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上海微系統(tǒng)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

研發(fā)快訊 2024年03月19日 14:53:08來源:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 12388
摘要近日,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(tuán)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(jìn)展。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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(tuán)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(jìn)展。團(tuán)隊成員利用上海微技術(shù)工業(yè)研究院標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到88 Gbit/s, PAM-4調(diào)制信號下傳輸速率達(dá)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(jìn)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(rèn)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(jìn)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(tuán)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(jìn)一步擴(kuò)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

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