Cristales de niobato de litio, películas finas de cristal único y su futuro diseño en la industria de chips ópticos

Cristales de niobato de litio, películas delgadas de un solo cristal y su diseño futuro en la industria de chips ópticos

Resumen del artículo

Con el rápido desarrollo de campos de aplicación, como la tecnología de comunicación 5G/6G, Big Data e inteligencia artificial, la demanda de la nueva generación de chips fotónicos aumenta día a día. Los cristales de niobato de litio, con sus excelentes propiedades electroópticas, ópticas no lineales y piezoeléctricas, se han convertido en el material central de los chips fotónicos y se conocen como el material de "silicio óptico" de la era fotónica. En los últimos años, se han realizado avances en la preparación de películas delgadas de cristal individuales de litio y tecnología de procesamiento de dispositivos, lo que demuestra ventajas como un tamaño más pequeño, mayor integración, efecto electroóptico ultrarrápido, ancho de banda ancho y bajo consumo de energía. Tiene amplias perspectivas de aplicación en moduladores electroópticos de alta velocidad, óptica integrada, óptica cuántica y otros campos. El artículo presenta el progreso y el progreso de la investigación y el desarrollo internacionales y internacionales y las políticas relevantes de la tecnología de preparación de los cristales de litio de litio de grado óptico y las películas de cristal único, así como sus últimas aplicaciones en los campos de los chips ópticos, las plataformas ópticas integradas, los dispositivos ópticos cuantos, etc., las tendencias de desarrollo y los desafíos del litio óptico de los cristales de los cristal-ópticos. Presente para el diseño futuro. En la actualidad, China se encuentra en una etapa de ponerse al día con el nivel avanzado internacional en los campos de las películas delgadas de cristal individual de litio y los dispositivos optoelectrónicos a base de niobato de litio, pero todavía hay una brecha considerable en la industrialización de materiales de cristal de niobato de litio de alta calidad. Al optimizar el diseño industrial y el fortalecimiento de la investigación y el desarrollo básicos, se espera que China forme un clúster industrial de litio completo de litio desde la preparación del material hasta el diseño, la fabricación y la aplicación del dispositivo.

WAFERS LINBO3 DE ZMSH

Descripción general rápida del artículo

Con el rápido desarrollo de campos como la tecnología de comunicación 5G/6G, los big data, la inteligencia artificial, la comunicación óptica, la fotónica integrada y la óptica cuántica, la demanda de la nueva generación de chips fotónicos y sus materiales de cristal básicos se vuelven cada vez más urgente. El niobato de litio (LN) es un cristal multifuncional con propiedades como piezoelectricidad, ferroelectricidad, piroelectricidad, electroóptica, actooptica, fotoelasticidad y no linealidad. Actualmente es uno de los cristales con el mejor rendimiento integral en fotónica. El papel del niobato de litio en futuros dispositivos ópticos es similar al de los materiales basados ​​en silicio en dispositivos electrónicos, y por lo tanto también se conoce como el material de "silicio óptico" de la era fotónica. La película delgada de litio niobato (LNOI) es un tipo de material de película delgada basado en cristales de niobato de litio y tiene excelentes propiedades fotoeléctricas: ① coeficiente electroóptico alto. Las películas delgadas de un solo cristal de litio tienen excelentes efectos electroópticos y son adecuados para moduladores ópticos de alta velocidad. ② Baja pérdida óptica. La estructura de película delgada reduce la pérdida de propagación de la luz y es adecuada para dispositivos optoelectrónicos de alto rendimiento. ③ Ventana transparente ancha. Tiene alta transparencia en las bandas visibles de luz e infrarrojo cercano. ④ Características ópticas no lineales. Apoya los efectos ópticos no lineales, como la generación armónica secundaria (SHG). ⑤ Compatible con la integración basada en silicio. La integración con dispositivos optoelectrónicos a base de silicio se puede lograr a través de la tecnología de unión. En los últimos años, muchos proyectos de investigación desplegados en el hogar y en el extranjero han tomado cristales de niobato de litio y películas de cristal único como direcciones de desarrollo importantes, especialmente en los campos de chips fotónicos de microondas, guías de onda ópticas, moduladores electroópticos, ópticas no lineales y dispositivos cuánticos.

