可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片

據麥姆斯咨詢(xún)報道，2024年5月8日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海微系統所）的歐欣研究員團隊聯(lián)手瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias J. Kippenberg團隊，在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，相關(guān)成果以《可批量制造的鉭酸鋰集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）為題，發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

隨著(zhù)全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，集成電路芯片性能提升的難度和成本越來(lái)越高，人們迫切尋找新的技術(shù)方案。以硅光技術(shù)和薄膜鈮酸鋰光子技術(shù)為代表的集成光電技術(shù)是應對此瓶頸問(wèn)題的顛覆性技術(shù)。其中，鈮酸鋰有“光學(xué)硅”之稱(chēng)，近年間受到了廣泛關(guān)注，哈佛大學(xué)等國外研究機構甚至提出了仿照“硅谷”模式來(lái)建設新一代“鈮酸鋰谷”的方案。

與鈮酸鋰類(lèi)似，歐欣團隊與合作者研究證明單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優(yōu)異的電光轉換特性，且在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變、頻率梳產(chǎn)生等方面相比鈮酸鋰更具優(yōu)勢。此外，硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓（LTOI）的制備工藝與絕緣體上的硅（SOI）更加接近，因此鉭酸鋰薄膜可實(shí)現低成本和規?；圃?，具有極高的應用價(jià)值。

圖1 （a）硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓（b）薄膜鉭酸鋰光學(xué)波導制備工藝及波導的掃描透鏡顯微鏡（SEM）

歐欣團隊采用基于“萬(wàn)能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過(guò)氫離子注入結合晶圓鍵合的方法，制備了高質(zhì)量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓。進(jìn)一步，與合作團隊聯(lián)合開(kāi)發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，對應器件的光學(xué)損耗降低至5.6 dB m?1（低于其他團隊報道的晶圓級鈮酸鋰波導的最低損耗值）。結合晶圓級流片工藝，研究人員探索了鉭酸鋰材料內低雙折射對于模式交叉的有效抑制，并驗證了可以應用于整個(gè)通信波段的鉭酸鋰光子微腔諧振器。鉭酸鋰光子芯片不僅展現出與鈮酸鋰薄膜相當的電光調制效率，同時(shí)基于鉭酸鋰光子芯片，研究團隊首次在X切型電光平臺中成功產(chǎn)生了孤子光學(xué)頻率梳，結合其電光可調諧性質(zhì)，有望在激光雷達、精密測量等方面實(shí)現應用。值得一提的是，目前研究團隊已攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù)，為更大規模的國產(chǎn)光電集成芯片和移動(dòng)終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了核心材料基礎。

圖2（a）鉭酸鋰彎曲波導、（b）鈮酸鋰彎曲波導的色散曲線(xiàn)設計（實(shí)線(xiàn)）與實(shí)際色散曲線(xiàn)（散點(diǎn)），可觀(guān)察到鈮酸鋰波導色散曲線(xiàn)中明顯的模式交叉效應

圖（3）（a）薄膜鉭酸鋰電光調制器；（b）首次實(shí)現X切型鉭酸鋰上的克爾孤子光頻梳

歐欣研究員介紹：“相較于薄膜鈮酸鋰，薄膜鉭酸鋰更易制備，且制備效率更高。同時(shí)，鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強電光調制、弱雙折射、更強的抗光折變特性，這種先天的材料優(yōu)勢極大地擴展了鉭酸鋰平臺的光學(xué)設計自由度?！?/p>

近十年來(lái)，上海微系統所歐欣研究員所帶領(lǐng)的異質(zhì)集成團隊集中突破高品質(zhì)單晶薄膜制備及異質(zhì)集成共性技術(shù)，同時(shí)重點(diǎn)布局基于異質(zhì)集成材料的5G/6G高頻聲學(xué)射頻濾波器、高速集成光子器件及高功率電子器件技術(shù)。異質(zhì)集成團隊孵化的上海新硅聚合半導體有限公司正全力推動(dòng)異質(zhì)集成材料關(guān)鍵技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化，為國內相關(guān)領(lǐng)域實(shí)現自主創(chuàng )新發(fā)展奠定了核心異質(zhì)材料基礎。

本工作的第一完成單位為上海微系統所，第一作者為上海微系統所王成立（現為瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后），上海微系統所歐欣研究員和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias J. Kippenberg教授為通訊作者。

成果摘要：

異質(zhì)集成硅基鈮酸鋰平臺是發(fā)展多功能微電子芯片的物理載體，可廣泛用于5G/6G通信射頻濾波芯片、大模型時(shí)代下數據中心的光芯片、高性能鐵電存儲芯片和量子芯片，美國DARPA、哈佛大學(xué)等機構也憑借著(zhù)薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成技術(shù)掀起新的信息技術(shù)浪潮。上海微系統所歐欣團隊與合作者在國際上另辟蹊徑，選擇可批量制造的鉭酸鋰薄膜作為研究對象，挖掘了鉭酸鋰相較于鈮酸鋰在光電性能和批量制備方面的更大優(yōu)勢，相關(guān)成果近期發(fā)表在《Nature》上。其中，鉭酸鋰光子芯片所展現出的極低光學(xué)損耗、高效電光轉換和孤子頻率梳產(chǎn)生等特性有望為突破通信領(lǐng)域速度、功耗、頻率和帶寬四大瓶頸問(wèn)題提供解決方案，并在低溫量子、光計算、光通信等領(lǐng)域催生革命性技術(shù)。據悉，該團隊孵化的上海新硅聚合半導體有限公司已經(jīng)具備異質(zhì)晶圓量產(chǎn)能力，并開(kāi)發(fā)出8英寸異質(zhì)集成材料技術(shù)，為更大規模的國產(chǎn)光學(xué)和射頻芯片的發(fā)展奠定了核心材料基礎。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07369-1

審核編輯：劉清