6中的曲线620示出了在退火之后由SrTiO3外延层背散射的不同沟道中检测到的背散射粒子的总数。曲线620示出了被移位的Sr和Ti原子的数量或百分比被显著降低，并且因此结晶SrTiO3外延层的质量被显著改善。即使在图6中未示出，BTO外延层的质量也可以通过退火工艺被类似地改善。
图7示出了x射线衍射数据的示例，其显示了在高温下外延层(例如SrTiO3外延层)的示例的异相晶格常数弛豫。可以使用例如MBE在硅晶片上沉积SrTiO3外延层。图7显示，在低于约600℃的温度下，异相热晶格膨胀可以是温度的线性函数。异相晶格常数可以在约600℃开始弛豫，这表明STO在低于约600℃下受压应力，并且压应力可以在高于600℃的温度下释放。
返回参考图4，在框440处，可以在第一EO材料层(例如，BTO层)上沉积薄的中间层，并且可以在中间层上沉积薄的EO材料层(例如，另一BTO层)。还可以使用如上所述的高温氧化退火对中间层和EO材料层进行退火，以弛豫BTO，改善晶体质量，并确保薄的BTO层中的面内极化。薄的中间层和薄的EO材料层可以在多个工艺循环中的每一者中被交替地沉积和退火，以形成交错的和互锁的中间层和EO材料层的堆叠，直到EO材料层的总厚度达到目标厚度。
在各种实施例中，中间层可以包括与EO材料的晶体结构类似的晶体结构，并且可以在低温下不经历相变。因此，在低温下，中间层可以具有类似于EO材料的室温晶体结构的晶体结构。中间层可以包括某些氧化物，例如MgO、BST、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrNbO3、SrZrO3，或具有与BTO的四方晶体结构的晶格常数接近的晶格常数的其它氧化物。中间层可以限制BTO从其在室温下的四方相到在较低温度的其它相的转变。
图5D示出了在根据某些实施例的工程化的晶片500的示例中与中间层交错的EO材料层的内应力和晶格取向。在图5D所示的示例中，工程化的晶片500可以包括衬底510(例如，硅晶片)、缓冲层540(例如，SiO2缓冲层)、籽晶层520(例如，厚度小于约8nm的STO层)以及多个薄的EO材料层530、532、534等(例如厚度均小于约100nm的薄的BTO层)。在所述多个薄的EO材料层530、532和534之间是多个中间层550、552等，例如MgO、BST、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrZrO3、SrNbO3或其它氧化物层。每个中间层550或552可以具有小于例如约10nm的厚度，并且可以用于将薄的BTO层彼此分开并且在薄的BTO层上施加张应力。在一些实施例中，每个EO材料层的厚度与每个中间层的厚度之间的比率可以小于约20:1、10:1、8:1、5:1或更低。EO材料层中的净应力或主应力可以是张应力。如上所述，包括交错的中间层和薄的EO材料层的层堆叠可以在高温退火中进行退火以使EO材料弛豫，改善材料质量，并确保EO材料层中的面内极化(例如，晶体结构的c轴平行于EO材料层)，如通过四方结构535所示。
同样如上所述，交错和互锁的薄EO材料层和中间层的堆叠(例如BTO/MgO堆叠)可以在低温下保持EO材料中的张应力，从而由于张应力而在低温(例如制冷温度)下保持EO材料的四方结构535。因此，在制冷温度下EO材料的EO效应(例如Pockels效应)可以接近在室温下的EO材料的Pockels效应。
在框450处，波导可以形成在交错的薄的EO材料层和中间层的堆叠上或键合到交错的薄的EO材料层和中间层的堆叠上。例如，在一些实施例中，波导层(例如硅、SiGe或Si3N4层)可直接沉积在堆叠上，硅、SiGe或Si3N4层可使用光刻来图案化以形成波导芯，且可随后在波导芯上沉积覆层(也称为覆盖层)以形成波导。硅、SiGe或Si3N4层可以间接沉积在堆叠上，其之间有缓冲层。缓冲层可以防止波导芯和EO材料之间的相互作用，和/或用作用于图案化波导层的刻蚀阻挡层。在一些实施例中，可在第二衬底上形成波导芯和上包覆层和/或下包覆层，然后可将其键合到交错的薄的EO材料层和中间层的堆叠(例如，工程化的晶片500)上，其中工程化的晶片500的衬底稍后可通过例如水平湿刻蚀(例如，使用牺牲层)或其它剥离技术(例如激光剥离技术)来去除。在一些实施例中，其中一些薄的EO材料层可用于形成波导芯。
