上海微系統所八英寸SOI/鈮酸鋰異質集成技術獲突破

  ICC訊 近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所硅基材料與集成器件實驗室蔡艷研究員、歐欣研究員聯合團隊，在通訊波段硅基鈮酸鋰異質集成電光調制器方面取得了重要進展。團隊成員利用上海微技術工業研究院標準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”異質集成技術（圖1），通過直接鍵合的方式將鈮酸鋰與SOI晶圓實現異質集成，并通過干法刻蝕技術實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。

  得益于優良的材料質量和器件制備技術，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”異質集成技術實現大尺寸晶圓級硅基鈮酸鋰異質集成材料與芯片

  硅光技術以其 CMOS 兼容、高集成度等突出優點而成為備受關注的新一代片上互連主流技術。電光調制器是光通信中的核心器件，硅基電光調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構，低損耗、高線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中重要且亟待解決的部分?；旌霞啥喾N材料是硅光子技術未來發展的重要途徑之一。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優異，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實現兩種材料的異質集成，為進一步提升硅上電光調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制器在未來ChatGPT AI芯片、數據中心、光通信芯片中有重要應用。

  通過“萬能離子刀”技術，鈮酸鋰薄膜可與硅光芯片實現大面積低缺陷密度的集成，兩者結合展現出優良的電光調制性能。如圖3為異質集成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，未來可實現大規模的商業化制備。目前，上海新硅聚合已經實現六英寸光學級硅基鈮酸鋰異質晶圓的量產和數千片批量供應（占有率超過80%），目前正在推動八英寸晶圓的工程化技術。

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晶圓