JP2023500463A - 安定化正方晶チタン酸バリウムの形成のための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

電気光学デバイスは、基板と、基板上の導波路とを含む。導波路は、複数の中間層と交互配置される複数の電気光学材料層を含む積層体と、積層体に隣り合う導波路コアと、導波路クラッド層と、複数の電気光学材料層と電気的に接触する一対の電極とを含む。複数の中間層は、室温及び極低温で第１の格子構造を維持する。複数の電気光学材料層は、室温及び極低温で第２の格子構造及び結晶相を維持する。【選択図】図１Ｂ

Description

[0001]関連出願の相互参照
この出願は、参照によりその全体が本願に組み入れられる２０１９年１０月２９日に出願された「安定化正方晶チタン酸バリウムの形成のための方法及びシステム」に関する米国仮特許出願第６２／９２７，３７３号の優先権を主張する。

[0002]ＥＯ変調器及びスイッチなどの電気光学（ＥＯ）デバイスは、光通信及び光コンピューティングシステムなどの様々な光学システムで使用されてきた。例えば、光位相変調器は、集積光学システム、光通信送信機又はトランシーバなどで使用され得る。ＥＯ変調器又はスイッチは、自由キャリア電気屈折、自由キャリア電気吸収、ポッケルス効果、カー効果などの様々なＥＯ効果を利用して、ＥＯ変調器内又はスイッチ内の特定の経路を通じて伝搬する光の位相又は振幅を変更するなど、動作中の光特性を変更することができる。より高いＥＯ効果を伴う材料を使用するＥＯデバイスは、より低い制御電圧、より低い電力消費量で、しばしばより高速で動作することができる。

[0003]本明細書中に開示される技術は、一般に、電気光学（ＥＯ）デバイスに関する。より具体的には、本明細書中に開示される実施形態は、極低温などの低い温度でＥＯデバイス（例えば、光スイッチ又は光変調器）において高いＥＯ効果を達成するための技術に関する。１つの特定の実施形態では、低温（例えば、極低温）で高い電気光学係数を特徴とするＥＯ材料積層体を含むＥＯデバイスが、低温でＥＯデバイスの変調及び／又はスイッチング性能を改善するために利用される。ＥＯ材料積層体は、交互配置されてかみ合わされる薄いＥＯ材料層及び中間層を含むことができる。ＥＯ材料層中のＥＯ材料は、バルクで使用される場合、異なる動作温度でその結晶構造を変化させ得るが、中間層は、動作温度で変化しない格子構造を有し得る。したがって、中間層にかみ合わされる薄いＥＯ材料層は、動作温度が変化するときにそれらの格子構造、したがってＥＯ係数を維持することができる。本明細書中に開示される技術は、低温で動作する多種多様なフォトニック及び光電子デバイスで使用され得る。

[0004]特定の実施形態によれば、電気光学デバイスは、基板と、基板上の導波路とを含むことができる。導波路は、複数の中間層と交互配置される複数の電気光学材料層を含む積層体を含むことができる。また、導波路は、積層体と隣り合う導波路コア、導波路クラッド層、及び、複数の電気光学材料層と電気的に接触している一対の電極も含むことができる。複数の中間層は、室温及び極低温で第１の格子構造を維持するように構成され得る。複数の電気光学材料層は、室温及び極低温で第２の格子構造及び結晶相を維持することができる。幾つかの実施形態において、複数の中間層及び複数の電気光学材料層は、極低温における正方格子構造を特徴とすることができる。幾つかの実施形態において、複数の電気光学材料層は、極低温における面内分極を特徴とすることができる。

[0005]電気光学デバイスの幾つかの実施形態において、複数の電気光学材料層は、強誘電結晶又は強誘電薄膜を含むことができる。強誘電結晶は、ＢａＴｉＯ_３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、又は、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３のうちの少なくとも１つを含んでもよい。幾つかの実施形態において、複数の電気光学材料層は、極低温で３００ｐｍ／Ｖよりも大きいポッケルス係数を特徴とすることができる。複数の中間層は、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＭｏＯ_３、ＢａＮｂＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＭｏＯ_３、ＳｒＮｂＯ_３、又は、ＳｒＺｒＯ_３のうちの少なくとも１つを含んでもよい。幾つかの実施形態において、複数の電気光学材料層のそれぞれの厚さと複数の中間層のそれぞれの厚さとの間の比は２０：１以下であってもよい。

[0006]電気光学デバイスの幾つかの実施形態において、導波路コアは、複数の電気光学材料層内に１つ以上の電気光学材料層を含むことができる。導波路クラッド層は、複数の電気光学材料層内の電気光学材料層と物理的に接触していてもよく、また、電気光学材料層の熱膨張係数及び光屈折率とは異なる熱膨張係数及び光屈折率によって特徴付けられてもよい。導波路クラッド層は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯ、ＳｉＯＣＮ、及び、ＨｆＯ_２のうちの少なくとも１つを含んでもよい。

[0007]幾つかの実施形態において、ＥＯデバイスは、基板と導波路との間にエピタキシャルシード層を更に含んでもよい。エピタキシャルシード層は、例えば、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＭｏＯ_３及びＳｒＺｒＯ_３のうちの少なくとも１つを含んでもよい。幾つかの実施形態において、ＥＯデバイスは、エピタキシャルシード層と基板との間にバッファ層を更に含んでもよい。一対の電極のそれぞれは、複数の電気光学材料層のそれぞれと物理的に接触していてもよい。幾つかの実施形態では、導波路クラッド層が基板と積層体との間にあってもよい。導波路は、マッハツェンダ干渉計、共振器、光スイッチ、電気光学変調器などのセクションであってもよい。

[0008]特定の実施形態によれば、ウエハは、基板と、基板上の積層体とを含むことができる。積層体は、複数の電気光学材料層と、複数の電気光学材料層と交互配置される複数の中間層とを含むことができる。複数の中間層は、室温及び極低温で第１の格子構造を維持することができ、また、複数の電気光学材料層は、室温及び極低温で第２の格子構造及び結晶相を維持することができる。幾つかの実施形態において、第１の格子構造及び第２の格子構造は、正方格子構造などの同じ格子構造であってもよい。幾つかの実施形態において、ウエハは、基板と積層体との間にエピタキシャルシード層を含むこともでき、この場合、エピタキシャルシード層は、例えば、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、又は、ＳｒＺｒＯ_３のうちの少なくとも１つを含んでもよい。幾つかの実施形態において、ウエハは、エピタキシャルシード層と基板との間に基板の酸化層を含むこともできる。

[0009]ウエハの幾つかの実施形態において、複数の電気光学材料層は、ＢａＴｉＯ_３、（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、又は（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３のうちの少なくとも１つを含んでもよい。複数の中間層は、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、又は、ＳｒＮｂＯ_３のうちの少なくとも１つを含んでもよい。幾つかの実施形態において、複数の電気光学材料層のそれぞれの厚さと複数の中間層のそれぞれの厚さとの間の比は２０：１以下であってもよい。

[0010]特定の実施形態によれば、方法は、基板上にシード層を堆積させるステップと、シード層上に第１の電気光学材料層をエピタキシャル堆積させるステップと、基板、シード層、及び、第１の電気光学材料層を酸素環境下でアニールして、基板とシード層との間に酸化物バッファ層を形成するステップと、室温及び極低温で第１の格子構造を維持することができる材料を含む第１の中間層を第１の電気光学材料層上に堆積させるステップと、第１の中間層上に第２の電気光学材料層を堆積させるステップと、第２の電気光学材料層及び第１の中間層をアニールするステップとを含むことができる。第１の電気光学材料層及び第２の電気光学材料層は、室温の第３の格子構造とは異なる極低温の第２の格子構造によって特徴付けられる電気光学材料を含むことができる。幾つかの実施形態において、第３の格子構造及び第１の格子構造は、正方格子構造などの同じ格子構造であってもよい。幾つかの実施形態において、第１の電気光学材料層の厚さと第１の中間層の厚さとの間の比が２０：１以下であってもよい。

[0011]幾つかの実施形態において、基板、シード層、及び、第１の電気光学材料層をアニールするステップは、酸化物バッファ層の軟化温度より高い温度でアニールするステップを含んでもよい。また、方法は、室温及び極低温で第１の格子構造を維持する材料を含む第２の中間層を第２の電気光学材料層上に堆積させるステップと、第２の中間層上に第３の電気光学材料層を堆積させるステップと、第３の電気光学材料層及び第２の中間層をアニールするステップとを含んでもよい。

[0012]幾つかの実施形態において、方法は、導波路コアを形成するために第３の電気光学材料層をパターニングするステップと、導波路コア上に誘電体クラッド層を堆積させるステップとを含んでもよい。第３の電気光学材料層をパターニングするステップは、第２の中間層をエッチング停止層として使用して第３の電気光学材料層をエッチングするステップを含んでもよい。幾つかの実施形態において、方法は、第１、第２、及び、第３の電気光学材料層並びに第１及び第２の中間層にトレンチをエッチングするステップと、トレンチに導電性材料を充填するステップとを含んでもよい。トレンチをエッチングするステップは、酸化物バッファ層をエッチング停止層として使用して第１、第２、及び、第３の電気光学材料層をエッチングするステップを含んでもよい。

[0013]幾つかの実施形態において、方法は、第３の電気光学材料層上に導波路を形成するステップを含んでもよい。幾つかの実施形態において、第３の電気光学材料層上に導波路を形成するステップは、第３の電気光学材料層上に導波路コアを形成するステップと、導波路コア上に誘電体クラッド層を堆積させるステップとを含んでもよい。幾つかの実施形態において、第３の電気光学材料層上に導波路コアを形成するステップは、第３の電気光学材料層上に高屈折率材料の層を堆積するステップと、高屈折率材料の層をパターニングするステップとを含んでもよい。幾つかの実施形態において、第３の電気光学材料層上に導波路コアを形成するステップは、第３の電気光学材料層上に誘電体層を堆積するステップと、誘電体層上に高屈折率材料の層を堆積するステップと、高屈折率材料の層をパターニングするステップとを含んでもよい。幾つかの実施形態において、第３の電気光学材料層上に導波路を形成するステップは、導波路を含むウエハを第３の電気光学材料層に結合するステップを含んでもよい。

[0014]本開示により、従来技術に優る多くの利点が達成される。例えば、本明細書中に開示される方法、デバイス、及び、システムの例は、極低温などの低い温度で強誘電材料の格子構造、したがってＥＯ係数（例えば、ＢａＴｉＯ_３の正方晶相及びポッケルス係数）を維持することができ、それにより、極低温でＥＯスイッチ又はＥＯ変調器などのＥＯデバイスの性能を改善する。このように、低減された電界又はバイアス信号を使用して、光変調又は光スイッチングにとって望ましい屈折率変調及び／又は位相変調を達成することができ、それにより、電力消費量が低減され、デバイスの効率及び／又は速度が向上する。更に、本明細書中に開示される実施形態は、従来技術を使用するよりも低温で有効屈折率のより大きな変化を可能にする。結果として、デバイス長を短くすることができ、これにより、ＥＯデバイスの光損失及び物理的寸法が減少する。これら及び他の実施形態は、その利点及び特徴の多くと共に、以下の本文及び添付図面と併せてより詳細に説明される。

