“像乐高积木一样拼接在一起”的光子芯片为半导体行业打开了大门

用于片上微波光子滤波器系统的 As2S3 波导和硅元件的异质集成。资料来源：《Nature Communications 》（2023 年）。

悉尼大学纳米研究所（University of Sydney Nano Institute）的研究人员发明了一种结构紧凑的硅半导体芯片，它将电子元件与光子或光元件集成在一起。这项新技术大大扩展了射频（RF）带宽和精确控制流经该装置的信息的能力。带宽的扩大意味着更多的信息可以流经芯片，而光子元件的加入则可以实现先进的滤波控制，从而创造出一种多功能的新型半导体器件。

研究人员预计，这种芯片将应用于先进的雷达、卫星系统、无线网络以及6G和7G电信的推广，同时也为先进的独立制造打开了大门。它还能帮助在西悉尼航空城等地建立高科技增值工厂。该芯片是利用硅光子学中的一项新兴技术制造的，可以在不到5mm宽的半导体上集成各种系统。指导研究团队的副校长（研究）Ben Eggleton教授将其比喻为拼装乐高积木，通过先进的元件封装，利用电子 "芯片 "将新材料集成在一起。这项发明的研究成果已发表在《Nature Communications》上。

负责芯片设计的物理学院光子集成副主任Alvaro Casas Bedoya博士说：这种独特的异质材料集成方法已经酝酿了 10 年之久。利用海外半导体代工厂制造基本芯片晶圆与本地研究基础设施和制造相结合，对开发这种光子集成电路至关重要。这种架构意味着澳大利亚可以发展自己的独立芯片制造，而不必完全依赖国际代工厂的增值工艺。
Eggleton教授强调：联邦政府《关系国家利益的关键技术清单》中的大多数项目都依赖于半导体。这项发明意味着悉尼纳米公司的工作与新南威尔士州政府赞助的旨在发展当地半导体生态系统的半导体行业服务局（S3B）等倡议不谋而合。S3B主任Nadia Court博士说：这项工作与我们推动半导体技术进步的使命不谋而合，为澳大利亚半导体创新的未来带来了巨大希望。在全球对半导体行业的关注和投资日益增加的关键时刻，这项成果加强了当地在研究和设计方面的实力。

该集成电路是与澳大利亚国立大学的科学家合作设计的，是在悉尼大学纳米科学中心的核心研究设施洁净室建造的，该中心是一座专门建造的耗资1.5亿美元的建筑，拥有先进的光刻和沉积设备。

Alvaro Casas Bedoya博士（手持芯片）和Ben Eggleton教授在悉尼大学纳米研究所的悉尼纳米科学中心。图片来源：Stefanie Zingsheim/悉尼大学

芯片中的光子电路意味着该设备具有令人印象深刻的15GHz可调频率带宽，光谱分辨率低至37MHz，不到总带宽的四分之一。Eggleton教授说：在我们令人印象深刻的博士生Matthew Garrett的领导下，这项发明是微波光子学和集成光子学研究的重大进展。微波光子滤波器在现代通信和雷达应用中发挥着至关重要的作用，它可以灵活地精确过滤不同的频率，减少电磁干扰，提高信号质量。我们将先进功能集成到半导体芯片中的创新方法，特别是卤化玻璃与硅的异质集成，有可能重塑本地半导体的格局。

共同作者兼高级研究员Moritz Merklein博士说：这项工作为新一代具有宽带频率可调谐性的紧凑型高分辨率射频光子滤波器铺平了道路，尤其有利于空中和太空射频通信有效载荷，为增强通信和传感能力提供了可能性。

更多信息： Matthew Garrett 等人，《使用异质集成布里渊和有源硅光子电路的集成微波光子陷波滤波器》，《Nature Communications》（2023 年）。