Les cristaux de niobate de lithium, les films minces monocristallins et leur future mise en page dans l'industrie des puces optiques

Cristaux de niobate au lithium, films minces monocristallins et leur future disposition dans l'industrie des puces optiques

Résumé de l'article

Avec le développement rapide de domaines d'application tels que les technologies de communication 5G / 6G, les mégadonnées et l'intelligence artificielle, la demande pour la nouvelle génération de puces photoniques augmente de jour en jour. Les cristaux de niobate de lithium, avec leurs excellentes propriétés électro-optiques, non linéaires optiques et piézoélectriques, sont devenus le matériau central des puces photoniques et sont connues sous le nom de matériau "silicium optique" de l'ère photonique. Ces dernières années, des percées ont été réalisées dans la préparation des films minces monocristallins au lithium niobate et une technologie de traitement des appareils, démontrant des avantages tels que une taille plus petite, une intégration plus élevée, un effet électro-optique ultrafast, une large bande passante et une faible consommation d'énergie. Il possède de larges perspectives d'application dans les modulateurs électro-optiques à grande vitesse, l'optique intégrée, l'optique quantique et d'autres domaines. L'article présente les progrès de la recherche et du développement nationaux et internationaux et des politiques pertinentes de la technologie de préparation des cristaux de niobate de lithium de qualité optique et des films monocristallins, ainsi que leurs dernières applications dans les domaines des puces optiques, des plates-formes optiques intégrées, des dispositifs optiques quantiques, etc. Les tendances industrielles et les défis de la chaîne de lithium ont été des crises de littoral, et. pour la mise en page future. À l'heure actuelle, la Chine est à un stade de rattrapage le niveau avancé international dans les domaines des films minces monocristallins au lithium niobate et des dispositifs optoélectroniques à base de lithium, mais il y a encore un écart considérable dans l'industrialisation des matériaux cristallins niobate de lithium de haute qualité. En optimisant la disposition industrielle et en renforçant la recherche et le développement fondamentaux, la Chine devrait former un cluster industriel de lithium niobate complet de la préparation des matériaux à la conception, à la fabrication et à l'application des appareils.

Les plaquettes Linbo3 de ZMSH

Aperçu rapide de l'article

Avec le développement rapide de domaines tels que les technologies de communication 5G / 6G, les mégadonnées, l'intelligence artificielle, la communication optique, la photonique intégrée et l'optique quantique, la demande pour la nouvelle génération de puces photoniques et leurs matériaux cristallins de base deviennent de plus en plus urgents. Le niobate de lithium (LN) est un cristal multifonctionnel avec des propriétés telles que la piézoélectricité, la ferroélectricité, la pyroélectricité, l'électro-optique, les acouts, la photoélasticité et la non-linéarité. C'est actuellement l'un des cristaux avec les meilleures performances complètes de la photonique. Le rôle du niobate de lithium dans les futurs dispositifs optiques est similaire à celui des matériaux à base de silicium dans les dispositifs électroniques, et il est donc également connu sous le nom de matériau "silicium optique" de l'âge photonique. Le lithium niobate mince en film (LNOI) est une sorte de matériau à couches minces basé sur des cristaux de niobate de lithium et a d'excellentes propriétés photoélectriques: ① Coefficient électro-optique élevé. Les films minces monocristallins au lithium niobate ont d'excellents effets électro-optiques et conviennent aux modulateurs optiques à grande vitesse. ② Perte optique faible. La structure du film mince réduit la perte de propagation de la lumière et convient aux dispositifs optoélectroniques à haute performance. ③ Fenêtre transparente large. Il a une transparence élevée dans la lumière visible et les bandes proche infrarouge. ④ Caractéristiques optiques non linéaires. Soutenir les effets optiques non linéaires tels que la génération harmonique secondaire (SHG). ⑤ Compatible avec l'intégration à base de silicium. L'intégration avec des dispositifs optoélectroniques à base de silicium peut être réalisée grâce à la technologie de liaison. Ces dernières années, de nombreux projets de recherche déployés au pays et à l'étranger ont pris des cristaux de niobate de lithium et des films monocristallins en tant que directions de développement importantes, en particulier dans les champs des puces photoniques micro-ondes, des guides d'ondes optiques, des modulateurs électro-optiques, des optiques non linéaires et des dispositifs quantiques.