波导的覆层可以包括电介质材料或EO材料，其具有低于波导芯的折射率的折射率。覆层可以包括例如Si3N4、氧化物(例如SiO2、Al2O3和MgO)、高κ材料(例如氧化铪(HfO2)等。在一些实施例中，具有压应力的非晶电介质覆层(例如，Si3N4、SiO2、Al2O3等)可以在低于约550℃的温度下沉积在交错的薄的EO材料层和中间层的堆叠上。覆层可以在交错的薄的EO材料层和中间层的堆叠上施加张应力，以进一步保持EO材料的四方相。覆层也可以用作晶片到晶片的键合或管芯到晶片的键合的电介质层。在一些实施例中，覆层可以用作用于某些刻蚀工艺的刻蚀阻挡层。下面详细描述使用交错的薄的EO材料层和中间层的堆叠的波导结构和EO器件配置的一些示例。
图5E示出了根据某些实施例的在波导结构505中与中间层交错的EO材料层的内应力和晶格取向。如图所示，波导芯560可以与工程化的晶片500相邻，并且可以由波导覆层570覆盖。波导覆层570可以包括非晶电介质覆层(例如，Si3N4、SiO2、Al2O3等)，并且可以在薄的EO材料层的堆叠上施加张应力以在低温下保持EO材料的四方相。例如，SiO2和BTO在低温(例如，低温)下可以具有非常不同的CTE特性，其中SiO2的CTE在低温下可以变成负值(即，随着温度降低而膨胀)。因此，当被冷却到低温时，由于BTO层和SiO2覆层之间的CTE的大差异，SiO2覆层可以在BTO层上施加张应力。因此，EO材料层中的主要应力可以是在从室温到制冷温度的温度下的张应力。这样，EO材料层可以保持四方晶体结构和面内极化，其中晶体结构的c轴可以平行于EO材料层。
在框460处，可以对堆叠中的EO材料层进行电连接，以便向EO材料层施加电压信号。例如，可以在覆层中刻蚀沟槽并穿过堆叠中的EO材料层，可以首先在沟槽侧壁处涂覆诸如TiN或Ti和TiN的薄的导电衬里材料层以促进粘附并防止扩散，然后导电电极材料(例如，W或Co)可以填充沟槽以形成用于EO器件的电极。可替代地，首先在沟槽侧壁处涂覆导电阻挡材料(例如，TaN)和衬里(例如，Ta,Co或Ru)以沉积Cu导电电极。以这种方式，EO材料层的每一者都可以与电极接触，并且可以接收电压信号以由于电压信号引起的电场而改变其折射率。
图8是根据某些实施例的包括EO材料层的波导结构800的示例的简化截面图，其可以在制冷下保持四方相。波导结构800可以包括第一部分802和第二部分804，它们通过例如晶片到晶片的熔合键合而键合在一起。第一部分802可包括与薄的中间层840、842和844交错的薄的EO材料层830、832、834和836的堆叠。如以上关于图4和图5B至图5D所述，EO材料层830、832、834和836可以包括铁电晶体，例如BaTiO3(BTO)、(Ba,Sr)TiO3(BST)、(Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)等等。中间层840、842和844可以包括例如MgO、BST、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrNbO3、SrTiO3、SrZrO3或其它氧化物。
EO材料层和中间层可以交替地形成，使得EO材料层和中间层可以彼此交错和互锁，以形成交错的层的堆叠。EO材料层和中间层可以是薄层，其中每个EO材料层的厚度与每个中间层的厚度之间的比率可以小于约20:1、10:1、8:1、5:1或更低。在一个示例中，每个EO材料层的厚度可以是约100nm或更薄，并且每个中间层的厚度可以是约10nm或更薄。堆叠中的多个EO材料层的总厚度可以大于某一值，例如大于约300nm。交错的层的堆叠可形成在籽晶层820上，籽晶层820又可沉积在例如如上所述的半导体衬底(例如，硅衬底)(图8中未示出)上。可以使用例如上述高温氧化退火工艺在籽晶层820和半导体衬底之间形成缓冲层810。
第二部分804可以包括形成在衬底860上的波导，衬底860可以是半导体衬底(例如，硅承载晶片)或玻璃、石英、陶瓷或金属衬底。波导可以包括波导芯870和波导覆层880。波导芯870可以包括具有高折射率的材料，例如硅、SiN、SiGe等。波导覆层880可以包括具有低于波导芯870的折射率的电介质材料。波导覆层880可以包括例如Si3N4、SiO2、Al2O3、MgO、SiON、SiCN、SiCON、SiCO等的非晶态电介质覆层。波导覆层880可以用作用于晶片到晶片键合和管芯转移的电介质层。当键合到第一部分802时，波导覆层880可以在交错的薄的EO材料层和中间层的堆叠上施加张应力，以如上所述在低温下保持EO材料的四方相。波导结构800的第二部分804还可以包括形成在衬底860的顶部上的其它无源或有源器件。
