【儀表網 研發快訊】光子回路的異質集成解決方案可以充分利用不同材料平臺的優勢。近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所蔡艷研究員團隊與歐欣研究員團隊合作，通過“萬能離子刀”剝離轉移技術在六吋圖形化SiN晶圓上集成了高質量的鈮酸鋰薄膜，并通過晶圓級工藝制備出具備高速數據傳輸能力的異質集成薄膜鈮酸鋰電光調制器。在該異質集成方案中，氮化硅與薄膜鈮酸鋰形成混合波導，鈮酸鋰薄膜無需刻蝕加工，簡化了工藝流程。該工作不僅對全流程晶圓級制備硅光異質集成薄膜鈮酸鋰電光調制器進行了探索，而且為未來硅光平臺與薄膜鈮酸鋰進行晶圓級異質集成的量產奠定了一定基礎。相關成果于2025年8月4日以“Hybrid Silicon Nitride/Lithium Niobate Electro-Optical Modulator with Wide Optical Bandwidth and High RF Bandwidth Based on Ion-cut Wafer-level Bonding Technology”為題在線發表在國際著名期刊《Laser & Photonics Reviews》上。
圖1 器件結構與截面示意圖
研究團隊設計并通過實驗展示了一種可同時工作于O波段與C波段的，基于全流程晶圓級制造的高性能氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質集成馬赫曾德爾電光調制器，如圖1所示。采用萬能離子刀技術，實現了六英寸薄膜鈮酸鋰與圖案化六英寸 SiN 晶圓的異質集成。為了避免進行薄膜鈮酸鋰的刻蝕，該工作中所有器件圖案均在 SiN 層上實現。所制備出的器件在C波段實現了超過110 GHz的3-dB電光帶寬，在PAM-4傳輸模式下最高支持260 Gbit/s的數據傳輸。該異質集成電光調制器在1310 nm和1550 nm處的VπL分別為2.15 V·cm與2.7 V·cm。部分相關測試結果如圖2和圖3所示。該工作通過晶圓級制備工藝，研制了低插入損耗、高電光帶寬和高傳輸速率的異質集成 SiN/TFLN 調制器。
圖2 四個芯片上器件在不同波長下的調制效率測試結果(折線為模擬計算值)
圖3 NRZ與PAM-4數據傳輸模式下的光眼圖測試結果
論文第一作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所博士研究生李卓蕓，通訊作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所蔡艷研究員和歐欣研究員，論文合作者還包括李卓蕓的導師、上海銘錕半導體的余明斌研究員。該研究工作得到了集成電路材料全國重點實驗室自主課題(NKLJC-Z2023-A04)等項目的支持。
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