Кристаллы ниобата лития, однокристаллические тонкие пленки и их будущее расположение в промышленности оптических чипов

Кристаллы лития ниобата, монокристаллические тонкие пленки и их будущая компоновка в индустрии оптических чипов

Аннотация статьи

Благодаря быстрой разработке областей применения, таких как коммуникационные технологии 5G/6G, большие данные и искусственный интеллект, спрос на новое поколение фотонных чипов увеличивается день ото дня. Кристаллы лития ниобата с их превосходными электрооптическими, нелинейными оптическими и пьезоэлектрическими свойствами стали основным материалом фотонных чипсов и известны как «оптический кремниевый» материал фотонной эры. В последние годы были сделаны прорывы при приготовлении монокристаллических тонких пленок и технологий обработки литий-нибате и технологии обработки устройств, демонстрируя такие преимущества, как меньший размер, более высокий интеграция, сверхбыстрый электрооптический эффект, широкая полоса полоса и низкое потребление мощности. Он имеет широкие перспективы применения в высокоскоростных электрооптических модуляторах, интегрированной оптике, квантовой оптике и других областях. В статье вводится внутренний и международный прогресс в исследованиях и разработки и соответствующую политику технологии подготовки кристаллов ниобата оптического класса и монокристаллических пленок, а также их последние применение в областях оптических чипов, интегрированных оптических платформ, квантовых оптических устройств и т. Д. Предложения были выдвинуты для будущего макета. В настоящее время Китай находится на стадии догоняющегося с международным продвинутым уровнем в областях монокристаллических тонких пленок Lithium niobate и оптоэлектронных устройств на основе лития, но все еще существует значительный пробел в индустриализации высококачественных литий-кристаллических материалов. Ожидается, что, оптимизируя промышленную планировку и укрепляя фундаментальные исследования и разработки, Китай сформирует полный промышленный кластер Lithium niobate от подготовки материала до проектирования устройств, производства и применения.

Zmsh's Linbo3 пластики

Быстрый обзор статьи

Благодаря быстрому разработке областей, таких как коммуникационные технологии 5G/6G, большие данные, искусственный интеллект, оптическая связь, интегрированная фотоника и квантовая оптика, спрос на новое поколение фотонных чипов и их основные кристаллические материалы становится все более срочным. Lithium niobate (LN) представляет собой многофункциональный кристалл со свойствами, такими как пьезоэлектричество, серамоэлектричество, пироэлектричность, электрооптика, acoutooptics, фотоусловия и нелинейность. В настоящее время это один из кристаллов с наилучшими комплексными показателями в фотонике. Роль лития ниобата в будущих оптических устройствах аналогична роли материалов на основе кремния в электронных устройствах, и, таким образом, он также известен как «оптический кремниевый» материал фотонного века. Тонкая пленка Lithium niobate (LNOI)-это своего рода тонкопленочный материал, основанный на кристаллах лития ниобата и обладает отличными фотоэлектрическими свойствами: ① Высокий электрооптический коэффициент. Монокристаллические тонкие пленки Lithium niobate имеют превосходные электрооптические эффекты и подходят для высокоскоростных оптических модуляторов. ② Низкая оптическая потеря. Тонкоплестная структура уменьшает потерю распространения света и подходит для высокопроизводительных оптоэлектронных устройств. ③ Широкое прозрачное окно. Он обладает высокой прозрачностью в видимых световых и ближних инфракрасных полосах. ④ Нелинейные оптические характеристики. Поддерживают нелинейные оптические эффекты, такие как вторичная гармоническая генерация (ГСП). ⑤ Совместим с интеграцией на основе кремния. Интеграция с оптоэлектроничными устройствами на основе кремния может быть достигнута с помощью технологии связывания. В последние годы многие исследовательские проекты, развернутые в домашних условиях и за рубежом, приняли кристаллы литий-ниобата и монокристаллические пленки в качестве важных направлений разработки, особенно в областях микроволновых фотонных чипов, оптических волноводов, электрооптических модуляторов, нелинейной оптики и квантовых устройств.