在第一部分802和第二部分804键合在一起之后，其上形成有薄的EO材料层830、832、834和836以及薄的中间层840、842和844的堆叠的半导体衬底可以通过例如背研磨、背磨削、水平湿刻蚀、剥离技术(例如激光剥离技术)等等而变薄或被去除。然后可以在第一部分802中从缓冲层810侧向下刻蚀沟槽至第一部分802和第二部分804之间的界面，其中波导覆层880可以用作刻蚀工艺的刻蚀阻挡层。诸如Ti、TiN和TaN的导电材料可以与电极金属(例如，Cu、W、Co等)一起被沉积或以其它方式填充沟槽并形成电极850。
电极850可用于通过边缘接触而不是表面接触将电压信号施加到薄的EO材料层830、832、834和836。边缘接触可以直接将电压信号施加到EO材料层，而不通过中间层，该中间层可以具有与EO材料的电介质常数不同的电介质常数。例如，MgO可以具有比BTO低的电介质常数。因此，边缘接触可以有助于消除由于电介质常数的差异而由中间层引起的场干扰。在一些实施例中，中间层(例如，BST层)可具有与EO材料(例如，BTO)的电介质常数类似的电介质常数，并且表面接触可用于将电压信号施加到EO材料层。
图9是根据某些实施例的包括EO材料层的波导结构900的另一个示例的简化截面图，所述EO材料层可以在制冷下保持四方相。波导结构900可以包括衬底910，其可以类似于上述的衬底152或510。在一个示例中，衬底910包括大(例如，12英寸)硅晶片。波导结构900还可以包括衬底910上的缓冲层922和籽晶层920。缓冲层922可以类似于上述的缓冲层154、540或810。缓冲层922的一个示例是SiO2层。籽晶层920可以类似于上述的籽晶层156、520或820。籽晶层920的一个示例是STO层。如上所述，可以通过沉积在衬底910(例如，硅晶片)上的籽晶层920的高温氧化退火来形成缓冲层922，其中衬底910可以在籽晶层920和衬底910之间的界面处被氧化以在籽晶层920和衬底910之间形成缓冲层922。
波导结构900可以包括多个EO材料层930、932、934等，以及多个中间层940、942等。如上所述，EO材料层930、932和934可以包括铁电晶体，例如BaTiO3(BTO)、(Ba,Sr)TiO3(BST)、(Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)等。中间层940和942可以包括例如MgO、BST、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrNbO3、SrTiO3、SrZrO3或其它氧化物。EO材料层和中间层可以交替地沉积在籽晶层920的顶部，使得EO材料层和中间层可以彼此交错和互锁，以形成交错的层的堆叠。EO材料层和中间层可以是薄层，其中每个EO材料层的厚度与每个中间层的厚度之间的比率可以小于约20:1、10:1、8:1、5:1或更低。在一个示例中，每个EO材料层的厚度可以是约100nm或更薄，并且每个中间层的厚度可以是约10nm或更薄。堆叠中的多个EO材料层的总厚度可以大于某一值，例如大于约300nm。
包括波导芯950和覆层960的波导可以形成在交错的层的堆叠上，如上面关于例如图4的框450和图5E所描述的。波导芯950可以包括例如Si、SiGe或SiN，并且覆层960可以包括例如Si3N4、SiO2、Al2O3、MgO、SiCN、SiON、SiCO、HfO2等。
然后可以在覆层960和从覆层960向下到籽晶层920或缓冲层922的交错的层的堆叠中刻蚀沟槽，缓冲层922可以用作刻蚀工艺的刻蚀阻挡层。诸如金属(例如，Cu、W、Co等)的导电材料可以被沉积或以其它方式填充沟槽并形成电极970。如上文关于图8所述，电极970可用于通过边缘接触而不是表面接触将电压信号施加到EO材料层930、932和934，以避免由可具有与EO材料层930、932和934的电介质常数不同的电介质常数的中间层940和942引起的场干扰。