特定の実施形態に係るマッハツェンダ干渉計を含む光スイッチの一例を示す簡略図である。 特定の実施形態に係る図１Ａに示される光スイッチの一実施における位相調整セクションの一例の断面図である。 特定の実施形態に係る約４Ｋ～約３４０Ｋの温度での異なる結晶格子配向を伴うＡＢＯ_３ペロブスカイト結晶（例えば、ＢａＴｉＯ_３結晶）における有効ポッケルス係数を示す。 特定の実施形態に係る異なる温度でのＢａＴｉＯ_３の相転移を示す。 特定の実施形態に係る異なる温度でのＢａＴｉＯ_３の相転移を示す。 特定の実施形態に係る異なる温度でのＢａＴｉＯ_３の相転移を示す。 特定の実施形態に係る異なる温度でのＢａＴｉＯ_３の相転移を示す。 特定の実施形態に係る、室温から極低温に至るまで実質的に一定のＥＯ係数を特徴とするＥＯ材料層を含むＥＯデバイスを製造するための方法の一例を示す簡略フローチャートである。 特定の実施形態に係る、その上にシード層が成長した基板の一例を示す。 特定の実施形態に係る、シード層上にエピタキシャル堆積された強誘電材料の層の内部応力及び結晶格子配向を示す。 特定の実施形態に係る、高温酸化アニーリング後のシード層上にエピタキシャル堆積された強誘電材料の層の内部応力及び結晶格子配向を示す。 特定の実施形態に係る、加工ウエハ内の中間層と交互配置された強誘電材料の層の内部応力及び結晶格子配向を示す。 特定の実施形態に係る、導波路構造内の中間層と交互配置された強誘電材料の層の内部応力及び結晶格子配向を示す。 特定の実施形態に係る、アニーリング前後のエピタキシャル層の一例におけるイオンチャネリングによって示されるアニーリング後の結晶品質改善を示す。 特定の実施形態に係る、高温でのエピタキシャル層の一例における異相格子定数緩和を示すＸ線回折データの例を示す。 特定の実施形態に係る、極低温で正方晶相を維持するＥＯ材料層を含む導波路構造の一例の簡略断面図である。 特定の実施形態に係る、極低温で正方晶相を維持するＥＯ材料層を含む導波路構造の他の例の簡略断面図である。 特定の実施形態に係る、極低温で正方晶相を維持するＥＯ材料層を含む導波路構造の更に他の例の簡略断面図である。 特定の実施形態に係る、室温から極低温に至るまで実質的に一定のＥＯ係数を特徴とするＥＯ材料層を含む加工ウエハ及び／又はＥＯデバイスを製造するための方法の一例を示す簡略フローチャートである。 特定の実施形態に係る、電気光学デバイスを含むハイブリッド量子コンピューティングシステムの一例の簡略化されたシステムブロック図である。

[0031]本明細書中に開示される技術は、一般に、電気光学（ＥＯ）デバイスに関する。より具体的には、本明細書に開示される実施形態は、極低温などの低い温度でＥＯ材料（例えば、強誘電材料）における高いＥＯ効果を達成するとともに、光変調器及びスイッチなどのＥＯデバイスにおけるＥＯ材料の高いＥＯ効果を利用して、消費電力を低減し、低温でのＥＯデバイスの動作中の効率及び速度を改善するための技術に関する。単なる例として、実施形態は、能動光学デバイスを含む集積光学系との関連で提供されるが、本明細書中に開示される技術は、この例に限定されず、様々な光学系及び光電子システムに広く適用可能である。方法、プロセス、材料、ウエハ、システム、デバイスなどを含む様々な本発明の実施形態が本明細書中に記載される。

[0032]より高いＥＯ効果を伴う材料を使用するＥＯデバイスは、比較的低いＥＯ係数を伴う材料を使用するデバイスと比較して、より低い制御電圧、より低い消費電力、及び、より高速で動作することができる。線形光量子コンピューティング用途などの幾つかの用途において、ＥＯデバイスは、極低温（例えば、約４Ｋ）などの非常に低い温度で動作することができる。幾つかのＥＯ材料のポッケルス係数などのＥＯ効果は、低温で著しく劣化する場合がある。例えば、ＢａＴｉＯ_３（ＢＴＯ）は、その高いポッケルス係数（例えば、室温で約９００ピコメートル／Ｖよりも大きい）及びシリコンＣＭＯＳプロセスとの適合性に起因して、ＥＯスイッチにおいて使用され得る。しかしながら、約４ＫでのＢＴＯのポッケルス係数は、室温でのポッケルス係数の約１／３未満に低下する場合がある。したがって、ＥＯスイッチの効率は、極低温で著しく低下し得る。本明細書で規定されるように、室温は、約２０℃の温度であり、より詳細には１８℃～２２℃の温度として規定される。本明細書で規定されるように、極低温は、－１５０℃未満の温度であり、より詳細には－１５０℃～－２７３℃の温度として規定される。

[0033]特定の実施形態によれば、低温での幾つかのＥＯ材料のＥＯ効果（例えば、ポッケルス係数）の低下が、異なる温度でのＥＯ材料結晶格子の結晶相転移によって引き起こされ得ると断定される。例えば、ＢＴＯは、室温での正方晶相から室温未満での斜方晶相へ、その後、極低温に向かって菱面体晶相へと結晶相転移を受け得る。正方晶相から菱面体晶相への結晶相転移は、室温から極低温へのポッケルス効果の低下に寄与し得る。したがって、特定の実施形態によれば、ＥＯ材料のＥＯ効果は、低温でＥＯ材料の正方格子構造を維持することによって、低温で高レベル（例えば、室温でのレベルに近いレベル）に維持され得る。幾つかの実施形態において、これは、例えば、ＥＯ材料の薄層を、動作温度が室温から極低温に低下するときに格子構造（又は結晶相）変化及び分極変化を受けない又はＥＯ材料の温度とは異なる温度で結晶相転移を受ける、したがってＥＯ材料の結晶相転移を妨げる中間層とかみ合わせることによって達成され得る。中間層は、ＥＯ材料内の応力を維持し、動作温度が低下するときにＥＯ材料層が格子構造及び分極を変化させるのを防ぐのに役立ち得る。結果として、ＥＯ材料のＥＯ係数を室温でのＥＯ係数に近いレベルに維持することができる。したがって、交互配置構造を含むＥＯデバイスは、極低温で高い効率及び速度を維持することができる。

[0034]特定の実施形態によれば、本明細書中に記載される能動フォトニックデバイスは、ポッケルス効果などの高い電気光学効果を利用して、低温で光信号を効率的に変調及び／又は切り換えることができる。例えば、本明細書中に開示される技術は、透過光の強度が例えば正弦関数又は二乗関数にしたがって変調され得る光変調器、並びに、光を１つ以上の入力ポート内の１つの入力ポート（例えば、導波路）から選択して１つ以上の出力ポート内の１つの出力ポート（例えば、導波路）に出力できる光スイッチに適用可能である。

[0035]特定の実施形態によれば、ＥＯ材料は、異なる導波路構造及び／又は異なるプロセスによって製造された導波路構造を伴うデバイスで使用することができる。例えば、ＥＯ材料は、導波路構造内の導波路コア、下部クラッド層、及び／又は、上部クラッド層として使用されてもよい。様々な実施形態において、導波路コアは、ＥＯ材料層上に堆積されてもよく又はＥＯ材料層にエッチングされてもよく、或いは、半導体基板上に形成された後にＥＯ材料層を含むウエハ又はデバイスに結合されてもよい。

[0036]ここで、本明細書の一部を形成する添付図面に関して幾つかの例示的な実施形態を説明する。以下の説明は、単ある実施形態を提供するにすぎず、本開示の範囲、適用性、又は、構成を限定しようとするものではない。むしろ、実施形態の以下の説明は、１つ以上の実施形態を実施するための可能な説明を当業者に提供する。この開示の思想及び範囲から逸脱することなく、要素の機能及び配置に様々な変更を加えることができることが理解される。以下の説明では、説明の目的のために、特定の本発明の実施形態の完全な理解を与えるべく特定の詳細が記載される。しかしながら、これらの特定の詳細を伴うことなく様々な実施形態が実施されてもよいことは明らかである。図及び説明は、限定を意図するものではない。「例」又は「典型的」という単語は、本明細書では「例、事例、又は、例示としての役割を果たす」を意味するために使用される。本明細書中に記載される「典型的」又は「例」として説明される任意の実施形態又は設計形態は、必ずしも他の実施形態又は設計形態よりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではない。

[0037]シリコンフォトニック集積回路（ＰＩＣ）は、電気集積回路（ＥＩＣ）よりも優れた性能（例えば、より低い損失、より高速、より高い帯域幅、及び、断熱）を与えることができるとともに、量子通信又は量子コンピューティングに使用することができ、この場合、光子は量子的性質に起因して量子ビットとして使用することができ、光相互接続を使用して極低温プロセッサと室温環境との間のデジタルデータ転送のためのより高い帯域幅を提供することができる。しかしながら、低温での光スイッチング及び／又は光変調のための効率的なＥＯ変調がないことに部分的に起因して、極低温でのＰＩＣの性能を改善する必要があり得る。例えば、極低温で動作する幾つかの集積光スイッチは、熱光学位相シフタ又はプラズマ分散スイッチを使用することができ、これは幾つかの固有の制限を被る可能性がある。材料の屈折率を変化させるために熱を使用する熱光学スイッチは、かなりの冷却力を必要とする場合があり、低い帯域幅及び低いスイッチング速度を有する場合がある。プラズマ分散スイッチは、低温でフリーズアウトした電荷キャリアを補償するために高ドーピングレベルを使用することができ、したがって、高抵抗、高挿入損失、及び低帯域幅を有し得る小型共振器をプラズマ分散スイッチに使用することができる。

[0038]幾つかのＥＯ材料は、材料の屈折率が材料に印加される電界の強度に比例して変化し得る線形電気光学効果を示し得る。そのような線形電気光学効果は、ポッケルス効果と呼ばれ、非中心対称性材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リン酸二重水素カリウム（ＫＤＰ）、βホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、酸化チタンリン酸カリウム（ＫＴＰ）、及びガリウムヒ素（ＧａＡｓ）及びリン化インジウム（ＩｎＰ）などの幾つかの化合物半導体の結晶材料で生じ得る。ポッケルス効果に基づくＥＯスイッチは、室温で低い伝搬損失、高い帯域幅、及び低い静的電力消費を有し得る。更に、ＥＯポッケルス効果に基づくＥＯスイッチは、極低温で熱光学効果及びプラズマ分散効果の固有の制限を被らない場合がある。

[0039]図１Ａは、特定の実施形態に係るマッハツェンダ干渉計１２０を含む光スイッチ１００の一例を示す簡略図である。図１に示される例において、光スイッチ１００は、２つの入力ポート（入力ポート１及び入力ポート２）と、２つの出力ポート（出力ポート１及び出力ポート２）とを含む。光スイッチ１００の入力ポート及び出力ポートは、例えば、シングルモード又はマルチモード光ビームをサポートするように動作可能な光導波路を使用して実装することができる。光スイッチ１００は、第１の５０／５０ビームスプリッタ１０５及び第２の５０／５０ビームスプリッタ１０７などの５０／５０ビームスプリッタのセット（又は方向性結合器）と一体化されたマッハツェンダ干渉計１２０を使用して実装することができる。図１に示されるように、入力ポート１及び入力ポート２は、入力ポート１又は入力ポート２から光を受信し得る第１の５０／５０ビームスプリッタ１０５に光学的に結合され得る。第１の５０／５０ビームスプリッタ１０５は、エバネッセント結合を介して、入力ポート１からの入力光の約５０％を第１の導波路１１０に導き、入力ポート１からの入力光の約５０％を第２の導波路１１２に導くことができる。同様に、第１の５０／５０ビームスプリッタ１０５は、入力ポート２からの入力光の約５０％を第１の導波路１１０に導き、入力ポート２からの入力光の約５０％を第２の導波路１１２に導くことができる。したがって、入力ポートからの入力光は、ほぼ均等に分割され、第１の導波路１１０及び第２の導波路１１２に方向付けられ得る。

