ニオベートリチウム結晶、単結晶薄膜、光学チップ産業における将来のレイアウト
記事の要約
5G/6G通信技術、ビッグデータ、人工知能などのアプリケーション分野の急速な発展により、新世代のフォトニックチップの需要は日々増加しています。優れた電気光学的、非線形光学的、圧電特性を備えたニオベート結晶は、フォトニックチップのコア材料となり、フォトニック時代の「光学シリコン」材料として知られています。近年、ニオベートリチウム単結晶薄膜とデバイス処理技術の調製においてブレークスルーが行われており、より小さなサイズ、より高い統合、超高速電気光学効果、広い帯域幅、低消費電力などの利点を示しています。高速電気光学モジュレーター、統合光学系、量子光学系、その他のフィールドに幅広いアプリケーションの見通しがあります。この記事では、光学級ニオベート結晶リチウムリチウムリチウムリチウムリチウムフィルムの準備技術の国内および国際的な研究開発の進捗状況と関連するポリシー、および光学チップ、統合された光プラットフォーム、量子光デバイスなどの分野での最新のアプリケーションを紹介します。将来のレイアウト。現在、中国は、ニオベートリチウム単結晶薄膜とニオベートベースの光電子装置リチウムの分野での国際的な高度なレベルに追いつく段階にありますが、高品質のニオベート結晶材料の工業化にはまだかなりのギャップがあります。産業レイアウトを最適化し、基礎研究開発を強化することにより、中国は材料の準備からデバイスの設計、製造、用途まで、完全なニオベート工業クラスターを形成することが期待されています。
ZMSHのLinbo3ウェーハ
記事の簡単な概要
5G/6G通信技術、ビッグデータ、人工知能、光学通信、統合フォトニクス、量子光学などの分野の急速な発展により、新世代のフォトニックチップの需要とその基本的な結晶材料の需要がますます緊急になっています。 Niobateリチウム（LN）は、圧電、強誘電性、感動性、電気光学、アコートプチック、光弾性、非線形などの特性を備えた多機能結晶です。現在、フォトニクスで最も包括的なパフォーマンスを備えた結晶の1つです。将来の光学装置におけるニオベートリチウムの役割は、電子機器のシリコンベースの材料の役割と類似しているため、フォトニック時代の「光学シリコン」材料としても知られています。ニオベートリチウム薄膜（LNOI）は、ニオベート結晶リチウムに基づく一種の薄膜材料であり、優れた光電特性を持っています。ニオベートリチウム単結晶薄膜は、優れた電気光学効果があり、高速光モジュレーターに適しています。 ②光学損失が低い。薄膜構造は、光伝播損失を減らし、高性能光電子デバイスに適しています。 wid幅透明な窓。目に見える光と近赤外のバンドで高い透明性を持っています。 ④非線形光学特性。二次高調波生成（SHG）などの非線形光学効果をサポートします。 siliconシリコンベースの統合と互換性があります。シリコンベースの光電子デバイスとの統合は、ボンディングテクノロジーを通じて実現できます。近年、国内外で展開されている多くの研究プロジェクトは、特にマイクロ波フォトニックチップ、光学導波路、電気光学モジュレーター、非線形オプティクス、量子デバイスの分野で、ニオベート結晶リチウムと単結晶フィルムを重要な開発方向として採用しています。
表1重要な技術イベントリチウムフィールド
ニオベートリチウム薄膜は、多機能統合フォトニック情報処理チップの新世代の基質の重要な候補材料となっています。ニオベート系統材料リチウムに基づく光学モジュレーターの市場容量は、2026年には367億米ドルと予測されています。シリコンフォトニックモジュレーターおよびリン化インジウムモジュレーターと比較して、薄膜リチウムニオベートモジュレーターは、高い帯域幅、低消費量、高消費量、高電力の損失、低消費量、高帯域の利点があります。同時に、それらは小型化することもできます。これは、コヒーレント光学モジュールとデータ通信光学モジュールのますます小型化された要件を満たすことができます。中国は、クリスタル材料、クリスタルフィルム、処理方法、デバイス、システムで独立して制御可能です。現在、多くの国内メーカーは、800 Gbpsの薄膜ニオベート溶液光学モジュールをリリースしています。ダウンストリームの顧客は、対応する製品をテストしました。将来的には、1.6T光モジュールのアプリケーションの利点がより明白になります。
1。ニオベート結晶と単結晶フィルムの研究の進歩
