基于钽酸锂的新型光子集成电路技术提高了成本效益和可扩展性

基于钽酸锂的新型光子集成电路技术提高了成本效益和可扩展性 钽酸锂光子集成电路最近，绝缘体上的铌酸锂晶圆平台因其强大的波克尔斯系数而成为光子集成电光调制器的上佳材料。然而，高昂的成本和复杂的生产要求使得铌酸锂无法得到更广泛的应用，限制了其商业集成。钽酸锂（LiTaO3）是铌酸锂的近亲，有望克服这些障碍。钽酸锂（LiTaO3）与铌酸锂的近亲钽酸锂（LiTaO3）有望克服这些障碍。钽酸锂具有类似的优异电光质量，但在可扩展性和成本方面比铌酸锂更具优势，因为它已被电信行业广泛用于 5G 射频滤波器。现在，EPFL 的 Tobias J. Kippenberg 教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的欧欣教授领导的科学家们创建了一种基于钽酸锂的新型 PIC 平台。这种 PIC 充分利用了材料的固有优势，使高质量 PIC 更加经济可行，从而改变了这一领域。这一突破发表在5月8日的《自然》杂志上。研究人员为钽酸锂开发了一种与硅绝缘体生产线兼容的晶片键合方法。然后，他们用类金刚石碳掩蔽了薄膜钽酸锂晶片，并着手蚀刻光波导、调制器和超高品质因数微谐振器。蚀刻是通过结合深紫外线（DUV）光刻技术和干蚀刻技术实现的，这些技术最初是针对铌酸锂开发的，后来经过仔细调整，用于蚀刻硬度更高、惰性更强的钽酸锂。这种调整包括优化蚀刻参数，以尽量减少光损耗，这是实现光子电路高性能的关键因素。利用这种方法，研究小组能够制造出高效率的钽酸锂 PIC，其电信波长的光损耗率仅为 5.6 dB/m。另一个亮点是电光马赫-泽恩德调制器（MZM），这是当今高速光纤通信中广泛使用的一种设备。钽酸锂 MZM 的半波压长积为 1.9 V cm，电光带宽达到 40 GHz。"在保持高效电光性能的同时，我们还在这一平台上生成了孤子微蜂窝，"该研究的第一作者王成利说。"这些孤子微蜂窝具有大量的相干频率，与电光调制功能相结合，特别适用于并行相干激光雷达和光子计算等应用"。钽酸锂 PIC 的双折射（折射率对光的偏振和传播方向的依赖性）降低，可实现密集的电路配置，并确保在所有电信频段都具有广泛的操作能力。这项工作为可扩展、经济高效地制造先进的电子光学 PIC 铺平了道路。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

光谷实验室攻克短波红外成像芯片新技术：成本降至百分之一

光谷实验室攻克短波红外成像芯片新技术：成本降至百分之一 据介绍，胶体量子点一体化异质集成红外技术的核心优势在于：1.图像分辨率高，理论上像素尺寸仅受限于艾利斑直径；2. 溶液法低温加工，与任何形貌的基底均兼容；3.探测波段高度可定制化，探测波段不受衬底吸收影响；4. 可大面积加工，兼容12寸CMOS晶圆制备工艺。在食品检测、半导体检测等工业应用中，基于短波红外成像的机器视觉如同机器的“眼睛”，具有重要意义；而成像芯片作为成像系统最核心部件，对成像质量以及相机成本均起着决定性作用。传统铟镓砷短波红外芯片造价非常昂贵，因此短波红外相机均价高达25万元，严重制约着市场增长。光谷实验室团队通过4年时间，全力攻关量子点技术，通过低温的溶液法制备工艺，实现可与硅基芯片一体化集成的量子点短波红外成像芯片，其探测波段范围远超传统铟镓砷芯片，同时制造成本仅不到百分之一。光谷实验室团队面向手机模组、车载相机等消费级应用场景，已申请十五项发明专利，已获授权七项，当前产品已应用在车载应用、水果分拣、物质检测、半导体检测、安防监控等领域，并与华为知名企业展开合作。 ... PC版： 手机版：

