Cristalli di niobato di litio, film sottili monocristallini e loro futuro impiego nell'industria dei chip ottici

Cristalli di nioba al litio, film a singolo cristallo e il loro futuro layout nel settore dei chip ottici

Estratto dell'articolo

Con il rapido sviluppo di campi di applicazione come la tecnologia di comunicazione 5G/6G, i big data e l'intelligenza artificiale, la domanda per la nuova generazione di chip fotonici è aumentata di giorno in giorno. I cristalli di nioba di litio, con le loro eccellenti proprietà elettro-ottiche, ottiche e piezoelettriche non lineari, sono diventati il ​​materiale centrale dei chip fotonici e sono noti come materiale "silicio ottico" dell'era fotonica. Negli ultimi anni sono state fatte scoperte nella preparazione di film a cristallo singolo di nioba al litio e tecnologia di elaborazione dei dispositivi, dimostrando vantaggi come dimensioni minori, maggiore integrazione, effetto elettro-ottico ultraveloce, larghezza di banda ampia e basso consumo di energia. Ha ampie prospettive di applicazione in modulatori elettro-ottici ad alta velocità, ottica integrata, ottica quantistica e altri campi. L'articolo introduce i progressi della ricerca e dello sviluppo nazionali e internazionali e le politiche pertinenti della tecnologia di preparazione dei cristalli di nioba di litio di livello ottico e dei film di cristalli singoli, nonché le loro ultime applicazioni nei campi dei chip ottici, delle piattaforme ottiche integrate, delle piattaforme ottiche, delle piattaforme ottiche integrate, delle piattaforme ottiche, delle piattaforme ottiche integrate di dispositivi di cristallo di nioba. Analizzato e i suggerimenti sono stati avanzati per il layout futuro. Allo stato attuale, la Cina è in fase di rivalutazione con il livello avanzato internazionale nei campi di film sottili a singolo cristallo di niobate di litio e dispositivi optoelettronici a base di niobate di litio, ma c'è ancora un notevole divario nell'industrializzazione di materiali di cristallo di nioba al litio di alta qualità. Ottimizzando il layout industriale e rafforzando la ricerca e lo sviluppo di base, la Cina dovrebbe formare un cluster industriale di niobate di litio completo dalla preparazione del materiale alla progettazione, alla produzione e all'applicazione dei dispositivi.

Wafer Linbo3 di Zmsh

Panoramica rapida dell'articolo

Con il rapido sviluppo di campi come la tecnologia di comunicazione 5G/6G, i big data, l'intelligenza artificiale, la comunicazione ottica, la fotonica integrata e l'ottica quantistica, la domanda per la nuova generazione di chip fotonici e i loro materiali di cristallo di base sta diventando sempre più urgente. Il litio niobate (LN) è un cristallo multifunzionale con proprietà come piezoelettricità, ferroelettricità, piroelettricità, elettro-ottica, acoutooptics, fotoelasticità e non linearità. Attualmente è uno dei cristalli con le migliori prestazioni complete in fotonica. Il ruolo del nioba di litio nei futuri dispositivi ottici è simile a quello dei materiali a base di silicio nei dispositivi elettronici, e quindi è anche noto come materiale "silicio ottico" dell'era fotonica. Il film sottile di nioba al litio (LNOI) è una sorta di materiale a film sottile basato su cristalli di nioba al litio e ha eccellenti proprietà fotoelettriche: ① coefficiente elettro-ottico elevato. I film a sottili a cristallo a singolo cristallo di niobate di litio hanno effetti elettro-ottici eccellenti e sono adatti per modulatori ottici ad alta velocità. ② bassa perdita ottica. La struttura a film sottile riduce la perdita di propagazione della luce ed è adatta a dispositivi optoelettronici ad alte prestazioni. ③ Finestra trasparente ampia. Ha un'alta trasparenza nella luce visibile e nelle bande del vicino infrarosso. ④ Caratteristiche ottiche non lineari. Supportare effetti ottici non lineari come la generazione armonica secondaria (SHG). ⑤ Compatibile con l'integrazione a base di silicio. L'integrazione con i dispositivi optoelettronici a base di silicio può essere ottenuta attraverso la tecnologia di legame. Negli ultimi anni, molti progetti di ricerca schierati in patria e all'estero hanno assunto cristalli di nioba al litio e film di cristalli singoli come importanti direzioni di sviluppo, in particolare nei campi di chip fotonico a microonde, guide d'onda ottiche, modulatori elettro-ottici, ottica non lineare e dispositivi quantici.