[0040]マッハツェンダ干渉計１２０は、導波路１２４及び電極１２６を含む位相調整セクション１２２を含むことができる。電圧信号Ｖ_０は、導波路１２４の屈折率、したがって位相調整セクション１２２を通過した後の光の位相遅延を調整するために、位相調整セクション１２２内の電極１２６を介して導波路１２４の両端間に印加され得る。第１の導波路１１０及び第２の導波路１１２における光は、第１の５０／５０ビームスプリッタ１０５を伝搬した後に同相であるため、位相調整セクション１２２における位相調整は、導波路１３０及び１３２を伝搬する光の間に所定の位相差を導入することができる。当業者に明らかなように、導波路１３０及び１３２内を伝搬する光の間の位相関係の結果、出力光が出力ポート１（例えば、光ビームが同相である場合、）又は出力ポート２（例えば、光ビームの位相がずれている場合）に存在し、それにより、位相調整セクション１２２において印加される電圧信号Ｖ_０に基づいて光が出力ポート１又は出力ポート２に向けられるときにスイッチ機能がもたらされる。単一の能動アームが図１に示されるが、幾つかの他の実施形態では、マッハツェンダ干渉計１２０の両方のアームが位相調整セクションを含むことができる。

[0041]図１に示されるように、電気光学スイッチ技術は、全光スイッチ技術と比較して、スイッチの活性領域にわたって電気バイアス（例えば、図１の電圧信号Ｖ_０）を印加して光学的変動を生み出す。バイアス電圧の印加によってもたらされる電界又は電流は、屈折率又は光吸収などの活性領域の１つ以上の光学特性の変化を引き起こす可能性がある。電流の流れによって散逸される電力（電流がバイアス電圧の印加によってもたらされる場合）に加えて、Ｅ^２κ／８π（ｃｇｓ単位）のエネルギー密度を有し得るエネルギーが電界の生成によって散逸される場合もあり、ここでＥは電界であり、κは誘電率である。

[0042]マッハツェンダ干渉計の実装の１つの例が図１に示されるが、リング共振器設計、ディスク共振器設計、マッハツェンダ変調器、一般化マッハツェンダ変調器などを含む他のスイッチアーキテクチャ及び／又は他の位相調整デバイスを様々な実施形態で使用することができる。当業者は、多くの変形、修正、及び、代替手段を認識できる。

[0043]前述の位相調整は、ポッケルス効果及び／又はカー効果などのＥＯ効果を使用して達成することができる。ポッケルス効果は、電界を受ける光学媒体において複屈折を変化させ又はもたらし、複屈折は印加された電界に比例する。ポッケルス効果は、ペロブスカイト結晶、強誘電性結晶、又は、電界分極ポリマーもしくはガラスなどの他の非中心対称媒体などの反転対称性を欠く結晶で発生し得る。カー効果では、屈折率変化（又は複屈折）が、印加された電界のパワー（例えば、二乗）に比例する。全ての材料はカー効果を有することができるが、幾つかの材料は他の材料よりも高いカー効果を有することができる。一般に、ポッケルス効果は、カー効果よりもはるかに高いＥＯ効果となり得る。

[0044]強誘電結晶は、一般に、電界又は応力によって再配向され得る自発分極を有する。自発分極は、特定の温度範囲にわたって安定であり得る非中心対称結晶構造によってもたらされ得る。ポッケルス効果を有する強誘電結晶としては、ＢａＴｉＯ_３（ＢＴＯ）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＺＴ）、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＬＺＴ）、（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ_２Ｏ_６（ＳＢＮ）などが挙げられる。例えば、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）は、室温においてポッケルス係数が比較的大きい。更に、ＢＴＯは、大きなＳｉ基板上に成長させることができ、シリコンＣＭＯＳプロセスを使用してＳｉフォトニックプラットフォームに集積することができる。したがって、ＢＴＯは、その優れた強誘電特性、高い誘電率、低い誘電損失、化学的及び機械的安定性、並びにＣＭＯＳプロセス適合性に起因して、様々な電子用途に使用することができる。

[0045]図１Ｂは、特定の実施形態に係る図１Ａに示される光スイッチ１００の一実施における位相調整セクション１５０（例えば、位相調整セクション１２２）の一例の断面図である。位相調整セクション１５０は、前述したポッケルス効果などのＥＯ効果を用いてもよい。位相調整セクション１５０は、基板１５２と、任意選択的なバッファ層１５４と、シード層１５６と、ＥＯ材料層１５８と、導波路コア１６２と、導波路クラッド層１６０と、電極１６４とを含んでもよい。ＥＯ材料層１５８は、高いポッケルス係数を有することができ、例えば、ペロブスカイト強誘電体又は本明細書に記載されるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３又はＢＴＯ）などの他の強誘電結晶を含むことができる。

[0046]基板１５２は、シリコンウエハ、ゲルマニウムウエハ、ゲルマニウムオンシリコンウエハ、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハなどの半導体基板を含むことができる。シード層１５６は、ＥＯ材料層１５８と同様の格子構造を有していてもよく、例えば、ＭｇＯ、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＬａＡｌＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＭｏＯ_３、又はＳｒＺｒＯ_３を含んでもよい。シード層１５６は、基板１５２上に堆積（例えば、エピタキシャル成長）され得る。幾つかの実施形態では、バッファ層１５４がシード層１５６と基板１５２との間に位置されてもよい。バッファ層１５４は、例えば、ＳｉＯ_２層などの基板の酸化層を含むことができる。一例において、バッファ層１５４（例えば、ＳｉＯ_２）は、酸素環境でシード層１５６（例えば、ＳｒＴｉＯ_３）及び基板１５２（例えば、Ｓｉ）の高温酸化アニーリングによって形成され得る。

[0047]ＥＯ材料層１５８はシード層１５６上にエピタキシャル堆積されてもよい。導波路コア１６２は、例えば堆積及びフォトリソグラフィによってＥＯ材料層１５８の上に直接に形成されてもよく、又は、ＥＯ材料層１５８と導波路コア１６２との間にバッファ層を伴ってＥＯ材料層１５８上に間接的に形成されてもよい。このバッファ層は、ＥＯ材料層１５８と導波路コア１６２との間の相互作用を防止するために使用することができ、及び／又は、導波路コア１６２を形成するためのエッチング停止層として機能する。導波路コア１６２は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＧｅ、ＥＯ材料（例えば、ＢＴＯ）などを含むことができる。導波路クラッド層１６０は、酸化物、窒化物、又は酸窒化物、酸炭化物など（例えば、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３ Ｎ_４、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯなど）の導波路コア１６２の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体材料を含むことができ、導波路コア１６２上に堆積することができる。トレンチが導波路クラッド層１６０にエッチングされ、該トレンチに金属などの導電性材料が充填されて、電極１６４が形成されてもよい。電極１６４を使用して、ＥＯ材料層１５８にわたってバイアス電圧、したがって電界を印加し、位相調整のためにＥＯ材料層の屈折率を変調することができる。

[0048]前述のように、チタン酸バリウムなどの幾つかのペロブスカイト強誘電体は、室温で大きなポッケルス係数を有し得る。ペロブスカイト強誘電材料のポッケルス係数は、異なる結晶格子配向に関して異なっていてもよい。更に、ペロブスカイト強誘電材料のポッケルス係数は、異なる動作温度で異なってもよい。例えば、低温では、強誘電材料のポッケルス係数が大幅に低下し得る。

[0049]図２は、例えばＦｅｌｉｘ Ｅｌｔｅｓらの，「Ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，」Ｊ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ（２０１９）で報告されるように、約４Ｋ～約３４０Ｋの温度における異なる結晶格子配向を有するＢａＴｉＯ_３における有効ポッケルス係数を示す。図２において、ｘ軸は４Ｋ～３４０Ｋの動作温度に対応し、ｙ軸はポッケルス係数（ｐｍ／Ｖ）に対応する。曲線２１０は、４５°の格子配向を有するＢＴＯ層に関する異なる温度における対応するポッケルス係数を示す。曲線２２０は、２２．５°の格子配向を有するＢＴＯ層に関する異なる温度における対応するポッケルス係数を示す。曲線２３０は、６７．５°の格子配向を有するＢＴＯ層に関する異なる温度における対応するポッケルス係数を示す。曲線２４０は、９０°の格子配向を有するＢＴＯ層に関する異なる温度における対応するポッケルス係数を示す。曲線２１０～２４０は、ＢＴＯのポッケルス効果が異方性であり、したがって、ＥＯ効果がＥＯデバイスのＢＴＯ層における結晶格子の配向の関数となり得ることを示している。

[0050]曲線２１０～２４０は、ポッケルス係数の温度依存性も示す。例えば、図２は、ＢＴＯ層における結晶格子の配向が約４５°であるときに、ポッケルス係数が約２４０Ｋなど、約２００Ｋ～約２６０Ｋの間で最も高くなり得ることを示しており、この場合、ポッケルス係数は７００ｐｍ／Ｖよりも大きくなり得る。約２４０Ｋ未満では、ポッケルス係数の大きさが４Ｋで約２００ｐｍ／Ｖまで徐々に減少することができ、これは室温でのポッケルス係数の１／３未満である。更に、約１４０Ｋ～約１００Ｋでポッケルス係数の急激な減少があり得る。

[0051]ＢａＴｉＯ３のポッケルス係数は、室温でのポッケルス係数と比較して４Ｋでかなり減少し得るが、値（例えば、約２００ｐｍ／Ｖ）は、室温で他の幾つかの材料よりも依然として大きくなり得る。ＥＯスイッチングのエネルギー効率に対するポッケルス係数の減少の影響は、低温でのＢａＴｉＯ_３の誘電率の減少によって部分的に補償され得る。更に、ＢａＴｉＯ_３の導電率は低温で低下する場合があり、これは、極低温環境におけるＢａＴｉＯ_３デバイスの静的電力消費を低減するのに役立ち得る。

[0052]極低温でポッケルス効果ベースのＥＯデバイスの性能を改善するために、極低温でＥＯ材料の高い室温ポッケルス係数を維持することが望ましい場合がある。特定の実施形態によれば、ポッケルス効果の減少が、温度の変化に伴う結晶の歪み及び分極の変化、並びに、特定の温度での結晶の結晶相及び分極転移によって少なくとも部分的に引き起こされ得ると判断され、これは、前述のように、ポッケルス効果が反転対称性（例えば、非中心対称）を欠く結晶で起こり得るとともに、ポッケルステンソルの非ゼロ要素が結晶対称性に依存し得るからである。したがって、ＥＯ材料が極低温でその室温結晶構造を維持できる場合、極低温でのＥＯ材料のポッケルス係数を改善することができる。

