5月8日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称上海微系统所)欧欣研究员团队与瑞士洛桑联邦理工学院托比亚斯·基彭贝格(Tobias Kippenberg)团队合作，在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片制备领域取得突破性进展，相关成果以《可批量制造的钽酸锂集成光子芯片》(Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing)为题，发表于国际学术期刊《自然》。
随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”，集成电路芯片性能提升的难度和成本越来越高，人们迫切需要寻找新的技术方案。
欧欣介绍，不同于电子芯片以电流为信息载体，光子芯片以光波为信息载体，能实现低功耗、高带宽、低时延的效果。不过，现阶段的光子芯片受限于材料和技术，面临效率较低、功能单一、成本较高等挑战。
以硅光技术和薄膜铌酸锂光子技术为代表的集成光电技术，被认为是应对集成电路芯片性能和成本瓶颈问题的颠覆性技术。其中，铌酸锂有光子时代的“光学硅”之称，因其自身机械性能稳定、易加工、耐高温、抗腐蚀、原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体的优点，被广泛应用于高性能滤波器、电光器件、全息存储、3D全息显示、非线性光学器件、光量子通信等领域。
近年间，铌酸锂受到了广泛关注，哈佛大学等国外研究机构甚至提出了仿照“硅谷”模式来建设新一代“铌酸锂谷”的方案。
与铌酸锂类似，欧欣团队与合作者研究证明单晶钽酸锂薄膜同样具有优异的电光转换特性，且在双折射、透明窗口范围、抗光折变、频率梳产生等方面相比铌酸锂更具优势。此外，硅基钽酸锂异质晶圆(LTOI)的制备工艺与绝缘体上的硅(SOI)更加接近，因此钽酸锂薄膜可实现低成本和规模化制造，具有极高的应用价值。
钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片示意图
类似于电子芯片将电路刻在硅晶圆上，团队将光子芯片的光波导刻在钽酸锂异质集成晶圆上。该集成晶圆是由“硅-二氧化硅-钽酸锂”组成的“三明治”结构，其关键在于最上层薄约600纳米的高质量单晶钽酸锂薄膜及该薄膜与二氧化硅形成的界面质量。
成功制作该薄膜得益于团队的“绝活”——“万能离子刀”异质集成技术，通过氢离子注入结合晶圆键合的方法，制备了高质量硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆。进一步，与合作团队联合开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法，对应器件的光学损耗降低至5.6 dB m-1(低于其他团队报道的晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值)。
“我们在钽酸锂材料表面下约600纳米的位置注入离子，就像埋入了一批精准的‘炸弹’，可以‘削’下一层纳米厚度的单晶薄膜。”团队研究人员、文章第一作者王成立说，这样制备出的钽酸锂薄膜与硅衬底结合起来，就形成了钽酸锂异质集成晶圆。
(a)硅基钽酸锂异质晶圆(b)薄膜钽酸锂光学波导制备工艺及波导的扫描透镜显微镜(SEM)
钽酸锂薄膜有优异的电光转换特性，可规模化制造，应用价值极高。“相较于被广泛看好的潜在光子芯片材料铌酸锂，钽酸锂薄膜制备效率更高、难度更低、成本更低，同时具有强电光调制、弱双折射、更宽的透明窗口、更强的抗光折变等特性，极大扩展了光学设计自由度。”欧欣说。
结合晶圆级流片工艺，研究人员探索了钽酸锂材料内低双折射对于模式交叉的有效抑制，并验证了可以应用于整个通信波段的钽酸锂光子微腔谐振器。
(a)薄膜钽酸锂电光调制器;(b)首次实现X切型钽酸锂上的克尔孤子光频梳
欧欣团队在这一领域的研究已持续近10年，值得一提的是，该团队孵化的上海新硅聚合半导体有限公司已经具备异质晶圆量产能力，并在国际上率先开发出8英寸异质集成材料技术，为更大规模的国产光电集成芯片和移动终端射频滤波器芯片的发展奠定了核心材料基础。
8英寸硅基薄膜钽酸锂晶圆制备
欧欣团队与托比亚斯团队进一步开发了超低损耗钽酸锂光子芯片微纳加工方法，对应器件的光学损耗低于已知的晶圆级铌酸锂波导的最低损耗值。同时，基于钽酸锂光子芯片，团队首次在X切型电光平台中成功产生了孤子光学频率梳，结合其电光可调谐性质，有望在激光雷达、精密测量等方面实现应用。