Tabella 1 Eventi tecnologici importanti campo al litio

I film sottili di nioba al litio sono diventati un importante materiale candidato per il substrato di una nuova generazione di chip di elaborazione fotonica integrata multifunzionale. Si prevede che la capacità di mercato dei modulatori ottici basati su materiali di cristallo di nioba al litio siano di 36,7 miliardi di dollari USA nel 2026. Rispetto ai modulatori fotonici in silicio e ai modulatori di fosfuro di indio, ai modulatori a filo sottile e ad alta estenzione. Allo stesso tempo, possono anche essere miniaturizzati, il che può soddisfare i requisiti sempre più miniaturizzati di moduli ottici coerenti e moduli ottici di comunicazione dati. La Cina è controllabile indipendentemente in materiali cristallini, film di cristallo, metodi di elaborazione, dispositivi e sistemi. Allo stato attuale, molti produttori nazionali hanno rilasciato moduli ottici a 800 Gbps a filo di litio a filo sottile. I clienti a valle hanno testato i prodotti corrispondenti. In futuro, i vantaggi dell'applicazione dei moduli ottici 1.6T saranno più evidenti.

1. Progresso di ricerca di cristalli di nioba al litio e film a cristallo singolo

Le proprietà fisico -chimiche dei singoli cristalli di litio niobate dipendono in gran parte da [li]/[nb] e impurità. Il cristallo congruente di niobate di niobate (CLN) con la stessa composizione è carente di litio, quindi contiene un gran numero di posti vacanti LI (VLI) e difetti inverse NB (NB). Il rapporto [Li]/[NB] del litio niobate stechiomentrico (SLN) è vicino a 1∶1. Sebbene abbia prestazioni eccellenti, la sua preparazione è difficile e il costo di produzione è elevato. I cristalli singoli di nioba di litio sono classificati in grado acustico e di grado ottico. Le unità rilevanti impegnate principalmente nella crescita dei cristalli di niobate di litio sono mostrate nella Tabella 1. Tra questi, la società impegnata principalmente nella crescita del niobate di litio otticamente di grado è un'impresa giapponese. Al momento, il tasso di produzione interno dei wafer di nioba di litio di livello ottico è inferiore al 5%e dipendono fortemente dalle importazioni. Yamashiro Ceramics Co., Ltd. (indicato come ceramica Yamashiro) ha cristalli e wafer di niobate da 8 pollici industrializzati da 8 pollici (Figura 1 (a)). In Cina, Tiantong Holdings Co., Ltd. (Certo come Tiantong Co., Ltd.) E China Electronics Technology Group Deqinghua Ying Electronics Co., Ltd. (indicato come deqinghua ying) ha prodotto rispettivamente cristalli di nioba e wafer da 8 pollici nel 2000 e nel 2019, ma non hanno ancora raggiunto la produzione di massa industriale. In termini di rapporto stechiometrico e nioba di litio di grado otticamente, c'è ancora un divario tecnologico di circa 20 anni tra le imprese cinesi di crescita del cristallo di niobate e le imprese giapponesi. Pertanto, in Cina è necessario fare scoperte nella teoria della crescita e nella tecnologia di processo di cristalli di nioba al litio otticamente di alta qualità.