1.6nm、晶圆级超级封装、硅光子集成...台积电北美6大技术王炸

1.6nm、晶圆级超级封装、硅光子集成...台积电北美6大技术王炸     研究机构TechInsights报告显示，台积电2023年总销售额达到692.76亿美元，成为全球半导体产业冠军。摩根大通（小摩）、摩根士丹利等金融服务机构均对台积电的后续发展给出乐观预测，小摩在最新报告中认为，台积电在技术创新和先进封装领域的领先地位，以及在AI时代的关键作用，通过一系列技术突破，有望在未来几年继续保持在半导体产业的领先地位。以下为台积电在2024北美论坛公布的六大半导体技术：A16 1.6nm制程技术台积电A16制程节点是其首个整合纳米片晶体管（nanosheet）以及背面供电技术“Super Power Rail”的节点，特别适合高性能计算（HPC）及人工智能（AI）应用，是台积电N2P制程的迭代。根据台积电此前公布的路线图，N2、N2P 2nm节点定于2025年量产，A16预计将于2026年下半年量产。与2nm N2P节点相比，A16提高了晶体管密度和能效，在相同Vdd（正电源电压）下可实现8~10%的速度提升；在相同速度下，功耗可以降低15~20%。该技术可以帮助数据中心计算芯片实现1.07~1.10倍的芯片密度。台积电在北美峰会同时宣布A14工艺节点，预计将采用第二代纳米片晶体管以及更先进的背面供电网络，有望在2027~2028年开始生产，预计不会采用High NA EUV光刻机。根据路线图，台积电1nm制程A10已在规划中。消息人士于2024年1月透露，台积电将更先进制程的1nm晶圆厂规划在嘉义科学园区，已派人前往目标地块勘测。这一选址离嘉义高铁站车程仅七分钟，往北串起台积电中科、竹科厂，往南串连南科厂及高雄厂，便于工程师通勤交流。NanoFlex创新纳米片晶体管台积电即将推出的N2制程工艺将采用NanoFlex创新纳米片晶体管技术，这是该公司在设计与技术协同优化方面的又一突破。NanoFlex为N2制程标准单元提供设计灵活性，其中短小晶体管单元可实现更小的面积和更高能效，而高单元则最大限度提高性能。客户能够在同一设计内优化小单元和大单元的组合，调整设计，以达到最佳功耗、性能和面积平衡。N4C制程技术台积电宣布推出N4C技术，是N4P的迭代，可降低8.5%的芯片成本，计划于2025年量产。该技术提供具有高效面积利用率的基础IP和设计规则，与广泛应用的N4P兼容，缩小芯片尺寸并提高良率，为客户提供高性价比选择。CoWoS、SoIC和系统级晶圆（TSMC-SoW）台积电表示，CoWoS先进封装已成为AI芯片的关键技术，被广泛采用，允许客户将更多的处理器内核与HBM高带宽存储堆叠封装在一起。与此同时，集成芯片系统（SoIC）已成为三维芯片堆叠的领先解决方案，客户正越来越多地将CoWoS与SoIC及其他组件搭配使用，以实现最终的系统级封装（SiP）集成。台积电宣布推出CoW-SoW封装技术（TSMC-SoW），基于台积电于2020年推出的InFO-SoW晶圆上系统集成技术迭代而成。通过晶圆级系统集成封装技术（SoW），可以在单片12英寸晶圆上制造大型芯片阵列，提供更强算力的同时，减少空间占用，并将每瓦性能提升多个数量级。此前特斯拉的Dojo D1超级芯片，就利用台积电的此类工艺实现，利用单片晶圆实现强大算力。据悉，特斯拉自研的Dojo D1超级芯片采用台积电7nm制程，并结合InFO-SoW先进封装、垂直供电结构制造而成，用于训练自动驾驶汽车AI大模型。参数方面，每个模组包含5×5总计25颗芯片，每个单芯片包含高达354个核心，因此片上SRAM换从总计达11GB，算力9050TFLOPS。台积电表示，首款SoW产品基于集成扇出型封装（InFO）技术的纯逻辑晶圆已投入生产。利用CoWoS技术的CoW-SoW晶圆预计将于2027年问世，届时将可以集成SoIC、HBM和其他组件，创建强大的单晶圆级系统，其计算能力可以与整个机架甚至整个服务器相媲美。这类芯片将拥有巨大的面积，可以集成四个SoIC芯片+12个HBM存储芯片以及额外的I/O芯片，功率可达数千瓦。硅光子集成COUPE台积电正在开发紧凑型通用光子引擎（COUPE）技术，以支持人工智能热潮带来的数据传输爆发式增长。COUPE采用SoIC-X芯片堆叠技术，在硅光子芯片堆叠电子芯片，并保证两片芯片之间最低的传输阻抗，能效比传统堆叠方式更高。台积电计划在2025年将COUPE技术用于小尺寸插拔式设备，速度可达1.6Tbps，相比当前最先进的800G以太网成倍提升。2026年，台积电将其整合入CoWoS封装中，作为共同封装光学器件（CPO）直接将光学连接引入封装中，这样可以实现高达6.4Tbps的速度。第三个迭代版本有望进一步改进，速度翻倍至12.8Tbps。汽车芯片先进封装继2023年推出N3AE“Auto Early”制程后，台积电将继续通过整合先进芯片和先进封装，满足汽车客户对更高算力的需求，以及车规级认证的要求。台积电正在为高级辅助驾驶系统（ADAS）、车辆控制和车载中央计算机等应用开发InFO-oS和CoWoS-R解决方案，目标是在2025年第四季度之前获得AEC-Q100 2级认证。日前台积电法说会之后，大摩预计台积电Q2营收将环比增长5%~7%，并给出860元新台币的目标股价预测。小摩预测台积电今年毛利率维持在52%~54%区间，预计今年年底3nm产能将达到10万片规模，明年将增加到15万片，并给出900元新台币的目标股价。小摩同时预计，台积电在未来3~4年内，在AI芯片的市场占有率仍将维持在90%以上，到2027年AI相关收入占比将升至总营收的25%。台积电法说会、多场技术论坛过后，给市场释出稳健信号，包括花旗银行、美银证券、瑞银在内的金融机构，均对台积电给出全年营收增长的预测。在人工智能市场需求持续增长的带动下，以及美日芯片工厂新产能的释放，预计台积电未来几年将持续领衔全球半导体产业，并凭借技术实力保持AI芯片领域的龙头地位。 ... PC版： 手机版：