Tableau 1 Événements technologiques importants Champ lithium

Les films minces au lithium niobate sont devenus un important matériau candidat pour le substrat d'une nouvelle génération de puces de traitement de l'information photonique intégrées multifonctionnelles. La capacité de marché des modulateurs optiques basée sur des matériaux de cristal de niobate de lithium devrait être de 36,7 milliards de dollars américains en 2026. Comparé aux modulateurs photoniques en silicium et aux modulateurs de phosphure d'indium, des modulateurs de niobate de lithium à film mince, une forte consommation de puissance élevée et une forte bande passante. Dans le même temps, ils peuvent également être miniaturisés, ce qui peut répondre aux exigences de plus en plus miniaturisées des modules optiques cohérents et des modules optiques de communication de données. La Chine est contrôlable indépendamment dans les matériaux cristallins, les films en cristal, les méthodes de traitement, les appareils et les systèmes. À l'heure actuelle, de nombreux fabricants nationaux ont libéré des modules optiques de 800 Gbit / Gbps à couches minces au lithium niobate. Les clients en aval ont testé les produits correspondants. À l'avenir, les avantages de l'application des modules optiques de 1,6 T seront plus évidents.

1. Progrès de la recherche sur les cristaux de niobate de lithium et les films monocristaux

Les propriétés physicochimiques des monocristaux de lithium niobate dépendent en grande partie de [LI] / [NB] et d'impuretés. Le cristal de niobate de lithium (CLN) congruente avec la même composition est déficient en lithium, il contient donc un grand nombre de défauts ponctuels NB (NB) inverses. Le rapport [LI] / [NB] du lithium niobate (SLN) stoechiomentrique est proche de 1∶1. Bien qu'il ait d'excellentes performances, sa préparation est difficile et le coût de production est élevé. Les soldats au lithium niobate sont classés en grade acoustique et en qualité optique. Les unités pertinentes se sont principalement engagées dans la croissance des cristaux de niobate de lithium sont présentés dans le tableau 1. Parmi eux, l'entreprise principalement engagée dans la croissance du niobate de lithium de qualité optique est une entreprise japonaise. À l'heure actuelle, le taux de production intérieur des tranches de niobate de lithium de qualité optique est inférieure à 5% et dépend fortement des importations. Yamashiro Ceramics Co., Ltd. (appelé Yamashiro Ceramics) a industrialisé les cristaux et les tranches de niobate de lithium de 8 pouces (figure 1 (a)). En Chine, Tiantong Holdings Co., Ltd. (appelé Tiantong Co., Ltd.) Et China Electronics Technology Group Corporation Deqinghua Ying Electronics Co., Ltd. (appelé Deqinghua Ying) a respectivement produit des cristaux et des tranches de niobate de lithium de 8 pouces en 2000 et 2019, mais ils n'ont pas encore atteint la production de masse industrielle. En termes de ratio stoechiométrique et de niobate de lithium de qualité optique, il y a toujours un écart technologique d'environ 20 ans entre les entreprises chinoises de croissance des cristaux de niobate et les entreprises japonaises. Par conséquent, il y a un besoin urgent en Chine pour faire des percées dans la théorie de la croissance et la technologie de processus des cristaux de niobate de lithium de qualité optique de haute qualité.