Fig. 1 cristallo di nioba al litio e film sottile a cristallo singolo

Le scoperte nelle strutture fotoniche di nioba al litio e nei chip e dispositivi fotonici in tutto il mondo sono principalmente attribuiti allo sviluppo e all'industrializzazione della tecnologia di materiale a film sottile di nioba al litio. Tuttavia, a causa dell'elevata fragilità dei singoli cristalli di nioba al litio, è estremamente difficile preparare film su scala nanometrica (100-2.000 nm) con bassi difetti e alta qualità. L'impianto ionico e le tecniche di legame diretto esfoliano i singoli cristalli di massa in film a cristallo singolo di niobate di nanoscio, rendendo possibile l'integrazione fotonica di niobate di litio su larga scala. Al momento, solo poche aziende al mondo, tra cui Jinan Jingzheng, French Soitec SA Company e Japanese Kiko Co., Ltd., Hanno imparato la tecnologia di preparazione per i film a cristallo singolo di nioba al litio. Jinan Jingzheng ha adottato le tecnologie di base della taglio del raggio ionico e del legame diretto, ed è stato il primo al mondo a raggiungere l'industrializzazione. Ha formato un marchio di film sottile di nioba al litio (Nanoln) a livello globale, supportando oltre il 90% della ricerca e dello sviluppo di base dei dispositivi di film sottile di nioba al litio in tutto il mondo. Nel 2023, Jinan Jingzheng ha lanciato un film di nioba al litio di livello ottico da 8 pollici (Figura 1 (b)) ed è anche la prima impresa del settore a produrre film di niobate di litio da cristalli di nioba al litio dell'asse X. Gli indicatori chiave dei prodotti della serie Jinan Jingzheng, come proprietà fisiche, uniformità dello spessore, soppressione del difetto ed eliminazione, sono tutti a livello internazionale di leader. La situazione delle imprese relative alla preparazione di cristalli di nioba al litio e film di cristalli singoli è mostrata nella Tabella 2.

Tabella 2 aziende manifatturiere di cristalli di nioba al litio e film sottili a cristallo singolo

2. Applicazioni avanzate di niobate di litio

Rispetto ai tradizionali materiali a cristallo singolo di niobate di litio, il nioba di litio a film sottile ha una dimensione inferiore, un costo inferiore, una maggiore integrazione e può funzionare stabilmente in una gamma più ampia di temperature e condizioni di campo elettrico. Questi vantaggi lo fanno avere ampie prospettive di applicazione in campi come comunicazione 5G, calcolo quantistico, comunicazione in fibra ottica e sensori, in particolare dimostrando un grande potenziale nella modulazione fotoelettrica, l'elaborazione del segnale ottico e la trasmissione di dati ad alta velocità (Tabella 3).

Tabella 3 campi di applicazione principale di cristallo di nioba al litio e film sottile a cristallo singolo

2.1 Modulatore elettro-ottico ad alta velocità

I modulatori di niobate di litio sono ampiamente utilizzati in reti di comunicazione ottica a baule di altissima velocità, reti di comunicazione ottica sottomarina, reti core metropolitane e altri campi a causa dei loro vantaggi come alta velocità, basso consumo di potenza e elevato rapporto segnale-noise. Le tecnologie chiave come la tecnologia litografica su larga scala, la tecnologia di elaborazione della guida d'onda perdita ultra-bassa e l'integrazione eterogenea hanno promosso lo sviluppo di moduli ottici ad alta velocità da 800 GBP da 800 Gbps da 800 Gbps e Moduli ottici ad alta velocità. Rispetto ai materiali come il fosfuro di indio, la fotonica del silicio e il tradizionale niobate di litio, il nioba di litio a film sottile ha caratteristiche eccezionali come la larghezza di banda ultra-alta, il basso consumo di energia, la bassa perdita, le piccole dimensioni e la capacità di ottenere una produzione su larga scala a livello di wafer (Tabella 4), rendendolo un materiale ideale per i modulatori fotoelettrici. Il mercato globale del modulatore di niobate al litio a film sottile sta crescendo costantemente. Si prevede che il valore totale di mercato globale raggiungerà 2 miliardi di dollari USA nel 2029, con un tasso di crescita annuale composto del 41,0%.