Tabla 1 Campo importante de litio de eventos tecnológicos

Las películas delgadas de litio niobato se han convertido en un material candidato importante para el sustrato de una nueva generación de chips de procesamiento de información fotónica integrada multifuncional. Se prevé que la capacidad de mercado de los moduladores ópticos basados ​​en materiales de cristal de niobato de litio sea de 36,7 mil millones de dólares estadounidenses en 2026. En comparación con los moduladores fotónicos de silicio y los moduladores de fosfuro de indio, los moduladores de niobato de litio de filmes delgados tienen las ventajas de la altura de banda de banda baja, la baja pérdida de energía, el consumo de baja potencia, la alta fiabilidad y la alta relación de extinción. Al mismo tiempo, también pueden ser miniaturizados, lo que puede cumplir con los requisitos cada vez más miniaturizados de módulos ópticos coherentes y módulos ópticos de comunicación de datos. China se puede controlar independientemente en materiales de cristal, películas de cristal, métodos de procesamiento, dispositivos y sistemas. En la actualidad, muchos fabricantes nacionales han liberado 800 Gbps de solución de litio de litio de litio módulos ópticos. Los clientes aguas abajo han probado los productos correspondientes. En el futuro, las ventajas de la aplicación de los módulos ópticos 1.6T serán más obvias.

1. Progreso de investigación de cristales de niobato de litio y películas de un solo cristal

Las propiedades fisicoquímicas de los cristales individuales de litio niobato dependen en gran medida de [li]/[nb] e impurezas. El cristal de niobato de litio congruente (CLN) con la misma composición es deficiente en litio, por lo que contiene una gran cantidad de vacantes de LI (VLI) y defectos del punto NB (NB) inverso. La relación [li]/[nb] de litio estequioméntrico niobato (SLN) está cerca de 1∶1. Aunque tiene un excelente rendimiento, su preparación es difícil y el costo de producción es alto. Los cristales individuales de litio niobato se clasifican en grado acústico y grado óptico. Las unidades relevantes se dedican principalmente al crecimiento de los cristales de niobato de litio se muestran en la Tabla 1. Entre ellas, la compañía se dedica principalmente al crecimiento del niobato de litio de grado óptico es una empresa japonesa. En la actualidad, la tasa de producción nacional de las obleas de litio de grado óptico es inferior al 5%, y dependen en gran medida de las importaciones. Yamashiro Ceramics Co., Ltd. (denominado Cerámica de Yamashiro) ha industrializado cristales y obleas de litio de 8 pulgadas (Figura 1 (a)). En China, Tiantong Holdings Co., Ltd. (denominado Tiantong Co., Ltd.) Y China Electronics Technology Group Corporation Deqinghua Ying Electronics Co., Ltd. (denominado Deqinghua Ying) produjo respectivamente cristales y obleas de niobato de litio de 8 pulgadas en 2000 y 2019, pero aún no han logrado la producción en masa industrial. En términos de relación estequiométrica y niobato de litio de grado óptico, todavía existe una brecha tecnológica de aproximadamente 20 años entre las empresas de crecimiento de cristal de litio chino y las empresas japonesas. Por lo tanto, existe una necesidad urgente en China para hacer avances en la teoría del crecimiento y la tecnología de procesos de cristales de litio de litio ópticamente de alta calidad.