图10是根据某些实施例的包括EO材料层的波导结构1000的又一示例的简化截面图，所述EO材料层可以在制冷温度下保持四方相。波导结构1000可以包括衬底1010，其可以类似于上述的衬底152、510或910。波导结构1000还可以包括在衬底1010上的缓冲层1022和籽晶层1020。缓冲层1022可以类似于上述的缓冲层154、540、810或922。缓冲层1022的一个例子是SiO2层。籽晶层1020可以类似于上述籽晶层156、520、820或920。籽晶层1020的一个示例是STO层。如上所述，缓冲层1022可以通过沉积在衬底1010(例如，硅晶片)上的籽晶层1020的高温氧化退火来形成，其中衬底1010可以在籽晶层1020和衬底1010之间的界面处被氧化以在籽晶层1020和衬底1010之间形成缓冲层1022。
波导结构1000可以包括多个EO材料层1030、1032、1034、1036等，以及多个中间层1040、1042、1044等。如上所述，EO材料层1030、1032、1034和1036可以包括铁电晶体，例如BaTiO3(BTO)、(Ba,Sr)TiO3(BST)、(Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)等。中间层1040、1042和1044可以包括例如MgO、BST、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrNbO3、SrTiO3、SrZrO3或其它氧化物。EO材料层和中间层可以交替地沉积在籽晶层1020的顶部，使得EO材料层和中间层可以彼此交错和互锁，以形成交错的层的堆叠。EO材料层和中间层可以是薄层，其中每个EO材料层的厚度与每个中间层的厚度之间的比率可以小于约20:1、10:1、8:1、5:1或更低。在一个示例中，每个EO材料层的厚度可以是约100nm或更薄，并且每个中间层的厚度可以是约10nm或更薄。堆叠中的多个EO材料层的总厚度可以大于某一值，例如大于约300nm。
波导结构1000还可以包括波导，所述波导包括覆层1050和波导芯，所述波导芯包括交错的层的一些层。在图10所示的例子中，波导芯可以包括EO材料层1034和1036以及中间层1042和1044，其可以通过例如光刻来图案化。在一些实施例中，中间层1044和1042可用作用于刻蚀EO 1034和1036的刻蚀阻挡层。例如，中间层1044可以用作用于使用第一程序刻蚀EO材料层1036的刻蚀阻挡层，然后可以使用第二程序刻蚀中间层1044，并且中间层1042可以用作用于使用第一程序刻蚀EO材料层1034的刻蚀阻挡层。以这种方式，波导芯可以形成为包括一些EO材料层和中间层的台面结构。
如上面关于例如图4的框450和图5E所描述的，可以在波导芯上形成覆层1050。覆层1050可以包括例如Si3N4、SiO2、Al2O3、MgO、SiCN、SiON、SiCO、SiOCN、HfO2等。可以在覆层1050中以及从覆层1050向下到籽晶层1020或缓冲层1022的交错的层的堆叠中的一些层中刻蚀沟槽，缓冲层1022可以用作用于蚀刻沟槽的刻蚀阻挡层。诸如金属(例如，Cu、W、Co等)的导电材料可以被沉积或以其它方式填充沟槽并形成电极1060。如上所述，电极1060可用于通过边缘接触将电压信号施加到EO材料层1030和1032，和/或将电压信号施加到EO材料层1034和1036。
上述波导结构800、900和1000可以各自包括交错的层的堆叠，所述交错的层包括交替的EO材料层和中间层。EO材料层和中间层可以是薄的并且在室温下可以具有类似的晶格结构，并且因此可以在制造工艺之后互锁。中间层可以包括当工作温度改变时不经历相变的材料。因此，薄的EO材料层和中间层之间的互锁可以防止当工作温度例如改变到制冷温度时EO材料层发生相变。因此，EO材料层可以在制冷温度下基本上保持其室温晶格结构(例如，四方相)和极化(例如，同相极化)，从而保持EO效应(例如，Pockels系数)。波导结构800、900和1000可用于使用相位调节或折射率调制在低温下操作的光开关、EO调制器或其它有源光子器件，例如上述马赫-曾德尔干涉仪120或光开关100。
在本文公开的波导结构和EO器件的各种实施例中，可以使用单横模波导(例如，波导芯的宽度在亚微米到微米范围内)或多模波导(具有支持两个或更多个横模的较宽波导芯)。可使用(例如)外延生长、沉积、层转移等来形成各种材料、层和结构以制造EO器件。即使在一些实施例中描述了用于在制冷温度下改善Pockels效应的技术，但本文公开的技术也可用于在不同温度下改善其它EO效应。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换。