Tabella 4 Confronto delle prestazioni dei materiali del substrato per moduli ottici

A livello internazionale, il team di ricerca dell'Università di Harvard ha sviluppato con successo semiconduttore a ossido di metallo complementare con una larghezza di banda di 100 GHz nel 2018. CMOS) compatibile compatibile integrato Mach-zehnder interferometro (MZI) Modulatore elettro-ottico di Niobate di Fujitsu, mentre il modulo di Niobate Electro-Film-Film di Fujitsu, mentre il Moduction Electro-Film-Film Moduct di Fujitsu Optical Disposition Co., mentre ha lanciato il MZIUD-Film-Film Modulator del mondo. Anche il progresso domestico è stato notevole. Nel 2019, un gruppo di ricerca dell'Università Sun Yat-Sen ha ottenuto un modulatore elettro-ottico integrato ibrido di silicio e niobate al litio. Ningbo Yuanxin Optoelectronic Technology Co., Ltd. ha rilasciato il prodotto modulatore di resistenza al litio a filo a filo sottile a livello nazionale per sviluppare la prima chip di litio di sottili al litio. Il chip coerente del modulatore coerente di nioba con nioba di niobo di niobo optoelettronica supporta la trasmissione in fibra ottica di 100 km di segnali di quadratura a doppia polarizzazione di Gigabaud (chiave di fase di fase di polarizzazione a doppia polarizzazione). Nel 2023, Zhuhai Guangku Technology Co., Ltd. (Chiamata tecnologia Guangku) ha mostrato un prodotto modulatore di resistenza al litio di litio a film sottile con larghezza di banda ultra-alta e piccolo volume. Chengdu Xinyisheng Communication Technology Co., Ltd. (indicato come Xinyisheng) ha applicato questa tecnologia a moduli ottici da 800 Gbps, con un consumo di energia di soli 11,2 W. Il niobate di litio a film sottile mostra un grande potenziale nelle applicazioni correlate di trasmissione a lunga distanza, reti di area metropolitana e reti di interconnessione del data center, nonché nelle applicazioni di modulazione di ampiezza di impulsi a quattro livelli (Modulazione dell'ampiezza di impulso 4, PAM-4) delle applicazioni PAM-4) di data center e cluster di intelligenza artificiale. Come il modulatore di guida coerente GBAUD e il prodotto PAM-4 da 800 Gbps PAM-4 della tecnologia Guangkuo, nonché il ricetrasmettitore PAM-4 lanciato congiuntamente da Hyperlight Corporation degli Stati Uniti, Newesun e Astasta Networks Corporation degli Stati Uniti. Questi prodotti dimostrano pienamente i vantaggi significativi della tecnologia di niobate al litio a film sottile nel migliorare la larghezza di banda e sulla riduzione del consumo di energia. Al momento, la Cina è in una fase di corsa e collo con il livello internazionale avanzato in questo campo.

2.2 Piattaforma ottica integrata di nioba al litio

Sulla piattaforma ottica integrata di nioba al litio, è stata realizzata l'applicazione dal pettine di frequenza a convertitore e modulatore di frequenza, mentre l'integrazione del laser sul chip di niobate di litio è una grande sfida. Nel 2022, un team di ricerca dell'Università di Harvard, in collaborazione con Hyperlight and Freedom Photonics, ha raggiunto una fonte di impulsi Femtosecond a livello di chip e il primo laser ad alta potenza integrato di niobate al litio (Figura 2 (A)). Questo tipo di laser su chip di nioba al litio integra laser ad alte prestazioni e plug-and-play, che possono ridurre significativamente il costo, la complessità e il consumo di energia dei futuri sistemi di comunicazione. Allo stesso tempo, può essere integrato in sistemi ottici più grandi e può essere ampiamente applicato in campi come rilevamento, orologi atomici, lidar, informazioni quantistiche e telecomunicazioni di dati. Un ulteriore sviluppo di laser integrati che possiedono contemporaneamente la larghezza di linea stretta, l'elevata stabilità e le prestazioni di modulazione a frequenza ad alta velocità è anche una domanda importante nel settore. Nel 2023, i ricercatori dello svizzero Federal Institute of Technology e IBM hanno ottenuto una larghezza di linea a bassa perdita, stretta, un alto tasso di modulazione e una produzione laser stabile su una piattaforma ottica eterointegrata di nitruro di niobate-silicio di litio. Il tasso di ripetizione è di circa 10 GHz, l'impulso ottico è di 4,8 ps a 1.065 nm, l'energia supera i 2,6 pj e la potenza di picco supera 0,5 w.

