上海微系統所在八英寸SOI/鈮酸鋰異質(zhì)集成技術(shù)方面取得重要進(jìn)展
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所硅基材料與集成器件實(shí)驗室蔡艷研究員、歐欣研究員聯(lián)合團隊，在通訊波段硅基鈮酸鋰異質(zhì)集成電光調制器方面取得了重要進(jìn)展。團隊成員利用上海微技術(shù)工業(yè)研究院標準180 nm硅光工藝在八英寸 SOI上制備了硅光芯片，然后基于“離子刀”異質(zhì)集成技術(shù)（圖1），通過(guò)直接鍵合的方式將鈮酸鋰與SOI晶圓實(shí)現異質(zhì)集成，并通過(guò)干法刻蝕技術(shù)實(shí)現了硅光芯片波導與LN電光調制器的單片式混合集成，制備出通訊波段MZI型硅基鈮酸鋰高速電光調制器。
得益于優(yōu)良的材料質(zhì)量和器件制備技術(shù)，器件在10 Hz至1 MHz頻率范圍內的三角波電壓信號下的調制效率測量結果如圖2（b）所示，結果顯示在測量頻率范圍內器件保持穩定的VpiL值，約2.9 V·cm，與仿真值2.92 V·cm相接近。同時(shí)該結果展示器件具備較好的低直流漂移特性，證明薄膜鈮酸鋰材料和氧化硅包層的沉積質(zhì)量較好，缺陷較少。調制器的光眼圖測試結果如圖2（c,d）所示，在NRZ調制信號下傳輸速率達到88 Gbit/s, PAM-4調制信號下傳輸速率達到176 Gbit/s。
相關(guān)研究成果以“A Weak DC-Drift Silicon/Lithium Niobate Heterogeneous Integrated Electro-Optical Modulator”為題被國際光電子領(lǐng)域頂會(huì )2024年美國CLEO（Conference on Lasers and Electro-Optics）會(huì )議接受為口頭報告。
圖1 通過(guò)“離子刀”異質(zhì)集成技術(shù)實(shí)現大尺寸晶圓級硅基鈮酸鋰異質(zhì)集成材料與芯片
硅光技術(shù)以其 CMOS 兼容、高集成度等突出優(yōu)點(diǎn)而成為備受關(guān)注的新一代片上互連主流技術(shù)。電光調制器是光通信中的核心器件，硅基電光調制器在過(guò)去二十年中取得了長(cháng)足的進(jìn)步。然而，由于硅的間接帶隙，以及中心反演對稱(chēng)性的晶體結構，低損耗、高線(xiàn)性度和高調制速率的集成電光調制器是目前硅基光電子技術(shù)中重要且亟待解決的部分。混合集成多種材料是硅光子技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重要途徑之一。鈮酸鋰（LN）具備極低的光吸收損耗以及高效的線(xiàn)性電光效應優(yōu)異，被認為是大容量信號傳輸的競爭材料。為打破硅基調制器的性能限制，利用硅和鈮酸鋰的晶圓級鍵合技術(shù)實(shí)現兩種材料的異質(zhì)集成，為進(jìn)一步提升硅上電光調制器性能提供了一個(gè)很好的解決方案，高速、高線(xiàn)性度鈮酸鋰薄膜電光調制器在未來(lái)ChatGPT AI芯片、數據中心、光通信芯片中有重要應用。
通過(guò)“萬(wàn)能離子刀”技術(shù)，鈮酸鋰薄膜可與硅光芯片實(shí)現大面積低缺陷密度的集成，兩者結合展現出優(yōu)良的電光調制性能。如圖3為異質(zhì)集成XOI團隊孵化的上海新硅聚合制備的八英寸硅基鈮酸鋰異質(zhì)晶圓，驗證了該工藝路線(xiàn)進(jìn)一步擴展至八英寸的可行性，未來(lái)可實(shí)現大規模的商業(yè)化制備。目前，上海新硅聚合已經(jīng)實(shí)現六英寸光學(xué)級硅基鈮酸鋰異質(zhì)晶圓的量產(chǎn)和數千片批量供應（占有率超過(guò)80%），目前正在推動(dòng)八英寸晶圓的工程化技術(shù)。
圖2（a）八英寸SOI硅光芯片，（b）硅基鈮酸鋰調制器調制效率測試結果：VπL隨三角波頻率變化情況（c）眼圖測試結果：88 Gbit/s (NRZ信號), 176 Gbit/s (PAM-4信號)
圖 3? 八英寸硅基鈮酸鋰異質(zhì)晶圓