图11是示出根据某些实施例的用于制造工程化的晶片和/或包括EO材料层的EO器件的方法的示例的简化流程图1100，所述EO材料层的特征在于从室温到制冷温度的基本上恒定的EO系数。即使图11描述了按顺序流程的操作，但是一些操作也可以并行或同时执行。一些操作可以以不同的次序执行。操作可以具有未包括在附图中的附加步骤。一些操作可以是可选的，因此在各种实施例中可以省略。一些操作可以与另一个操作一起执行。
在框1110，操作可以包括在衬底上沉积籽晶层。衬底可以包括例如半导体衬底(例如硅晶片)、玻璃衬底、石英衬底，陶瓷衬底等，如上所述。可以使用例如MBE技术在衬底上外延生长籽晶层，并且可以包括例如SrTiO3(STO)、MgO或LaAlO3。
在框1120，操作可以包括使用例如MBE技术在籽晶层上外延沉积第一电光材料层。籽晶层可以具有与第一EO材料层的晶格结构和/或衬底的晶格结构类似的晶格结构，并且可以包括例如铁电材料或钙钛矿铁电材料(例如BTO、BST、PZT、PLZT等)。第一EO材料层中的材料在室温下可以具有四方晶格结构，并且当以块状使用时，可以在较低的温度下改变其晶格结构和结晶相。第一EO材料层可以具有小于例如100nm的厚度。
在框1130，操作可以包括在氧环境中对衬底、籽晶层和第一电光材料层进行退火以在衬底和籽晶层之间形成氧化物缓冲层。退火可以在例如高于氧化物缓冲层的软化温度的温度下进行，例如高于600℃(例如750℃或更高)。高温退火可有助于在衬底(例如Si)和籽晶层(例如STO)之间的界面处形成氧化物缓冲层(例如SiO2)。当退火温度高于氧化物缓冲层的软化温度时，氧化物缓冲层可以软化，因此籽晶层和第一EO材料层可以与衬底分离，并且可以允许释放籽晶层和第一EO材料层中的应力。
在框1140，操作可以包括在第一电光材料层上沉积第一中间层。第一中间层可以包括与第一EO材料层的晶体结构类似的晶体结构，并且可以在低温下不经历相变。因此，第一中间层可以包括能够在室温和制冷温度(例如，在约4K)下保持第一晶格结构的材料。第一中间层可以包括例如MgO、(Ba,Sr)TiO3、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrNbO3、SrTiO3、SrZrO3等中的至少一者。
在框1150，操作可以包括在第一中间层上沉积第二电光材料层。第二电光材料层可以类似于第一电光材料层。在框1160，操作可以包括在高温退火中对第二电光材料层和第一中间层进行退火以使第二EO材料层弛豫，改善材料质量，并确保第二EO材料层中的面内极化。
在一些实施例中，可以交替沉积附加的中间层和EO材料层，直到EO材料层的总厚度大于所需值。在一些实施例中，包括交错的中间层和EO材料层的附加层可以在高温退火中进行退火。第一中间层、第二中间层和附加的中间层可以具有小于例如约10nm的厚度，并且可以用于将EO材料层彼此分离并且用于在EO材料层上施加张应力以限制EO材料层的相变。在一些实施例中，每个EO材料层的厚度与每个中间层的厚度之间的比率可以小于约20:1、10:1、8:1、5:1或更低。因为中间层在较低温度(例如制冷温度)下可不改变晶格结构和结晶相，所以中间层可以限制EO材料层在较低温度下改变其室温下的晶格结构和结晶相。因此，EO材料层可在较低温度下具有高EO效应(例如，Pockels效应)。例如，EO材料层可以包括BTO，并且在制冷温度下可以具有大于300pm/V的Pockels系数。
可选地，在框1170处，可以在交错的中间层和EO材料层的堆叠上形成波导。波导可以是马赫-曾德尔干涉仪、谐振器、光开关、电光调制器等的一部分。在一些实施例中，波导可以包括波导芯，该波导芯包括电介质材料或半导体材料，或者包括电光材料层中的一个或更多个电光材料层。在一些实施例中，波导可以包括波导覆层，波导覆层与所述多个电光材料层中的电光材料层物理接触并且波导覆层可以特征在于热膨胀系数与电光材料层的热膨胀系数不同。波导覆层可以包括例如Si3N4、SiO2、Al2O3、MgO、SiCN、SiON、SiCO、SiOCN或HfO2中的至少一者。