Fig. 1 Cristal de niobato de litio y película delgada de un solo cristal

Los avances en las estructuras fotónicas de litio y los chips y dispositivos fotónicos en todo el mundo se atribuyen principalmente al desarrollo e industrialización de la tecnología de material de película delgada de litio niobato. Sin embargo, debido a la alta fragilidad de los cristales individuales de litio niobato, es extremadamente difícil preparar películas a escala de cientos de nanométricos (100-2,000 nm) con bajos defectos y alta calidad. Las técnicas de implantación de iones y enlaces directos exfolian cristales individuales a granel en películas de cristal individual de litio a nanoescala, lo que hace posible la integración fotónica de niobato de litio a gran escala. En la actualidad, solo unas pocas compañías en el mundo, incluidas Jinan Jingzheng, la Compañía French Soitec SA, y Japanese Kiko Co., Ltd., Masaron la tecnología de preparación para películas de cristal individuales de litio. Jinan Jingzheng ha adoptado las tecnologías centrales del corte de haz de iones y la unión directa, y ha sido la primera en el mundo en lograr la industrialización. Ha formado una marca de película delgada de litio niobato de litio a nivel mundial (Nanoln), que respalda más del 90% de la investigación básica y el desarrollo de dispositivos de película delgada de litio en todo el mundo en todo el mundo. En 2023, Jinan Jingzheng lanzó una película de litio de litio de grado óptico de 8 pulgadas (Figura 1 (b)), y también es la primera empresa en la industria en producir películas de niobato de litio de cristales de niobato de litio X de 8 pulgadas. Los indicadores clave de los productos de la serie Jinan Jingzheng, como propiedades físicas, uniformidad de espesor, supresión de defectos y eliminación, están todos en el nivel de liderazgo internacional. La situación de las empresas relacionadas con la preparación de cristales de niobato de litio y películas de un solo cristal se muestra en la Tabla 2.

Tabla 2 Empresas manufactureras de cristales de niobato de litio y películas delgadas de cristal único

2. Aplicaciones avanzadas de litio niobato

En comparación con los materiales de cristal único de litio tradicional, el niobato de litio de película delgada tiene un tamaño más pequeño, menor costo, mayor integración y puede funcionar de manera estable bajo una gama más amplia de condiciones de temperatura y campo eléctrico. Estas ventajas hacen que tenga amplias perspectivas de aplicaciones en campos como comunicación 5G, computación cuántica, comunicación de fibra óptica y sensores, especialmente demostrando un gran potencial en la modulación fotoeléctrica, el procesamiento de señales ópticas y la transmisión de datos de alta velocidad (Tabla 3).

Tabla 3 Campos de aplicación principales de cristal de niobato de litio y película delgada de un solo cristal

2.1 modulador electro-óptico de alta velocidad

Los moduladores de niobato de litio se utilizan ampliamente en redes de comunicación óptica de troncal de ultra alta velocidad, redes de comunicación óptica submarina, redes centrales metropolitanas y otros campos debido a sus ventajas como alta velocidad, bajo consumo de energía y alta relación señal a ruido. Las tecnologías clave, como la tecnología de litografía a gran escala, la tecnología de procesamiento de guía de onda de pérdida ultra baja y la integración heterogénea han promovido el desarrollo de moduladores de niobato de litio de película delgada, permitiéndoles apoyar aplicaciones de 800 GBP y módulos ópticos de alta velocidad de 1.6t. En comparación con materiales como el fosfuro de indio, la fotónica de silicio y el niobato tradicional de litio, el niobato de litio de película delgada tiene características sobresalientes, como el ancho de banda ultra alto, el consumo de baja potencia, la baja pérdida, el tamaño pequeño y la capacidad de lograr una producción a gran escala en el nivel de obleas (Tabla 4), lo que lo convierte en un material ideal para moduladoras fotoeléctricas. El mercado global de moduladores de niobato de litio delgado de la película delgada está creciendo constantemente. Se espera que el valor de mercado global total alcance los 2 mil millones de dólares estadounidenses en 2029, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 41.0%.

