可批量制造的钽酸锂集成光子芯片

据麦姆斯咨询报道，2024年5月8日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）的欧欣研究员团队联手瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg团队，在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片制备领域取得突破性进展，相关成果以《可批量制造的钽酸锂集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）为题，发表于国际学术期刊《自然》。

随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”，集成电路芯片性能提升的难度和成本越来越高，人们迫切寻找新的技术方案。以硅光技术和薄膜铌酸锂光子技术为代表的集成光电技术是应对此瓶颈问题的颠覆性技术。其中，铌酸锂有“光学硅”之称，近年间受到了广泛关注，哈佛大学等国外研究机构甚至提出了仿照“硅谷”模式来建设新一代“铌酸锂谷”的方案。

与铌酸锂类似，欧欣团队与合作者研究证明单晶钽酸锂薄膜同样具有优异的电光转换特性，且在双折射、透明窗口范围、抗光折变、频率梳产生等方面相比铌酸锂更具优势。此外，硅基钽酸锂异质晶圆（LTOI）的制备工艺与绝缘体上的硅（SOI）更加接近，因此钽酸锂薄膜可实现低成本和规模化制造，具有极高的应用价值。

图1 （a）硅基钽酸锂异质晶圆（b）薄膜钽酸锂光学波导制备工艺及波导的扫描透镜显微镜（SEM）

欧欣团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，通过氢离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。进一步，与合作团队联合开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，对应器件的光学损耗降低至5.6 dB m⁻¹（低于其他团队报道的晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值）。结合晶圆级流片工艺，研究人员探索了钽酸锂材料内低双折射对于模式交叉的有效抑制，并验证了可以应用于整个通信波段的钽酸锂光子微腔谐振器。钽酸锂光子芯片不仅展现出与铌酸锂薄膜相当的电光调制效率，同时基于钽酸锂光子芯片，研究团队首次在X切型电光平台中成功产生了孤子光学频率梳，结合其电光可调谐性质，有望在激光雷达、精密测量等方面实现应用。值得一提的是，目前研究团队已攻关8英寸晶圆制备技术，为更大规模的国产光电集成芯片和移动终端射频滤波器芯片的发展奠定了核心材料基础。

图2（a）钽酸锂弯曲波导、（b）铌酸锂弯曲波导的色散曲线设计（实线）与实际色散曲线（散点），可观察到铌酸锂波导色散曲线中明显的模式交叉效应

图（3）（a）薄膜钽酸锂电光调制器；（b）首次实现X切型钽酸锂上的克尔孤子光频梳

欧欣研究员介绍：“相较于薄膜铌酸锂，薄膜钽酸锂更易制备，且制备效率更高。同时，钽酸锂薄膜具有更宽的透明窗口、强电光调制、弱双折射、更强的抗光折变特性，这种先天的材料优势极大地扩展了钽酸锂平台的光学设计自由度。”

近十年来，上海微系统所欧欣研究员所带领的异质集成团队集中突破高品质单晶薄膜制备及异质集成共性技术，同时重点布局基于异质集成材料的5G/6G高频声学射频滤波器、高速集成光子器件及高功率电子器件技术。异质集成团队孵化的上海新硅聚合半导体有限公司正全力推动异质集成材料关键技术的工程化和产业化，为国内相关领域实现自主创新发展奠定了核心异质材料基础。

本工作的第一完成单位为上海微系统所，第一作者为上海微系统所王成立（现为瑞士洛桑联邦理工学院博士后），上海微系统所欧欣研究员和瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg教授为通讯作者。

成果摘要：

异质集成硅基铌酸锂平台是发展多功能微电子芯片的物理载体，可广泛用于5G/6G通信射频滤波芯片、大模型时代下数据中心的光芯片、高性能铁电存储芯片和量子芯片，美国DARPA、哈佛大学等机构也凭借着薄膜铌酸锂异质集成技术掀起新的信息技术浪潮。上海微系统所欧欣团队与合作者在国际上另辟蹊径，选择可批量制造的钽酸锂薄膜作为研究对象，挖掘了钽酸锂相较于铌酸锂在光电性能和批量制备方面的更大优势，相关成果近期发表在《Nature》上。其中，钽酸锂光子芯片所展现出的极低光学损耗、高效电光转换和孤子频率梳产生等特性有望为突破通信领域速度、功耗、频率和带宽四大瓶颈问题提供解决方案，并在低温量子、光计算、光通信等领域催生革命性技术。据悉，该团队孵化的上海新硅聚合半导体有限公司已经具备异质晶圆量产能力，并开发出8英寸异质集成材料技术，为更大规模的国产光学和射频芯片的发展奠定了核心材料基础。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07369-1

审核编辑：刘清