3. Tendenze e sfide dello sviluppo

Con lo sviluppo dell'intelligenza artificiale e dei grandi modelli, i futuri punti di crescita del niobata di litio si concentreranno principalmente sul campo di chip ottico di fascia alta (Tabella 5), ​​in particolare includendo scoperte nelle tecnologie di chip ottico core come modulatori ottici ad alta velocità, laser e detector; Promuovere l'applicazione di film sottili di nioba al litio nei chip ottici e migliorare le prestazioni dei dispositivi; Rafforzare la ricerca e lo sviluppo della tecnologia di preparazione del film sottile di nioba al litio per ottenere una produzione su larga scala di film sottili di alta qualità; Promuovere l'integrazione dei film di niobate di litio con dispositivi optoelettronici a base di silicio per ridurre i costi.

Tabella 5 Outlook di Fotonica di nioba al litio e le sue applicazioni

Il nioba di litio ottico viene applicato principalmente in campi come comunicazione ottica, giroscopi in fibra ottica, laser ultravelfast e televisione via cavo. La direzione che può entrare nell'applicazione matura la più veloce potrebbe essere la comunicazione ottica. Nel campo della comunicazione ottica, la dimensione del mercato dei chip e dei dispositivi del modulatore di nioba al litio è di circa 10 miliardi di yuan. Molti substrati di nioba di litio di alta qualità di alta qualità in Cina devono essere importati dal Giappone. Mentre il Giappone intensifica le sue restrizioni al settore dei semiconduttori cinesi, i substrati di niobate di litio possono apparire nell'elenco limitato. Poiché la tecnologia di trasmissione ottica coerente ad alta velocità continua ad espandersi dalle linee a lunga distanza/tronco alle regionali/data center e ad altri campi, la domanda di modulatori ottici digitali utilizzati nella comunicazione ottica coerente ad alta velocità continuerà a crescere. La spedizione globale di modulatori ottici coerenti ad alta velocità dovrebbe raggiungere 2 milioni di porte nel 2024. Di conseguenza, anche la domanda di substrati di niobate di litio aumenterà in modo significativo.

Cristallo Linbo3 di Zmsh

Il più grande collo di bottiglia nella produzione in serie di materiali di nioba al litio ottico è la coerenza della qualità ottica, compresa la coerenza del processo di composizione, difetti e microstruttura del materiale cristallino stesso, nonché la precisione dei wafer elaborati dal processo di lucidatura meccanica chimica (CMP). Rispetto ai paesi stranieri, il problema principale sta nella ricerca insufficiente su questioni scientifiche e tecnologiche più profonde della crescita cristallina. La crescita di LN di livello ottico di alta qualità richiede urgentemente ricerche approfondite per comprendere i suoi meccanismi fisico-chimici multi-scala. Ad esempio, le strutture dei cluster in si scioglie ad alta temperatura, le strutture di interfaccia solida-liquid, il trasporto di ioni interfacciali, nonché le strutture di difetti dinamiche e i meccanismi di formazione durante il processo di crescita e la simulazione del processo di crescita dei cristalli reali, ecc. Come sfondare la teoria della preparazione e la tecnologia dei materiali di cristallo di grandi dimensioni? La classifica prima tra le 10 domande scientifiche di frontiera rilasciate dalla China Association for Science and Technology nel 2021 indica che le questioni scientifiche fondamentali nella preparazione di materiali cristallini di grandi dimensioni sono diventate il fattore chiave che limita il rapido sviluppo di questo settore.

Le sfide tecniche dei dispositivi elettro-ottici niobati di litio si trovano principalmente nella formazione di film sottili, nell'attacco e nei processi CMP, con problemi come l'elevata rugosità superficiale delle guide d'onda a forma di cresta e la bassa resa di elaborazione. Le applicazioni ottiche hanno requisiti elevati per l'elaborazione di wafer e dispositivi e le apparecchiature ad alta precisione sono sostanzialmente monopolizzate da attrezzature estere. I cambiamenti di difetto causati dalla formazione di film sottili di singoli cristalli di nioba al litio e la loro influenza sulla relazione di performance della struttura, come il problema della deriva DC dei film sottili di niobate di litio in piattaforme ottiche integrate.