[0053]図３Ａ～図３Ｄは、異なる温度におけるＡＢＯ_３ペロブスカイト結晶（例えば、ＢａＴｉＯ_３）の結晶相転移を示す。チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）は、一般に、キュリー温度（例えば、約１２０℃で）を超えると正味の分極がない常誘電相となり得る。図３Ａは、キュリー温度を超えるＢａＴｉＯ３中の立方晶結晶構造３１０を示す。サイズが大きいバリウムイオン（Ａイオン）は一般的に角部を占める。サイズが小さいチタン酸イオン（Ｂイオン）は一般に立方体の中心に位置する。酸素アニオンは一般に面中心にある。多くの他の酸化物結晶とは異なり、ペロブスカイト結晶中の酸素アニオンは密集構造を形成しない場合がある。そのため、温度変化やペロブスカイト結晶内の応力によって、ペロブスカイト結晶の結晶構造（例えば、ＢａＴｉＯ_３）が変化することがある。ほぼキュリー温度で、結晶は、相転移（変位相転移とも呼ばれる）を受ける場合があり、約５℃～約１２０℃の温度範囲内で極性正方晶相をとり得る。

[0054]図３Ｂは、約５℃～約１２０℃の温度範囲内のＢａＴｉＯ_３中の極性正方晶結晶構造３２０を示す。キュリー温度から冷却すると、極性正方晶結晶構造３２０が形成され得る。正方晶構造の形成は、単位格子を永続的に分極させる場合があり、これは、立方晶結晶構造３１０における６つの等価な＜１００＞軸のいずれかと平行であり得るｃ軸に沿った自発分極をもたらし得る。したがって、極性正方晶相は、単位格子の縁部と平行な６つの安定な偏光方向を有することができ、それにより、６つの異なる結晶変種をもたらす。

[0055]図３Ｃは、約－９０℃～約５℃の温度範囲内のＢａＴｉＯ_３における斜方晶型の結晶構造３３０を示す。図３Ｃに示されるように、約５℃未満に更に冷却すると、ＢａＴｉＯ_３の単位格子は面対角線（＜１１０＞）方向３３２に沿って伸びることにより更に歪むことがあり、正方晶の結晶構造３２０が斜方晶の結晶構造３３０に変化することがある。立方晶結晶構造３１０には１２個の等価な＜１１０＞方向が存在する場合があり、これにより、斜方晶相に１２個の想定し得る極性方向がもたらされ得る。斜方晶相は、約５℃から約－９０℃に至るまで安定し得る。

[0056]図３Ｄは、約－９０℃未満の温度でのＢａＴｉＯ_３における菱面体晶結晶構造３４０を示す。図３Ｄに示されるように、約－９０℃未満に更に冷却すると、ＢａＴｉＯ_３の単位格子は、体心対角線（＜１１１＞）方向３４２に沿って別の歪みを受け、それにより、菱面体対称構造をもたらす可能性がある。立方晶結晶構造３１０における＜１１１＞方向に沿った菱面体晶相には、８つの等価な極性方向が存在し得る。

[0057]したがって、バルクＢａＴｉＯ３結晶は、室温における正方晶相から約２７０Ｋ以下で斜方晶相に転移し、その後、約１８０Ｋ以下で菱面体晶相に転移し得る。そのような結晶構造及び相転移は、多くのペロブスカイト強誘電体に見られ得る。相転移は、ポッケルステンソルの要素を変化させ、有効ポッケルス係数の大きさを変え得る。

[0058]前述したように、結晶構造及び相転移は、利用可能な偏光方向にも影響を及ぼし得る。微細構造レベルでは、均一な電気分極を伴う領域がドメインを形成することができ、各ドメインは単結晶変異体を含む領域である。ドメイン間の界面は、ドメイン壁と呼ばれ得る。強誘電結晶は、ドメイン及びドメイン壁の安定した最小エネルギー配置をとることができる。多くの場合、大域的最小値は達成されない場合があり、また、安定状態が局所的エネルギー最小値となる場合があり、エネルギー最小化は、歪み及び壁全体にわたる分極の適合性を維持することによってエネルギーを最小化するように配向されるドメイン壁によって分離される、複数のドメインを伴う結晶をもたらし得る。

[0059]したがって、極低温で室温結晶構造及び分極方向を維持することによって、極低温でのＥＯ材料のポッケルス係数を改善することができる。例えば、特定の実施形態によれば、ＥＯ材料層は、交互配置されてかみ合わされた薄いＥＯ材料層及び中間層を含むことができる。中間層は、動作温度で変化しない格子構造を有してもよい。したがって、中間層にかみ合わされた薄いＥＯ材料層は、図３Ａ～図３Ｄに関して前述したように動作温度が変化するときに相転移を受けることなく、それらの格子構造及び分極方向、したがってＥＯ係数を維持することができる。

[0060]図４は、特定の実施形態に係る、室温から極低温に至るまで実質的に一定のＥＯ係数を特徴とするＥＯ材料層を含むＥＯデバイスを製造するための方法の一例を示す簡略フローチャート４００である。なお、図４では、シーケンシャルフローでの動作を説明しているが、一部の動作が並行して又は同時に行なわれてもよい。幾つかの動作が異なる順序で実行されてもよい。プロセスは、図に含まれない更なるステップを有してもよい。幾つかの動作は、任意選択的であってもよく、したがって、様々な実施形態で省かれてもよい。また、幾つかの動作が他の動作と共に実行されてもよい。

[0061]ブロック４１０では、シード層（例えば、シード層１５６）が基板（例えば、基板１５２）上に堆積され得る。前述したように、基板は、単結晶シリコンウエハ、ゲルマニウムウエハ、ゲルマニウムオンシリコンウエハ、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハなどの半導体ウエハであってもよい。基板は、４インチ、６インチ、８インチ、１０インチ、１２インチ、又はそれ以上などの様々なサイズの半導体ウエハを含むことができる。一般に、生産性を向上させるためには、大きなウエハを用いることが望ましい。例えば、１２インチシリコンウエハを基板として用いてもよい。

[0062]シード層は、ＥＯデバイスに用いられるＥＯ材料の格子構造と同様の格子構造を有してもよく、例えば、ＳｒＴｉＯ_３（ＳＴＯ）、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３などを含んでいてもよい。シード層は、例えば、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を使用して基板上にエピタキシャル堆積又は成長されてもよい。一実施形態では、Ｓｒ及びＴｉを酸素環境下でシリコンウエハの表面に堆積させて非晶質ＳｒＴｉＯ_３層を形成することができ、また、非晶質ＳｒＴｉＯ_３層は、より高温で結晶化してエピタキシャル結晶性ＳｒＴｉＯ_３層を形成することができる。ＳｉとＳＴＯとの間の格子不整合は約２％であってもよく、また、ＳＴＯ層の厚さが例えば約５ｎｍ未満である場合、高品質ＳＴＯはシリコンに対して殆どコヒーレントであり得る。

[0063]図５Ａは、特定の実施形態に係るエピタキシャルシード層５２０を有する基板５１０（例えば、半導体ウエハ）の一例を示す。図５に示される例では、基板５１０がシリコン又はＳＯＩウエハを含むことができる。エピタキシャルシード層５２０は、例えば数ナノメートル又は数十ナノメートル、例えば約８ｎｍ未満又は約５ｎｍ未満の厚さを有することができるコヒーレントなエピタキシャルＳＴＯ層を含むことができる。

[0064]図４に戻って参照すると、ブロック４２０において、第１の薄いＥＯ材料層が、例えばエピタキシャル堆積によってシード層上に堆積されてもよい。第１の薄いＥＯ材料層は、例えば、ＢａＴｉＯ３（ＢＴＯ）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）などの強誘電材料又はペロブスカイト強誘電材料を含むことができる。第１の薄いＥＯ材料層は、例えば１００ｎｍ未満の厚さを有することができる。ＢＴＯとシリコンとの間の格子不整合は約４％であってもよく、ＢＴＯ層の厚さが約１００ｎｍ未満である場合、ＢＴＯ層はＳｉ／ＳＴＯに対して部分的にコヒーレントであってもよく、これにより、ＢＴＯ層内に圧縮応力がもたらされ得る。したがって、シード層上に堆積された第１の薄いＥＯ材料層（例えば、ＢＴＯ）は、圧縮応力に起因する面外分極を有し得る。

[0065]図５Ｂは、特定の実施形態に係るシード層５２０上にエピタキシャル堆積されたＥＯ材料の層５３０の内部応力及び結晶格子配向を示す。ＥＯ材料は、前述したように、例えば、ＢａＴｉＯ３（ＢＴＯ）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）などを含んでもよい。堆積されると、ＥＯ材料の層５３０（例えば、ＳＴＯ／Ｓｉ上のＢＴＯ）は、図５Ｂに示されるように、圧縮応力に起因して、正方晶構造５２５を有するドメインを主に含むことができ、この場合、正方晶構造５２５のｃ方向は層５３０に対して垂直である（すなわち、面外偏向）。層５３０は、層５３０内の強誘電材料が低温で正方晶構造を有する中間層に固着するために、１００ｎｍ未満又はそれより薄いなどの薄層であってもよい。

[0066]図４のブロック４３０において、基板、シード層、及び、第１の薄いＥＯ材料層は、ＳｉＯ_２の融点を超えるようなより高い温度の酸素環境においてアニールされてもよい。例えば、アニーリング温度は、６００℃超、例えば７５０℃以上であってもよい。高温アニーリングは、応力を解放し、基板（例えば、Ｓｉ）とシード層（例えば、ＳＴＯ）との間の界面にバッファ層を形成するのに役立ち得る。バッファ層は、ＳｉＯ_２層などの酸化物層を含むことができる。例えば、基板とシード（例えば、ＳＴＯ）層との間の界面のシリコンは、高いアニーリング温度及び酸素環境で酸化されてＳｉＯ_２層を形成することができる。アニーリング温度がバッファ層の融点（例えば、約６００℃）を超えると、バッファ層（例えば、ＳｉＯ_２）が軟化する可能性があり、したがって、シード層及び第１の薄いＥＯ材料層は、基板から分離することができ、シード層及び第１の薄いＥＯ材料層における応力を解放できるようにされる。したがって、高温アニーリング中のＳｉＯ_２の軟化により、ＥＯ材料（例えば、ＢＴＯ）における応力が圧縮応力から自然応力に変化する可能性があり、シード層及び第１の薄いＥＯ材料層の品質を改善することができる。

[0067]高温では、ＢＴＯ（例えば、約３．５Ｅ－６／℃）とケイ素（例えば、約２．６Ｅ－６／℃）との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）に大きな差があり得る。したがって、バッファ層（例えば、ＳｉＯ_２）が冷却中に５５０℃未満で硬化すると、ケイ素とＢＴＯとの間の大きなＣＴＥ差により、ＢＴＯの応力が自然から引張への応力遷移を受ける可能性がある。したがって、室温では、ＢＴＯの正味又は支配的な応力は、圧縮応力から引張応力に変化している可能性があり、これにより、面外分極から面内配向へ分極が変化する可能性がある。したがって、ＢＴＯが引張応力下にあり且つＢＴＯとシリコンとの間のＣＴＥの大きな差によって引き起こされる応力に起因して冷却後に面内分極を有するように、アニーリング温度を選択することができる。