在一些实施例中，形成波导可以包括将一个或更多个电光材料层图案化以形成波导芯，以及在波导芯上沉积电介质覆层。将一个或更多个电光材料层图案化可以包括使用中间层作为刻蚀阻挡层来刻蚀一个或更多个电光材料层。在一些实施例中，形成波导可以包括：在包括中间层和EO材料层的层堆叠上沉积高折射率材料层，将高折射率材料层图案化以形成波导芯，以及在波导芯上沉积电介质覆层。在一些实施例中，形成波导可以包括将包括波导的晶片键合到包括中间层和EO材料层的层堆叠。在一些实施例中，该方法还可以包括在包括中间层和EO材料层的层堆叠中刻蚀沟槽，并且用导电材料填充沟槽。在一些实施例中，在层堆叠中刻蚀沟槽可包括使用氧化物缓冲层作为刻蚀阻挡层。
图12是根据某些实施例的包括电光器件(例如，开关)的混合量子计算系统1200的示例的简化系统框图。为了在低温(例如液氦温度)下操作，本发明的实施例将这里讨论的电光开关集成到包括冷却系统的系统中。因此，本发明的实施例提供了一种混合计算系统，例如，如图12所示。混合量子计算(QC)系统1200包括与混合量子计算子系统1206通信耦合的用户界面装置1204。用户界面装置1204可以是任何类型的用户界面装置，例如，包括显示器、键盘、鼠标、触摸屏等的终端。此外，用户界面装置本身可以是计算机，例如个人计算机(PC)、膝上型计算机、平板计算机等。
在一些实施例中，用户界面装置1204提供用户可以与混合QC子系统1206交互的界面。例如，用户界面装置1204可以运行软件，诸如文本编辑器、交互式开发环境(IDE)、命令提示、图形用户界面等，从而用户可以编程QC子系统，或者以其他方式与QC子系统交互，以运行一个或更多个量子算法。在其它实施例中，可以对混合QC子系统1206进行预编程，并且用户界面装置1204可以简单地是用户可以发起量子计算、监视进程以及从混合QC子系统1206接收结果的界面。混合QC子系统1206还包括耦合到一个或更多个量子计算芯片1210的经典计算系统1208。在一些示例中，经典计算系统1208和量子计算芯片1210可耦合到其它电子部件1212，例如，脉冲泵浦激光器、微波振荡器、电源、联网硬件等。
在利用制冷温度操作的一些实施例中，量子计算系统1209可以容纳在低温恒温器(例如低温恒温器1214)内。在一些实施例中，量子计算芯片1210可以包括一个或更多个组成芯片，例如混合电子芯片1216和集成光子芯片1218，其可以包括在本文公开的各种波导结构和/或EO器件。信号可以通过任何种方式在芯片上和芯片外路由，例如，经由光学互连1220和其它电子互连1222路由。此外，混合量子计算系统1200可以采用量子计算过程，例如基于测量的量子计算(MBQC)，其采用一个或更多个量子比特的簇态。
对于本领域的技术人员明了的是，可以根据特定的实施方式进行实质性的变化。例如，也可以使用定制的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，例如小应用程序等)或这两者实现特定的元件。此外，可以采用到其它计算设备(诸如网络输入/输出设备)的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。这里使用的术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”是指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文所提供的实施例中，向处理器和/或其它一个或多个设备提供指令/代码以供执行可涉及各种机器可读介质。附加地或可替代地，机器可读介质可用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理的和/或有形的存储介质。这种介质可以采用多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括，例如，磁性和/或光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其它物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪速EPROM(FLASH-EPROM)、任何其它存储芯片或盒式磁带、如下文所述的载波、或计算机可从中读取指令和/或代码的任何其它介质。
本文讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施例可以适当地省略、替换或添加各种程序或部件。例如，关于某些实施例描述的特征可以在各种其它实施例中组合。实施例的不同方面和元件可以以类似的方式组合。本文提供的附图的各种部件可以用硬件和/或软件来实现。此外，技术逐步发展，因此，许多要素是示例，其并不将本公开的范围限制为那些特定示例。