Таблица 1 Важные технологические события Лития

Тонкие пленки Lithium niobate стали важным материалом для кандидата для субстрата нового поколения многофункциональных интегрированных микросхем для обработки информации о фотонейке. Прогнозируется, что рыночная способность оптических модуляторов, основанных на кристаллических материалах лития ниобата, составляет 36,7 миллиарда долларов США в 2026 году. По сравнению с кремниевыми фотонных модуляторами и модуляторами фосфида индий, тонкоплюсно-литий-нитиевые модуляторы имеют преимущества высокой полосы использования, низкой потерь, низкоэффективная модуля, высокая и высокая тяга. В то же время они также могут быть миниатюрными, что может соответствовать все более миниатюрным требованиям когерентных оптических модулей и оптических модулей связи данных. Китай независимо контролируется в кристаллических материалах, кристаллических пленках, методах обработки, устройствах и системах. В настоящее время многие отечественные производители выпустили оптические модули раствора лития лития с тонкопленочным раствором. Нисходящие клиенты протестировали соответствующие продукты. В будущем преимущества применения 1,6t оптических модулей будут более очевидны.

1. Исследование прогресса кристаллов лития ниобата и монокристаллических пленок

Физико -химические свойства монокристаллов лития ниобата в значительной степени зависят от [li]/[nb] и примесей. Конгруэнтный кристалл лития ниобата (CLN) с одинаковой композицией дефицит в литии, поэтому он содержит большое количество вакансий LI (VLI) и обратных дефектов точек NB (NB). Соотношение [li]/[nb] стехиоментрического лития ниобата (SLN) близко к 1∶1. Хотя он обладает отличной производительностью, его подготовка сложна, а стоимость производства высока. Монокристаллы лития ниобата классифицируются на акустическую степень и оптическую степень. Соответствующие подразделения в основном участвуют в росте кристаллов лития ниобата, показаны в таблице 1. Среди них компания в основном участвует в росте оптического уровня литий -нибата, является японским предприятием. В настоящее время внутренний производство оптических пластин литий-ниубата составляет менее 5%, и они сильно зависят от импорта. Yamashiro Ceramics Co., Ltd. (называется керамикой Yamashiro) имеет промышленно развитые 8-дюймовые кристаллы и пластины лития лития (рис. 1 (а)). В Китае, Tiantong Holdings Co., Ltd. (называется Tiantong Co., Ltd.) и China Electronics Technology Group Corporation DeQinghua Ying Electronics Co., Ltd. (называется Deqinghua ying), соответственно, производил 8-дюймовые кристаллы и пластики лития лития в 2000 и 2019 годах, но они еще не достигли промышленного производства. С точки зрения стехиометрического соотношения и оптического уровня лития ниобата, все еще существует технологический разрыв около 20 лет между китайскими предприятиями роста кристаллов и японских предприятий. Следовательно, в Китае существует неотложная необходимость прорыться в теории роста и технологии процесса высококачественных оптически качественных кристаллов лития ниобата.

Рис. 1 Кристалл литий и тонкая пленка с мокристалкой

Прорывы в фотонных структурах и фотонных чипах и устройствах лития ниобата по всему миру в основном связаны с разработкой и индустриализацией технологии тонкопленочных материалов лития ниобата. Однако из-за высокой хрупкости монокристаллов лития ниобата чрезвычайно трудно подготовить пленки сотни нанометра (100-2000 нм) с низкими дефектами и высоким качеством. Иоонная имплантация и методы прямого соединения отшелушивают объемные монокристаллы в монокристаллические пленки наноразмерного лития, что делает возможной крупномасштабную фотонную интеграцию. В настоящее время только несколько компаний в мире, в том числе Jinan Jingzheng, французская компания Soitec SA и японская Kiko Co., Ltd. Цзинан Цзингженг принял основные технологии нарезки ионного луча и прямой связи и стал первым в мире, достигшим индустриализации. Он сформировал глобально ведущий бренд тонкой пленки Lithium niobate (Nanoln), поддерживая более 90% фундаментальных исследований и разработок тонких пленочных устройств Lithium niobate по всему миру. В 2023 году Цзинан Цзинженг запустил 8-дюймовую пленку лития оптического класса (рис. 1 (b)), а также первое предприятие в индустрии, которое создает пленки нитииама из 8-дюймовых кристаллов x-лития. Ключевые показатели продуктов серии Jinan Jingzheng, таких как физические свойства, единообразие толщины, подавление дефектов и устранение, находятся на международном ведущем уровне. Ситуация предприятий, связанных с подготовкой кристаллов лития ниобата и монокристаллических пленок, показана в таблице 2.