[0068]図５Ｃは、特定の実施形態に係る高温酸化アニーリング後のシード層５２０上にエピタキシャル堆積されたＥＯ材料の層５３０の内部応力及び結晶格子配向を示す。図示のように、前述のようなアニーリング後の層５３０における引張応力に起因して、強誘電材料の層５３０（例えば、ＳＴＯ／Ｓｉ上のＢＴＯ）は、正方晶構造５３５のｃ方向が層５３０と平行である（すなわち、面内偏向）正方晶構造５３５を有するドメインを主に含み得る。また、図５Ｃは、高温酸化アニーリング中の基板の酸化によって形成された酸化物層（例えば、ＳｉＯ_２）などのバッファ層５４０も示す。

[0069]図６は、特定の実施形態に係るアニーリング前後のエピタキシャル層（例えば、ＳｒＴｉＯ_３エピタキシャル層）の一例についてラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）／チャネリングを使用して測定されたイオンチャネリングによって示されるアニーリング後の結晶品質改善を示す。ＲＢＳ／チャネリングでは、格子サイトから変位した原子がチャネリングされたビームと相互作用でき、それにより、散乱収率の増大がもたらされる。図６の曲線６１０は、アニーリング前のＳｒＴｉＯ_３エピタキシャル層によって後方散乱された異なるチャネル（後方散乱粒子のエネルギー）において検出された後方散乱粒子（例えば、イオン）の総数を示す。図示するように、アニーリング前において、ＳｒＴｉＯ_３エピタキシャル層は、置換されたＳｒ及びＴｉ原子を多く含む。図６の曲線６２０は、アニーリング後のＳｒＴｉＯ_３エピタキシャル層によって後方散乱された異なるチャネルにおいて検出された後方散乱粒子の総数を示す。曲線６２０は、置換されたＳｒ及びＴｉ原子の数又は割合が著しく減少し、したがって結晶性ＳｒＴｉＯ_３エピタキシャル層の品質が著しく改善されることを示している。図６には示されないが、ＢＴＯエピタキシャル層の品質は、アニーリングプロセスによって同様に改善され得る。

[0070]図７は、エピタキシャル層の一例（例えば、ＳｒＴｉＯ_３エピタキシャル層）の高温での異相格子定数緩和を示すＸ線回折データの例を示す。ＳｒＴｉＯ_３エピタキシャル層は、例えば、ＭＢＥを用いてシリコンウエハ上に堆積させることができる。図７は、約６００℃未満の温度では異相熱格子膨張が温度の一次関数であり得ることを示す。異相格子定数は約６００℃で緩和し始める可能性があり、これはＳＴＯが約６００℃未満の圧縮応力下にあり且つ圧縮応力が６００℃を超える温度で解放される可能性があることを示す。

[0071]図４に戻って参照すると、ブロック４４０において、薄い中間層を第１のＥＯ材料層（例えば、ＢＴＯ層）上に堆積させることができ、薄いＥＯ材料層（例えば、別のＢＴＯ層）を中間層上に堆積させることができる。また、中間層及びＥＯ材料層は、ＢＴＯを緩和し、結晶品質を改善して、薄いＢＴＯ層における面内分極を確保するべく、上記のような高温酸化アニーリングを使用してアニールされてもよい。薄い中間層及び薄いＥＯ材料層は、ＥＯ材料層の合計厚さが目標厚さに達するまで、交互配置されてかみ合わされた中間層及びＥＯ材料層の積層体を形成するべく、複数のプロセスサイクルのそれぞれにおいて交互に堆積及びアニーリングされ得る。

[0072]様々な実施形態において、中間層は、ＥＯ材料の結晶構造と同様の結晶構造を含んでもよく、低温で相転移を受けなくてもよい。したがって、極低温では、中間層は、ＥＯ材料の室温結晶構造と同様の結晶構造を有し得る。中間層は、例えば、ＭｇＯ、ＢＳＴ、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＮｂＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、又はＢＴＯの正方晶結晶構造の格子定数に近い格子定数を有する他の酸化物などの特定の酸化物を含むことができる。中間層は、室温でのその正方晶相からより低い温度での他の相へのＢＴＯの転移を制限することができる。

[0073]図５Ｄは、特定の実施形態に係る加工ウエハ５００の一例における中間層と交互配置されたＥＯ材料の層の内部応力及び結晶格子配向を示す。図５Ｄに示される例において、加工ウエハ５００は、基板５１０（例えば、シリコンウエハ）、バッファ層５４０（例えば、ＳｉＯ_２バッファ層）、シード層５２０（例えば、約８ｎｍ未満の厚さを有するＳＴＯ層）、及び、それぞれが約１００ｎｍ未満の厚さを有する薄いＢＴＯ層などの複数の薄いＥＯ材料層５３０，５３２，５３４などを含むことができる。複数の薄いＥＯ材料層５３０，５３２、５３４の間には、ＭｇＯ、ＢＳＴ、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、ＳｒＮｂＯ_３、又は他の酸化物の層などの複数の中間層５５０，５５２などがある。各中間層５５０又は５５２は、例えば約１０ｎｍ未満の厚さを有することができ、薄いＢＴＯ層を互いに分離し、薄いＢＴＯ層に引張応力を加えるために使用することができる。幾つかの実施形態において、各ＥＯ材料層の厚さと各中間層の厚さとの間の比は、約２０：１、１０：１、８：１、５：１又はそれ未満であり得る。ＥＯ材料の層における正味の又は支配的な応力は、引張応力となり得る。前述したように、交互配置された中間層及び薄いＥＯ材料層を含む層の積層体は、正方晶構造５３５によって示されるように、ＥＯ材料を緩和し、材料品質を改善し、ＥＯ材料層（例えば、結晶構造のｃ軸はＥＯ材料層と平行である）における面内分極を確保するために、高温アニーリングにおいてアニールされてもよい。

[0074]また、前述したように、交互配置されてかみ合わされた薄いＥＯ材料層及び中間層（例えば、ＢＴＯ／ＭｇＯ積層体）の積層体は、低温でＥＯ材料内の引張応力を維持することができ、したがって、引張応力に起因して低温（例えば、極低温）でＥＯ材料の正方晶構造５３５を維持することができる。したがって、極低温でのＥＯ材料のポッケルス効果などのＥＯ効果は、室温でのＥＯ材料のポッケルス効果に近い場合がある。

[0075]ブロック４５０において、導波路は、交互配置された薄いＥＯ材料層及び中間層の積層体上に形成され又は該積層体に結合されてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、シリコン、ＳｉＧｅ、又はＳｉ_３Ｎ_４層などの導波路層を積層体上に直接に堆積することができ、シリコン、ＳｉＧｅ、又はＳｉ_３Ｎ_４層をフォトリソグラフィを使用してパターニングして導波路コアを形成することができ、その後、クラッド層（キャッピング層とも呼ばれる）を導波路コア上に堆積して導波路を形成することができる。シリコン、ＳｉＧｅ、又はＳｉ_３Ｎ_４層は、バッファ層を間に挟んで積層体上に間接的に堆積されてもよい。バッファ層は、導波路コアとＥＯ材料との間の相互作用を防止することができ、及び／又は、導波路層をパターニングするためのエッチング停止層として機能する。幾つかの実施形態において、導波路コア並びに上部クラッド層及び／又は下部クラッド層は、第２の基板上に形成されてもよく、その後、交互配置された薄いＥＯ材料層及び中間層（例えば、加工ウエハ５００）の積層体に結合されてもよく、この場合、加工ウエハ５００の基板は、例えば、水平ウェットエッチング（例えば、犠牲層を用いて）又はレーザリフトオフ技術などの他のリフトオフ技術によって後で除去されてもよい。幾つかの実施形態では、薄いＥＯ材料層の幾つかを使用して導波路コアを形成することができる。

[0076]導波路のクラッド層は、導波路コアの屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体材料又はＥＯ材料を含んでもよい。クラッド層は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、酸化物（例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＭｇＯ）、又は、高κ材料（例えば、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などを含んでもよい。幾つかの実施形態において、圧縮応力（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３など）を有する非晶質誘電体クラッド層は、約５５０℃未満の温度で交互配置された薄いＥＯ材料層及び中間層の積層体上に堆積されてもよい。クラッド層は、ＥＯ材料の正方晶相を更に維持するために、交互配置された薄いＥＯ材料層及び中間層の積層体に引張応力を加えることができる。また、クラッド層は、ウエハ・トゥ・ウエハボンディング又はダイ・トゥ・ウエハボンディングのための誘電体層として使用されてもよい。幾つかの実施形態では、クラッド層は、特定のエッチングプロセスのためのエッチング停止層として使用することができる。交互配置された薄いＥＯ材料層及び中間層の積層体を使用する導波路構造及びＥＯデバイス構成の幾つかの例を以下に詳細に説明する。

[0077]図５Ｅは、特定の実施形態に係る導波路構造５０５内の中間層と交互配置されたＥＯ材料の層の内部応力及び結晶格子配向を示す。図示のように、導波路コア５６０は、加工ウエハ５００と隣り合ってもよく、導波路クラッド層５７０によって覆われてもよい。導波路クラッド層５７０は、非晶質誘電体クラッド層（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３など）を含むことができ、薄いＥＯ材料層の積層体に引張応力を加えて、ＥＯ材料の正方晶相を低温で維持することができる。例えば、ＳｉＯ_２及びＢＴＯは、低温（例えば、極低温）で非常に異なるＣＴＥ特性を有することができ、ＳｉＯ_２のＣＴＥは、低温で負（すなわち、温度が低下するにつれて膨張する）になり得る。したがって、極低温に冷却されると、ＳｉＯ_２クラッド層は、ＢＴＯ層とＳｉＯ_２クラッド層との間のＣＴＥの大きな差に起因して、ＢＴＯ層に引張応力を加え得る。したがって、ＥＯ材料の層における支配的な応力は、室温から極低温までの温度において引張応力となり得る。したがって、ＥＯ材料の層は、正方晶結晶構造及び面内分極を維持することができ、結晶構造のｃ軸はＥＯ材料層と平行であり得る。

[0078]ブロック４６０において、電圧信号をＥＯ材料層に印加するために、積層体内のＥＯ材料層に電気的接続を行なうことができる。例えば、トレンチをクラッド層中に及び積層体内のＥＯ材料層を貫通してエッチングすることができ、ＴｉＮ又はＴｉ及びＴｉＮなどの薄い導電性ライナ材料の層を最初にトレンチ側壁でコーティングして、接着を促進するとともに拡散を防止することができ、その後、導電性電極材料（例えば、Ｗ又はＣｏ）がトレンチを充填してＥＯデバイス用の電極を形成することができる。或いは、導電性バリア材料（例えば、ＴａＮ）及びライナ（例えば、Ｔａ、Ｃｏ、又はＲｕ）を最初にトレンチ側壁にコーティングして、Ｃｕ導電性電極を堆積させる。このようにすると、ＥＯ材料層のそれぞれは、電極と接触することができ、また、電圧信号を受信して、電圧信号によってもたらされる電界に起因してその屈折率を変化させることができる。

[0079]図８は、特定の実施形態に係る極低温で正方晶相を維持することができるＥＯ材料層を含む導波路構造８００の一例の簡略断面図である。導波路構造８００は、例えば、ウエハ間融着によって互いに結合される第１の部分８０２及び第２の部分８０４を含んでもよい。第１の部分８０２は、薄い中間層８４０，８４２、８４４と交互配置された薄いＥＯ材料層８３０，８３２，８３４、８３６の積層体を含んでもよい。図４及び図５Ｂ～図５Ｄに関して前述したように、ＥＯ材料層８３０，８３２，８３４、８３６は、ＢａＴｉＯ３（ＢＴＯ）、（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）、（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）などの強誘電結晶を含むことができる。中間層８４０，８４２、８４４は、例えば、ＭｇＯ、ＢＳＴ、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＮｂＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、又は他の酸化物を含むことができる。