ニオベートリチウム単結晶の物理化学的特性は、[Li]/[Nb]および不純物に大きく依存しています。同じ組成の一致するニオベート（CLN）結晶は、リチウムに不足しているため、多数のLI空acance（VLI）および逆NB（NB）点欠陥が含まれています。 niobateの化学性リチウム（SLN）の[li]/[nb]比は1℃に近い。優れたパフォーマンスを持っていますが、その準備は困難であり、生産コストが高くなっています。ニオベートリチウム単結晶は、音響グレードと光学グレードに分類されます。主にニオベート結晶リチウムの成長に従事する関連ユニットを表1に示します。その中で、光学級のニオベートリチウムリチウムの成長に従事している会社は日本企業です。現在、光学グレードのニオベートリチウムウェーファーの国内生産率は5％未満であり、輸入に大きく依存しています。 Yamashiro Ceramics Co.、Ltd。 （ヤマシロセラミックと呼ばれる）8インチのニオベートリチウムリチウムリチウムとウェーハを工業化しました（図1（a））。中国では、Tiantong Holdings Co.、Ltd。 （Tiantong Co.、Ltd。と呼ばれる） （Deqinghua Yingと呼ばれます）2000年と2019年にそれぞれ8インチニオベート結晶とウェーファーリチウムを生産しましたが、産業大量生産をまだ達成していません。化学量論比と光学的グレードニオベートの点では、中国のニオベート結晶成長企業と日本企業の間にはまだ約20年の技術的なギャップがあります。したがって、中国では、高品質の光学グレードニオベート結晶の成長理論とプロセス技術にブレークスルーを行う必要があります。
図1ニオベート結晶リチウムおよび単結晶薄膜
世界中のニオベートリチウムフォトニック構造とフォトニックチップとデバイスのブレークスルーは、主にニオベート薄膜材料技術の開発と工業化に起因しています。ただし、ニオベートリチウムの単結晶の脆性が高いため、欠陥が低く、高品質の100ナノメートルスケールフィルム（100〜2,000 nm）を準備することは非常に困難です。イオン移植と直接結合技術は、バルク単結晶をナノスケールリチウムニオベート単結晶フィルムに剥離し、大規模なリチウムニオベートフォトニック統合を可能にします。現在、フランスのソテックSAカンパニーのジナンジンジェンと日本のキコー社を含む世界のわずかな企業は、ニオベートリチウム単結晶薄膜の準備技術を習得しています。 Jinan Jingzhengは、イオンビームスライスと直接結合のコアテクノロジーを採用しており、世界で最初に工業化を達成しました。世界をリードするニオベート薄膜ブランド（Nanoln）を形成し、世界中のニオベート薄膜装置の基礎研究開発の90％以上をサポートしています。 2023年、ジナン・ジンツェンは8インチの光学級ニオベートリチウムフィルムを発売し（図1（b））、8インチX軸リチウムリチウムリチウムからニオベートリチウムフィルムを生産した業界で最初の企業でもあります。物理的特性、厚さの均一性、欠陥抑制、排除などのジナン・ジンツェンシリーズ製品の重要な指標はすべて、国際的な主要レベルです。ニオベート結晶リチウムと単結晶フィルムの調製に関連する企業の状況を表2に示します。
表2ニオベート結晶リチウムと単結晶薄膜の製造会社
2。ニオベートリチウムの高度な用途
従来のニオベートリチウム単結晶材料と比較して、薄膜niobateのリチウムは、サイズが小さく、コストが低く、統合が高くなり、より広い範囲の温度および電界条件下で安定して動作できます。これらの利点により、5G通信、量子コンピューティング、光ファイバー通信、センサーなどの分野で幅広いアプリケーションの見通しがあり、特に光電子変調、光学信号処理、高速データ伝送の大きな可能性を示しています（表3）。
表3ニオベート結晶リチウムと単結晶薄膜の主要な用途フィールド
2.1高速電気光学モジュレーター
リチウムニオベートモジュレーターは、超高速トランク光学通信ネットワーク、潜水艦光学通信ネットワーク、大都市コアネットワーク、およびその他のフィールドで広く使用されています。大規模なリソグラフィテクノロジー、超低損失導波路処理テクノロジー、不均一な統合などの主要な技術により、薄膜ニオベートモジュレーターの開発が促進され、800 Gbpsおよび1.6T高速光モジュールのアプリケーションをサポートできます。リン化インジウム、シリコンフォトニクス、伝統的なニオベートリチウムなどの材料と比較して、薄膜ニオベートは、超高帯域幅、低消費電力、低損失、低サイズ、ウェーハレベルで大規模生産を達成する能力（表4）などの優れた特徴を持っています（表4）。グローバルな薄膜ニオベート変調器市場は着実に成長しています。 2029年には、世界市場の総額が20億米ドルに達し、複合年間成長率は41.0％になると予想されます。
