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中國科學院上海微系統與信息技術研究所開發可批量制造的新型光學“硅”與芯片技術
2024年5月8日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱“上海微系統所”）歐欣研究員團隊在鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片制備領域取得突破性進展，相關成果以《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，發表于國際學術期刊《自然》。
隨著全球集成電路產業發展進入“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方案。以硅光技術和薄膜鈮酸鋰光子技術為代表的集成光電技術是應對此瓶頸問題的顛覆性技術。其中，鈮酸鋰有“光學硅”之稱，近年間受到了廣泛關注，哈佛大學等國外研究機構甚至提出了仿照“硅谷”模式來建設新一代“鈮酸鋰谷”的方案。
與鈮酸鋰類似，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、頻率梳產生等方面相比鈮酸鋰更具優勢。此外，硅基鉭酸鋰異質晶圓（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低成本和規?；圃?，具有極高的應用價值。
歐欣團隊采用基于“萬能離子刀”的異質集成技術，通過氫離子注入結合晶圓鍵合的方法，制備了高質量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓。進一步，與合作團隊聯合開發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弱雙折射對于模式交叉的有效抑制，并驗證了鉭酸鋰微環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出與鈮酸鋰薄膜相當的電光調制效率，同時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生了孤子光學頻率梳，結合其電光可調諧性質，有望在激光雷達、精密測量等方面實現應用。值得一提的是，目前研究團隊已率先攻關8英寸晶圓制備技術，為更大規模的國產光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發展奠定了核心材料基礎。
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，這種先天的材料優勢極大地擴展了鉭酸鋰平臺的光學設計自由度?！?/p>
近十年來，上海微系統所研究員歐欣所帶領的異質集成團隊集中突破高品質單晶薄膜制備及異質集成共性技術，同時重點布局基于異質集成材料的5g/6g高頻聲學射頻濾波器、高速集成光子器件及高功率電子器件技術。異質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異質集成材料關鍵技術的工程化和產業化，為國內相關領域實現自主創新發展奠定了異質集成材料基礎。
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（現為瑞士洛桑聯邦理工學院博士后），上海微系統所歐欣研究員和瑞士洛桑聯邦理工學院tobias j. kippenberg教授為通訊作者。
圖1 （a）硅基鉭酸鋰異質晶圓（b）薄膜鉭酸鋰光學波導制備工藝及波導的掃描透鏡顯微鏡（sem）圖片
圖2（a）鉭酸鋰彎曲波導、（b）鈮酸鋰彎曲波導的色散曲線設計（實線）與實際色散曲線（散點），可觀察到鈮酸鋰波導色散曲線中明顯的模式交叉效應
圖（3）（a）薄膜鉭酸鋰電光調制器性能；（b）首次實現x切型鉭酸鋰上的克爾孤子光頻梳
成果摘要：
異質集成硅基鈮酸鋰平臺是發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、大模型時代下數據中心的光芯片、高性能鐵電存儲芯片和量子芯片，哈佛大學等機構也憑借著薄膜鈮酸鋰異質集成技術掀起新的信息技術浪潮。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勢，相關成果近期發表在《nature》上。其中，鉭酸鋰光子芯片所展現出的極低光學損耗、高效電光轉換和孤子頻率梳產生等特性有望為突破通信領域速度、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、光通信等領域催生革命性技術。據悉，該團隊孵化的上海新硅聚合半導體有限公司已經具備異質晶圓量產能力，并在國際上率先開發出8英寸異質集成材料技術，為更大規模的國產光學和射頻芯片的發展奠定了核心材料基礎。
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【 責任編輯：cxl 】
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