异质集成XOI技术下芯片材料革新，LTOI帮助光芯片实现低成本规模化

2024-05-21 19

随着电子电路集成度不断提高，采用电信号来传输信息的手段在带宽与能耗等方面逐渐受限，尤其是电信号在算力急速膨胀的发展推动下，其制约越来越明显，电信号在传输损耗、功耗等方面劣势明显。

光信号成为解决该问题的热门赛道，近年来受到了很多关注，相关技术成果也在推动光子芯片的产业化发展。不久前，中国科学院上海微系统与信息技术研究所团队与瑞士洛桑联邦理工学院团队合作，在钽酸锂异质集成晶圆LTOI及高性能光子芯片制备领域取得突破性进展，实现了可批量制造的钽酸锂集成光子芯片。

可扩展性和成本更具优势的LTOI

LTOI全名硅基钽酸锂异质晶圆，是集压电、铁电、热释电、声光及电光等性能于一体的多功能晶体材料。硅基钽酸锂异质晶圆独特的特性，让其有着很高的应用价值。此前，硅基钽酸锂异质晶圆在热释电红外探测器、谐振器、滤波器、换能器等设备中的应用得很多，属于高端应用中的高价值材料。

但在光电技术领域，钽酸锂一直没有铌酸锂受到的关注高。为应对集成电路芯片性能和成本瓶颈问题，薄膜铌酸锂光子技术在集成光电技术中更受青睐，并且已经在高性能滤波器、电光器件中被广泛应用。

然而铌酸锂极高的成本也限制了其拓展更多应用，钽酸锂在这样的背景下，近年来得到了越来越多的关注。钽酸锂具有和铌酸锂类似的优异电光质量，但在可扩展性和成本方面更具优势。

此次光子芯片材料的突破，上海微系统所与合作团队正是证明了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，上海微系统所人员表示，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。这一突破表示在光通信和计算方面取得了重大进展，光子集成电路有机会在单个芯片上结合更多光学器件和功能。

异质集成XOI技术为器件带来更高性能

上海微系统所在异质集成技术XOI上积累了深厚的经验，异质集成技术XOI其实就是将不同材料、工艺和器件结构进行集成的技术，将多种材料优势互补，如LTOI、SOI。这种技术可以充分利用不同功能材料特殊的能带结构和物理性能，制造频谱更宽阔、功能更丰富、性能更优异的微电子和光电子器件，也能实现分立器件的单芯片集成，推动电子系统向小型化、集成化方向发展。

此前上海微系统所另一研究团队就在SOI上取得了进展，在300 mm SOI晶圆制造技术方面取得突破制备出了国内第一片300mmRF SOI晶圆。SOI技术让寄生电容比原来少上一半，大大减少电流漏电降低整体功耗。

此次LOTI的突破，团队通过钽酸锂薄膜与硅衬底结合起来，制备出了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。该异质晶圆制备效率更高、难度更低、成本更低，同时具有强电光调制、弱双折射、更宽的透明窗口、更强的抗光折变等特性，对应器件的光学损耗可以降低至5.6 dB m-1，有望在激光雷达、精密测量等领域带来变革。

碳化硅薄膜（SiCOI）的制备技术也是异质集成XOI技术一个重点发展的领域，新型SiCOI在非线性光学和量子光学上的应用优势以及高Q值、低损耗 SiCOI平台能够为光、电子器件提供更多功能集成。

小结

异质集成技术将不同功能的材料组合在一起，取长补短、优势互补，集成出更好的电、光、声、热物理特性，是实现更高功率、更高频率、更高速率的光子与电子器件的技术手段。在光子芯片领域，这一技术有着巨大的发展潜力。电子发烧友网报道（文/李宁远）

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