有时，主要出于普遍使用的原因，将信号称为比特、信息、值、元素、符号、字符、变量、术语、数字、数字等已被证明是方便的。然而，应当理解，所有这些或类似的术语都与适当的物理量相关联，并且仅仅是方便的标记。除非另有具体说明，否则的话，如从以上讨论中明了的，应当理解，在整个说明书中使用诸如“处理”、“计算”、“核算”、“确定”、“断定”、“识别”,“关联”、“测量”、“执行”等术语的讨论是指诸如专用计算机或类似专用电子计算设备的特定设备的动作或过程。因此，在本说明书的上下文中，专用计算机或类似的专用电子计算设备能够操纵或变换信号(通常表示为专用计算机或类似的专用电子计算设备的存储器、寄存器或其它信息存储设备、传输设备或显示设备内的物理电子、电或磁的量)。
所属领域的技术人员将了解，可使用多种不同技术和技术中的任一者来表示用于传送本文所述的消息的信息和信号。例如，可以通过电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或它们的任意组合来表示在整个以上描述中引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片。
本文所用的术语“和”、“或”和“一个/或”可以包括也预期至少部分取决于使用这些术语的上下文的各种含义。通常，“或”如果用于关联列表，例如A、B或C，则意指A、B和C，在此以包含性意义使用，以及A、B或C，在此以排他性意义使用。此外，如本文所用的术语“一个或更多个”可用于以单数形式描述任何特征、结构或特性，或可用于描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应注意，这仅是说明性示例，且所要求保护的主题不限于此示例。此外，术语“至少一个”如果用于关联列表，例如A、B或C，则可解释为意指A、B和/或C的任何组合，例如A、B、C、AB、AC、BC、AA、AAB、ABC、AABBCCC等。
本说明书通篇提及的“一个示例”、“示例”、“某些示例”或“示例性实施方式”是指结合该特征和/或示例描述的特定特征、结构或特性可以包括在所要求保护的主题的至少一个特征和/或示例中。因此，短语“在一个示例中”、“示例”、“在某些示例中”、“在某些实施方式中”或贯穿本说明书各处的其它类似短语的出现不一定都是指相同的特征、示例和/或限制。此外，可以在一个或更多个示例和/或特征中组合特定的特征、结构或特性。
在一些实施方式中，操作或处理可涉及物理量的物理操作。通常，尽管不是必须的，但是这样的量可以采取能够被存储、传递、组合、比较或以其它方式操作的电或磁信号的形式。有时，主要出于常用的原因，将信号称为位、数据、值、元素、符号、字符、术语、数字、数字等，已被证明是方便的。然而，应当理解，所有这些或类似的术语都与适当的物理量相关联，并且仅仅是方便的标记。除非另有具体说明，如从本文的讨论中显而易见的，应当理解，贯穿本说明书，使用诸如“处理”、“计算”、“核算”、“确定”等术语的讨论是指诸如专用计算机、专用计算设备或类似专用电子计算设备的特定设备的动作或过程。因此，在本说明书的上下文中，专用计算机或类似的专用电子计算设备能够操纵或变换信号，通常表示为专用计算机或类似的专用电子计算设备的存储器、寄存器或其它信息存储设备、传输设备或显示设备内的物理电子或磁的量。
在前面的详细描述中，已经阐述了许多具体细节以提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，所要求保护的主题可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，没有详细描述本领域普通技术人员所知的方法和装置，以免混淆所要求保护的主题。因此，所要求保护的主题不限于所公开的特定示例，而是这种所要求保护的主题也可以包括落入所附权利要求及其等同物的范围内的所有方面。

Claims (20)

1.一种晶片，包括：
衬底；和
所述衬底上的层堆叠，所述层堆叠包括：
多个电光材料层；和
与所述多个电光材料层交错的多个中间层，
其中，所述多个中间层在室温和制冷温度下保持第一晶格结构；和
其中，所述多个电光材料层在室温和所述制冷温度下保持第二晶格结构和结晶相。