[0080]ＥＯ材料層及び中間層は、ＥＯ材料層及び中間層が互いに交互配置されてかみ合わされることにより交互配置層の積層体を形成することができるように交互に形成されてもよい。ＥＯ材料層及び中間層は薄層であってもよく、各ＥＯ材料層の厚さと各中間層の厚さとの比は、約２０：１、１０：１、８：１、５：１又はそれ未満であってもよい。一例では、各ＥＯ材料層の厚さが約１００ｎｍ以下であってもよく、各中間層の厚さが約１０ｎｍ以下であってもよい。積層体における複数のＥＯ材料層の合計厚さは、約３００ｎｍ超などの特定の値より大きくてもよい。交互配置層の積層体がシード層８２０上に形成されてもよく、シード層は、前述のように、例えば半導体基板（例えば、シリコン基板）（図８には示されない）上に堆積されてもよい。例えば、前述した高温酸化アニーリングプロセスを用いて、シード層８２０と半導体基板との間にバッファ層８１０を形成してもよい。

[0081]第２の部分８０４は、半導体基板（例えば、シリコンハンドルウエハ）又はガラス、石英、セラミック、もしくは金属基板であってもよい基板８６０上に形成された導波路を含み得る。導波路は、導波路コア８７０及び導波路クラッド層８８０を含むことができる。導波路コア８７０は、シリコン、ＳｉＮ、ＳｉＧｅなどの高屈折率を有する材料を含むことができる。導波路クラッド層８８０は、導波路コア８７０の屈折率よりも低い屈折率を有することができる誘電体材料を含むことができる。導波路クラッド層８８０は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＣＯＮ、ＳｉＣＯなどの非晶質誘電体クラッド層を含むことができる。導波路クラッド層８８０は、ウエハ間結合及びダイ転写のための誘電体層として使用することができる。導波路クラッド層８８０は、第１の部分８０２に結合されると、交互配置された薄いＥＯ材料層及び中間層の積層体に引張応力を加えて、上記のように低温でＥＯ材料の正方晶相を維持することができる。また、導波路構造８００の第２の部分８０４は、基板８６０の上に形成された他の受動又は能動デバイスを含んでもよい。

[0082]第１の部分８０２と第２の部分８０４とが互いに結合された後、薄いＥＯ材料層８３０，８３２，８３４、８３６と薄い中間層８４０，８４２、８４４との積層がその上に形成される半導体基板は、例えば、バックラッピング、バックグラインド、水平ウェットエッチング、リフトオフ技術（例えば、レーザリフトオフ技術）などによって、薄くされてもよく又は除去されてもよい。その後、バッファ層８１０側から第１の部分８０２と第２の部分８０４との間の界面に至るまでトレンチを第１の部分８０２にエッチングすることができ、この場合、導波路クラッド層８８０をエッチングプロセスのためのエッチング停止層として使用することができる。Ｔｉ、ＴｉＮ、及びＴａＮなどの導電性材料が、電極金属（例えば、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏなど）と共に、堆積され或いはさもなければトレンチを充填し、電極８５０を形成することができる。

[0083]電極８５０を使用して、表面接点ではなくエッジ接点を介して電圧信号を薄いＥＯ材料層８３０，８３２，８３４、８３６に印加することができる。エッジ接点は、ＥＯ材料の誘電率とは異なる誘電率を有し得る中間層を介さずにＥＯ材料層に直接電圧信号を印加することができる。例えば、ＭｇＯはＢＴＯよりも誘電率が低くてもよい。したがって、エッジ接点は、誘電率の差に起因する中間層によって引き起こされる電界干渉を排除するのに役立ち得る。幾つかの実施形態では、中間層（例えば、ＢＳＴ層）は、ＥＯ材料（例えば、ＢＴＯ）の誘電率と同様の誘電率を有することができ、表面接点を使用して電圧信号をＥＯ材料層に印加することができる。

[0084]図９は、特定の実施形態に係る極低温で正方晶相を維持することができるＥＯ材料層を含む導波路構造９００の別の例の簡略断面図である。導波路構造９００は、前述の基板１５２又は５１０と同様であってもよい基板９１０を含むことができる。一例では、基板９１０が大きな（例えば、１２インチ）シリコンウエハを含む。また、導波路構造９００は、基板９１０上にバッファ層９２２及びシード層９２０を含むこともできる。バッファ層９２２は、前述のバッファ層１５４，５４０又は８１０と同様であってもよい。バッファ層９２２の一例は、ＳｉＯ_２層である。シード層９２０は、前述のシード層１５６，５２０又は８２０と同様であってもよい。シード層９２０の一例は、ＳＴＯ層である。前述したように、バッファ層９２２は、基板９１０上に堆積されたシード層９２０の高温酸化アニーリング（例えば、シリコンウエハ）によって形成することができ、この場合、基板９１０は、シード層９２０と基板９１０との間の界面で酸化されて、シード層９２０と基板９１０との間にバッファ層９２２を形成することができる。

[0085]導波路構造９００は、複数のＥＯ材料層９３０，９３２，９３４など、及び、複数の中間層９４０，９４２などを含むことができる。前述したように、ＥＯ材料層９３０，９３２，９３４は、ＢａＴｉＯ３（ＢＴＯ）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）などの強誘電結晶を含むことができる。中間層９４０及び９４２は、例えば、ＭｇＯ、ＢＳＴ、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＮｂＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、又は他の酸化物を含むことができる。ＥＯ材料層及び中間層は、シード層９２０の上に交互に堆積されてもよく、それにより、ＥＯ材料層及び中間層は、互いに交互配置されてかみ合わされ、交互配置層の積層体を形成してもよい。ＥＯ材料層及び中間層は薄層であってもよく、各ＥＯ材料層の厚さと各中間層の厚さとの比は、約２０：１、１０：１、８：１、５：１又はそれ未満であってもよい。一例では、各ＥＯ材料層の厚さが約１００ｎｍ以下であってもよく、各中間層の厚さが約１０ｎｍ以下であってもよい。積層体における複数のＥＯ材料層の合計厚さは、約３００ｎｍ超などの特定の値より大きくてもよい。

[0086]導波路コア９５０及びクラッド層９６０を含む導波路は、例えば図４のブロック４５０及び図５Ｅに関して前述したように、交互配置層の積層体上に形成されてもよい。導波路コア９５０は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、又はＳｉＮを含むことができ、クラッド層９６０は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯ、ＨｆＯ_２などを含むことができる。

[0087]その後、トレンチを、クラッド層９６０及び交互配置層の積層体において、クラッド層９６０から、エッチングプロセスのためのエッチング停止層として使用されてもよい、シード層９２０又はバッファ層９２２に至るまで、エッチングすることができる。金属（例えば、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏなど）などの導電性材料が、堆積され或いはそうでなければトレンチを充填して、電極９７０を形成することができる。図８に関して前述したように、電極９７０は、ＥＯ材料層９３０，９３２、９３４の誘電率とは異なる誘電率を有し得る中間層９４０及び９４２によって引き起こされる電界干渉を回避するために、表面接点ではなくエッジ接点を介して電圧信号をＥＯ材料層９３０，９３２、９３４に印加するために使用され得る。

[0088]図１０は、特定の実施形態に係る低温で正方晶相を維持することができるＥＯ材料層を含む導波路構造１０００の更に別の例の簡略断面図である。導波路構造１０００は、前述の基板１５２，５１０又は９１０と同様であってもよい基板１０１０を含むことができる。また、導波路構造１０００は、基板１０１０上にバッファ層１０２２及びシード層１０２０を含むこともできる。バッファ層１０２２は、前述のバッファ層１５４，５４０，８１０又は９２２と同様であってもよい。バッファ層１０２２の一例は、ＳｉＯ_２層である。シード層１０２０は、前述のシード層１５６，５２０，８２０又は９２０と同様であってもよい。シード層１０２０の一例は、ＳＴＯ層である。前述したように、バッファ層１０２２は、基板１０１０上に堆積されたシード層１０２０の高温酸化アニーリング（例えば、シリコンウエハ）によって形成することができ、この場合、基板１０１０は、シード層１０２０と基板１０１０との間の界面で酸化されて、シード層１０２０と基板１０１０との間にバッファ層１０２２を形成することができる。

[0089]導波路構造１０００は、複数のＥＯ材料層１０３０、１０３２、１０３４、１０３６など、及び、複数の中間層１０４０、１０４２、１０４４などを含むことができる。前述したように、ＥＯ材料層１０３０，１０３２，１０３４，１０３６は、ＢａＴｉＯ３（ＢＴＯ）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＬＺＴ）などの強誘電結晶を含んでいてもよい。中間層１０４０、１０４２、及び１０４４は、例えば、ＭｇＯ、ＢＳＴ、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＮｂＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、又は他の酸化物を含むことができる。ＥＯ材料層及び中間層は、シード層１０２０の上に交互に堆積されてもよく、それにより、ＥＯ材料層及び中間層は、互いに交互配置されてかみ合わされ、交互配置層の積層体を形成してもよい。ＥＯ材料層及び中間層は薄層であってもよく、各ＥＯ材料層の厚さと各中間層の厚さとの比は、約２０：１、１０：１、８：１、５：１又はそれ未満であってもよい。一例では、各ＥＯ材料層の厚さが約１００ｎｍ以下であってもよく、各中間層の厚さが約１０ｎｍ以下であってもよい。積層体における複数のＥＯ材料層の合計厚さは、約３００ｎｍ超などの特定の値より大きくてもよい。

[0090]導波路構造１０００は、クラッド層１０５０と、交互配置層の幾つかの層を含む導波路コアとを含む導波路を更に含むことができる。図１０に示される例において、導波路コアは、例えばフォトリソグラフィによってパターニングされ得るＥＯ材料層１０３４及び１０３６並びに中間層１０４２及び１０４４を含んでもよい。幾つかの実施形態において、中間層１０４４及び１０４２は、ＥＯ材料層１０３４及び１０３６をエッチングするためのエッチング停止層として使用されてもよい。例えば、中間層１０４４は、第１のレシピを使用してＥＯ材料層１０３６をエッチングするためのエッチング停止層として使用されてもよく、その後、中間層１０４４は、第２のレシピを使用してエッチングされてもよく、また、中間層１０４２は、第１のレシピを使用してＥＯ材料層１０３４をエッチングするためのエッチング停止層として使用されてもよい。このようにして、導波路コアは、幾つかのＥＯ材料層及び中間層を含むメサ構造として形成されてもよい。

[0091]クラッド層１０５０は、例えば、図４のブロック４５０及び図５Ｅに関して前述したように導波路コア上に形成することができる。クラッド層１０５０は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯ、ＳｉＯＣＮ、ＨｆＯ_２などを含んでいてもよい。トレンチを、クラッド層１０５０及び交互配置層の積層体内の幾つかの層において、クラッド層１０５０から、トレンチをエッチングするためのエッチング停止層として使用されてもよい、シード層１０２０又はバッファ層１０２２に至るまで、エッチングすることができる。金属（例えば、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｏなど）などの導電性材料が、堆積され或いはそうでなければトレンチを充填して、電極１０６０を形成することができる。前述したように、電極１０６０は、エッジ接点を介してＥＯ材料層１０３０及び１０３２に電圧信号を印加するために、及び／又は、ＥＯ材料層１０３４及び１０３６に電圧信号を印加するために使用することができる。