Таблица 2 Производственные компании кристаллов лития ниобата и тонких пленок с мокристаллом

2. Расширенные применения лития ниобате

По сравнению с традиционными монокристаллическими материалами Lithium niobate, тонкопленочный литий-нибат имеет меньший размер, более низкие затраты, более высокую интеграцию и может работать стабильно в более широком диапазоне температуры и условий электрического поля. Эти преимущества делают его широкие перспективы применения в таких областях, как 5G Communication, квантовые вычисления, общение с оптическими волокнами и датчики, особенно демонстрируя большой потенциал в фотоэлектрической модуляции, обработке оптических сигналов и высокоскоростной передачи данных (Таблица 3).

Таблица 3 Основные поля применения кристалла лития и тонкой пленки с однокристаллом

2.1 высокоскоростной электрооптический модулятор

Модуляторы лития ниобата широко используются в сетях оптической связи с сверхскоростной композицией, сети подводных оптических коммуникаций, столичных основных сетях и других областях из-за их преимуществ, таких как высокая скорость, низкое энергопотребление и высокое отношение сигналов к нулю. Ключевые технологии, такие как крупномасштабная технология литографии, технология обработки волноводов с ультра-низкой потерей и гетерогенная интеграция, способствовали разработке тонкопленочных модуляторов лития ниобата, что позволило им поддерживать применение 800 Гбит / с и 1,6T высокоскоростных оптических модулей. По сравнению с такими материалами, как фосфид индия, кремниевая фотоника и традиционная лития ниобата, тонкопленочный литий-нибат обладает выдающимися признаками, такими как сверхвысокая полоса пропускания, низкое потребление мощности, низкие потери, небольшие размеры и способность достигать крупномасштабного производства на уровне пластин (таблица 4), что делает его идеальным материалом для фотоэлектрических модуляторов. Глобальный рынок модулятора лития тонкопленочного лития неуклонно растет. Ожидается, что общая рыночная стоимость в 2029 году достигнет 2 миллиардов долларов США, а совокупный годовой темп роста составит 41,0%.

Таблица 4 Сравнение производительности субстратных материалов для оптических модулей

На международном уровне исследовательская группа из Гарвардского университета успешно разработала комплементарный полупроводник оксида металлов с пропускной способностью 100 ГГц в 2018 году. CMOS) интегрированный интерферометр интерферометра Mach-Zehnder (MZI), в то время как оптимальные устройства Fujits также был замечательным. В 2019 году исследовательская группа из Университета Sun Yat-Sen достигла гибридного интегрированного электрооптического модулятора кремния и лития ниобата. Ningbo Yuanxin Optoelectronic Technology Co., Ltd. выпустила продукт прочности в литиевом литиевом литиевом литии в 2021 году. В 2022 году университет Sun Yat-Sen в сотрудничестве с Huawei для развития первого в мире поляризационного мультиплексированного чипа оптического модулятора, основанного на чипе литий-ноубате. Тонкоплютный когерентный модулятор лития Niobate Niobo Optoelectronics поддерживает 100-километровые оптические волокнистые передачи 260 ГБАД DP-QPSK (Gigabaud Dual Polarization Fase Keying). В 2023 году Zhuhai Guangku Technology Co., Ltd. (называется технология Guangku) демонстрировал тонкопленочный модулятор лития ниобата с модуляторами лития, включающий сверхвысочную полосу пропускания и небольшой объем. Chengdu Xinyisheng Communication Technology Co., Ltd. (Названный как Xinyisheng) применила эту технологию к оптическим модулям 800 Гбит / с, с энергопотреблением всего 11,2 Вт. Тонкопленочный литий-нибат демонстрирует большой потенциал в связанных применениях передачи на большие расстояния, сети столичных областей и сети взаимосвязи обработки данных, а также в четырехсторонних пульсных амплитудных модуляциях (импульсная амплитуда модуляция 4, PAM-4) применения центров обработки данных и кластеров искусственного интеллекта. Например, модулятор когерентного привода 130 ГБА и продукт PAM-4 в PAM-4 800 Гбит / с, а также трансивер PAM-4, совместно запущенный Hyperlight Corporation в Соединенных Штатах, Newesun и Arista Networks Corporation в Соединенных Штатах. Эти продукты полностью демонстрируют значительные преимущества технологии тонкопленочной лития ниобата для улучшения полосы пропускания и снижения энергопотребления. В настоящее время Китай находится на стадии бега шеи и шеи с международным продвинутым уровнем в этой области.

