Search

KR-102962067-B1 - 안정화된 정방정계 바륨 티타네이트의 형성 방법 및 시스템

KR102962067B1KR 102962067 B1KR102962067 B1KR 102962067B1KR-102962067-B1

Abstract

전기-광학 디바이스는 기판과 기판 위의 도파관을 포함한다. 도파관은, 복수의 중간층과 인터리브된 복수의 전기-광학 물질층, 층 스택에 인접한 도파관 코어, 도파관 클래딩층, 및 복수의 전기-광학 물질층과 전기적으로 접촉하는 한 쌍의 전극을 포함하는 층 스택을 포함한다. 복수의 중간층은 실온 및 극저온에서 제1 격자 구조를 유지한다. 복수의 전기-광학 물질층은 실온 및 극저온에서 제2 격자 구조 및 결정학적 위상을 유지한다.

Inventors

  • 리앙 영
  • 톰슨 마크 지
  • 창 치아-밍
  • 카미네리 비말 쿠마르

Assignees

  • 사이퀀텀, 코퍼레이션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20201028
Priority Date
20191029

Claims (20)

  1. 웨이퍼에 있어서, 실리콘 또는 게르마늄을 포함하는 기판; 상기 기판 상의 버퍼층; 시드층 - 상기 버퍼층은 상기 시드층과 상기 기판 사이에 위치함 -; 및 상기 시드층 상에 배치된 층 스택(layer stack) - 상기 층 스택은, 복수의 전기-광학 물질층; 및 상기 복수의 전기-광학 물질층과 인터리브(interleave)된 복수의 중간층(interlayer)을 포함함 -; 을 포함하되, 상기 버퍼층은 어닐링 온도에서 상기 시드층 및 상기 복수의 전기-광학 물질층 중 상기 시드층 상에 배치된 제1 전기-광학 물질층에서 응력을 해제하고; 상기 복수의 중간층은 실온(room temperature) 및 극저온(cryogenic temperature)에서 제1 격자 구조를 유지하고; 또한 상기 복수의 전기-광학 물질층은 실온 및 극저온에서 인장 응력을 받고 제2 격자 구조 및 결정학적 위상(crystallographic phase)을 유지하는, 웨이퍼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층과 상기 층 스택 사이에 에피택셜 시드층(epitaxial seed layer)을 더 포함하는 웨이퍼.
  3. 제2항에 있어서, 상기 에피택셜 시드층은 SrTiO3, LaAlO 3 , 또는 MgO 중 적어도 하나를 포함하는, 웨이퍼.
  4. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층은 상기 기판의 산화층을 포함하는 웨이퍼.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기-광학 물질층은 극저온에서 정방격자 구조(tetragonal lattice structure)를 특징으로 하는, 웨이퍼.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기-광학 물질층은 BaTiO 3 , (Ba,Sr)TiO 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 또는 (Pb, La)(Zr,Ti)O 3 중 적어도 하나를 포함하는, 웨이퍼.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 중간층은 MgO, (Ba,Sr)TiO 3 , BaHfO 3 , BaZrO 3 , SrHfO 3 , SrZrO 3 , 또는 SrNbO 3 중 적어도 하나를 포함하는, 웨이퍼.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 전기-광학 물질층 각각의 두께인 제1 두께와 상기 복수의 중간층 각각의 두께인 제2 두께의 비율은 20:1 이하인, 웨이퍼.