Tabla 4 Comparación de rendimiento de materiales de sustrato para módulos ópticos

Internationally, The research team from Harvard University successfully developed Complementary Metal Oxide Semiconductor with a bandwidth of 100 GHz in 2018. CMOS) compatible integrated Mach-Zehnder Interferometer (MZI) electro-optic modulator, while Fujitsu Optical Devices Co., Ltd. launched the world's first commercial 200 GBaud thin-film lithium niobate modulator in 2021. Domestic progress también ha sido notable. En 2019, un equipo de investigación de la Universidad Sun Yat-Sen logró un modulador electroóptico integrado híbrido de silicio y niobato de litio. Ningbo Yuanxin Optoelectronic Technology Co., Ltd. Lanzó el producto modulador de resistencia a la fuerza de litio de film de litio delgado producido a nivel nacional en 2021. En 2022, la Universidad Sun Yat Sen colaboró ​​con Huawei para desarrollar las primeras películas delgadas del mundo del mundo. El chip modulador coherente de litio niobato de película delgada de la optoelectrónica de Niobo de Niobo admite una transmisión de fibra óptica de 100 km de 260 Gbaud DP-QPSK (Gigabaud Dual Polarización Cuadradora Clazamiento de fase de cambio). En 2023, Zhuhai Guangku Technology Co., Ltd. (denominado tecnología Guangku) mostró un producto modulador de resistencia a la resistencia de litio de película delgada con ancho de banda ultra alto y pequeño volumen. Chengdu Xinyisheng Communication Technology Co., Ltd. (denominado Xinyisheng) ha aplicado esta tecnología a 800 GBPS módulos ópticos, con un consumo de energía de solo 11.2W. El niobato de litio de película delgada muestra un gran potencial en aplicaciones relacionadas de transmisión de larga distancia, redes de área metropolitana de área y redes de interconexión de centros de datos, así como en la modulación de amplitud de pulsos de cuatro niveles (modulación de amplitud de pulsos 4, PAM-4) aplicaciones de centros de datos y clústeres de inteligencia artificial. Como el modulador de unidad coherente de 130 Gbaud y el producto PAM-4 de 800 Gbps de la tecnología Guangkuo, así como el transceptor PAM-4 lanzado conjuntamente por Hyperlight Corporation de los Estados Unidos, Newesun y Arista Networks Corporation de los Estados Unidos. Estos productos demuestran completamente las ventajas significativas de la tecnología de niobato de litio de película delgada para mejorar el ancho de banda y reducir el consumo de energía. En la actualidad, China está en una etapa de cuello y cuello con el nivel internacional avanzado en este campo.

2.2 Plataforma óptica integrada de litio niobato

En la plataforma óptica integrada de litio niobato, la aplicación de peine de frecuencia a convertidor de frecuencia y modulador se ha realizado, al tiempo que integrando el láser en el chip de niobato de litio es un desafío importante. En 2022, un equipo de investigación de la Universidad de Harvard, en colaboración con Hyperlight and Freedom Photonics, logró una fuente de pulso de femtosegundos a nivel de chip y el primer láser de alta potencia de litio de nivel de litio del mundo en una plataforma óptica integrada de litio (Figura 2 (A)). Este tipo de láser de litio en chip en chip integra láser de alto rendimiento, plug-and-play, lo que puede reducir significativamente el costo, la complejidad y el consumo de energía de futuros sistemas de comunicación. Al mismo tiempo, se puede integrar en sistemas ópticos más grandes y se puede aplicar ampliamente en campos como detección, relojes atómicos, LiDAR, información cuántica y telecomunicaciones de datos. El desarrollo adicional de láseres integrados que poseen simultáneamente el ancho de línea estrecho, la alta estabilidad y el rendimiento de la modulación de frecuencia de alta velocidad también es una demanda importante en la industria. En 2023, los investigadores del Instituto Federal Swiss de Tecnología e IBM lograron un ancho de línea de baja pérdida, alta tasa de modulación y una producción de láser estable en una plataforma óptica heterointegrada de nitruro de litio niobato-silicio. La tasa de repetición es de aproximadamente 10 GHz, el pulso óptico es de 4.8 ps a 1.065 nm, la energía excede 2.6 pj y la potencia máxima excede 0.5 W.