2.2 Интегрированная оптическая платформа Litthium niobate

На интегрированной оптической платформе Littium niobate приложение от частотного конвертера и модулятора частоты и модулятора, при этом интеграция лазера в чип Lithium niobate является серьезной проблемой. В 2022 году исследовательская группа из Гарвардского университета, в сотрудничестве с гиперзмальной и свободной фотоникой, достигла источника импульсов на уровне чипа и первого в мире чипа литий-ниобата, полностью интегрированного мощного лазера на интегрированной оптической платформе лития (рис. 2 (а)). Этот тип лазера Lithium niobate интегрирует высокопроизводительные лазеры, которые могут значительно снизить стоимость, сложность и энергопотребление будущих систем связи. В то же время он может быть интегрирован в более крупные оптические системы и может широко применяться в таких областях, как зондирование, атомные часы, лидар, квантовая информация и телекоммуникации данных. Дальнейшая разработка интегрированных лазеров, которые одновременно обладают узкой шириной линии, высокой стабильностью и высокоскоростной частотной модуляцией, также является важным спросом в отрасли. В 2023 году исследователи из Швейцарского федерального технологического института и IBM достигли низкой потери, узкой ширины линии, высокой частоты модуляции и стабильной выработки лазера на гетероинтегрированной оптической платформе литий-ниобат-силикона. Уровень повторения составляет приблизительно 10 ГГц, оптический импульс составляет 4,8 пс при 1065 нм, энергия превышает 2,6 пижа, а пиковая мощность превышает 0,5 Вт.

3. Тенденции и проблемы развития

Благодаря разработке искусственного интеллекта и крупных моделей, будущие точки роста лития ниобата будут в основном сосредоточены на высококачественном оптическом чип-поле (Таблица 5), в частности, включая прорывы в технологиях основных оптических чипов, таких как высокоскоростные оптические модуляторы, лазеры и детекторы; Продвигать применение тонких пленок литий ниобате в оптических чипах и повысить производительность устройств; Усилить исследование и разработки технологии подготовки тонкой пленки лития для достижения крупномасштабного производства высококачественных тонких пленок; Содействовать интеграции литий-ниобат пленок с оптоэлектроническими устройствами на основе кремния для снижения затрат.

Таблица 5 Образцы литийной фотоники Niobate и ее применения

Оптический литий -нибат в основном применяется в таких областях, как оптическая связь, волоконно -оптические гироскопы, сверхбыстрые лазеры и кабельное телевидение. Направление, которое может войти в зрелое применение самым быстрым, может быть оптической связи. В области оптической связи размер рынка чипов и устройств модулятора лития составляет приблизительно 10 миллиардов юаней. Многие высококачественные субстраты литий-лития оптического класса в Китае должны быть импортированы из Японии. Поскольку Япония усиливает свои ограничения в отношении полупроводникового сектора Китая, субстраты Lithium niobate могут появиться в ограниченном списке. Поскольку высокоскоростная когерентная оптическая технология передачи продолжает расширяться от линий на большие расстояния/ствола до регионального/центра обработки данных и других областей, спрос на цифровые оптические модуляторы, используемые в высокоскоростной когерентной оптической связи, будет продолжать расти. Ожидается, что глобальная отгрузка высокоскоростных когерентных оптических модуляторов достигнет 2 миллионов портов в 2024 году. Соответственно, спрос на субстраты лития ниобате также значительно увеличится.

Zmsh's Linbo3 Crystal

Самым большим узким местом в массовом производстве оптических литиевых материалов является консистенция оптического качества, включая консистенцию состава, дефекты и микроструктуру самого кристаллического материала, а также точность вафей, обработанных процессом химической механической полироки (CMP). По сравнению с зарубежными странами основная проблема заключается в недостаточном исследовании более глубоких научных и технологических проблем роста кристаллов. Рост высококачественного оптического класса срочно требует углубленных исследований, чтобы понять его многомасштабные физико-химические механизмы. Например, кластерные структуры в высокотемпературных расплавлениях, твердожих-жидкости интерфейсных структур, межфазного переноса ионов, а также динамических структур дефектов и механизмов образования во время процесса роста, а также моделирование процесса реального роста кристаллов и т. Д. Как преодолеть теорию препаратов и технологии крупных кристаллических материалов? Рейтинг первого среди 10 пограничных научных вопросов, опубликованных Китайской ассоциацией науки и техники в 2021 году, показывает, что фундаментальные научные проблемы в подготовке крупных кристаллических материалов стали ключевым фактором, ограничивающим быстрое развитие этой отрасли.

