集成光學(xué)新賽道上的新“跨越”

集成光學(xué)是用光子集成電路實(shí)現(xiàn)光信號(hào)合成、處理和探測(cè)的技術(shù)，因此也被稱(chēng)為“光芯片”技術(shù)。在過(guò)去20年里，集成光學(xué)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)從“實(shí)驗(yàn)室演示”到“工業(yè)級(jí)量產(chǎn)”的跨越，并成功應(yīng)用在高速高容量光通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心。目前，用硅和磷化銦（InP）異質(zhì)集成方式實(shí)現(xiàn)的電泵浦半導(dǎo)體激光器芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并廣泛應(yīng)用于光互連數(shù)據(jù)中心。然而，硅和磷化銦仍存在光傳輸損耗過(guò)高等材料局限。

近日，深圳國(guó)際量子研究院研究員劉駿秋團(tuán)隊(duì)與杭州芯傲光電有限公司合作，實(shí)現(xiàn)了超低損耗氮化硅集成光學(xué)技術(shù)從“實(shí)驗(yàn)室演示”到“工業(yè)級(jí)大規(guī)模量產(chǎn)”的轉(zhuǎn)化。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次在國(guó)內(nèi)建立超低損耗、大尺寸晶圓、厚氮化硅光芯片工藝，且多項(xiàng)指標(biāo)和綜合性能達(dá)到國(guó)際最好水平。近日，相關(guān)研究在《光子學(xué)研究》上發(fā)表。

6寸晶圓上實(shí)拍的氮化硅集成光路

“光賽道”的挑戰(zhàn)

集成光學(xué)被視為有可能突破摩爾定律的“新賽道”，但其自身仍存在諸多發(fā)展局限。其中，實(shí)現(xiàn)超低損耗集成光波導(dǎo)是該領(lǐng)域最基本、最核心的挑戰(zhàn)之一。

氮化硅材料的引入，為人們提供了一個(gè)解決方案。氮化硅不僅具有多項(xiàng)優(yōu)異的光學(xué)特性，而且氮化硅片上集成光波導(dǎo)的加工也能完美兼容當(dāng)下標(biāo)準(zhǔn)的CMOS硅芯片制造工藝。目前，世界上僅少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了0.01 dB每厘米甚至更低的光傳輸損耗。利用超低損耗氮化硅片上光波導(dǎo)來(lái)構(gòu)建高品質(zhì)因子光學(xué)微腔和復(fù)雜線性網(wǎng)絡(luò)，人們實(shí)現(xiàn)了芯片集成的光頻率梳、窄線寬激光器、光放大器、壓縮量子光源及光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

盡管?chē)?guó)際上主要代工廠都能提供氮化硅光芯片生產(chǎn)和流片服務(wù)，但其光損耗離學(xué)術(shù)界報(bào)道的最好指標(biāo)仍有顯著差距。

“事實(shí)上，超低損耗氮化硅光芯片在工業(yè)產(chǎn)線上仍面臨很多挑戰(zhàn)?！焙贾菪景凉怆娪邢薰究偨?jīng)理兼首席技術(shù)官葉志超博士告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“比如高質(zhì)量氮化硅薄膜沉積厚度超過(guò)400 納米時(shí)，極易產(chǎn)生裂紋。如何在大尺寸晶圓工業(yè)產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)超低損耗的厚氮化硅薄膜，同時(shí)保證無(wú)裂縫和高良率（超過(guò)97%），是當(dāng)下迫切需要解決的問(wèn)題?！?/p>

解決“卡脖子”問(wèn)題

為解決這些問(wèn)題，杭州芯傲光電有限公司開(kāi)發(fā)了一套基于6英寸晶圓的CMOS減法芯片工藝，結(jié)合先進(jìn)的深紫外步進(jìn)光刻技術(shù)，以及氮化硅材料生長(zhǎng)、刻蝕、退火、鈍化等技術(shù)，成功制備出厚度超過(guò)810 納米、光損耗低于0.026 dB每厘米的氮化硅光芯片。

深圳國(guó)際量子研究院團(tuán)隊(duì)對(duì)這些光芯片的損耗、色散、耦合強(qiáng)度、均勻性等光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)這些氮化硅光芯片的綜合性能已到達(dá)國(guó)際最高水平?；?a target="_blank">環(huán)形微腔的實(shí)驗(yàn)表征證明，該工藝具有接近100%的良率。這保障了超低損耗氮化硅光芯片技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。

利用這些芯片，深圳國(guó)際量子研究院的研究人員實(shí)現(xiàn)了氮化硅芯片集成的孤子光頻率梳，其光譜范圍覆蓋整個(gè)光通信的C波段，且重復(fù)頻率在微波K波段。

“這種芯片集成光頻率梳器件可以直接用于光微波生成、高容量相干光通信和天文光譜儀校準(zhǔn)等前沿領(lǐng)域。這些應(yīng)用國(guó)外已有相關(guān)報(bào)道，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究也在積極開(kāi)展。”杭州芯傲光電有限公司副總經(jīng)理黃張君博士說(shuō)。