科学家开发出效率高达92%的铌酸锂钻石芯片

科学家开发出效率高达92%的铌酸锂钻石芯片 继最近的一次原理验证之后，研究人员又将一种新的化合物组合加入量子材料的行列。在《ACS Photonics》上发表的一项研究中，研究人员将两种纳米级结构（一种由金刚石制成，另一种由铌酸锂制成）组合在一块芯片上。然后，他们将光线从金刚石发送到铌酸锂，并测量了成功穿过的光线比例。这个分数越大，说明材料的耦合效率越高，这种配对作为量子设备的组件也就越有前景。这项研究得到了美国能源部阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心 Q-NEXT 的部分支持。斯坦福大学的 Amir Safavi-Naeini 和 Jelena Vuckovic 领导了这项研究。论文合著者、斯坦福大学博士生霍普-李（Hope Lee）说："这个装置的效率达到92%，这是一个令人兴奋的结果，它显示了该平台的优势。"（霍普-李是斯坦福大学的一名博士生，在芝加哥大学读本科时曾与Q-NEXT主任大卫-奥沙隆（David Awschalom）共事）量子技术利用物质在分子尺度上的特殊功能来处理信息。量子计算机、网络和传感器有望在医疗、通信和物流等领域对我们的生活产生巨大影响。量子信息以称为量子比特的数据包形式传输，而量子比特可以有多种形式。在研究团队的新平台中，量子比特以光粒子的形式传输信息。可靠的量子比特对于量子通信网络等技术至关重要。与传统网络一样，量子网络中的信息从一个节点传输到另一个节点。静态量子比特存储节点内的信息；飞行量子比特在节点之间传输信息。研究团队的新芯片将成为固定量子比特的基础。静态量子比特越强大，量子网络就越可靠，网络覆盖的距离也就越远。跨越一个大陆的量子网络指日可待。长期以来，钻石一直被誉为量子比特的理想之所。首先，金刚石的分子结构很容易操纵，可以容纳固定的量子比特。其次，金刚石寄存的量子比特可以在相对较长的时间内保持信息，这意味着有更多的时间来进行计算。此外，使用金刚石寄存的量子比特进行的计算具有很高的精确度。在该小组的研究中，金刚石的搭档铌酸锂是处理量子信息的另一个明星。铌酸锂的特殊性能使科学家们可以改变穿过它的光的频率，从而实现多功能性。例如，研究人员可以对铌酸锂施加电场或机械应变，以调整它如何引导光线。此外，还可以改变铌酸锂晶体结构的方向。定期翻转晶体结构也是塑造光线通过材料的另一种方法。论文共同作者、斯坦福大学博士生杰森-赫尔曼（Jason Herrmann）说："我们可以利用铌酸锂的这些特性来转换和改变来自钻石的光线，以对不同实验有用的方式对其进行调制。例如，基本上可以把光转换成现有通信基础设施使用的频率。因此，铌酸锂的这些特性确实非常有益。"传统上，金刚石托管量子比特发出的光被导入光导纤维或自由空间。在这两种情况下，实验装置都很笨重。光导纤维又长又笨重。而将量子比特传输到自由空间则需要笨重的设备。当来自钻石量子比特的光被导入铌酸锂时，所有这些设备都将消失。几乎所有的元件都可以放置在一个微小的芯片上。李说："将尽可能多的设备和功能集成到单个芯片上有一个好处。它更稳定。而且还能真正实现设置的小型化。"不仅如此，由于这两个装置是通过一根细如发丝的灯丝连接在一起的其宽度仅为头发丝的 1/100量子光被挤压到通向铌酸锂的狭窄通道中，从而增加了光与材料之间的相互作用，使操纵光的特性变得更加容易。Herrmann说："当所有不同的光粒子在如此小的体积内相互作用时，你就能在转换过程中获得更高的效率。与使用纤维或自由空间的设置相比，能够在集成平台中做到这一点将有望产生更高的效率。"开发该平台所面临的挑战之一是如何操纵仅 300 纳米宽的钻石与铌酸锂对齐。李说："我们不得不用细小的针戳钻石，将它移来移去，直到它在盘子上的位置明显看起来是正确的。这几乎就像是用小筷子在戳它"。测量传输的光线是另一个艰苦的过程。Herrmann 说："我们必须真正确保我们考虑到了所有光线传输或损耗的地方，这样才能说'这是从钻石到铌酸锂的传输量'。校准测量需要反复进行，以确保我们做得正确"。研究小组正在计划进一步的实验，利用金刚石和铌酸锂单独或共同提供的量子信息优势。他们的最新成功只是一个里程碑，他们希望在这两种材料的基础上开发出多种多样的设备。通过将这两种材料平台结合在一起，并将光线从一种材料引导到另一种材料，研究表明，与其只使用一种材料，确实可以同时拥有两种材料的优点。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科研团队刷新大面积全钙钛矿光伏组件光电转化效率世界纪录

