自上世纪 40 年代以来，芯片产业历经从无到有、由弱变强的演变进程，数十年间经过多次技术革新和升级，芯片已经从最初的集成电路，到超大规模集成电路，再到当前的系统级芯片和 AI 芯片，一次次技术迭代推动产业的发展。

如今，全球芯片行业已经进入到“后摩尔时代”，芯片性能提升和制造成本所面临的挑战愈发凸显。以铌酸锂光子技术、硅光技术等为代表的新型集成光电技术的出现，有望成为攻克这些挑战的解题思路。不同于传统的电子芯片以电流为信息载体，光芯片是以光波为载体，相较之下具有低时延、高带宽、低功耗等优势。

围绕新型光芯片技术的开发，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣团队与瑞士洛桑联邦理工学院 Tobias Kippenberg 团队联合开发出一种新型“光学硅”芯片，可实现低成本的规模化量产，具有产业应用价值，为下一代光电集成芯片的可扩展生产铺平了道路。目前，这项研究成果已经以“Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing”（可批量生产的钽酸锂集成光芯片）为题发表在 Nature 上。

（来源：Nature）

众所周知，芯片产业在当今的信息技术浪潮中扮演举足轻重的角色，其中，硅这种半导体材料以独特的物理和化学性质在芯片加工制造中占据了不可替代的地位，作为集成电路芯片的基石，通过在硅基片上蚀刻出复杂电路结构，进而可以实现各种复杂的功能，比如计算、存储、通信等。

虽然硅在芯片加工制造中占据了主导，新型半导体材料也在不断被开发出来，其中就包括有着“光学硅”之称的铌酸锂材料，是当前备受研究人员瞩目的“明星材料”。据了解，围绕铌酸锂，此前哈佛大学等海外团队和研究机构甚至试图仿照“硅谷”模式建构新一代“铌酸锂谷”的方案。

欧欣和团队的这项最新研究则专注于与铌酸锂特性有些类似的另一种材料 —— 钽酸锂。他们通过大量前期试验发现，薄膜单晶钽酸锂与薄膜铌酸锂具有非常接近的电光转换性能，并且在双折射、抗光折变、频率梳产生、透明窗口范围等诸多方面甚至比铌酸锂材料更具优势。

作为一种无机晶体材料，钽酸锂具有极佳的压电、铁电、光电和非线性光学特性，而钽酸锂薄膜则拥有良好的光学透性和电光转换效率，且易于与其他材料集成，是实现高性能光芯片的理想材料之一。

图｜硅基钽酸锂异质晶圆基底和光波导（来源：Nature）

在这项研究中，欧欣和团队基于“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出了硅基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆（LTOI）。

具体而言，与传统电子芯片把电路蚀刻在硅基晶圆上有些类似，他们把这种光芯片的光波导刻在由“硅-二氧化硅-钽酸锂”组成的硅基钽酸锂异质晶圆上。

需要注意的是，晶圆这种“三明治”结构的关键在于其最顶部一层厚度约 600nm 的钽酸锂单晶薄膜和薄膜与二氧化硅之间形成的界面质量。得益于使用欧欣团队此前开发的这种“万能离子刀”异质集成技术，不仅实现了钽酸锂薄膜的高质量制备，而且还大幅提升了制备效率。

随后，欧欣团队联合瑞士洛桑联邦理工学院 Tobias Kippenberg 团队开发出一种超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工技术，使该器件的光学损耗降低至 5.6 dB/m。值得一提的是，这一光学损耗低于其他团队已报道的晶圆级铌酸锂波导最低损耗值。

在光芯片的制备过程中，欧欣和团队结合晶圆级的流片工艺，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。

试验显示，这种钽酸锂光芯片展现出与铌酸锂薄膜接近的电光调制效率，同时，他们还基于该钽酸锂光芯片首次在 X 切型电光平台中产生了孤子光学频率梳。这意味着，钽酸锂光芯片结合其电光可调谐性或将在激光雷达、精密测量等领域具有应用价值。

图｜硅基钽酸锂异质晶圆中的电光调谐和开关（来源：Nature）

现阶段，欧欣和团队已经完成了 8 英寸晶圆的制备。还有至关重要的一点，这种硅基钽酸锂异质晶圆的制备工艺与传统的绝缘体上硅（SOI）制备工艺较为接近，因此能够实现较低成本和批量化生产，有产业规模应用前景。

这篇论文的共同通讯作者、中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员欧欣指出，相较于被广泛看好的铌酸锂材料，钽酸锂薄膜更容易制备且制备效率更高、成本更低，此外，钽酸锂薄膜具有弱双折射、强电光调制，以及更强的抗光折变和更宽的透明窗口等，这种材料所具备的“先天优势”进一步拓展了钽酸锂平台的光学设计自由度。

他还表示，这种钽酸锂光芯片展现出高电光转换效率、低光学损耗等优异特性，或许能够为解决当前通信产业所面临的频率、功耗、速度、带宽等瓶颈问题提供新方案，同时还有望在光通信、光计算和量子计算等领域催生新技术。

据悉，欧欣团队长期专注于单晶薄膜制备及异质集成共性技术的开发，以及基于异质集成材料的 5G/6G 高频声学射频滤波器、高速集成光子器件和高功率电子器件技术等。

在欧欣看来，以相较于传统半导体材料的“单一衬底”，把不同材料组合在一起，即“异质集成”技术，可进一步提高芯片性能，绕道摩尔定律进而实现弯道超车。

除了在技术创新上的探索，在技术转化方面，欧欣等人联合创立了上海新硅聚合半导体有限公司（简称新硅聚合），推进异质集成材料关键技术的工程化及产业化。

据了解，围绕欧欣和团队此次新研究，新硅聚合公司目前已经具备薄膜钽酸锂异质晶圆的量产能力，为更大规模的国产光电集成芯片等产业的发展打下材料基础。

参考资料：

1.https://doi.org/10.1038/s41586-024-07369-1

2.https://www.cas.cn/syky/202405/t20240508_5013942.shtml

3.http://www.shnsit.com/