  9. 방법에 있어서, 기판 상에 시드층을 적층(deposit)하는 단계; 상기 시드층 상에 제1 전기-광학 물질층을 에피택셜 적층(epitaxially deposit)하는 단계; 상기 기판, 상기 시드층 및 상기 제1 전기-광학 물질층을 산소 환경에서 어닐링(anealing)하여 상기 기판과 상기 시드층 사이에 산화물 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 어닐링 후 냉각함으로써, 상기 제1 전기-광학 물질층의 응력이 자연 응력에서 인장 응력으로 전환되도록 하는 단계; 상기 제1 전기-광학 물질층 상에 제1 중간층을 적층하는 단계 - 상기 제1 중간층은 실온(room temperature) 및 극저온(cryogenic temperature)에서 제1 격자 구조를 유지하는 물질을 포함함 -; 상기 제1 중간층 상에 제2 전기-광학 물질층을 적층하는 단계; 및 상기 제2 전기-광학 물질층 및 상기 제1 중간층을 어닐링하는 단계 를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 전기-광학 물질층 및 상기 제2 전기-광학 물질층은 실온에서의 제3 격자 구조와 상이한 극저온에서의 제2 격자 구조를 특징으로 하는 전기-광학 물질을 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제3 격자 구조는 상기 제1 격자 구조와 동일한 결정 구조인, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 기판, 상기 시드층 및 상기 제1 전기-광학 물질층을 어닐링하는 단계는 상기 산화물 버퍼층의 연화점(softening temperature) 이상의 온도에서 열처리하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 제2 전기-광학 물질층 상에 제2 중간층을 적층하는 단계 - 상기 제2 중간층은 실온 및 극저온에서 상기 제1 격자 구조를 유지하는 물질을 포함함 -; 상기 제2 중간층 상에 제3 전기-광학 물질층을 적층하는 단계; 및 상기 제3 전기-광학 물질층 및 상기 제2 중간층을 어닐링하는 단계 를 더 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 도파관 코어(waveguide core)를 형성하기 위해 상기 제3 전기-광학 물질층을 패터닝(patterning)하는 단계; 및 상기 도파관 코어 상에 유전체 클래딩층(dielectric cladding layer)을 적층하는 단계 를 더 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제3 전기-광학 물질층을 패터닝하는 단계는, 상기 제2 중간층을 에칭 정지층(etch stop layer)으로 사용하여 상기 제3 전기-광학 물질층을 에칭하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제3 전기-광학 물질층 상에 도파관을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제3 전기-광학 물질층 상에 상기 도파관을 형성하는 단계는, 상기 제3 전기-광학 물질층 상에 도파관 코어를 형성하는 단계; 및 상기 도파관 코어 상에 유전체 클래딩층을 적층하는 단계를 포함하는, 방법
  18. 제16항에 있어서, 상기 제3 전기-광학 물질층 상에 상기 도파관을 형성하는 단계는, 상기 도파관을 포함하는 웨이퍼를 상기 제3 전기-광학 물질층에 접합하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제1, 제2, 및 제3 전기-광학 물질층과 상기 제1 및 제2 중간층에 트렌치(trench)를 에칭하는 단계; 및 상기 트렌치를 전도성 물질로 채우는 단계 를 더 포함하는 방법.
  20. 제9항에 있어서, 상기 제1 전기-광학 물질층의 두께와 상기 제1 중간층의 두께의 비율은 20:1 이하인, 방법.