[0092]前述の導波路構造８００，９００及び１０００はそれぞれ、交互のＥＯ材料層及び中間層を含む交互配置層の積層体を含むことができる。ＥＯ材料層及び中間層は、薄くてもよく、室温で同様の格子構造を有してもよく、したがって製造プロセス後にかみ合わされてもよい。中間層は、動作温度が変化するときに相転移を受けない材料を含むことができる。したがって、薄いＥＯ材料層と中間層との間のかみ合わせは、動作温度が例えば極低温に変化するときにＥＯ材料層が相転移するのを防ぐことができる。したがって、ＥＯ材料層は、その室温格子構造（例えば、正方晶相）及び分極（例えば、同相分極）、したがってＥＯ効果（例えば、ポッケルス係数）を極低温で実質的に維持することができる。導波路構造８００，９００及び１０００は、前述したマッハツェンダ干渉計１２０又は光スイッチ１００などの、位相調整又は屈折率変調を使用して低温で動作する光スイッチ、ＥＯ変調器、又は他のアクティブフォトニックデバイスで使用することができる。

[0093]本明細書に開示される導波路構造及びＥＯデバイスの様々な実施形態では、単一横モード導波路（例えば、導波路コアの幅はサブミクロンからミクロンの範囲である）又はマルチモード導波路（２つ以上の横モードをサポートするより広い導波路コアを有する）を利用することができる。様々な材料、層、及び構造は、例えば、エピタキシャル成長、堆積、層転写などを使用して形成され、ＥＯデバイスを製造することができる。極低温でポッケルス効果を改善するための技術が幾つかの実施形態に記載されているが、本明細書に開示される技術は、異なる温度で他のＥＯ効果を改善するために使用することができる。当業者は、多くの変形、修正、及び、代替手段を認識できる。

[0094]図１１は、特定の実施形態に係る室温から極低温に至るまで実質的に一定のＥＯ係数を特徴とするＥＯ材料層を含む加工ウエハ及び／又はＥＯデバイスを製造するための方法の一例を示す簡略フローチャート１１００である。なお、図１１では、シーケンシャルフローでの動作を説明しているが、一部の動作が並行して又は同時に行なわれてもよい。幾つかの動作が異なる順序で実行されてもよい。プロセスは、図に含まれない更なるステップを有してもよい。幾つかの動作は、任意選択的であってもよく、したがって、様々な実施形態で省かれてもよい。また、幾つかの動作が他の動作と共に実行されてもよい。

[0095]ブロック１１１０において、動作は、基板上にシード層を堆積させることを含むことができる。基板としては、例えば、前述したように、半導体基板（例えば、シリコンウエハ）、ガラス基板、石英基板、セラミック基板等が挙げられる。シード層は、例えば、ＭＢＥ技術を用いて基板上にエピタキシャル成長させることができ、例えば、ＳｒＴｉＯ_３（ＳＴＯ）、ＭｇＯ、又はＬａＡｌＯ_３を含むことができる。

[0096]ブロック１１２０において、動作は、例えばＭＢＥ技術を使用してシード層上に第１の電気光学材料層をエピタキシャル堆積させることを含むことができる。シード層は、第１のＥＯ材料層の格子構造及び／又は基板の格子構造と同様の格子構造を有してもよく、例えば、ＢＴＯ、ＢＳＴ、ＰＺＴ、ＰＬＺＴなどの強誘電材料又はペロブスカイト強誘電材料を含んでもよい。第１のＥＯ材料層中の材料は、室温で正方格子構造を有してもよく、バルクで使用される場合、より低温でその格子構造及び結晶相を変化させてもよい。第１のＥＯ材料層は、例えば１００ｎｍ未満の厚さを有してもよい。

[0097]ブロック１１３０において、動作は、基板とシード層との間に酸化物バッファ層を形成するために酸素環境において基板、シード層、及び第１の電気光学材料層をアニールすることを含むことができる。アニーリングは、例えば、酸化物バッファ層の軟化温度より高い温度、例えば６００℃より高い温度（例えば、７５０℃以上）で行ってもよい。高温アニーリングは、基板（例えば、Ｓｉ）とシード層（例えば、ＳＴＯ）との間の界面に酸化物バッファ層（例えば、ＳｉＯ_２）を形成するのに役立ち得る。アニーリング温度が酸化物バッファ層の軟化温度より高い場合、酸化物バッファ層は軟化する可能性があり、したがって、シード層及び第１のＥＯ材料層は、基板から分離されてもよく、シード層及び第１のＥＯ材料層内の応力を解放できるようにされる。

[0098]ブロック１１４０において、動作は、第１の電気光学材料層上に第１の中間層を堆積させることを含むことができる。第１の中間層は、第１のＥＯ材料層の結晶構造と同様の結晶構造を含み、低温で相転移しなくてもよい。したがって、第１の中間層は、第１の格子構造を室温及び極低温（例えば、約４Ｋで）で維持できる材料を含んでいてもよい。第１の中間層は、例えば、ＭｇＯ、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＮｂＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３及びＳｒＺｒＯ_３などのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。

[0099]ブロック１１５０において、動作は、第１の中間層上に第２の電気光学材料層を堆積させることを含んでもよい。第２の電気光学材料層は、第１の電気光学材料層と同様であってもよい。ブロック１１６０において、動作は、高温アニーリングにおいて第２の電気光学材料層及び第１の中間層をアニールして、第２のＥＯ材料層を緩和し、材料品質を改善し、第２のＥＯ材料層における面内分極を確保することを含むことができる。

[0100]幾つかの実施形態では、ＥＯ材料層の総厚が所望の値よりも大きくなるまで、更なる中間層及びＥＯ材料層を交互に堆積させることができる。幾つかの実施形態において、交互配置された中間層及びＥＯ材料層を含む更なる層は、高温アニーリングでアニールされてもよい。第１の中間層、第２の中間層、及び、更なる中間層は、例えば約１０ｎｍ未満の厚さを有することができるとともに、ＥＯ材料層を互いに分離し、ＥＯ材料層に引張応力を加えてＥＯ材料層の相転移を制限するために使用することができる。幾つかの実施形態において、各ＥＯ材料層の厚さと各中間層の厚さとの間の比は、約２０：１、１０：１、８：１、５：１又はそれ未満であり得る。中間層は、より低い温度（例えば、極低温）では格子構造及び結晶相を変化させ得ないため、中間層は、ＥＯ材料層がより低い温度でその室温格子構造及び結晶相を変化させることを制限し得る。したがって、ＥＯ材料層は、より低い温度で高いＥＯ効果（例えばポッケルス効果）を有し得る。例えば、ＥＯ材料層は、ＢＴＯを含むことができ、極低温で３００ｐｍ／Ｖよりも大きいポッケルス係数を有することができる。

[0101]任意選択的に、ブロック１１７０において、交互配置された中間層とＥＯ材料層との積層体上に導波路が形成されてもよい。導波路は、マッハツェンダ干渉計、共振器、光スイッチ、電気光学変調器などのセクションであってもよい。幾つかの実施形態において、導波路は、誘電体材料もしくは半導体材料、又は電気光学材料層内の１つ以上の電気光学材料層を含む導波路コアを含んでもよい。幾つかの実施形態において、導波路は、複数の電気光学材料層内の電気光学材料層と物理的に接触している導波路クラッド層を含むことができ、電気光学材料層の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数によって特徴付けることができる。導波路クラッド層は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯ、ＳｉＯＣＮ、及び、ＨｆＯ_２のうちの少なくとも１つを含んでもよい。

[0102]幾つかの実施形態において、導波路を形成することは、導波路コアを形成するために１つ以上の電気光学材料層をパターニングすることと、導波路コア上に誘電体クラッド層を堆積することとを含むことができる。１つ以上の電気光学材料層をパターニングすることは、中間層をエッチング停止層として使用して１つ以上の電気光学材料層をエッチングすることを含むことができる。幾つかの実施形態において、導波路を形成することは、中間層及びＥＯ材料層を含む層の積層体上に高屈折率材料の層を堆積することと、導波路コアを形成するために高屈折率材料の層をパターニングすることと、導波路コア上に誘電体クラッド層を堆積することとを含むことができる。幾つかの実施形態において、導波路を形成することは、導波路を含むウエハを、中間層及びＥＯ材料層を含む層の積層体に結合することを含むことができる。幾つかの実施形態において、方法は、中間層及びＥＯ材料層を含む層の積層体内のトレンチをエッチングすることと、トレンチを導電性材料で充填することとを含むこともできる。幾つかの実施形態において、層の積層体内のトレンチをエッチングすることは、酸化物バッファ層をエッチング停止層として使用することを含むことができる。

[0103]図１２は、特定の実施形態に係る電気光学デバイス（例えば、スイッチ）を含むハイブリッド量子コンピューティングシステム１２００の一例の簡略化されたシステムブロック図である。低温、例えば液体ヘリウム温度で動作するために、本発明の実施形態は、本明細書で説明する電気光学スイッチを冷却システムを含むシステムに組み込む。したがって、本発明の実施形態は、例えば、図１２に示すようなハイブリッドコンピューティングシステムを提供する。ハイブリッド量子コンピューティング（ＱＣ）システム１２００は、ハイブリッド量子コンピューティングサブシステム１２０６に通信可能に結合されるユーザインタフェースデバイス１２０４を含む。ユーザインタフェースデバイス１２０４は、任意のタイプのユーザインタフェースデバイス、例えば、ディスプレイ、キーボード、マウス、タッチスクリーンなどを含む端末となり得る。更に、ユーザインタフェースデバイス自体は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、ラップトップ、タブレットコンピュータなどのコンピュータとなり得る。

[0104]幾つかの実施形態において、ユーザインタフェースデバイス１２０４は、ユーザがハイブリッドＱＣサブシステム１２０６と相互作用できるインタフェースを備える。例えば、ユーザインタフェースデバイス１２０４は、テキストエディタ、対話型開発環境（ＩＤＥ）、コマンドプロンプト、グラフィカルユーザインタフェースなどのソフトウェアを実行することができ、それにより、ユーザは、１つ以上の量子アルゴリズムを実行するためにＱＣサブシステムをプログラムする或いはさもなければＱＣサブシステムと相互作用できる。他の実施形態では、ハイブリッドＱＣサブシステム１２０６が事前にプログラムされてもよく、また、ユーザインタフェースデバイス１２０４は、単に、ユーザが量子計算を開始し、進捗を監視し、ハイブリッドＱＣサブシステム１２０６から結果を受信することができるインタフェースであってもよい。ハイブリッドＱＣサブシステム１２０６は、１つ以上の量子コンピューティングチップ１２１０に結合される古典的なコンピューティングシステム１２０８を更に含む。幾つかの例において、古典的なコンピューティングシステム１２０８及び量子コンピューティングチップ１２１０は、他の電子部品１２１２、例えば、パルスポンプレーザ、マイクロ波発振器、電源、ネットワークハードウェアなどに結合され得る。

