光子回路的異質(zhì)集成解決方案可以充分利用不同材料平臺的優(yōu)勢。近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(zhuǎn)移技術(shù)在六吋圖形化SiN晶圓上集成了高質(zhì)量的鈮酸鋰薄膜，并通過晶圓級工藝制備出具備高速數(shù)據(jù)傳輸能力的異質(zhì)集成薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器。在該異質(zhì)集成方案中，氮化硅與薄膜鈮酸鋰形成混合波導(dǎo)，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(zhì)集成薄膜鈮酸鋰電光調(diào)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(zhì)集成的量產(chǎn)奠定了一定基礎(chǔ)。相關(guān)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(fā)表在國際著名期刊《Laser & Photonics Reviews》上。

圖1 器件結(jié)構(gòu)與截面示意圖

研究團隊設(shè)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(zhì)集成馬赫曾德爾電光調(diào)制器，如圖1所示。采用萬能離子刀技術(shù)，實現(xiàn)了六英寸薄膜鈮酸鋰與圖案化六英寸 SiN 晶圓的異質(zhì)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(xiàn)。所制備出的器件在C波段實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸。該異質(zhì)集成電光調(diào)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(guān)測試結(jié)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(zhì)集成 SiN/TFLN 調(diào)制器。

圖2 四個芯片上器件在不同波長下的調(diào)制效率測試結(jié)果（折線為模擬計算值）

圖3 NRZ與PAM-4數(shù)據(jù)傳輸模式下的光眼圖測試結(jié)果

論文第一作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士研究生李卓蕓，通訊作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(dǎo)師、上海銘錕半導(dǎo)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。