Технические проблемы электрооптических устройств лития ниобата в основном лежат в тонкопленочных образовании, процессах травления и CMP, с такими проблемами, как высокая шероховатость поверхности гребня в форме гребня и низкий выход обработки. Оптические применения имеют высокие требования к обработке пластин и устройств, а монополизованное оборудование монополизируется иностранным оборудованием. Изменения дефектов, вызванные тонкой пленкой монокристаллов лития ниобата, и их влияние на взаимосвязь и эффективность структуры, такие как проблема дрейфа постоянного тока литий-ниобат тонких пленок в интегрированных оптических платформах.

4. Предложения

（1) Укрепляйте стратегическое планирование и политическое руководство, создать инновационную экосистему на высоком уровне и достичь кластерных эффектов. Монокристаллические тонкие пленки Lithium niobate имеют широкие перспективы применения в оптоэлектронных чипах, фотонных чипах, интегрированных фотонных устройствах и других областях. Правительство установило стратегическое планирование и политическое руководство, построило экосистемную и промышленную кластерную область с «долиной лития ниобат» в качестве основной, поощряющей культивирование начинающих компаний и способствовало быстрому развитию и расширению индустрии литий-ниобате.

(2) Увеличьте сотрудничество между материалами, устройствами и системными предприятиями и исследовательскими институтами, чтобы сформировать совместную инновационную экосистему. Университеты и исследовательские институты предоставляют теоретическую исследовательскую и техническую поддержку, в то время как предприятия отвечают за преобразование результатов исследований в практические продукты и содействие промышленному применению технологии литий -ниобате. Соответствующие предприятия формируют кооперативные альянсы для совместного решения технических проблем и обмена ресурсами и рынками. Например, в производстве материалов лития ниобата производство устройств и разработки приложений предприятия могут повысить эффективность, снизить затраты и повысить конкурентоспособность рынка за счет сотрудничества.

Литий -литий -ниубат монокристалл Zmsh

(3) Усилить «первые принципы» и исследовать разрушительные технологические пути. С точки зрения «первых принципов», мы должны внимательно понять оригинальные технологии и фундаментальные научные проблемы для достижения исследования и разработки основных технологий из кристаллов литий -нибата, фильмов к устройствам и изучения разрушительного технологического пути. Например, изучите применение литий -нибата в квантовых технологиях, таких как квантовые вычисления и квантовая связь.

(4) Междисциплинарное сотрудничество и технологическая интеграция для развития составных талантов. Исследования и разработки кристаллов, фильмов и устройств лития ниобата требуют знаний и технологий из нескольких дисциплин, таких как физика, химия, материаловая наука, электронная инженерия, программное обеспечение и искусственный интеллект, и требует более сложных талантов. Таким образом, правительственная политика введения талантов (такая как субсидии на урегулирование и жилищные предпочтения) необходима для привлечения более высоких талантов дома и за рубежом. Рынок труда способствует мобильности талантов и инноваций предприятий.

5. Заключение

Китай находится в стадии того, как следит за тем, что международный прогрессирующий уровень в литий-нитийно-ниобате и передовых устройствах, но все еще есть некоторые проблемы в высококачественном росте кристаллов, индустрии устройств и передовых приложениях. Например, для дальнейшего улучшения однородности и оптических характеристик монокристаллических пленок литий -ниобата и достижения устройств с более высокими качественными факторами и более низкими потери, все еще необходимо дальнейшее прорыв с помощью технологии обработки и методов подготовки материала, а также разработки более точных методов численного моделирования и оптимизации. В будущем необходимо содействовать крупномасштабной интеграции тонкопредвоенных оптоэлектронных устройств литий-нибата, снижения затрат и дальнейшего расширения применения литий-ниобата в новых областях, таких как интегрированная оптика, квантовые вычисления и биосенсирование. Китай имеет полный макет в цепочке оптоэлектронной промышленности и, как ожидается, будет сформировать промышленную кластер Littium niobate с международной конкурентоспособностью.

ZMSH специализируется на обработке предложения и точности кристаллических субстратов лития (Linbo₃), а также предоставляет индивидуальные услуги для полупроводниковых материалов, включая карбид кремния (SIC) и сапфир (AL₂O₃), удовлетворение передовых требований в оптоэлектронике, 5G и электронике. Используя передовые производственные процессы и строгий контроль качества, мы предлагаем всестороннюю поддержку от НИОКР до массового производства для глобальных клиентов, внедряя инновации в индустрии полупроводников.

12 -дюймовая SIC SIC и 12 -дюймовая сапфировая пластина: 12 -дюймовая сапфировая пластина:

* Пожалуйста, свяжитесь с нами для любых проблем с авторским правом, и мы быстро обратимся к ним.