2.根据权利要求1所述的晶片，还包括在所述衬底和所述层堆叠之间的外延籽晶层。
3.根据权利要求2所述的晶片，其中，所述外延籽晶层包括SrTiO3、LaAlO3或MgO中的至少一者。
4.根据权利要求2所述的晶片，还包括在所述外延籽晶层和所述衬底之间的所述衬底的氧化层。
5.根据权利要求1所述的晶片，其中，所述多个电光材料层的特征在于在制冷温度下的四方晶格结构。
6.根据权利要求1所述的晶片，其中，所述多个电光材料层包括BaTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3或(Pb,La)(Zr,Ti)O3中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的晶片，其中，所述多个中间层包括MgO、(Ba,Sr)TiO3、BaHfO3、BaZrO3、SrHfO3、SrZrO3或SrNbO3中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的晶片，其中，所述多个电光材料层中的每个电光材料层的厚度与所述多个中间层中的每个中间层的厚度之间的比率等于或小于20:1。
9.一种方法，包括：
在衬底上沉积籽晶层；
在所述籽晶层上外延沉积第一电光材料层；
在氧环境中对所述衬底、所述籽晶层和所述第一电光材料层进行退火，从而在所述衬底和所述籽晶层之间形成氧化物缓冲层；
在所述第一电光材料层上沉积第一中间层，其中，所述第一中间层包括在室温和制冷温度下保持第一晶格结构的材料；
在所述第一中间层上沉积第二电光材料层；和
对所述第二电光材料层和所述第一中间层进行退火。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一电光材料层和所述第二电光材料层包括电光材料，所述电光材料的特征在于在所述制冷温度下的第二晶格结构不同于在所述室温下的第三晶格结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第三晶格结构具有与所述第一晶格结构相同的晶体结构。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，对所述衬底、所述籽晶层和所述第一电光材料层进行退火包括在高于所述氧化物缓冲层的软化温度的温度下进行退火。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在所述第二电光材料层上沉积第二中间层，其中，所述第二中间层包括在所述室温和所述制冷温度下保持所述第一晶格结构的材料；
在所述第二中间层上沉积第三电光材料层；和
对所述第三电光材料层和所述第二中间层进行退火。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将所述第三电光材料层图案化以形成波导芯；和
在所述波导芯上沉积电介质覆层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述第三电光材料层图案化包括使用所述第二中间层作为刻蚀阻挡层来刻蚀所述第三电光材料层。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述第三电光材料层上形成波导。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述第三电光材料层上形成所述波导包括：
在所述第三电光材料层上形成波导芯；和
在所述波导芯上沉积电介质覆层。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述第三电光材料层上形成所述波导包括将包括所述波导的晶片键合到所述第三电光材料层。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述第一电光材料层、所述第二电光材料层、所述第三电光材料层以及所述第一中间层和所述第二中间层中刻蚀沟槽；和
用导电材料填充所述沟槽。
20.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一电光材料层的厚度与所述第一中间层的厚度之间的比率等于或小于20:1。
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