上海微系统所硅基铌酸锂异质集成电光调制器取得重要进展

集微网消息，近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所硅基材料与集成器件实验室蔡艳研究员、欧欣研究员联合团队，在通讯波段硅基铌酸锂异质集成电光调制器方面取得了重要进展。相关研究成果以“A Weak DC-Drift Silicon/Lithium Niobate Heterogeneous Integrated Electro-Optical Modulator”为题被国际光电子领域顶会2024年美国CLEO（Conference on Lasers and Electro-Optics）会议接受为口头报告。

硅光技术以其CMOS兼容、高集成度等突出优点而成为备受关注的新一代片上互连主流技术。电光调制器是光通信中的核心器件，硅基电光调制器在过去二十年中取得了长足的进步。然而，由于硅的间接带隙，以及中心反演对称性的晶体结构，低损耗、高线性度和高调制速率的集成电光调制器是目前硅基光电子技术中重要且亟待解决的部分。混合集成多种材料是硅光子技术未来发展的重要途径之一。铌酸锂（LN）具备极低的光吸收损耗以及高效的线性电光效应优异，被认为是大容量信号传输的竞争材料。

为打破硅基调制器的性能限制，利用硅和铌酸锂的晶圆级键合技术实现两种材料的异质集成，为进一步提升硅上电光调制器性能提供了一个很好的解决方案，高速、高线性度铌酸锂薄膜电光调制器在未来ChatGPT AI芯片、数据中心、光通信芯片中有重要应用。通过“万能离子刀”技术，铌酸锂薄膜可与硅光芯片实现大面积低缺陷密度的集成，两者结合展现出优良的电光调制性能。

该联合团队成员利用上海微技术工业研究院标准180 nm硅光工艺在八英寸SoI上制备了硅光芯片，然后基于“离子刀”异质集成技术，通过直接键合的方式将铌酸锂与SoI晶圆实现异质集成，并通过干法刻蚀技术实现了硅光芯片波导与LN电光调制器的单片式混合集成，制备出通讯波段MZI型硅基铌酸锂高速电光调制器。

通过“万能离子刀”技术，铌酸锂薄膜可与硅光芯片实现大面积低缺陷密度的集成，两者结合展现出优良的电光调制性能。如图为异质集成XOI团队孵化的上海新硅聚合制备的八英寸硅基铌酸锂异质晶圆，验证了该工艺路线进一步扩展至八英寸的可行性，未来可实现大规模的商业化制备。

目前，上海新硅聚合已经实现六英寸光学级硅基铌酸锂异质晶圆的量产和数千片批量供应（占有率超过80%），目前正在推动八英寸晶圆的工程化技术。