新型「光學硅」高性能低成本 可批量製造

香港文匯報訊（記者 劉凝哲 北京報道）隨着集成電路產業進入「後摩爾時代」，基於硅材料的集成電路芯片性能提升的難度和成本越來越高，因此科學家希望通過新技術突破集成電路芯片性能和成本的瓶頸。利用光子作為載體的光子學芯片是信息技術領域內的一種差異化路線，尋找新型光學「硅」這一材料平台有望為突破通信領域速度、功耗、頻率和帶寬四大瓶頸問題提供解決方案。中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）的歐欣研究員團隊在鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片製備領域取得突破性進展，5月8日相關成果以《可批量製造的鉭酸鋰集成光子芯片》為題，發表於國際學術期刊《自然》。據介紹，這一重要進展將為國產光電集成芯片等領域的發展奠定核心材料基礎。

硅是半導體產業的基礎材料，其優異的電子學性能和成熟的微納加工工藝使它成為電子技術的主導平台。隨着集成電路產業進入「後摩爾時代」，基於硅材料的集成電路芯片性能提升的難度和成本越來越高，因此科學家希望通過新技術突破集成電路芯片性能和成本的瓶頸。

兼具多種材料的性能優勢

據介紹，以硅光技術和薄膜鈮酸鋰光子技術為代表的集成光電技術，被認為是應對集成電路芯片性能和成本瓶頸問題的顛覆性技術。其中，鈮酸鋰有「光學硅」之稱，近年間受到了廣泛關注，哈佛大學等國外研究機構甚至提出了仿照「硅谷」模式來建設新一代「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異的電光轉換特性，這種新型「光學硅」在雙折射、透明窗口範圍、抗光折變、頻率梳產生等方面相比鈮酸鋰更具優勢。此外，硅基鉭酸鋰異質晶圓（LTOI）的製備工藝與絕緣體上硅薄膜（Silicon-On-Insulator，簡稱SOI）更加接近，因此鉭酸鋰薄膜可實現低成本和規模化製造，具有極高的應用價值。

歐欣團隊在這一領域的研究已持續近10年。據介紹，團隊採用基於「萬能離子刀」的異質集成技術，通過離子注入結合晶圓鍵合的方法，製備了高質量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓。可以形象地將異質集成技術類比為「雜交水稻」技術。科研團隊通過將不同功能的薄膜材料和硅基襯底組合，使得器件可以兼具多種材料的性能優勢。就像「雜交水稻」一樣，通過不同「基因」的組合，實現「既長勢良好、又抗旱」的效果 。

製備效率和光學設計自由度高

更進一步， 歐欣團隊與合作團隊聯合開發了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，對應器件的光學損耗，普遍低於其他團隊報道的晶圓級鈮酸鋰波導的損耗值。

據介紹，薄膜鉭酸鋰光學平台不僅展現出與薄膜鈮酸鋰相當的電光調製效率，同時基於鉭酸鋰光子芯片，研究團隊首次在X切型電光平台中成功產生了孤子光學頻率梳，結合其電光可調諧性質，有望在激光雷達、精密測量等方面實現應用。值得一提的是，目前研究團隊已攻關8英寸晶圓製備技術，為更大規模的國產光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發展奠定了核心材料基礎。

「相較於薄膜鈮酸鋰，薄膜鉭酸鋰更易製備，且製備效率更高。同時，鉭酸鋰薄膜具有更寬的透明窗口、強電光調製、弱雙折射、更強的抗光折變特性，這種先天的材料優勢極大地擴展了鉭酸鋰平台的光學設計自由度」，歐欣表示。

異質集成技術Q&A

Q：怎樣理解異質集成技術？

A：可以形象地將其類比為雜交水稻技術。科研團隊通過將不同功能的薄膜材料和硅基襯底組合，使得器件可以兼具多種材料的性能優勢。就像雜交水稻一樣，通過不同「基因」的組合，實現「既長勢良好、又抗旱」的效果。這種類似雜交水稻的異質集成技術可獲得高性能的異質集成材料（X-on-insulator，XOI），最上層的X代表任意功能薄膜材料，中間層和底層分別是二氧化硅和硅基襯底，有利於我們把諸如聲、光、電等物理場束縛在功能薄膜材料中並將其加以利用。

Q：異質集成材料可以運用到哪些領域？

A：基於各類功能薄膜的異質集成材料平台不僅有望取代傳統微電子產業所依賴的SOI，還能夠在5G/6G通信、人工智能光電芯片和功率器件等領域開闢出新的發展天地，並進一步實現更高頻率、更高速度、更低功耗、更高功率的器件製備。

整理：香港文匯報記者 劉凝哲