Fig. 1 Crystal niobate de lithium et film mince monocristallin

Les percées dans les structures photoniques au lithium niobate et les puces et dispositifs photoniques dans le monde sont principalement attribuées au développement et à l'industrialisation de la technologie des matériaux de film mince au lithium niobate. Cependant, en raison de la forte fragilité des monocristaux au lithium niobate, il est extrêmement difficile de préparer des films à l'échelle de cent nanomètres (100 à 2 000 nm) avec de faibles défauts et de haute qualité. L'implantation ionique et les techniques de liaison directe exfolient des monocristaux en vrac dans des films monocristallins au lithium niobate à l'échelle nanométrique, ce qui rend possible l'intégration photonique de niobate de lithium à grande échelle. À l'heure actuelle, seules quelques sociétés dans le monde, dont Jinan Jingzheng, French Soitec SA Company, et Japanese Kiko Co., Ltd., Ont maîtrisé la technologie de préparation des films minces monocristallins au lithium niobate. Jinan Jingzheng a adopté les technologies de base du découpage et de la liaison directe du faisceau d'ions, et a été le premier au monde à réaliser l'industrialisation. Il a formé une marque mince au lithium niobate de tête mondiale (Nanoln), soutenant plus de 90% de la recherche fondamentale et du développement de dispositifs à couches minces au lithium niobate dans le monde. En 2023, Jinan Jingzheng a lancé un film de niobate de lithium de qualité optique de 8 pouces (figure 1 (b)), et c'est également la première entreprise de l'industrie à produire des films de niobate de lithium à partir de cristaux de niobate de lithium X-axe X de 8 pouces. Les principaux indicateurs des produits de la série Jinan Jingzheng, tels que les propriétés physiques, l'uniformité d'épaisseur, la suppression des défauts et l'élimination, sont tous au niveau international. La situation des entreprises liées à la préparation de cristaux de niobate de lithium et de films monocristallines est montrée dans le tableau 2.

Tableau 2 Compagnies manufacturières de cristaux de niobate de lithium et de films minces monocristallins

2. Applications avancées du lithium niobate

Par rapport aux matériaux monocristallins au lithium traditionnel, le niobate de lithium à couches minces a une taille plus petite, un coût plus faible, une intégration plus élevée et peut fonctionner de manière stable dans une gamme plus large de températures et de conditions de champ électrique. Ces avantages le font avoir de vastes perspectives d'application dans des champs tels que la communication 5G, l'informatique quantique, la communication et les capteurs des fibres optiques, démontrant en particulier un grand potentiel dans la modulation photoélectrique, le traitement optique du signal et la transmission de données à grande vitesse (tableau 3).

Tableau 3 Champs d'application principaux du cristal niobate de lithium et un film mince monocristallin

2.1 Modulateur électro-optique à grande vitesse

Les modulateurs de niobate au lithium sont largement utilisés dans les réseaux de communication optique à tronc à ultra-haute vitesse, les réseaux de communication optique sous-marins, les réseaux de noyau métropolitains et autres champs en raison de leurs avantages tels que la vitesse élevée, la faible consommation d'énergie et le rapport signal / noire élevé. Des technologies clés telles que la technologie de lithographie à grande échelle, la technologie de traitement des guides d'ondes à perte ultra-bas et l'intégration hétérogène ont favorisé le développement de modulateurs de niobate de lithium à couches minces, leur permettant de prendre en charge des applications de 800 Gbps et des modules optiques à vitesse haute vitesse. Par rapport à des matériaux tels que le phosphure d'indium, la photonique de silicium et le niobate de lithium traditionnel, le niobate de lithium à couches minces ont des caractéristiques exceptionnelles telles que la bande passante ultra-élevée, la faible consommation d'énergie, la faible perte, la petite taille et la capacité d'obtenir une production à grande échelle au niveau de la gaufre (tableau 4), ce qui en fait un matériau idéal pour les modulateurs photoélectriques. Le marché mondial du modulateur de niobate de lithium en film mince augmente régulièrement. Il est prévu que la valeur marchande mondiale totale atteindra 2 milliards de dollars américains en 2029, avec un taux de croissance annuel composé de 41,0%.

