钽酸锂集成光子芯片登上Nature：中国芯片取得新的突破

目前制造芯片的晶圆主要材料是硅（Silicon），这是一种非常普遍且重要的半导体材料。晶圆的生产始于高纯度的多晶硅，通过一系列复杂工艺转化为单晶硅晶棒，再经过研磨、抛光和切片得到薄片，即晶圆片。这些晶圆片具有极高的表面平整度和纯度，是集成电路制造的基础。硅晶圆的原始材料通常源自地壳中丰富的二氧化硅，通过高度提纯过程达到半导体制造业所需的极高纯度标准，通常纯度需达到九个九（99.99999999%）以上。除了硅之外，也有使用其他材料如氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）或铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）等特殊材料的晶圆用于特定类型的芯片或光子集成电路中，但硅依然是最主流的选择

刚刚中国科学院上海微系统与信息技术研究所联合瑞士洛桑联邦理工学院，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《可大规模制造的钽酸锂集成光子芯片》（Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing）为题，发表在顶刊《自然》，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07369-1‍‍‍

研究人员nature这篇文章主要证明了：

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、频率梳产生等方面更具优势‍

照片展示的是声学级（黑色）和光学级（白色）钽酸锂(LiTaO3)晶圆

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

钽酸锂的优势所在

1. 超越传统材料的特性钽酸锂不仅具有优异的电光效应，还展现出低损耗和高双折射率的特性。这意味着它可以实现对光波导的超宽频带色散工程，是生成电光频率梳的理想选择，为信息传输打开了前所未有的宽带门扉

2. 革命性的量子桥梁对于量子计算而言，如何高效地将微波光子与超导量子比特对接是一大挑战。而钽酸锂凭借其远低于铌酸锂的介电损耗，为单个微波光子的量子转换提供了几乎无与伦比的介质，为解决量子计算机的热瓶颈问题带来了曙光

制造方法：

研究团队采用基于“万能离子刀”的异质集成技术，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

实际验证：

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。钽酸锂光子芯片不仅展现出与铌酸锂薄膜相当的电光调制效率，同时基于钽酸锂光子芯片，研究团队首次在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

结语

相较于国际上的异质集成硅基铌酸锂平台，研究团队选择可大规模制造的钽酸锂薄膜作为研究对象，挖掘了钽酸锂相较于铌酸锂在光电性能和批量制备方面的更大优势，钽酸锂光子芯片所展现出的极低光学损耗、高效电光转换和孤子频率梳产生等特性有望为突破通信领域速度、功耗、频率和带宽四大瓶颈问题提供解决方案，并在低温量子、光计算、光通信等领域催生革命性技术

据悉，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，并开发出8英寸异质集成材料技术

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