Description

안정화된 정방정계 바륨 티타네이트의 형성 방법 및 시스템 관련 출원에 대한 상호 참조 본 출원은 2019년 10월 29일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/927,373호("Method And System For Formation Of Stabilized Tetragonal Barium Titanate")의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 참고로 여기에 포함된다. 전기-광학(Electro-Optical, EO) 변조기 및 스위치와 같은 EO 디바이스는 광통신 및 광컴퓨팅 시스템과 같은 다양한 광학 시스템에서 사용되어 왔다. 예를 들어, 광 위상 변조기는 집적 광학 시스템(integrated optics systems), 광 통신 송신기 또는 트랜시버(transceiver) 등에 사용될 수 있다. EO 변조기 또는 스위치는 자유 캐리어 전기 굴절, 자유 캐리어 전기 흡수, 포켈스(Pockels) 효과, 커(Kerr) 효과 등과 같은 다양한 EO 효과를 활용하여, EO 변조기 또는 스위치의 특정 경로를 통해 전파되는 빛의 위상 또는 진폭 변경과 같은 작동 중 빛 속성의 수정을 수행할 수 있다. 더 높은 EO 효과를 가진 물질을 사용하는 EO 디바이스는 더 낮은 제어 전압, 더 낮은 전력 소비로 작동할 수 있으며 종종 더 빠른 속도로 작동할 수 있다. 도 1a는 특정 실시예에 따른, 마하-젠더 간섭계를 포함하는 광 스위치의 예를 도시하는 단순화된 도면이다. 도 1b는 특정 실시예에 따른, 도 1a에 도시된 광 스위치의 구현에서 위상 조정 섹션(phase adjustment section)의 예의 단면도이다. 도 2는 특정 실시예에 따른, 약 4K 내지 약 340K의 온도에서 상이한 결정 격자 배향(crystal lattice orientation)을 갖는 ABO3 페로브스카이트 결정(perovskite crystal)(예를 들어, BaTiO3 결정)에 대한 유효 포켈스 계수(effective Pockels coefficient)를 도시한 도면이다. 도 3a 내지 도 3d는 특정 실시예에 따른 상이한 온도에서의 BaTiO3의 상 전이(phase transition)를 예시한 도면이다. 도 4는 특정 실시예에 따른, 실온에서 극저온까지 실질적으로 일정한 EO 계수를 특징으로 하는 EO 물질층을 포함하는 EO 디바이스를 제조하기 위한 방법의 예를 도시한 단순화된 흐름도이다. 도 5a는 특정 실시예에 따른, 성장된 시드층이 그 위에 있는 기판의 예를 도시한 도면이다. 도 5b는 특정 실시예에 따른, 시드층 상에 에피택셜하게 적층된 강유전성 물질층의 내부 응력(internal stress) 및 결정 격자 배향을 도시한 도면이다. 도 5c는 특정 실시예에 따른, 고온 산화 어닐링 후에 시드층 상에 에피택셜하게 적층된 강유전성 물질층의 내부 응력 및 결정 격자 배향을 도시한 도면이다. 도 5d는 특정 실시예에 따른, 엔지니어링된 웨이퍼에서 중간층과 인터리브된 강유전성 물질층의 내부 응력 및 결정 격자 배향을 도시한 도면이다. 도 5e는 특정 실시예에 따른, 도파관 구조에서 중간층과 인터리브된 강유전성 물질층의 내부 응력 및 결정 격자 배향을 도시한 도면이다. 도 6은 특정 실시예에 따른, 어닐링 전후의 에피택셜 층의 예에 대해 이온 채널링(ion channeling)에 의해 도시된 어닐링 후의 결정 품질 개선을 도시한 도면이다. 도 7은 특정 실시예에 따른, 고온에서 에피택셜 층의 예에서 이위상(out-of-phase) 격자 상수(lattice constant) 이완을 나타내는 x-선 회절 데이터의 예를 도시한 도면이다. 도 8은 특정 실시예에 따른, 극저온에서 정방정상을 유지하는 EO 물질층을 포함하는 도파관 구조의 예의 단순화된 단면도이다. 도 9는 특정 실시예에 따른, 극저온에서 정방정상을 유지하는 EO 물질층을 포함하는 도파관 구조의 다른 예의 단순화된 단면도이다. 도 10은 특정 실시예에 따른, 극저온에서 정방정상을 유지하는 EO 물질층을 포함하는 도파관 구조의 또 다른 예의 단순화된 단면도이다. 도 11은 특정 실시예에 따른, 실온에서 극저온까지 실질적으로 일정한 EO 계수를 특징으로 하는 EO 물질층을 포함하는 엔지니어링 웨이퍼(engineered wafer) 및/또는 EO 디바이스를 제조하기 위한 방법의 예를 도시한 단순화된 흐름도이다. 도 12는 특정 실시예에 따른, 전기-광학 디바이스를 포함하는 하이브리드 양자 컴퓨팅 시스템의 예의 단순화된 시스템 블록도이다. 본 명세서에 개시된 기술은 일반적으로 전기-광학(EO) 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 명세서에 개시된 실시예는, 극저온과 같은 저온에서 EO 재료(예를 들어, 강유전성 재료)에서 높은 EO 효과를 달성하고, 광 변조기 및 스위치와 같은 EO 장치에서 EO 재료의 높은 EO 효과를 활용하여, 낮은 온도에서 EO 장치 작동 중에 전력 소비를 줄이고 효율성과 속도를 개선하기 위한 기술에 관한 것이다. 단지 예로서, 능동 광학 디바이스를 포함하는 집적 광학 시스템과 관련하여 실시예가 제공되지만, 본 명세서에 개시된 기술은 이 예에 제한되지 않고 다양한 광학 및 광전자 시스템에 폭넓게 적용할 수 있다. 