表4光学モジュールの基板材料のパフォーマンス比較
国際的には、ハーバード大学の研究チームは、2018年に100 GHzの帯域幅で補完的な金属酸化物半導体を成功裏に開発しました。また、注目に値します。 2019年、Sun Yat-Sen Universityの研究チームは、シリコンとニオベートリチウムのハイブリッド統合エレクトロオプティックモジュレーターを達成しました。 Ningbo Yuanxin optoelectronic Technology、Ltd。は、2021年に国内で生成された薄膜ニオベート強度モジュレーター製品をリリースしました。 Niobo optoelectronicsのリチウムニオベート薄膜コヒーレントモジュレーターチップは、260 Gbaud DP-QPSK（Gigabaud dual偏光極性化段階シフトキーイング）の100 kmの光ファイバー伝送をサポートします。 2023年、Zhuhai Guangku Technology Co.、Ltd。 （Guangku Technologyと呼ばれる）は、超高帯域幅と少量を特徴とする薄膜ニオベート強度変調器製品を紹介しました。 Chengdu Xinyisheng Communication Technology Co.、Ltd。 （Xinyishengと呼ばれる）は、このテクノロジーを800 Gbps光学モジュールに適用し、電力消費はわずか11.2Wです。薄膜ニオベートは、長距離伝送、大都市圏ネットワーク、データセンターの相互接続ネットワークの関連用途、ならびに4レベルのパルス振幅変調（パルス振幅変調4、PAM-4）のデータセンターおよび人工知能クラスターの応用に大きな可能性を示しています。 130 Gbaudコヒーレントドライブモジュレーターや800 Gbps PAM-4 Guangkuoテクノロジー、および米国、Newesun、および米国のArista Networks Corporatsが共同で発売したPAM-4トランシーバーなど。これらの製品は、帯域幅を強化し、消費電力を削減する際に、薄膜ニオベート技術の重要な利点を完全に示しています。現在、中国は首と首を走る段階にあり、この分野では国際的な高度なレベルがあります。
2.2ニオベート統合光プラットフォーム
Niobate Lithium Integrated Optical Platformでは、周波数櫛から周波数コンバーターとモジュレーターへのアプリケーションが実現されていますが、ニオベートチップリチウムにレーザーを統合することは大きな課題です。 2022年、ハーバード大学の研究チームは、Hyperlight and Freedom Photonicsと協力して、チップレベルのフェムト秒パルス源と、世界初のニオベート統合光プラットフォーム上の完全に統合された高パワーレーザーを獲得しました（図2（a））。このタイプのニオベートオンチップレーザーは、高性能のプラグアンドプレイレーザーを統合し、将来の通信システムのコスト、複雑さ、消費電力を大幅に削減できます。同時に、より大きな光学システムに統合でき、センシング、原子時計、LIDAR、量子情報、データ通信などのフィールドに広く適用できます。狭い線幅、高い安定性、高速周波数変調性能を同時に持っている統合レーザーのさらなる開発も、業界で重要な需要です。 2023年、スイス連邦工科大学とIBMの研究者は、窒化リチウムシリコンヘテロイエンゼーション光プラットフォームで低損失、狭い線幅、高変調率、安定したレーザー出力を達成しました。繰り返し速度は約10 GHz、光パルスは1,065 nmで4.8 ps、エネルギーは2.6 PJを超え、ピーク電力は0.5 Wを超えます。
図2統合されたニオベートフォトニックアプリケーション