3. Tendencias y desafíos de desarrollo

Con el desarrollo de la inteligencia artificial y los modelos grandes, los puntos de crecimiento futuros del niobato de litio se centrarán principalmente en el campo de chips ópticos de alta gama (Tabla 5), ​​que incluye avances en tecnologías de chips ópticos de alta velocidad, como moduladores ópticos, láseres y detectores de alta velocidad; Promueva la aplicación de películas delgadas de litio en niobato en chips ópticos y mejore el rendimiento de los dispositivos; Fortalecer la investigación y el desarrollo de la tecnología de preparación de películas delgadas de litio niobato para lograr una producción a gran escala de películas delgadas de alta calidad; Promueva la integración de películas de niobato de litio con dispositivos optoelectrónicos a base de silicio para reducir los costos.

Tabla 5 Outlook de Lithium Niobate Photonics y sus aplicaciones

El niobato de litio óptico se aplica principalmente en campos como comunicación óptica, giroscopios de fibra óptica, láseres ultrarrápidos y televisión por cable. La dirección que puede ingresar a la aplicación madura más rápido podría ser la comunicación óptica. En el campo de la comunicación óptica, el tamaño del mercado de los chips y dispositivos moduladores de litio niobato es de aproximadamente 10 mil millones de yuanes. Muchos sustratos de niobato de litio de litio óptico de alta calidad en China deben importarse de Japón. A medida que Japón intensifica sus restricciones en el sector de semiconductores de China, los sustratos de niobato de litio pueden aparecer en la lista restringida. A medida que la tecnología de transmisión óptica coherente de alta velocidad continúa expandiéndose desde líneas de larga distancia/troncal hasta centros regionales/de datos y otros campos, la demanda de moduladores ópticos digitales utilizados en la comunicación óptica coherente de alta velocidad continuará creciendo. Se espera que el envío global de moduladores ópticos coherentes de alta velocidad alcance los 2 millones de puertos en 2024. En consecuencia, la demanda de sustratos de niobato de litio también aumentará significativamente.

CRISTAL DE LINBO3 DE ZMSH

El cuello de botella más grande en la producción en masa de materiales ópticos de niobato de litio es la consistencia de la calidad óptica, incluida la consistencia de la composición, los defectos y la microestructura del material cristalino, así como la precisión de las obleas procesadas por el proceso de pulidos mecánicos químicos (CMP). En comparación con los países extranjeros, el principal problema radica en la investigación insuficiente sobre cuestiones científicas y tecnológicas más profundas del crecimiento cristalino. El crecimiento de LN de alta calidad de grado óptico requiere urgentemente una investigación en profundidad para comprender sus mecanismos fisicoquímicos a múltiples escala. Por ejemplo, las estructuras de conglomerados en masas de alta temperatura, estructuras de interfaz sólida-líquido, transporte de iones interfaciales, así como estructuras de defectos dinámicos y mecanismos de formación durante el proceso de crecimiento, y simulación del proceso de crecimiento de cristales reales, etc. ¿Cómo romper la teoría de la preparación y la tecnología de los materiales cristales de gran tamaño? La clasificación primero entre las 10 preguntas científicas fronterizas publicadas por la Asociación de Ciencia y Tecnología de China en 2021 indica que los problemas científicos fundamentales en la preparación de materiales de cristal de gran tamaño se han convertido en el factor clave que restringe el rápido desarrollo de esta industria.

Los desafíos técnicos de los dispositivos electroópticos de litio niobato se encuentran principalmente en la formación de la película delgada, los procesos de grabado y CMP, con problemas como la alta rugosidad de la superficie de las guías de onda en forma de cresta y el bajo rendimiento de procesamiento. Las aplicaciones ópticas tienen altos requisitos para el procesamiento de obleas y dispositivos, y el equipo de alta precisión es básicamente monopolizado por equipos extranjeros. Los cambios de defecto provocados por la formación de la película delgada de los cristales individuales de litio niobato y su influencia en la relación estructura-rendimiento, como el problema de deriva DC de las películas delgadas de litio niobato en las plataformas ópticas integradas.

