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)歐欣研究員團隊與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院托比亞斯·基彭貝格(Tobias Kippenberg)團隊合作，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，人們迫切需要尋找新的技術(shù)方案。
歐欣介紹，不同于電子芯片以電流為信息載體，光子芯片以光波為信息載體，能實現(xiàn)低功耗、高帶寬、低時延的效果。不過，現(xiàn)階段的光子芯片受限于材料和技術(shù)，面臨效率較低、功能單一、成本較高等挑戰(zhàn)。
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)，被認為是應(yīng)對集成電路芯片性能和成本瓶頸問題的顛覆性技術(shù)。其中，鈮酸鋰有光子時代的“光學(xué)硅”之稱，因其自身機械性能穩(wěn)定、易加工、耐高溫、抗腐蝕、原材料來源豐富、價格低廉、易生長成大晶體的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高性能濾波器、電光器件、全息存儲、3D全息顯示、非線性光學(xué)器件、光量子通信等領(lǐng)域。
近年間，鈮酸鋰受到了廣泛關(guān)注，哈佛大學(xué)等國外研究機構(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)�；圃�，具有極高的應(yīng)用價值。
鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片示意圖
類似于電子芯片將電路刻在硅晶圓上，團隊將光子芯片的光波導(dǎo)刻在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓上。該集成晶圓是由“硅-二氧化硅-鉭酸鋰”組成的“三明治”結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵在于最上層薄約600納米的高質(zhì)量單晶鉭酸鋰薄膜及該薄膜與二氧化硅形成的界面質(zhì)量。
成功制作該薄膜得益于團隊的“絕活”——“萬能離子刀”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。進一步，與合作團隊聯(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(低于其他團隊報道的晶圓級鈮酸鋰波導(dǎo)的最低損耗值)。
“我們在鉭酸鋰材料表面下約600納米的位置注入離子，就像埋入了一批精準(zhǔn)的‘炸彈’，可以‘削’下一層納米厚度的單晶薄膜。”團隊研究人員、文章第一作者王成立說，這樣制備出的鉭酸鋰薄膜與硅襯底結(jié)合起來，就形成了鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓。
(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)
鉭酸鋰薄膜有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性，可規(guī)�；圃�，應(yīng)用價值極高。“相較于被廣泛看好的潛在光子芯片材料鈮酸鋰，鉭酸鋰薄膜制備效率更高、難度更低、成本更低，同時具有強電光調(diào)制、弱雙折射、更寬的透明窗口、更強的抗光折變等特性，極大擴展了光學(xué)設(shè)計自由度。”歐欣說。
結(jié)合晶圓級流片工藝，研究人員探索了鉭酸鋰材料內(nèi)低雙折射對于模式交叉的有效抑制，并驗證了可以應(yīng)用于整個通信波段的鉭酸鋰光子微腔諧振器。
(a)薄膜鉭酸鋰電光調(diào)制器;(b)首次實現(xiàn)X切型鉭酸鋰上的克爾孤子光頻梳
歐欣團隊在這一領(lǐng)域的研究已持續(xù)近10年，值得一提的是，該團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)。
8英寸硅基薄膜鉭酸鋰晶圓制備
歐欣團隊與托比亞斯團隊進一步開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子芯片微納加工方法，對應(yīng)器件的光學(xué)損耗低于已知的晶圓級鈮酸鋰波導(dǎo)的最低損耗值。同時，基于鉭酸鋰光子芯片，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(jié)合其電光可調(diào)諧性質(zhì)，有望在激光雷達、精密測量等方面實現(xiàn)應(yīng)用。