米国の国立標準技術研究所の研究者は、マルチセグメントナノフィルムリチウムリチウムリチウムニオベート導波路を導入することにより、紫外線に及ぶ紫外線に及ぶ連続周波数櫛スペクトルを成功裏に生成しました。香港市の研究チームによって開発された統合されたニオベートマイクロ波フォトニックチップは、超高速アナログ電子信号処理とコンピューティングに光学系を使用できます。これは、従来の電子プロセッサの1,000倍高速で、67 GHzの超幅の処理帯域幅と優れたコンピューティングの精度があります。 2025年、南京語大学と香港市大学の研究チームが協力して、世界初の統合された薄膜ニオベートリチウムフォトニックミリメーター波レーダーを成功裏に開発し、4インチの薄膜リチウムニオベートプラットフォームに基づいて、センチメーターレベルの距離の速度分解能と2分形のマダルのイメージングを容易にします（b））。従来のミリ波レーダーは、通常、一緒に動作するために複数の個別のコンポーネントが必要です。ただし、オンチップ統合テクノロジーを通じて、レーダーのすべてのコア関数は、単一の15mm×1.5mm×0.5mmチップに統合され、システムの複雑さが大幅に低下します。この技術は、6G時代の車両に取り付けられたレーダー、空中レーダー、スマートホームなどの分野で適用されます。
2.3量子光学アプリケーション
絡み合った光源、電気光学モジュレーター、導波路ビームスプリッターなど、さまざまな機能デバイスがニオベートリチウムフィルムに統合されています。この統合された設計は、オンチップフォトニック量子状態の効率的な生成と高速制御を実現し、量子チップの機能をより豊富で強力にし、量子情報の処理と伝送により効率的なソリューションを提供します。スタンフォード大学の研究者は、ダイヤモンドとニオベートリチウムを単一のチップに組み合わせました。ダイヤモンドの分子構造は操作が容易で、固定されたキュービットを収容できますが、niobateリチウムは、光を通過する光の周波数を変化させて光を調節することができます。この素材の組み合わせは、量子チップのパフォーマンス改善と機能的拡大のための新しいアイデアを提供します。光の圧縮量子状態の生成と操作は、量子エンハンスメント技術の中心的な基礎ですが、その準備システムには通常、追加の大きな光学成分が必要です。カリフォルニア工科大学の研究チームは、ニオベートリチウム材料に基づいた統合ナノ粒子プラットフォームの開発に成功し、同じ光学チップ上の圧縮状態の生成と測定を可能にしました。ナノフォトニックシステムでの亜光学的な周期圧縮状態の準備と特性化のためのこの手法は、スケーラブルな量子情報システムの開発のための重要な技術的パスを提供します。
3。開発の動向と課題
人工知能と大規模なモデルの開発により、ニオベートリチウムの将来の成長点は、主にハイエンドの光学チップフィールドに焦点を当てています（表5）。特に、高速光モジュレーター、レーザー、検出器などのコア光学チップ技術のブレークスルーを含む。光学チップでニオベート薄膜リチウムの適用を促進し、デバイスの性能を向上させます。高品質の薄膜の大規模な生産を達成するために、ニオベート薄膜準備技術の研究開発を強化します。コストを削減するために、リチウムニオベートフィルムとシリコンベースのオプトエレクトロニクスデバイスと統合を促進します。
表5ニオベートフォトニクスリチウムとその応用の展望
光学通信、光ファイバージャイロスコープ、超高速レーザー、ケーブルテレビなどのフィールドには主に適用されます。成熟したアプリケーションを入力する可能性のある方向は、光学通信かもしれません。光学通信の分野では、ニオベート変調器チップとデバイスの市場規模は約100億元です。中国の多くの高品質の光学グレードリチウムニオベート基質は、日本から輸入する必要があります。日本が中国の半導体セクターに対する制限を強化するにつれて、リチウムニオベート基質が制限されたリストに現れる可能性があります。高速コヒーレント光学伝送技術は、長距離/トランクラインから地域/データセンターやその他のフィールドに拡大し続けるにつれて、高速コヒーレント光学通信で使用されるデジタル光モジュレーターの需要が増え続けます。高速コヒーレント光モジュレーターの世界的な出荷は、2024年に200万ポートに到達すると予想されます。それに対応して、ニオベート基質リチウムの需要も大幅に増加します。
ZmshのLinbo3クリスタル
光学リチウムニオベート材料の大量生産における最大のボトルネックは、結晶材料自体の組成、欠陥、微細構造の一貫性、および化学機械的研磨（CMP）プロセスによって処理されたウェーハの精度を含む、光学品質の一貫性です。外国と比較して、主な問題は、結晶成長のより深い科学的および技術的問題に関する不十分な研究にあります。高品質の光学グレードLNの成長には、そのマルチスケールの物理化学的メカニズムを理解するために、詳細な研究が緊急に必要です。たとえば、高温融解、固形液体界面構造、界面イオン輸送、成長プロセス中の動的欠陥構造と形成メカニズム、および実際の結晶成長プロセスのシミュレーションなど。大規模結晶材料の調製理論と技術を突破する方法など2021年に中国科学技術協会が発表した10のフロンティア科学的質問の中で最初にランク付けされていることは、大規模な結晶材料の準備における基本的な科学的問題が、この業界の急速な発展を制限する重要な要因になっていることを示しています。