4. Sugerencias

（1） Fortalezca la planificación estratégica y la orientación de política, establezca un ecosistema de innovación en las tierras altas y logre los efectos del clúster. Las películas delgadas de un solo cristal de litio tienen amplias perspectivas de aplicación en chips optoelectrónicos, chips fotónicos, dispositivos fotónicos integrados y otros campos. El Gobierno ha establecido una orientación estratégica de planificación y política, construyó un ecosistema y un área de clúster industrial con "Valle de Niobato de Litio" como el núcleo, alentó el cultivo de empresas de nueva creación y promovió el rápido desarrollo y expansión de la industria del niobato de litio.

(2) Fortalecer la cooperación entre las empresas e institutos de investigación de materiales, dispositivos y sistemas para formar un ecosistema de innovación colaborativa. Las universidades e instituciones de investigación brindan investigación teórica y apoyo técnico, mientras que las empresas son responsables de transformar los resultados de la investigación en productos prácticos y promover la aplicación industrial de la tecnología de litio niobato. Las empresas relevantes forman alianzas cooperativas para resolver conjuntamente problemas técnicos y compartir recursos y mercados. Por ejemplo, en la producción de materiales de litio niobato, la fabricación de dispositivos y desarrollo de aplicaciones, las empresas pueden mejorar la eficiencia, reducir los costos y fortalecer la competitividad del mercado a través de la cooperación.

Litio de Zmsh Niobato Single Crystal

(3) Fortalecer los "primeros principios" y explorar caminos tecnológicos disruptivos. Desde la perspectiva de los "primeros principios", debemos comprender de cerca la tecnología original y los problemas científicos fundamentales para lograr la investigación y el desarrollo de tecnologías centrales de cristales de litio, películas hasta dispositivos y explorar una ruta tecnológica disruptiva. Por ejemplo, explore la aplicación de niobato de litio en tecnologías cuánticas, como la computación cuántica y la comunicación cuántica.

(4) Cooperación interdisciplinaria e integración tecnológica para cultivar talentos compuestos. La investigación y el desarrollo de los cristales, películas y dispositivos de litio niobato requieren conocimiento y tecnología de múltiples disciplinas como física, química, ciencia de los materiales, ingeniería electrónica, software e inteligencia artificial, y necesita más talentos compuestos. Por lo tanto, se necesitan las políticas de introducción del talento del gobierno (como los subsidios de asentamiento y las preferencias de vivienda) para atraer más talentos de alta gama en el hogar y en el extranjero. El mercado laboral promueve la movilidad de los talentos y la innovación de las empresas.

5. Conclusión

China está en una etapa de mantenimiento del ritmo con el nivel avanzado internacional en películas de cristal individual de litio y dispositivos avanzados, pero todavía hay algunos problemas en el crecimiento de cristales de alta calidad, la industria de dispositivos y las aplicaciones avanzadas. Por ejemplo, para mejorar aún más la uniformidad y el rendimiento óptico de las películas de un solo cristal de litio y lograr dispositivos con factores de mayor calidad y pérdidas más bajas, todavía es necesario romper aún más la tecnología de procesamiento y las técnicas de preparación de materiales, y desarrollar métodos de simulación y optimización numéricos más precisos. En el futuro, es necesario promover la integración a gran escala de dispositivos optoelectrónicos de película delgada de litio, reducir los costos y ampliar aún más la aplicación de niobato de litio en campos emergentes como ópticas integradas, computación cuántica y biosensación. China tiene un diseño completo en la cadena de la industria optoelectrónica y se espera que forme un clúster industrial de litio niobato con competitividad internacional.

ZMSH se especializa en el procesamiento de suministro y precisión de sustratos de cristal de litio niobato (Linbo₃), al tiempo que proporciona servicios personalizados para materiales semiconductores, incluidas el carburo de silicio (sic) y el zafiro (al₂o₃), cumpliendo requisitos avanzados en optoelectrónicas, 5G y aplicaciones de electronics de energía. Aprovechando los procesos de fabricación de vanguardia y un estricto control de calidad, ofrecemos un apoyo integral de I + D a la producción en masa para clientes globales, impulsando la innovación en la industria de semiconductores.

La oblea Sic de 12 pulgadas de Zmsh y la oblea de zafiro de 12 pulgadas:

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