目前，國(guó)際上僅美國(guó)、瑞士和瑞典擁有超低損耗氮化硅光芯片生產(chǎn)技術(shù)，并已形成技術(shù)壁壘，我國(guó)很多高校和科研單位使用的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品均依賴(lài)進(jìn)口。因此，該工作是打破西方技術(shù)壁壘、建立全流程光芯片加工技術(shù)的重要突破。相關(guān)技術(shù)對(duì)發(fā)展未來(lái)片上光器件、光通信、激光雷達(dá)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、量子信息處理、傳感和精密測(cè)量將起到重要作用。

“這項(xiàng)工作的亮點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)、自主可控、特色和應(yīng)用面鮮明的光芯片技術(shù)，且多項(xiàng)工藝和技術(shù)指標(biāo)世界領(lǐng)先?！比~志超說(shuō)，“在當(dāng)前的國(guó)際環(huán)境下，科技自立自強(qiáng)尤為必要。我們的工作解決該領(lǐng)域一個(gè)‘卡脖子’問(wèn)題?！?/p>

為支持國(guó)產(chǎn)期刊，研究團(tuán)隊(duì)將論文投給中國(guó)激光雜志社創(chuàng)辦的國(guó)際光學(xué)期刊《光子學(xué)研究》。論文審稿專(zhuān)家評(píng)論說(shuō)：“這篇論文相當(dāng)完整和扎實(shí)?！薄斑@將為基于微腔光頻梳的研究提供大量機(jī)會(huì)?！绷硪晃粚徃迦苏J(rèn)為，這篇論文“結(jié)果令人印象深刻，這項(xiàng)工作是氮化硅光子集成技術(shù)線路走向成熟的重要一步”。

目前，該團(tuán)隊(duì)部分芯片已交付國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究單位開(kāi)展合作研究。

真正的“跨越”

芯片尺寸的微縮和硅片直徑的增大，一直是集成電路工藝領(lǐng)域追求的目標(biāo)。在集成光學(xué)領(lǐng)域，考慮到光的衍射極限，目前90納米甚至180納米制程完全可以滿足需求。因此人們關(guān)注的重點(diǎn)是器件整體性能，如損耗和色散調(diào)控，以及大規(guī)模制造的產(chǎn)量和良率等因素。

“對(duì)集成光學(xué)而言，這項(xiàng)工作的重點(diǎn)不是制程的提升?！眲ⅡE秋解釋說(shuō)，“我們實(shí)現(xiàn)的‘跨越’主要是，以前的工作大都基于小尺寸晶圓、利用電子束曝光來(lái)制備。這是首次在芯片制備流程中，把很多核心步驟換成了工業(yè)生產(chǎn)線上的常用技術(shù)，包括使用大尺寸晶圓和深紫外步進(jìn)式***等，并進(jìn)行各步驟間的整合與協(xié)調(diào)，使工藝流程與工業(yè)線技術(shù)更兼容。真正實(shí)現(xiàn)了既保證超低損耗，又顯著提升芯片的產(chǎn)量和良率?！?/p>

目前，實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)厚氮化硅技術(shù)光損耗的最好指標(biāo)是0.01 dB每厘米，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了0.02 dB每厘米（損耗數(shù)值越小越好）。盡管離國(guó)際最好指標(biāo)仍略有差距，但由于用了6英寸大尺寸晶圓，每片晶圓上能制備的芯片數(shù)量反而得到極大提升。研究團(tuán)隊(duì)表示，目前他們正積極優(yōu)化工藝，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)0.007 dB每厘米的損耗。

在實(shí)際生產(chǎn)中，“良率”是工業(yè)界高度關(guān)注的指標(biāo)，因?yàn)槿粢豁?xiàng)技術(shù)的良率低，則嚴(yán)重影響其實(shí)際量產(chǎn)和應(yīng)用價(jià)值。而作學(xué)術(shù)研究時(shí)，人們通常不關(guān)心該指標(biāo)，發(fā)表文章也不需要討論“良率”問(wèn)題，甚至有人刻意避免討論該問(wèn)題。對(duì)于以發(fā)論文為目的的研究來(lái)說(shuō)，100個(gè)樣品里能做成一個(gè)，就能發(fā)表文章了。

“但技術(shù)落地必須考慮良率?！眲ⅡE秋認(rèn)為，工業(yè)生產(chǎn)線上出來(lái)的產(chǎn)品，就應(yīng)該良率高，芯片加工制造尤其如此。比如，臺(tái)積電把一個(gè)技術(shù)推向生產(chǎn)線，前提條件就是良率超過(guò)97%。因此在該項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次將“良率”作為重要指標(biāo)進(jìn)行表征和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其實(shí)現(xiàn)了良率接近100%。

“這些指標(biāo)既是技術(shù)的‘跨越’，也是領(lǐng)域的‘跨越’。”劉駿秋補(bǔ)充說(shuō)，“我們實(shí)際上把兩個(gè)領(lǐng)域——學(xué)術(shù)界和工業(yè)界——連接起來(lái)了。現(xiàn)在大家可以在同一個(gè)話語(yǔ)體系里談一件事情，并形成基本共識(shí)?！保▉?lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 張雙虎）

審核編輯 ：李倩