ニオベートリチウム電気光学装置の技術的課題は、主に薄膜形成、エッチング、CMPプロセスにあり、尾根型の波状ガイドの高い表面粗さや低処理収量などの問題があります。光学アプリケーションには、ウェーハとデバイス処理の要件が高く、高精度機器は基本的に外国の機器によって独占されています。欠陥の変化は、ニオベート単結晶リチウムの薄膜形成と、統合光プラットフォームにおけるニオベート薄膜リチウムのDCドリフト問題など、構造とパフォーマンスの関係への影響によってもたらされます。
4。提案
（1は、戦略的計画と政策ガイダンスを強化し、イノベーションエコシステムハイランドを確立し、クラスター効果を達成します。ニオベートリチウム単結晶薄膜は、オプトエレクトロニクスチップ、フォトニックチップ、統合フォトニックデバイス、その他のフィールドに幅広い用途の見通しを持っています。政府は、戦略的計画と政策ガイダンスを確立し、コアとして「リチウムニオベートバレー」を備えた生態系と産業クラスターエリアを構築し、新興企業の栽培を奨励し、ニオベート産業リチウムの急速な発展と拡大を促進しました。
（2）材料、デバイス、システム企業、研究機関間の協力を強化して、共同イノベーションエコシステムを形成する。大学や研究機関は理論的研究と技術サポートを提供し、企業は研究結果を実用的な製品に変換し、ニオベート技術の産業用途を促進する責任があります。関連する企業は、技術的な問題を共同で解決し、リソースと市場を共有するために、協力的な提携を形成します。たとえば、ニオベートリチウム材料の生産、デバイスの製造、アプリケーション開発では、企業は効率を高め、コストを削減し、協力を通じて市場の競争力を強化することができます。
ZMSHのニオベートリチウム単結晶
（3）「第一原則」を強化し、破壊的な技術的道を探求します。 「第一原則」の観点から見ると、ニオブ酸リチウムクリスタル、フィルムからデバイスまでのコアテクノロジーの研究開発を達成するために、元の技術と基本的な科学的問題を綿密に把握する必要があります。たとえば、量子コンピューティングや量子通信などの量子技術におけるニオベートリチウムの適用を調べてください。
（4）複合才能を育むための学際的な協力と技術統合。ニオベートリチウム結晶、フィルム、およびデバイスの研究開発には、物理学、化学、材料科学、電子工学、ソフトウェア、人工知能などの複数の分野からの知識と技術が必要であり、より多くの複合才能が必要です。したがって、政府の才能導入政策（和解補助金や住宅の好みなど）は、国内外でより多くのハイエンドの才能を引き付けるために必要です。雇用市場は、才能のモビリティと企業の革新を促進します。
5。結論
中国は、ニオベートリチウム単結晶フィルムと高度なデバイスの国際的な高度なレベルに対応する段階にありますが、高品質の結晶成長、デバイス産業、および高度なアプリケーションにはまだいくつかの問題があります。たとえば、ニオベートリチウム単結晶フィルムの均一性と光学性能をさらに強化し、より高い品質要因と低い損失を伴うデバイスを実現するために、処理技術と材料準備技術をさらに突破し、より正確な数値シミュレーションと最適化方法を開発する必要があります。将来、ニオベートリチウム薄膜光電子デバイスの大規模な統合を促進し、コストを削減し、統合光学、量子コンピューティング、バイオセンシングなどの新興分野でのニオベートリチウムの適用をさらに拡大する必要があります。中国はオプトエレクトロニック産業チェーンに完全なレイアウトを持っており、国際的な競争力を備えたニオベート産業用リチウムを形成することが期待されています。
ZMSHは、ニオベートリチウム（Linbo₃）クリスタル基質の供給と精密処理を専門としていますが、炭化シリコン（SIC）やサファイア（Al₂O₃）を含む半導体材料のカスタマイズされたサービスも提供し、光電子、5G、および電源電子の適用の高度な要件を満たしています。最先端の製造プロセスと厳しい品質管理を活用して、R＆Dからグローバルクライアントの大量生産への包括的なサポートを提供し、半導体業界の革新を推進しています。
ZMSHの12インチSICウェーハと12インチサファイアウェーハ：
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