中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所開發(fā)可批量制造的新型光學(xué)“硅”與芯片技術(shù)

2024年5月8日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡稱“上海微系統(tǒng)所”）歐欣研究員團(tuán)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》。

隨著全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入“后摩爾時代”，集成電路芯片性能提升的難度和成本越來越高，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(yīng)對此瓶頸問題的顛覆性技術(shù)。其中，鈮酸鋰有“光學(xué)硅”之稱，近年間受到了廣泛關(guān)注，哈佛大學(xué)等國外研究機(jī)構(gòu)甚至提出了仿照“硅谷”模式來建設(shè)新一代“鈮酸鋰谷”的方案。

與鈮酸鋰類似，歐欣團(tuán)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(zhuǎn)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現(xiàn)低成本和規(guī)模化制造，具有極高的應(yīng)用價值。

歐欣團(tuán)隊采用基于“萬能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過氫離子注入結(jié)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(tuán)隊聯(lián)合開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，對應(yīng)器件的光學(xué)損耗降低至5.6 db m-1（普遍低于已有報道的晶圓級工藝下鈮酸鋰波導(dǎo)損耗值）。結(jié)合晶圓級流片工藝，研究人員探索了鉭酸鋰材料內(nèi)弱雙折射對于模式交叉的有效抑制，并驗證了鉭酸鋰微環(huán)諧振腔在整個通信波段的有效模式交叉抑制。鉭酸鋰光子芯片不僅展現(xiàn)出與鈮酸鋰薄膜相當(dāng)?shù)碾姽庹{(diào)制效率，同時基于鉭酸鋰光子芯片，研究團(tuán)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(jié)合其電光可調(diào)諧性質(zhì)，有望在激光雷達(dá)、精密測量等方面實現(xiàn)應(yīng)用。值得一提的是，目前研究團(tuán)隊已率先攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù)，為更大規(guī)模的國產(chǎn)光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了核心材料基礎(chǔ)。

歐欣介紹：“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，鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強(qiáng)電光調(diào)制、弱雙折射、更強(qiáng)的抗光折變特性，這種先天的材料優(yōu)勢極大地擴(kuò)展了鉭酸鋰平臺的光學(xué)設(shè)計自由度?！?/p>

近十年來，上海微系統(tǒng)所研究員歐欣所帶領(lǐng)的異質(zhì)集成團(tuán)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)，同時重點布局基于異質(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(tuán)隊孵化的上海新硅聚合半導(dǎo)體有限公司正全力推動異質(zhì)集成材料關(guān)鍵技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化，為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自主創(chuàng)新發(fā)展奠定了異質(zhì)集成材料基礎(chǔ)。

本工作的第一完成單位為上海微系統(tǒng)所，第一作者為上海微系統(tǒng)所王成立（現(xiàn)為瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后），上海微系統(tǒng)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。

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

圖2（a）鉭酸鋰彎曲波導(dǎo)、（b）鈮酸鋰彎曲波導(dǎo)的色散曲線設(shè)計（實線）與實際色散曲線（散點），可觀察到鈮酸鋰波導(dǎo)色散曲線中明顯的模式交叉效應(yīng)

圖（3）（a）薄膜鉭酸鋰電光調(diào)制器性能；（b）首次實現(xiàn)x切型鉭酸鋰上的克爾孤子光頻梳

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、大模型時代下數(shù)據(jù)中心的光芯片、高性能鐵電存儲芯片和量子芯片，哈佛大學(xué)等機(jī)構(gòu)也憑借著薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成技術(shù)掀起新的信息技術(shù)浪潮。上海微系統(tǒng)所歐欣團(tuán)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(xiàn)出的極低光學(xué)損耗、高效電光轉(zhuǎn)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(jù)悉，該團(tuán)隊孵化的上海新硅聚合半導(dǎo)體有限公司已經(jīng)具備異質(zhì)晶圓量產(chǎn)能力，并在國際上率先開發(fā)出8英寸異質(zhì)集成材料技術(shù)，為更大規(guī)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(chǔ)。