《我国科学家开发出可规模制造的光子芯片材料》

  • 来源专题:新一代信息技术
  • 编译者: isticzz2022
  • 发布时间:2024-05-10
  •        北京时间8日深夜,国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)发表了中国科学院上海微系统与信息技术研究所的最新成果,该所欧欣研究员团队在钽酸锂异质集成晶圆及高性能光子芯片领域取得突破性进展。

           随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”,集成电路芯片性能提升的难度和成本越来越高,人们迫切寻找新的技术方案。近年来,铌酸锂受到广泛关注,有“光学硅”之称,美国哈佛大学等国外高校和研究机构甚至提出仿照“硅谷”模式建设新一代“铌酸锂谷”的方案。欧欣团队与合作者通过研究发现,相比于铌酸锂,单晶钽酸锂薄膜不仅具有类似的优异电光转换特性,并且在双折射、透明窗口范围、抗光折变、频率梳产生等方面更具优势。此外,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。欧欣团队采用基于“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。他们还与合作团队联合开发了超低损耗钽酸锂光子器件微纳加工方法,对应器件的光学损耗普遍低于已报道晶圆级工艺下的铌酸锂波导损耗值。钽酸锂光子芯片展现出与铌酸锂薄膜相当的电光调制效率,同时研究团队首次在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。目前,研究团队在攻关8英寸晶圆制备技术,以为更大规模的国产光电集成芯片和移动终端射频滤波器芯片的发展奠定核心材料基础。欧欣介绍:“相较于薄膜铌酸锂,薄膜钽酸锂更易制备,且制备效率更高。同时,钽酸锂薄膜具有更宽的透明窗口、强电光调制、弱双折射、更强的抗光折变特性,这种先天的材料优势极大地拓展了钽酸锂平台的光学设计自由度。”

  • 原文来源:http://finance.people.com.cn/n1/2024/0510/c1004-40232542.html
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    • 作为组成芯片的基本元件,晶体管的尺寸随着芯片缩小不断接近物理极限,其中发挥着绝缘作用的栅介质材料十分关键。中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰团队开发出面向二维集成电路的单晶氧化铝栅介质材料——人造蓝宝石,这种材料具有卓越的绝缘性能,即使在厚度仅为1纳米时,也能有效阻止电流泄漏。相关成果8月7日发表于国际学术期刊《自然》。 “二维集成电路是一种新型芯片,用厚度仅为1个或几个原子层的二维半导体材料构建,有望突破传统芯片的物理极限。但由于缺少与之匹配的高质量栅介质材料,其实际性能与理论相比尚存较大差异。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰说。 狄增峰表示,传统的栅介质材料在厚度减小到纳米级别时,绝缘性能会下降,进而导致电流泄漏,增加芯片的能耗和发热量。为应对该难题,团队创新开发出原位插层氧化技术。 “原位插层氧化技术的核心在于精准控制氧原子一层一层有序嵌入金属元素的晶格中。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员田子傲说,“传统氧化铝材料通常呈无序结构,这会导致其在极薄层面上的绝缘性能大幅下降。” 具体来看,团队首先以锗基石墨烯晶圆作为预沉积衬底生长单晶金属铝,利用石墨烯与单晶金属铝之间较弱的范德华作用力,实现4英寸单晶金属铝晶圆无损剥离,剥离后单晶金属铝表面呈现无缺陷的原子级平整。随后,在极低的氧气氛围下,氧原子逐层嵌入单晶金属铝表面的晶格中,最终得到稳定、化学计量比准确、原子级厚度均匀的氧化铝薄膜晶圆。 狄增峰介绍,团队成功以单晶氧化铝为栅介质材料制备出低功耗的晶体管阵列,晶体管阵列具有良好的性能一致性。晶体管的击穿场强、栅漏电流、界面态密度等指标均满足国际器件与系统路线图对未来低功耗芯片的要求,有望启发业界发展新一代栅介质材料。
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    • 记者从中国科学技术大学获悉,该校徐铜文教授和吴亮教授团队在低成本高性能双极膜开发及产业化方面取得突破进展,他们采用原位生长思路,研制出一种具有优异稳定性和水解离产酸碱能力的高性能双极膜。该成果于1月4日在线发表于《自然·通讯》。 国内双极膜产品处于批量试制阶段,大规模产业化仍面临两大难题:一是阴阳膜层由于膨胀系数不同,使用过程中容易分层;二是双极膜多采用小分子或者过渡金属离子,作为中间层催化剂,使用过程中催化剂易泄漏失效。 针对第一个难题,研究团队开发了聚苯醚基材的阴阳膜层,解决了两层材料膨胀系数不同的问题。针对第二个难题,研究团队先后制备出系列由亲水性高分子、明胶、超支化高分子、凹凸棒土等固载过渡金属离子构成的中间催化层结构。但这些尝试用于规模制备时,双极膜的水解离压降偏高,催化层稳定性不能满足工业长期应用的需求。为进一步提升双极膜水解离效率和中间层稳定性,研究团队采用原位生长思路,通过调控苯胺分子在阴阳膜层界面处原位锚定、聚合生长并包裹碱式氧化铁颗粒,构建出稳定水解离中间层制备双极膜。 测试结果表明,该双极膜具有极低的水解离启动电压,表现出优异的稳定性和水解离产酸碱能力。在此基础上,研究团队开发出具有自主知识产权的高性能双极膜材料及流延+催化层喷涂一次性成型制备技术,目前已建成中试生产线,规模化生产线正在建设中。