中国科研团队刷新大面积全钙钛矿光伏组件光电转化效率世界纪录 据谭海仁介绍，钙钛矿是新型太阳能电池的重点研发方向之一。和传统晶硅材料相比，钙钛矿光伏组件更轻、更薄，具有可弯曲、半透明等良好特性，应用场景更丰富。近年来，谭海仁课题组一直致力于研究钙钛矿，取得小面积电池光电转化效率28%、大面积叠层组件光电转化效率21.7%等成果。“叠层组件由带隙不同的子电池堆叠而成，窄带隙子电池能够吸收宽带隙子电池吸收不了的光，理论上，叠层组件的光电转化效率应该更高，21.7%这个结果显然不能令人满意。”论文共同第一作者、南京大学2019级直博生高寒告诉记者，实验室制备的小面积电池只有1平方厘米左右，而真正具有商用价值的是组件，所以必须突破大面积叠层组件的效率关。难点在于窄带隙钙钛矿薄膜的生产工艺。“窄带隙钙钛矿薄膜的结晶过程太快，不好控制，大面积制备时，会出现薄膜不均匀的问题。而且钙钛矿的结晶过程上下不同步，容易导致薄膜的底部产生大量缺陷。”高寒说。这是南京大学谭海仁课题组研制的全钙钛矿光伏组件实物。（受访者供图）为了解决这个问题，谭海仁课题组在前驱体溶液中加入了甘氨酰胺盐酸盐，它能够减缓钙钛矿的结晶速率，将薄膜的制备时间延长到原来的10倍左右，并且能自发诱导修复底部缺陷。高寒表示，用这种办法制造的窄带隙钙钛矿薄膜，与宽带隙钙钛矿薄膜结合后，所形成的叠层组件面积达20.25平方厘米。经过国际权威第三方机构测试，该组件取得24.5%的光电转化效率，相关数据被国际《太阳能电池效率表》收录，目前尚无同类组件打破该纪录。谭海仁表示，此次突破为后续发展打下了技术基础，“我们还将不断尝试制备面积更大、效率更高的全钙钛矿光伏组件，向着产业化的目标踏实前进。”（记者陈席元） ... PC版： 手机版：