[0105]極低温動作を利用する幾つかの実施形態において、量子コンピューティングシステム１２０９は、クライオスタット、例えばクライオスタット１２１４内に収容され得る。幾つかの実施形態において、量子コンピューティングチップ１２１０は、本明細書に開示される様々な導波路構造及び／又はＥＯデバイスを含むことができる、例えばハイブリッド電子チップ１２１６及び集積フォトニクスチップ１２１８などの１つ以上の構成チップを含むことができる。信号は、例えば、光相互接続１２２０及び他の電子相互接続１２２２を介して、任意の数の方法でオンチップ及びオフチップにルーティングされ得る。更に、ハイブリッド量子コンピューティングシステム１２００は、量子計算プロセス、例えば、量子ビットの一つ以上のクラスタ状態を用いる測定ベースの量子計算（ＭＢＱＣ）を用いてもよい。

[0106]当業者に明らかなように、特定の実施態様にしたがって実質的な変形がなされてもよい。例えば、カスタマイズされたハードウェアが使用されてもよく、及び／又は特定の要素がハードウェア、ソフトウェア（アプレットなどのポータブルソフトウェアを含む）、又はその両方で実装されてもよい。更に、ネットワーク入出力デバイスなどの他のコンピューティングデバイスへの接続を採用することができる。

[0107]添付の図に関連して、メモリを含むことができる構成要素は、持続性機械可読媒体を含むことができる。本明細書で使用される「機械可読媒体」及び「コンピュータ可読媒体」という用語は、機械を特定の態様で動作させるデータの提供に関与する任意の記憶媒体を指す。上記で提供された実施形態では、様々な機械可読媒体が、実行のためにプロセッサ及び／又は他のデバイスに命令／コードを提供することに関与し得る。これに加えて又は代えて、機械可読媒体は、そのような命令／コードを記憶及び／又は搬送するために使用され得る。多くの実施において、コンピュータ可読媒体は、物理的及び／又は有形の記憶媒体である。そのような媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体、及び伝送媒体を含むがこれらに限定されない多くの形態をとることができる。コンピュータ可読媒体の一般的な形態は、例えば、磁気及び／又は光学媒体、パンチカード、紙テープ、孔のパターンを有する任意の他の物理媒体、ＲＡＭ、プログラマブル読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨ－ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップ又はカートリッジ、後述するような搬送波、又はコンピュータが命令及び／又はコードを読み取ることができる任意の他の媒体を含む。

[0108]本明細書で説明される方法、システム、及びデバイスは例である。様々な実施形態は、必要に応じて様々な手順又は構成要素を省略、置換、又は追加することができる。例えば、特定の実施形態に関して説明した特徴は、様々な他の実施形態において組み合わせることができる。実施形態の異なる態様及び要素は、同様の方法で組み合わせることができる。本明細書で提供される図の様々な構成要素は、ハードウェア及び／又はソフトウェアで実施することができる。また、技術は進化しており、したがって、要素の多くは、本開示の範囲をそれらの特定の例に限定しない例である。

[0109]ビット、情報、値、要素、記号、文字、変数、用語、数、数字などのような信号を参照することは、主に一般的な使用の理由から、時には便利であることが判明している。しかしながら、これら又は類似の用語の全ては、適切な物理量に関連付けられるべきであり、単に便利なラベルであることが理解されるべきである。特に明記しない限り、上記の説明から明らかなように、本明細書全体を通して、「処理する」、「コンピューティングする」、「計算する」、「決定する」、「確認する」、「識別する」、「関連付ける」、「測定する」、「実行する」などの用語を利用する説明は、専用コンピュータ又は同様の専用電子コンピューティングデバイスなどの特定の装置の動作又はプロセスを指すことが理解される。したがって、本明細書の文脈では、専用コンピュータ又は同様の専用電子コンピューティングデバイスは、通常、専用コンピュータ又は同様の専用電子コンピューティングデバイスのメモリ、レジスタ、又は他の情報記憶デバイス、送信デバイス、又は表示デバイス内の物理的な電子量、電気量、又は磁気量として表される信号を操作又は変換することができる。

[0110]当業者であれば分かるように、本明細書に記載されたメッセージを通信するために使用される情報及び信号は、様々な異なる技術及び技術のいずれかを使用して表され得る。例えば、上記の説明を通して参照され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、及びチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは粒子、光場もしくは粒子、又はそれらの任意の組み合わせによって表され得る。

[0111]本明細書で使用される「及び」、「又は」、及び、「及び／又は」という用語は、そのような用語が使用される文脈に少なくとも部分的に依存することも予想される様々な意味を含み得る。一般に、Ａ、Ｂ、又はＣなどのリストを関連付けるために使用される場合の「又は」は、ここでは包括的な意味で使用されるＡ、Ｂ、及びＣ、並びにここでは排他的な意味で使用されるＡ、Ｂ、又はＣを意味することを意図している。更に、本明細書で使用される「１つ以上」という用語は、単数形の任意の特徴、構造、又は特性を説明するために使用されてもよく、又は特徴、構造、又は特性の幾つかの組み合わせを説明するために使用されてもよい。しかしながら、これは単なる例示であり、特許請求される主題はこの例に限定されないことに留意すべきである。更に、「～のうちの少なくとも１つ」という用語は、Ａ、Ｂ、又はＣなどのリストを関連付けるために使用される場合、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、ＡＡ、ＡＡＢ、ＡＢＣ、ＡＡＢＢＣＣＣなどのＡ、Ｂ、及び／又はＣの任意の組み合わせを意味すると解釈することができる。

[0112]本明細書を通して、「１つの例」、「一例」、「特定の例」、又は「典型的な実施」への言及は、特徴及び／又は例に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、特許請求される主題の少なくとも１つの特徴及び／又は例に含まれ得ることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な箇所における「１つの例では」、「一例では」、「特定の例では」、「特定の実施では」という語句、又は他の同様の語句の出現は、必ずしも全てが同じ特徴、例、及び／又は限定を指すとは限らない。更に、特定の特徴、構造、又は特性は、１つ以上の例及び／又は特徴において組み合わされてもよい。

[0113]幾つかの実装形態では、動作又は処理は、物理量の物理的操作を含み得る。一般に、必ずしもそうとは限らないが、そのような量は、記憶、転送、結合、比較、又は他の方法で操作することができる電気信号又は磁気信号の形態をとることができる。ビット、データ、値、要素、シンボル、文字、用語、数字、数字などの信号を参照することは、主に一般的な使用の理由から、時には便利であることが判明している。しかしながら、これら又は類似の用語の全ては、適切な物理量に関連付けられるべきであり、単に便利なラベルであることが理解されるべきである。特に明記しない限り、本明細書の説明から明らかなように、本明細書全体を通して、「処理」、「コンピューティング」、「計算」、「決定」などの用語を利用する説明は、専用コンピュータ、専用コンピューティング装置、又は同様の専用電子コンピューティングデバイスなどの特定の装置の動作又はプロセスを指すことが理解される。したがって、本明細書の文脈では、専用コンピュータ又は同様の専用電子コンピューティングデバイスは、専用コンピュータ又は同様の専用電子コンピューティングデバイスのメモリ、レジスタ、又は他の情報記憶デバイス、送信デバイス、又は表示デバイス内の物理的な電子量又は磁気量として通常表される信号を操作又は変換することができる。

[0114]先の詳細な説明では、特許請求の範囲に記載される主題の完全な理解を与えるために、多数の特定の詳細について記載してきた。しかしながら、当業者であれば分かるように、特許請求の範囲に記載される主題がこれらの特定の詳細を伴うことなく実施されてもよい。他の例において、当業者に知られている方法及び装置は、特許請求の範囲に記載される主題を不明瞭にしないように詳細には説明されていない。したがって、特許請求の範囲に記載される主題が開示された特定の例に限定されず、そのような特許請求の範囲に記載される主題が添付の特許請求の範囲内に入る全ての態様及びその均等物も含み得ることが意図される。

Claims (20)

1. 基板と、
   前記基板上の積層体と、
   を備え、
   前記積層体は、
   複数の電気光学材料層と、
   前記複数の電気光学材料層と交互配置される複数の中間層と、
   を含み、
   前記複数の中間層は、室温および極低温で第１の格子構造を維持し、
   前記複数の電気光学材料層は、前記室温および前記極低温で第２の格子構造および結晶相を維持する、
   ウエハ。
2. 前記基板と前記積層体との間にエピタキシャルシード層を更に備える、請求項１に記載のウエハ。
3. 前記エピタキシャルシード層は、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ_３、または、ＭｇＯのうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のウエハ。
4. 前記エピタキシャルシード層と前記基板との間に前記基板の酸化層を更に備える、請求項２に記載のウエハ。
5. 前記複数の電気光学材料層は、前記極低温で正方格子構造によって特徴付けられる、請求項１に記載のウエハ。
6. 前記複数の電気光学材料層は、ＢａＴｉＯ_３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、または、（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のウエハ。
7. 前記複数の中間層は、ＭｇＯ、（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ_３、ＢａＨｆＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＳｒＨｆＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、または、ＳｒＮｂＯ_３のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のウエハ。
8. 前記複数の電気光学材料層のそれぞれの厚さと前記複数の中間層のそれぞれの厚さとの間の比が２０：１以下である、請求項１に記載のウエハ。
9. 基板上にシード層を堆積させるステップと、
   前記シード層上に第１の電気光学材料層をエピタキシャル堆積させるステップと、
   前記基板、前記シード層、および、前記第１の電気光学材料層を酸素環境下でアニールすることにより、前記基板と前記シード層との間に酸化物バッファ層を形成するステップと、
   前記第１の電気光学材料層上に第１の中間層を堆積させるステップであって、前記第１の中間層が、室温および極低温で第１の格子構造を維持する材料を含む、ステップと、
   前記第１の中間層上に第２の電気光学材料層を堆積させるステップと、
   前記第２の電気光学材料層および前記第１の中間層をアニールするステップと、
   を含む方法。
10. 前記第１の電気光学材料層および前記第２の電気光学材料層は、前記室温の第３の格子構造とは異なる前記極低温の第２の格子構造によって特徴付けられる電気光学材料を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記第３の格子構造が前記第１の格子構造と同じ結晶構造である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記基板、前記シード層、および、前記第１の電気光学材料層をアニールする前記ステップは、前記酸化物バッファ層の軟化温度より高い温度でアニールするステップを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記第２の電気光学材料層上に第２の中間層を堆積させるステップであって、前記第２の中間層が、前記室温および前記極低温で前記第１の格子構造を維持する前記材料を含む、ステップと、
    前記第２の中間層上に第３の電気光学材料層を堆積させるステップと、
    前記第３の電気光学材料層および前記第２の中間層をアニールするステップと、
    を更に含む、請求項９に記載の方法。
14. 導波路コアを形成するために前記第３の電気光学材料層をパターニングするステップと、
    前記導波路コア上に誘電体クラッド層を堆積させるステップと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第３の電気光学材料層をパターニングする前記ステップは、前記第２の中間層をエッチング停止層として使用して前記第３の電気光学材料層をエッチングするステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第３の電気光学材料層上に導波路を形成するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記第３の電気光学材料層上に前記導波路を形成する前記ステップは、
    前記第３の電気光学材料層上に導波路コアを形成するステップと、
    前記導波路コア上に誘電体クラッド層を堆積させるステップと、
    を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第３の電気光学材料層上に前記導波路を形成する前記ステップは、前記導波路を含むウエハを前記第３の電気光学材料層に結合するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第１、第２、および、第３の電気光学材料層並びに前記第１の中間層および第２の中間層にトレンチをエッチングするステップと、
    前記トレンチに導電性材料を充填するステップと、
    を更に含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記第１の電気光学材料層の厚さと前記第１の中間層の厚さとの間の比が２０：１以下である、請求項９に記載の方法。

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