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2025-07-03
在高速光通信與硅基光電子集成領(lǐng)域，薄膜鈮酸鋰（TFLN）因其優(yōu)異的電光特性被視為實(shí)現(xiàn)超高帶寬、低功耗光器件的關(guān)鍵材料。如何將TFLN與傳統(tǒng)硅光平臺(tái)（如氮化硅SiN）高效集成，成為當(dāng)前研發(fā)熱點(diǎn)。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱“微系統(tǒng)所”）在TFLN-SiN鍵合工藝領(lǐng)域取得顯著突破，成功研制出帶寬超過110GHz的高性能光調(diào)制器。本文將詳細(xì)介紹這一創(chuàng)新的異質(zhì)集成鍵合工藝及其卓越性能，展望其在下一代高速光通信與光互連技術(shù)中的應(yīng)用潛力。
一、 技術(shù)路線：TFLN-SiN異質(zhì)集成 vs. 混合集成
當(dāng)前主要的TFLN-SiN集成方案可分為兩類：
1. 混合集成（如九峰山、海思等方案）：
· 對(duì)氮化硅（SiN）和鈮酸鋰薄膜（TFLN）均進(jìn)行刻蝕。
· 二者各自形成獨(dú)立的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
· 通過倏逝波耦合實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)連接。工藝相對(duì)復(fù)雜。
2. 微系統(tǒng)所方案：異質(zhì)集成鍵合（核心創(chuàng)新）
【微系統(tǒng)所TFLN-SiN異質(zhì)集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖】
· 核心特點(diǎn)： 采用獨(dú)特的鍵合工藝，在完成SiN波導(dǎo)制作并平坦化后，直接鍵合整片TFLN薄膜層。最終形成的波導(dǎo)是SiN和TFLN共同構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
· 優(yōu)勢(shì)： 工藝步驟相對(duì)簡(jiǎn)化（免去TFLN刻蝕），可能帶來更優(yōu)的光場(chǎng)限制和耦合效率。
二、 微系統(tǒng)所TFLN-SiN鍵合工藝詳解
該工藝在標(biāo)準(zhǔn)硅光工藝平臺(tái)上擴(kuò)展，關(guān)鍵步驟及參數(shù)如下：
1. 基底準(zhǔn)備：
· 使用硅襯底，通過熱氧化形成二氧化硅（BOX）層，構(gòu)成SOI襯底。
· 采用PECVD方法沉積氮化硅（SiN）層。文獻(xiàn)報(bào)道其厚度有180nm或400nm版本，此處以公開論文的180nm為例。
2. SiN波導(dǎo)制作與平坦化（關(guān)鍵步驟）：
· 對(duì)SiN層進(jìn)行光刻和刻蝕，形成所需的SiN波導(dǎo)圖形。
· 在刻蝕后的SiN波導(dǎo)上覆蓋氧化硅層。
· 關(guān)鍵工藝： 對(duì)覆蓋的氧化硅層進(jìn)行精密平坦化（研磨）。這一步的平整度至關(guān)重要，直接決定了后續(xù)鍵合時(shí)TFLN層與SiN波導(dǎo)之間的間隙厚度和均勻性。晶正電子轉(zhuǎn)讓給華為的專利也旨在精確控制此間隙。
· 平整后的氧化硅層表面將作為與TFLN鍵合的界面。
[圖示2：SiN波導(dǎo)刻蝕后狀態(tài)示意圖]
3. TFLN薄膜轉(zhuǎn)移與鍵合：
· 將高品質(zhì)的薄膜鈮酸鋰（TFLN）晶圓（通常為供貨態(tài)）與完成平坦化的SiN晶圓進(jìn)行鍵合。
· 鍵合層材料： 微系統(tǒng)所選用氧化硅作為鍵合介質(zhì)。相比另一種常用材料BCB（苯并環(huán)丁烯，高分子聚合物膠）：
· 氧化硅優(yōu)勢(shì)： 耐高溫、長(zhǎng)期可靠性高（尤其適用于商用產(chǎn)品）、工藝兼容性好。