伯克利实验室开发的新型微型电容器显示出创纪录的能量和功率密度

伯克利实验室开发的新型微型电容器显示出创纪录的能量和功率密度 访问：NordVPN 立减 75% + 外加 3 个月时长 另有NordPass密码管理器 微型电容器技术的突破劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的科学家们在克服这些挑战方面迈出了重要一步，最近在微型电容器中实现了创纪录的高能量和高功率密度。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用了芯片制造中常见的材料和制造技术。他们的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上，可彻底改变下一代电子产品的片上能量存储和电力传输。伯克利实验室资深科学家、加州大学伯克利分校教授兼项目负责人赛义夫-萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）表示："我们已经证明，在由工程薄膜制成的微型电容器中存储大量能量是可能的，比普通电介质存储的能量要多得多。更重要的是，我们使用的材料可以直接在微处理器上进行加工。"这项研究是伯克利实验室为开发更高效的微电子学新材料和新技术所做的更广泛努力的一部分。在三维沟槽电容器结构中使用工程氧化铪/氧化锆薄膜制成的微型电容器与现代微电子中使用的结构相同实现了创纪录的高能量存储和功率密度，为片上能量存储铺平了道路。图片来源：Nirmaan Shanker/Suraj Cheema电容器基础知识与挑战电容器是电路的基本元件之一，但也可用于储存能量。与通过电化学反应储存能量的电池不同，电容器通过在两块被绝缘材料隔开的金属板之间建立的电场储存能量。在需要时，电容器可以快速放电，从而可以快速供电。此外，电容器不会因反复充放电循环而老化，因此寿命比电池长很多。不过，电容器的能量密度通常比电池低得多，这意味着它们在单位体积或重量上可存储的能量更少，而当试图将它们缩小到微型电容器大小用于片上能量存储时，这个问题只会变得更糟。Sayeef Salahuddin（左）和 Nirmaan Shanker 在实验室。图片来源：Marilyn Sargent/伯克利实验室研究方法和结果研究人员通过精心设计HfO2-ZrO2薄膜来实现负电容效应，从而制造出革命性的微型电容器。通常情况下，将一种介电材料层叠在另一种介电材料之上会导致整体电容降低。但是，如果其中一层是负电容材料，那么整体电容实际上会增加。在早先的研究中，萨拉赫丁及其同事展示了利用负电容材料生产晶体管的方法，这种晶体管的工作电压大大低于传统的 MOSFET 晶体管。在这里，他们利用负电容生产出了能够存储更多电荷的电容器，因此也存储了更多能量。这些薄膜由HfO2和ZrO2混合制成，采用工业芯片制造的标准材料和技术进行原子层沉积。根据这两种成分的比例，薄膜可以是铁电性的，即晶体结构具有内置的电极化；也可以是反铁电性的，即通过施加电场可以使晶体结构进入极化状态。当成分调整得恰到好处时，给电容器充电产生的电场会使薄膜在铁电和反铁电秩序之间的临界点达到平衡，这种不稳定性会产生负电容效应，即使很小的电场也能轻易地使材料极化。萨拉赫丁课题组的博士后、论文的主要作者之一苏拉杰-切马（Suraj Cheema）说："在相变过程中，单元格确实希望被极化，这有助于在电场作用下产生额外的电荷。这种现象是负电容效应的一个例子，但可以把它看作是一种捕获比正常情况下更多电荷的方法。"为了提高薄膜的储能能力，研究小组需要增加薄膜厚度，同时又不使其松弛出受挫反铁电-铁电状态。他们发现，通过在每隔几层HfO2-ZrO2 后穿插原子级氧化铝薄层，可以将薄膜厚度增加到 100 纳米，同时保持所需的特性。最后，研究人员与麻省理工学院林肯实验室的合作者合作，将薄膜集成到三维微型电容器结构中，在硅片上切割的深沟中生长精确分层的薄膜，长宽比高达 100:1。这些三维沟槽电容器结构可用于当今的 DRAM 电容器，与平面电容器相比，其单位面积电容要高得多，从而实现了更大的微型化和设计灵活性。由此产生的器件具有破纪录的特性：与当今最好的静电电容器相比，这些微型电容器的能量密度高出 9 倍，功率密度高出 170 倍（分别为 80 mJ-cm-2 和 300 kW-cm-2）。萨拉赫丁说："我们获得的能量和功率密度远远高于我们的预期。多年来，我们一直在开发负电容材料，但这些结果令人十分惊讶。"未来发展方向这些高性能微电容器有助于满足物联网传感器、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对高效、微型化能源存储日益增长的需求。研究人员目前正在努力扩大技术规模，将其集成到全尺寸微芯片中，并推动基础材料科学的发展，以进一步提高这些薄膜的负电容。"有了这项技术，我们终于可以开始实现在芯片上无缝集成极小尺寸的能量存储和电力传输，"Cheema 说。"它可以开辟微电子能源技术的新领域。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：