방법, 프로세스, 물질, 웨이퍼, 시스템, 디바이스 등을 포함하는 다양한 본 발명의 실시예가 여기에서 설명된다. EO 효과가 높은 물질을 사용하는 EO 디바이스는 EO 계수가 상대적으로 낮은 물질을 사용하는 디바이스에 비해 더 낮은 제어 전압, 더 낮은 전력 소비 및 더 빠른 속도로 작동할 수 있다. 선형 광학 양자 컴퓨팅(linear optical quantum computing) 응용과 같은 일부 응용에서 EO 디바이스는 극저온(예: 약 4K)과 같은 매우 낮은 온도에서 작동할 수 있다. 일부 EO 물질의 포켈스 계수와 같은 EO 효과는 저온에서 크게 저하될 수 있다. 예를 들어 BaTiO3(BTO)는 높은 포켈스 계수(예를 들어, 실온에서 약 900 피코미터/V 이상)와 실리콘 CMOS 공정과의 호환성으로 인해 EO 스위치에 사용될 수 있다. 그러나 약 4K에서 BTO의 포켈스 계수는 실온에서의 포켈스 계수의 약 1/3 미만으로 저하될 수 있다. 따라서 EO 스위치의 효율은 극저온에서 크게 감소할 수 있다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, 실온은 대략 20 ℃에서의 온도이고, 보다 구체적으로 18 ℃ 내지 22 ℃ 사이의 온도로서 정의된다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, 극저온은 -150 ℃ 아래의 온도이며, 보다 구체적으로 -150 ℃ 내지 -273 ℃ 사이의 온도로 정의된다. 특정 실시예에 따르면, 저온에서의 일부 EO 물질의 EO 효과(예를 들어, 포켈스 계수)의 저하가 상이한 온도에서의 EO 물질 결정 격자의 결정학적 상전이에 의해 야기될 수 있는 것으로 판단된다. 예를 들어, BTO는 실온의 정방정상에서 실온 아래의 사방정상(orthorhombic phase)으로, 그 다음 극저온으로 가면서 능면체상(rhombohedral phase)으로 결정학적 상전이를 겪을 수 있다. 정방정상에서 능면체상으로의 결정학적 상 전이는 실온에서 극저온으로의 포켈스 효과 저하에 기여할 수 있다. 이와 같이, 특정 실시예에 따르면, EO 물질의 EO 효과는 저온에서 EO 물질의 정방 격자 구조를 유지함으로써 저온에서 높은 수준(예를 들어, 실온에서의 수준에 가깝게)으로 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 이것은, 예를 들어 EO 재료의 얇은 층을, 작동 온도가 실온에서 극저온으로 떨어질 때 격자 구조(또는 결정학적 위상) 및 분극 변화를 겪지 않거나 또는 EO 물질과 다른 온도에서 결정학적 상전이를 겪지 않는 중간층과 인터록함으로써, 그리하여 EO 물질의 결정학적 상전이를 방해함으로써 달성될 수 있다. 중간층은 EO 물질의 응력을 유지하는 데 도움이 될 수 있으며 작동 온도가 감소할 때 EO 물질층이 격자 구조 및 분극을 변경하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, EO 물질의 EO 계수는 실온에서의 EO 계수에 가까운 수준으로 유지될 수 있다. 따라서, 인터리브된 구조를 포함하는 EO 디바이스는 극저온에서 높은 효율과 속도를 유지할 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 본 명세서에 기술된 능동 광자 디바이스는 낮은 온도에서 광 신호를 효율적으로 변조 및/또는 스위칭하기 위해 포켈스 효과와 같은 높은 전기-광학 효과를 이용할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 기술은, 광이 하나 이상의 입력 포트중 어느 하나의 입력 포트(예를 들어, 도파관)로부터 선택되어 하나 이상의 출력 포트중 어느 하나의 출력 포트(예를 들어, 도파관)로 출력될 수 있는 광 스위치 뿐만 아니라, 투과된 광의 강도가 예를 들어 사인파 함수(sinusoidal function) 또는 제곱 함수(square function)에 따라 변조될 수 있는 광 변조기에 적용 가능하다. 특정 실시예에 따르면, EO 물질은 상이한 도파관 구조 및/또는 상이한 프로세스에 의해 제조된 도파관 구조를 갖는 디바이스에서 사용될 수 있다. 예를 들어, EO 물질은 도파관 구조에서 도파관 코어, 하부-클래딩층(under-cladding layer) 및/또는 상부-클래딩층(upper-cladding layer)으로 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 도파관 코어는 EO 물질층 상에 적층되거나 EO 물질층에서 에칭될 수 있거나, 또는 반도체 기판 상에 형성된 후 EO 물질층을 포함하는 웨이퍼 또는 디바이스에 본딩될 수 있다. 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면과 관련하여 몇몇 예시적인 실시예가 이제 설명될 것이다. 이어지는 설명은 실시예(들)만을 제공하며 본 개시의 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하도록 의도되지 않는다. 오히려, 이어지는 실시예(들)의 설명은 하나 이상의 실시예를 구현하기 위해 실시 가능한 설명을 당업자에게 제공할 것이다. 본 개시내용의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 구성 요소들의 기능 및 배열에 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 다음 설명에서, 설명의 목적을 위해 특정 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 세부사항이 제시된다. 그러나,