LiNbO3和LiTaO3：后摩尔时代芯片应用的强大材料
引言LiNbO3和LiTaO3是正在后摩尔时代芯片应用的多功能材料。卓越的压电、铁电、电光和非线性光学特性使其成为多种应用的理想选择，包括高性能射频滤波器、光电子集成芯片和量子信息处理 。
特性和制备LiNbO3和LiTaO3具有令人印象深刻的材料特性，包括高居里温度、大电光系数和宽透明窗口。
图1 展示LN/LT光电子技术概览高质量单晶薄膜的开发对推进LiNbO3/LiTaO3技术很重要。最初为硅绝缘体（SOI）晶圆开发的智能切割工艺已成为生产这些薄膜的主要方法。
图2 说明了Smart Cut工艺，该工艺包括离子注入、晶圆键合和化学机械抛光（CMP）。这种技术允许将高质量单晶薄膜转移到各种衬底上，从而实现绝缘体上的锂铌酸盐（LNOI）和绝缘体上的锂钽酸盐（LTOI）晶圆的制造。
波导和光学微腔低损耗波导的开发对集成光电子应用非常重要。与传统的体块波导相比，LiNbO3/LiTaO3薄膜具有显著优势，可实现更紧密的光限制和更紧凑的设计。
图3 展示了利用光刻和干法/湿法刻蚀技术制备铌酸锂波导及其器件的过程、截面图和SEM图像，包括直波导、脊形波导、混合波导、微盘谐振器、微环谐振器、跑道型谐振器和光子晶体腔光学微腔，如微环谐振器和微盘谐振器，是许多光子应用的重要组件。LiNbO3/LiTaO3薄膜能够制造具有小模式体积的高Q值微腔。
电光调制器LiNbO3/LiTaO3薄膜最重要的应用之一是电光调制器。这些器件对光通信和集成光电子非常重要，允许光信号的高速调制。
图4 展示了铌酸锂微环谐振器的结构、电光位移曲线、马赫-曾德尔调制器芯片、铌酸锂平台上的IQ调制器、基于铌酸锂的IQ调制器示意图以及硅/铌酸锂异质MIM的3D示意图。谐振器和滤波器LiNbO3/LiTaO3薄膜在射频（RF）滤波器和谐振器领域也产生了重大影响。随着无线通信技术从5G发展到6G，对具有宽带宽、低损耗和高滚降系数的高性能滤波器的需求不断增加。
图5 展示了器件结构示意图、5谐振器XBAR梯形滤波器的显微镜图像以及滤波器性能测量曲线。
量子器件LiNbO3/LiTaO3薄膜在量子技术中也找到了应用，强大的非线性光学特性使它们成为通过自发参量下转换（SPDC）等过程产生量子光学信号的优秀候选者。
图6展示了铌酸锂光子芯片示意图、硅基氮化硅和薄膜PPLN波导混合结构示意图、铌酸锂单光子探测器以及掺铥稀土离子的铌酸锂薄膜波导器件结构示意图
=结论和未来展望
LiNbO3和LiTaO3单晶薄膜已经成为后摩尔时代芯片应用的强大材料。多功能性、强光限制能力和设计灵活性使它们成为集成光学、RF滤波器和量子技术等广泛应用的理想选择。
随着该领域的不断发展，仍然存在挑战和机遇些包括改进制造工艺、增强混合集成技术和推进器件设计方法。开发更大的晶圆尺寸（目前限于6英寸）和降低生产成本将是这些技术更广泛应用的关键。
将LiNbO3/LiTaO3薄膜与其他材料平台（如硅基光电子）集成为创建多功能、多波长和多模式光子芯片提供了令人兴奋的可能性。最近的发展，如IBM和苏黎世联邦理工学院展示的异质Si3N4/LN平台，展示了结合不同材料系统优势的潜力。
参考文献
Y. Zhu and Q. Wan, "Lithium niobate/lithium tantalate single-crystal thin films for post-moore era chip applications," Moore and More, vol. 1, no. 6, pp. 1-17, 2024, doi: 10.1007/s44275-024-00005-0.
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