以CMOS兼容方法进行石墨烯基光电吸收调制器的晶圆级集成

逍遥设计自动化

引言
石墨烯凭借其卓越的电学和光学特性，在下一代光电子器件领域展现出巨大潜力。然而，要将石墨烯基器件从实验室演示转变为实际应用，开发可扩展、高产量且与现有半导体制造技术兼容的制造工艺十分必要。本文探讨了在300毫米CMOS试点生产线中实现单层石墨烯电吸收调制器（EAMs）的晶圆级集成，展示了石墨烯基光电子器件大规模、低成本生产的可能性[1]。

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8 E  @8 R, Z3 B2 ~) m. f集成过程
! T# G0 s4 n) E- |0 c! Y0 V# |: h- y在硅基光电子平台上集成石墨烯EAMs涉及几个关键步骤：
8 L0 {6 p$ D  ?1. 波导图形化和表面平坦化
$ j6 k- q0 Y2 }5 _9 I, a工艺始于使用193纳米浸没式光刻技术在硅绝缘体（SOI）晶圆上进行硅波导图形化。这一阶段的关键步骤是表面平坦化，直接影响随后转移的石墨烯层质量。
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图1展示了石墨烯电吸收调制器晶圆级集成过程的关键步骤，从波导图形化到最终金属布线层。
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" T5 R% _( ~% o' R( ]$ ~2. 石墨烯转移
* i4 W; u; `9 o9 `) X+ p( l4 }6 `* s使用半干法技术将6英寸CVD生长的石墨烯层转移到300毫米晶圆的中心。这一步骤对保持石墨烯质量和确保晶圆上的均匀覆盖非常重要。

3. 石墨烯封装
. L* B$ l$ |- s# Q$ g% J为在后续处理步骤中保护石墨烯层，需要沉积一层封装层。这通常涉及低温表面物理吸附过程，随后进行Al2O3的原子层沉积（ALD）。

, i" l7 W. s+ ?9 a' Z- ?  L4. 石墨烯图形化和接触形成
/ c3 _" J8 Y+ E# {7 G4 m使用硬掩模方法对石墨烯层进行图形化，并使用CMOS兼容的damascene工艺形成接触。这一步骤对于实现石墨烯和底层硅的低电阻接触至关重要。

关键优化研究
0 }- a/ e+ j* @* L5 R/ a* R为在整个晶圆上实现高性能、均匀的器件，对三个关键工艺步骤进行了研究和优化：
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1. 表面平坦化
1 F9 ?8 k) R( h' F0 J. w0 O% P研究比较了标准化学机械抛光（CMP）工艺与包含额外CMP步骤的优化工艺。结果表明，改进的表面平整度有助于更好地保持石墨烯质量，并在最终器件中实现更均匀的电场分布。
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图2展示了额外CMP步栽对表面平整度和栅氧化层均匀性的影响，这对维持石墨烯质量很有意义。
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, i9 v6 R/ k* d8 {: c1 Z3 r2. 石墨烯封装
研究了封装过程中浸泡时间对Al2O3覆盖层均匀性的影响。较长的浸泡时间导致更好的覆盖和更少的孔洞，从而提高器件产量和性能一致性。
5 z+ l& b# I. q+ n1 b% v# s. p
) t% S6 j8 S# O4 f$ S3. 接触形成
研究了接触孔蚀刻和金属沉积之间的时间延迟。最小化这一延迟对于实现低电阻接触至关重要，直接影响器件的高速性能。

6 h% ?/ N. ]( W( x* O5 R' H2 L9 O0 A9 n器件表征和性能
* L. ?9 J. b. p; n9 s$ b7 X/ Y通过各种测量对集成的石墨烯EAMs进行表征，以评估其静态和动态性能：
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1. 拉曼光谱
" t: |  [, x! E4 E/ l: |: r9 E使用拉曼测量评估完整集成过程后的石墨烯质量。结果证实，优化的平坦化工艺降低了应力效应，更好地保持了石墨烯质量。
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图3显示了拉曼光谱数据，说明了平坦化工艺对石墨烯质量和应力的影响。

2. 静态性能
. Y8 V0 x% f1 t! i在1530-1580纳米波长范围内测量了器件的插入损耗（IL）和消光比（ER）。优化后的工艺在数百个器件中实现了均匀的性能，使用6V峰峰值电压测量的400个器件的调制深度为50±4 dB mm^-1。
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图4展示了制造的器件的插入损耗、消光比和调制深度，显示了晶圆上器件性能的均匀性。

+ Z3 O: m: {8 o; [% Z, s3. 动态性能
+ d, @) o* L/ e- q进行了S参数测量以评估器件的频率响应。优化后的工艺实现了25μm长器件高达15.1±1.8 GHz的3 dB电光带宽。
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; J2 g: j6 U! U: N

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图5显示了S参数测量结果和用于分析器件动态性能的等效电路模型。

4 o7 l4 {% [& B8 ~/ r- W0 I结论和未来展望
- D/ e5 E( D( M. R& N3 x- u本工作展示了在CMOS兼容工艺流程中成功集成石墨烯基电吸收调制器，实现了与实验室器件相当的性能，同时在300毫米晶圆上实现了高产量和均匀性。
9 u4 r" ]. A( y7 J$ i2 l" w
主要发现包括：
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表面平坦化对维持石墨烯质量和器件性能的重要性。

石墨烯封装在后续处理步骤中保护材料的关键作用。

接触形成对器件速度的影响，以及最小化金属化工艺延迟的必要性。
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开发的集成方法为石墨烯基光电子器件的工业应用奠定了基础。
未来工作可能集中于：
6 \% ^8 [% h/ I, R

探索替代器件结构，如双层石墨烯结构或TM偏振设计，以进一步提高调制效率和速度。

将石墨烯基调制器与其他硅基光电子组件集成，创建更复杂、功能更强的线路。

将开发的工艺扩展到其他石墨烯基光电子器件，如光电探测器和传感器。
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通过展示性能与实验室器件相当的石墨烯EAMs的晶圆级集成，本工作解决了石墨烯光电子技术商业化的一个重大瓶颈。CMOS兼容的工艺流程实现了与其他光电子和电子组件的共集成，为下一代光电子系统的高产量、低成本制造创造了新的可能。
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参考文献
( _  Q0 v3 }7 A1 ]7 {& o[1] C. Wu et al., "Wafer-Scale Integration of Single Layer Graphene Electro-Absorption Modulators in a 300 mm CMOS Pilot Line," Advanced Materials, 2024.

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