· BCB劣勢(shì)： 可靠性較差（老化、熱穩(wěn)定性等問題）。
4. TFLN薄膜剝離與后道工藝：
· 關(guān)鍵技術(shù)：“離子刀”剝離。
· 使用氦離子（He+）注入到供體鈮酸鋰晶圓中（在鍵合界面下方特定深度形成損傷層）。
加熱處理，使損傷層汽化，從而實(shí)現(xiàn)鈮酸鋰薄膜（目標(biāo)厚度約400nm）的剝離，最終在鍵合晶圓上獲得所需的TFLN薄膜層。剩余供體晶圓可重復(fù)使用。
· 器件完成：
· 沉積上包層（通常為氧化硅）保護(hù)波導(dǎo)。
· 沉積金屬層（用于調(diào)制電極等），并進(jìn)行圖形化。
· 電極材料選擇： 金（性能最佳，成本高）、銅（折中）、鋁（成本低，易刻蝕，電阻率等電學(xué)性能相對(duì)較差）。
· 微系統(tǒng)所選擇： 基于成本和工藝集成度考慮，采用硅光平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的鋁（Al）工藝制作調(diào)制電極。
三、突破性性能：110GHz帶寬與低VπL
微系統(tǒng)所基于此TFLN-SiN異質(zhì)集成鍵合工藝制作的光調(diào)制器取得了令人矚目的性能：
調(diào)制器長(zhǎng)度： 5mm
帶寬： > 110GHz (實(shí)測(cè)超過110GHz)
半波電壓（Vπ）與VπL積（關(guān)鍵效率指標(biāo)）：
O波段： Vπ = 4.3V， VπL = 2.15 V·cm (極低，優(yōu)于傳統(tǒng)方案)
C波段： Vπ = 5.5V， VπL = 2.75 V·cm (同樣表現(xiàn)出色)
傳輸性能：
成功演示了260 Gbps PAM4 信號(hào)調(diào)制。
展現(xiàn)了180 GBd（千兆波特） 級(jí)的超高符號(hào)率傳輸能力，展現(xiàn)了其在超高速通信中的巨大潛力。
中科院微系統(tǒng)所開發(fā)的TFLN-SiN異質(zhì)集成鍵合工藝代表了硅基光電子集成技術(shù)的重要突破。
其特點(diǎn)在于：
1. 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)： 采用氧化硅鍵合/平坦化層的異質(zhì)集成方案，簡(jiǎn)化工藝并提升可靠性。
2. 核心工藝成熟： 掌握了SiN波導(dǎo)精密平坦化和大面積高質(zhì)量TFLN鍵合與剝離等關(guān)鍵技術(shù)。
3. 卓越性能： 實(shí)現(xiàn)了超過110GHz的帶寬和低至2.15 V·cm (O波段)的VπL積，滿足下一代800G、1.6T及更高速光互聯(lián)對(duì)調(diào)制器核心性能的苛刻要求。
4. 兼容性與可靠性： 基于硅光平臺(tái)開發(fā)，采用耐高溫的氧化硅鍵合材料，具有商業(yè)化應(yīng)用潛力。
應(yīng)用前景： 這項(xiàng)技術(shù)不僅為研制超高速、低功耗的下一代光通信核心器件（如相干光模塊中的IQ調(diào)制器）提供了強(qiáng)大支撐，其展現(xiàn)的高性能光波導(dǎo)操控能力，也為未來高速光開關(guān)、可編程光子集成電路（PIC） 等更復(fù)雜光子器件的發(fā)展開辟了新路徑。
廣西科毅光通信科技有限公司 (www.www.czflyt.com) 作為專注于光通信器件研發(fā)與制造的企業(yè)，將持續(xù)關(guān)注此類前沿集成工藝的發(fā)展，致力于將最先進(jìn)的技術(shù)轉(zhuǎn)化為滿足市場(chǎng)需求的高性能光開關(guān)、光模塊等產(chǎn)品，賦能數(shù)據(jù)中心、5G/6G及未來光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。
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