Tableau 4 Comparaison des performances des matériaux de substrat pour les modules optiques

À l'international, l'équipe de recherche de l'Université de Harvard a développé avec succès un semi-conducteur complémentaire d'oxyde métallique avec une bande passante de 100 GHz en 2018. CMOS) Modulateur électro-optique compatible Mach-Zehnder Interferomètre (MZI), tandis que Fujitsu Optical Devices Co., Ltd. a lancé le premier progrès commercial du monde. été remarquable. En 2019, une équipe de recherche de l'Université Sun Yat-Sen a réalisé un modulateur électro-optique hybride intégré de silicium et de niobate de lithium. Ningbo Yuanxin Optoelectronic Technology Co., Ltd. a publié le produit du modulateur de résistance au lithium de lithium à film mince produit national en 2021. En 2022, l'université Sun Yat-Sen a collaboré avec Huawei pour développer les premiers films minces cohérents de polarisation au monde basé sur des films minces de lithium niobate. La puce de modulatrice cohérente à film mince au lithium niobate d'optoélectronique de Niobo prend en charge la transmission de fibres optiques de 100 km de signaux Keying de 260 GBAUD DP-QPSK (Gigabaud Dual Polarisation Quadrature Shift Keying). En 2023, Zhuhai Guangku Technology Co., Ltd. (appelé Guangku Technology) a présenté un produit de modulateur de résistance au lithium niobate à couches minces avec une bande passante ultra-élevée et un petit volume. Chengdu Xinyisheng Communication Technology Co., Ltd. (appelé Xinyisheng) a appliqué cette technologie à 800 Gbps optiques, avec une consommation d'énergie de seulement 11,2W. Le niobate de lithium à couches minces montre un grand potentiel dans les applications connexes des réseaux d'interconnexion à longue distance, de la transmission métropolitaine et des réseaux d'interconnexion des centres de données, ainsi que dans les applications d'amplitude d'amplitude à quatre niveaux (modulation d'amplitude d'amplitude des impulsions 4, PAM-4) des centres de données et des boîtes d'intelligence artificielle. Tels que le modulateur de conduite cohérent 130 GBAUD et le produit PAM-4 de 800 Gbps de la technologie Guangkuo, ainsi que l'émetteur-récepteur PAM-4 lancé conjointement par Hyperlight Corporation des États-Unis, Newesun et Arista Networks Corporation des États-Unis. Ces produits démontrent pleinement les avantages importants de la technologie de niobate de lithium à couches minces pour améliorer la bande passante et réduire la consommation d'énergie. À l'heure actuelle, la Chine est à un stade de couture au coude et au cou avec le niveau avancé international dans ce domaine.

2.2 plate-forme optique intégrée au lithium niobate

Sur la plate-forme optique intégrée au lithium niobate, l'application du peigne de fréquence au convertisseur de fréquence et au modulateur a été réalisée, tandis que l'intégration du laser sur la puce au lithium niobate est un défi majeur. En 2022, une équipe de recherche de l'Université de Harvard, en collaboration avec Hyperlight et Freedom Photonics, a obtenu une source d'impulsion fémnique de Femtoseconde au niveau du monde et la première puce niobate de lithium au monde entièrement intégrée laser sur une plate-forme optique intégrée au lithium niobate (figure 2 (a)). Ce type de laser au lithium niobate sur puce intègre des lasers hautes performances et plug-and-play, ce qui peut réduire considérablement le coût, la complexité et la consommation d'énergie des futurs systèmes de communication. Dans le même temps, il peut être intégré dans des systèmes optiques plus grands et peut être largement appliqué dans des champs tels que la détection, les horloges atomiques, le lidar, les informations quantiques et les télécommunications de données. Le développement ultérieur de lasers intégrés qui possèdent simultanément une largeur de ligne étroite, une stabilité élevée et des performances de modulation de fréquence à grande vitesse sont également une demande importante dans l'industrie. En 2023, des chercheurs de l'Institut fédéral suisse de technologie et de l'IBM ont obtenu une perte de perte à faible perte, une largeur linéaire étroite, un taux de modulation élevé et une sortie laser stable sur une plate-forme optique hétérognet nitrure au lithium niobate-silicium. Le taux de répétition est d'environ 10 GHz, l'impulsion optique est de 4,8 ps à 1 065 nm, l'énergie dépasse 2,6 pj et la puissance de crête dépasse 0,5 W.

