上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所破解硅基鈮酸鋰異質(zhì)集成電光調(diào)制器技術(shù)

近日，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在電子光調(diào)制器領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。由中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所硅基材料與集成器件實(shí)驗(yàn)室的蔡艷教授、歐欣教授等帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，他們研發(fā)的通訊波段硅基鈮酸鋰異質(zhì)集成電光調(diào)制器被2024年紐約舉辦的國(guó)家光電子學(xué)術(shù)大會(huì)（CLEO）任命為口頭匯報(bào)，展示了他們的研究成果。

硅光技術(shù)因其CMOS兼容、高集成度等特點(diǎn)，有望成為下一代片上互聯(lián)的主流技術(shù)。電光調(diào)制器是光通信中的關(guān)鍵部件，該技術(shù)在過去幾十年來取得顯著進(jìn)展。雖然如此，我們需要面對(duì)的挑戰(zhàn)是如何制造出具有低損、高線性度及高速調(diào)制的硅基電光調(diào)制器。因此，混合集成不同材質(zhì)成為了延續(xù)硅光技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要策略。競(jìng)品材料包括具有極低光吸收損耗和出色線形電光效應(yīng)的鈮酸鋰（LN），被視為具備大容量信號(hào)傳輸能力的材料。

為了突破硅基調(diào)制器的性能上限，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)選擇采用硅與鈮酸鋰晶圓級(jí)鍵合技來實(shí)現(xiàn)兩類材料的異質(zhì)集成。此舉為提高硅上電光調(diào)制器的性能提供了有效解決方案。未來，此類高速、高線性度的鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器將會(huì)廣泛應(yīng)用于ChatGPT AI芯片、數(shù)據(jù)中心及無線通信芯片的前沿領(lǐng)域之中。通過使用名為“萬能離子刀”的先進(jìn)技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)成功將鈮酸鋰薄膜與硅光芯片進(jìn)行大面積、低缺陷密度的無縫集成，從而提升了電光調(diào)制的表現(xiàn)。

該團(tuán)隊(duì)首先在8英寸SoI晶圓上構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)180納米硅光芯片，再通過“萬能離子刀”融合的手段，將鈮酸鋰與SoI晶圓直接鍵合實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成。最后利用干法刻蝕技實(shí)現(xiàn)了硅光芯片波導(dǎo)與 LN電光調(diào)制器的單片式混合集成，進(jìn)而制成了通訊波段 MZI形式的硅基鈮酸鋰高速電光調(diào)制器。“萬能離子刀”技術(shù)使鈮酸鋰能夠與硅光芯片高效集成，呈現(xiàn)出出色的電光調(diào)制效果。該組圖片展示了采用上海新硅聚合公司生產(chǎn)的具有低缺陷密度的八英寸硅基鈮酸鋰異質(zhì)晶圓，印證了新型流程的可行性，為將來的規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

目前，上海新硅聚合已實(shí)現(xiàn)六英寸光學(xué)級(jí)硅基鈮酸鋰異質(zhì)晶圓的量產(chǎn)且大批量供貨，占比高達(dá)80%以上，并且正在推進(jìn)8英寸晶圓的工程技術(shù)進(jìn)程。