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)現超高帶寬、低功耗光器件的關(guān)鍵材料。如何將TFLN與傳統硅光平臺（如氮化硅SiN）高效集成，成為當前研發(fā)熱點(diǎn)。中科院上海微系統與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“微系統所”）在TFLN-SiN鍵合工藝領(lǐng)域取得顯著(zhù)突破，成功研制出帶寬超過(guò)110GHz的高性能光調制器。本文將詳細介紹這一創(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)中的應用潛力。

一、 技術(shù)路線(xiàn)：TFLN-SiN異質(zhì)集成 vs. 混合集成

當前主要的TFLN-SiN集成方案可分為兩類(lèi)：

1. 混合集成（如九峰山、海思等方案）：

·         對氮化硅（SiN）和鈮酸鋰薄膜（TFLN）均進(jìn)行刻蝕。

·         二者各自形成獨立的波導結構。

·         通過(guò)倏逝波耦合實(shí)現光場(chǎng)連接。工藝相對復雜。

2. 微系統所方案：異質(zhì)集成鍵合（核心創(chuàng )新）

【微系統所TFLN-SiN異質(zhì)集成波導結構示意圖】

·         核心特點(diǎn)： 采用獨特的鍵合工藝，在完成SiN波導制作并平坦化后，直接鍵合整片TFLN薄膜層。最終形成的波導是SiN和TFLN共同構成的異質(zhì)結構。

·         優(yōu)勢： 工藝步驟相對簡(jiǎn)化（免去TFLN刻蝕），可能帶來(lái)更優(yōu)的光場(chǎng)限制和耦合效率。

二、 微系統所TFLN-SiN鍵合工藝詳解

該工藝在標準硅光工藝平臺上擴展，關(guān)鍵步驟及參數如下：

1. 基底準備：

·         使用硅襯底，通過(guò)熱氧化形成二氧化硅（BOX）層，構成SOI襯底。

·         采用PECVD方法沉積氮化硅（SiN）層。文獻報道其厚度有180nm或400nm版本，此處以公開(kāi)論文的180nm為例。

2. SiN波導制作與平坦化（關(guān)鍵步驟）：

·         對SiN層進(jìn)行光刻和刻蝕，形成所需的SiN波導圖形。

·         在刻蝕后的SiN波導上覆蓋氧化硅層。

·         關(guān)鍵工藝： 對覆蓋的氧化硅層進(jìn)行精密平坦化（研磨）。這一步的平整度至關(guān)重要，直接決定了后續鍵合時(shí)TFLN層與SiN波導之間的間隙厚度和均勻性。晶正電子轉讓給華為的專(zhuān)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波導刻蝕后狀態(tài)示意圖]

3. TFLN薄膜轉移與鍵合：

·         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： 耐高溫、長(cháng)期可靠性高（尤其適用于商用產(chǎn)品）、工藝兼容性好。

·         BCB劣勢： 可靠性較差（老化、熱穩定性等問(wèn)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)現鈮酸鋰薄膜（目標厚度約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使用。

·         器件完成：

·         沉積上包層（通常為氧化硅）保護波導。

·         沉積金屬層（用于調制電極等），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)性能相對較差）。

·         微系統所選擇： 基于成本和工藝集成度考慮，采用硅光平臺標準的鋁（Al）工藝制作調制電極。

三、突破性性能：110GHz帶寬與低VπL

微系統所基于此TFLN-SiN異質(zhì)集成鍵合工藝制作的光調制器取得了令人矚目的性能：

• 調制器長(cháng)度： 5mm

• 帶寬： > 110GHz (實(shí)測超過(guò)110GHz)

• 半波電壓（Vπ）與VπL積（關(guān)鍵效率指標）：

• O波段： Vπ = 4.3V， VπL = 2.15 V·cm (極低，優(yōu)于傳統方案)

• C波段： Vπ = 5.5V， VπL = 2.75 V·cm (同樣表現出色)

• 傳輸性能：

• 成功演示了260 Gbps PAM4 信號調制。

• 展現了180 GBd（千兆波特） 級的超高符號率傳輸能力，展現了其在超高速通信中的巨大潛力。

中科院微系統所開(kāi)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 )新結構： 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)現了超過(guò)110GHz的帶寬和低至2.15 V·cm (O波段)的VπL積，滿(mǎn)足下一代800G、1.6T及更高速光互聯(lián)對調制器核心性能的苛刻要求。

4. 兼容性與可靠性： 基于硅光平臺開(kāi)發(fā)，采用耐高溫的氧化硅鍵合材料，具有商業(yè)化應用潛力。

應用前景： 這項技術(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調制器）提供了強大支撐，其展現的高性能光波導操控能力，也為未來(lái)高速光開(kāi)關(guān)、可編程光子集成電路（PIC） 等更復雜光子器件的發(fā)展開(kāi)辟了新路徑。

廣西科毅光通信科技有限公司 (www.www.hellosk.com) 作為專(zhuān)注于光通信器件研發(fā)與制造的企業(yè)，將持續關(guān)注此類(lèi)前沿集成工藝的發(fā)展，致力于將最先進(jìn)的技術(shù)轉化為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的高性能光開(kāi)關(guān)、光模塊等產(chǎn)品，賦能數據中心、5G/6G及未來(lái)光網(wǎng)絡(luò )建設。