4. Suggerimenti

（1） Rafforzare la pianificazione strategica e la guida politica, stabilire un Highland ecosistema di innovazione e ottenere effetti di cluster. Film a sottili a cristallo singolo di nioba al litio hanno ampie prospettive di applicazione in chip optoelettronici, chip fotonico, dispositivi fotonici integrati e altri campi. Il governo ha stabilito una guida strategica di pianificazione e politica, ha costruito un'area ecosistema e cluster industriale con "valle di nioba al litio" come nucleo, ha incoraggiato la coltivazione delle start-up e ha promosso il rapido sviluppo e l'espansione dell'industria del nioba di litio.

(2) Rafforzare la cooperazione tra imprese materiali, dispositivi e di sistema e istituti di ricerca per formare un ecosistema di innovazione collaborativa. Le università e gli istituti di ricerca forniscono ricerche teoriche e supporto tecnico, mentre le aziende sono responsabili della trasformazione dei risultati della ricerca in prodotti pratici e della promozione dell'applicazione industriale della tecnologia di niobate di litio. Le imprese pertinenti formano alleanze cooperative per risolvere congiuntamente problemi tecnici e condividere risorse e mercati. Ad esempio, nella produzione di materiali di nioba al litio, nella produzione di dispositivi e sviluppo delle applicazioni, le imprese possono migliorare l'efficienza, ridurre i costi e rafforzare la competitività del mercato attraverso la cooperazione.

Cristallo singolo di litio niobate di Zmsh

(3) Rafforzare i "primi principi" ed esplorare percorsi tecnologici dirompenti. Dal punto di vista dei "primi principi", dovremmo cogliere da vicino la tecnologia originale e le questioni scientifiche fondamentali per raggiungere la ricerca e lo sviluppo di tecnologie di base da cristalli di niobate di litio, film a dispositivi ed esplorare un percorso tecnologico dirompente. Ad esempio, esplora l'applicazione del nioba di litio nelle tecnologie quantistiche, come il calcolo quantistico e la comunicazione quantistica.

(4) Cooperazione interdisciplinare e integrazione tecnologica per coltivare i talenti composti. La ricerca e lo sviluppo di cristalli, film e dispositivi di nioba di litio richiedono conoscenza e tecnologia da più discipline come fisica, chimica, scienze dei materiali, ingegneria elettronica, software e intelligenza artificiale e necessita di più talenti composti. Pertanto, le politiche di introduzione dei talenti del governo (come sussidi per insediamenti e preferenze abitative) sono necessarie per attirare più talenti di fascia alta in patria e all'estero. Il mercato del lavoro promuove la mobilità dei talenti e l'innovazione delle imprese.

5. Conclusione

La Cina è in fase di tenuta con il livello internazionale avanzato nei film di cristalli singoli di nioba al litio e dispositivi avanzati, ma ci sono ancora alcuni problemi nella crescita dei cristalli di alta qualità, nell'industria dei dispositivi e nelle applicazioni avanzate. Ad esempio, per migliorare ulteriormente l'uniformità e le prestazioni ottiche dei film a cristallo singolo di nioba al litio e ottenere dispositivi con fattori di qualità più elevati e perdite più basse, è ancora necessario sfondare ulteriormente la tecnologia di elaborazione e le tecniche di preparazione del materiale e sviluppare metodi di simulazione e ottimizzazione numerica più precisi. In futuro, è necessario promuovere l'integrazione su larga scala dei dispositivi optoelettronici a film sottile di niobate di litio, ridurre ulteriormente i costi ed espandere ulteriormente l'applicazione di niobate di litio in campi emergenti come ottica integrata, calcolo quantistico e biosensing. La Cina ha un layout completo nella catena industriale optoelettronica e dovrebbe formare un cluster industriale di niobate di litio con competitività internazionale.

ZMSH è specializzato nell'elaborazione di alimentazione e precisione di substrati cristallini di niobate di litio (Linbo₃), fornendo anche servizi personalizzati per materiali a semiconduttore, tra cui carbone di silicio (SIC) e Sapphire (Al₂o₃), soddisfando i requisiti avanzati nelle opportunità di opteelettronica, 5G e elettronica di potenza. Sfruttando i processi di produzione all'avanguardia e il rigoroso controllo di qualità, offriamo un supporto completo dalla R&S alla produzione di massa per i clienti globali, guidando l'innovazione nel settore dei semiconduttori.

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