3. Tendances et défis de développement

Avec le développement de l'intelligence artificielle et des grands modèles, les points de croissance futurs du niobate de lithium se concentreront principalement sur le champ de puce optique haut de gamme (tableau 5), incluant spécifiquement les percées dans les technologies de puce optique de base telles que les modulateurs optiques à grande vitesse, les lasers et les détecteurs; Promouvoir l'application de films minces au lithium niobate dans les puces optiques et améliorer les performances des appareils; Renforcer la recherche et le développement de la technologie de préparation des couches minces au lithium niobate pour obtenir une production à grande échelle de couches minces de haute qualité; Promouvoir l'intégration des films de niobate de lithium avec des dispositifs optoélectroniques à base de silicium pour réduire les coûts.

Tableau 5 Perspectives de la photonique au lithium niobate et de ses applications

Le niobate de lithium optique est principalement appliqué dans des champs tels que la communication optique, les gyroscopes à fibre optique, les lasers ultra-rapides et la télévision par câble. La direction qui peut entrer dans l'application mature la plus rapide peut être la communication optique. Dans le domaine de la communication optique, la taille du marché des puces et dispositifs de modulateur de lithium niobate est d'environ 10 milliards de yuans. De nombreux substrats de niobate de lithium de qualité optique de haute qualité en Chine doivent être importés du Japon. Alors que le Japon intensifie ses restrictions sur le secteur des semi-conducteurs chinois, les substrats de niobate de lithium peuvent apparaître sur la liste restreinte. Alors que la technologie de transmission optique cohérente à grande vitesse continue de s'étendre des lignes à longue distance / tronc vers le centre régional / de données et d'autres champs, la demande de modulateurs optiques numériques utilisés dans la communication optique cohérente à grande vitesse continuera de croître. L'envoi mondial de modulateurs optiques cohérents à grande vitesse devrait atteindre 2 millions de ports en 2024. En conséquence, la demande de substrats de niobate de lithium augmentera également considérablement.

Crystal Linbo3 de ZMSH

Le plus grand goulot d'étranglement de la production de masse de matériaux optiques au lithium niobate est la cohérence de la qualité optique, y compris la cohérence de la composition, des défauts et de la microstructure du matériau cristal lui-même, ainsi que la précision des plaquettes traitées par le processus de polissage mécanique chimique (CMP). Par rapport aux pays étrangers, le principal problème réside dans la recherche insuffisante sur les problèmes scientifiques et technologiques plus profonds de la croissance cristalline. La croissance de la LN de qualité optique de haute qualité nécessite d'urgence une recherche approfondie pour comprendre ses mécanismes physicochimiques à plusieurs échelles. Par exemple, les structures de cluster dans les fondus à haute température, les structures d'interface solide-liquide, le transport d'ions interfaciales, ainsi que les structures de défaut dynamiques et les mécanismes de formation pendant le processus de croissance, et la simulation du processus de croissance cristallin réel, etc. Comment briser la théorie de la préparation et la technologie des matériaux cristallins de grande taille? Le premier classement parmi les 10 questions scientifiques frontières publiées par la China Association for Science and Technology en 2021 indique que les problèmes scientifiques fondamentaux dans la préparation de matériaux cristallins de grande taille sont devenus le facteur clé restreignant le développement rapide de cette industrie.

Les défis techniques des dispositifs électro-optiques au lithium niobate se trouvent principalement dans les processus de formation, de gravure et de CMP à couches minces, avec des problèmes tels que la rugosité de surface élevée des guides d'ondes en forme de crête et un faible rendement de traitement. Les applications optiques ont des exigences élevées pour le traitement des plaquettes et des appareils, et les équipements de haute précision sont essentiellement monopolisés par des équipements étrangers. Les changements de défaut provoqués par la formation de films minces de monocristaux de niobate de lithium et leur influence sur la relation structure-performance, tels que le problème de dérive DC des films minces de lihium niobate dans des plates-formes optiques intégrées.

