上海微系統(tǒng)所八英寸SOI/鈮酸鋰異質(zhì)集成技術(shù)獲突破

  ICC訊 近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所硅基材料與集成器件實驗室蔡艷研究員、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(diào)制器方面取得了重要進展。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），通過直接鍵合的方式將鈮酸鋰與SOI晶圓實現(xiàn)異質(zhì)集成，并通過干法刻蝕技術(shù)實現(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，制備出通訊波段MZI型硅基鈮酸鋰高速電光調(diào)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(nèi)的三角波電壓信號下的調(diào)制效率測量結(jié)果如圖2（b）所示，結(jié)果顯示在測量頻率范圍內(nèi)器件保持穩(wěn)定的VpiL值，約2.9 V·cm，與仿真值2.92 V·cm相接近。同時該結(jié)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(diào)制器的光眼圖測試結(jié)果如圖2（c,d）所示，在NRZ調(diào)制信號下傳輸速率達到88 Gbit/s, PAM-4調(diào)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2024年美國CLEO（Conference on Lasers and Electro-Optics）會議接受為口頭報告。

圖1 通過“離子刀”異質(zhì)集成技術(shù)實現(xiàn)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)點而成為備受關(guān)注的新一代片上互連主流技術(shù)。電光調(diào)制器是光通信中的核心器件，硅基電光調(diào)制器在過去二十年中取得了長足的進步。然而，由于硅的間接帶隙，以及中心反演對稱性的晶體結(jié)構(gòu)，低損耗、高線性度和高調(diào)制速率的集成電光調(diào)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性電光效應(yīng)優(yōu)異，被認為是大容量信號傳輸?shù)母偁幉牧?。為打破硅基調(diào)制器的性能限制，利用硅和鈮酸鋰的晶圓級鍵合技術(shù)實現(xiàn)兩種材料的異質(zhì)集成，為進一步提升硅上電光調(diào)制器性能提供了一個很好的解決方案，高速、高線性度鈮酸鋰薄膜電光調(diào)制器在未來ChatGPT AI芯片、數(shù)據(jù)中心、光通信芯片中有重要應(yīng)用。

  通過“萬能離子刀”技術(shù)，鈮酸鋰薄膜可與硅光芯片實現(xiàn)大面積低缺陷密度的集成，兩者結(jié)合展現(xiàn)出優(yōu)良的電光調(diào)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，驗證了該工藝路線進一步擴展至八英寸的可行性，未來可實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化制備。目前，上海新硅聚合已經(jīng)實現(xiàn)六英寸光學(xué)級硅基鈮酸鋰異質(zhì)晶圓的量產(chǎn)和數(shù)千片批量供應(yīng)（占有率超過80%），目前正在推動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(diào)制器調(diào)制效率測試結(jié)果：VπL隨三角波頻率變化情況（c）眼圖測試結(jié)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