4. Suggestions

（1） Renforcer la planification stratégique et les conseils politiques, établir un écosystème d'innovation Highland et obtenir des effets de cluster. Les films minces monocristalliques au lithium niobate ont de larges perspectives d'application dans les puces optoélectroniques, les puces photoniques, les dispositifs photoniques intégrés et autres champs. Le gouvernement a établi des conseils stratégiques de planification et de politique, a construit une zone d'écosystème et de cluster industriel avec une "vallée du litre de niobate" en tant que noyau, a encouragé la culture des start-ups et promu le développement rapide et l'expansion de l'industrie du niobate de lithium.

(2) Renforcer la coopération entre les entreprises de matériaux, de dispositifs et de systèmes et les instituts de recherche pour former un écosystème d'innovation collaboratif. Les universités et les institutions de recherche fournissent une recherche théorique et un soutien technique, tandis que les entreprises sont responsables de la transformation des résultats de la recherche en produits pratiques et de la promotion de l'application industrielle de la technologie du niobate de lithium. Les entreprises pertinentes forment des alliances coopératives pour résoudre conjointement les problèmes techniques et partager les ressources et les marchés. Par exemple, dans la production de matériaux de lithium niobate, la fabrication d'appareils et le développement des applications, les entreprises peuvent améliorer l'efficacité, réduire les coûts et renforcer la compétitivité du marché grâce à la coopération.

Le lithium niobate de ZMSH

(3) Renforcer les «premiers principes» et explorer les voies technologiques perturbatrices. Du point de vue des «premiers principes», nous devons saisir étroitement la technologie originale et les problèmes scientifiques fondamentaux pour réaliser la recherche et le développement des technologies de base à partir de cristaux de lithium niobate, de films aux appareils, et d'explorer un chemin technologique perturbateur. Par exemple, explorez l'application du niobate de lithium dans les technologies quantiques, telles que l'informatique quantique et la communication quantique.

(4) Coopération interdisciplinaire et intégration technologique pour cultiver des talents composés. La recherche et le développement de cristaux, de films et d'appareils au lithium Niobate nécessite des connaissances et une technologie de plusieurs disciplines telles que la physique, la chimie, la science des matériaux, l'ingénierie électronique, les logiciels et l'intelligence artificielle, et nécessite plus de talents composés. Par conséquent, les politiques d'introduction des talents du gouvernement (telles que les subventions aux règlements et les préférences de logement) sont nécessaires pour attirer plus de talents haut de gamme au pays et à l'étranger. Le marché du travail promeut la mobilité des talents et l'innovation des entreprises.

5. Conclusion

La Chine est à un stade de suivi du niveau avancé international dans les films monocristallins au lithium niobate et les appareils avancés, mais il y a encore des problèmes de croissance des cristaux de haute qualité, de l'industrie des appareils et des applications avancées. Par exemple, pour améliorer davantage l'uniformité et les performances optiques des films monocristallins au lithium niobate et réaliser des dispositifs avec des facteurs de qualité supérieure et des pertes plus faibles, il est toujours nécessaire de percer davantage la technologie de traitement et les techniques de préparation des matériaux, et de développer des méthodes de simulation et d'optimisation numériques plus précises. À l'avenir, il est nécessaire de promouvoir l'intégration à grande échelle des dispositifs optoélectroniques à film mince au lithium, de réduire les coûts et d'élargir davantage l'application du niobate de lithium dans des champs émergents tels que l'optique intégrée, le calcul quantique et la biosensification. La Chine a une disposition complète dans la chaîne industrielle optoélectronique et devrait former un cluster industriel au lithium niobate avec compétitivité internationale.

ZMSH est spécialisé dans le traitement de l'alimentation et de la précision des substrats de cristal de niobate de lithium (Linbo₃), tout en fournissant des services personnalisés pour les matériaux semi-conducteurs, notamment le carbure de silicium (SIC) et le saphir (al₂o₃), répondant aux exigences avancées en applications optoélectroniques, 5G et électroniques. Tirant parti des processus de fabrication de pointe et du contrôle de la qualité rigoureux, nous offrons un soutien complet de la R&D à la production de masse pour les clients mondiaux, stimulant l'innovation dans l'industrie des semi-conducteurs.

La plaquette SIC de 12 pouces de ZMSH et la plaquette saphir de 12 pouces:

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