与AI算力赛跑，他们“种”出光通信新材料
创刊号封面。
■本报记者 冯丽妃
随着人工智能（AI）大模型快速迭代，算力集群指数级扩张，芯片内部正上演着一场速度与功耗的“交通革命”。
随着传输速率不断提升，传统铜电互连在带宽、损耗和功耗上日益受限。面对日益拥挤的“数据交通”，科学家正在加速推动“以光代电、光电协同”技术落地，为数据铺设“光速公路”。然而，电信号上路需要关键的“转换枢纽”——电光调制器。硅虽然适合构建光波导和大规模光子集成电路，但本征电光效应弱，难以高效调制，成为硅基光子芯片的性能瓶颈。
面对这一痛点，清华大学材料学院副教授李千团队与合作者在4英寸硅晶圆上成功“种”出高品质钛酸钡薄膜，为解决这一难题提供了关键“材料底座”。相关成果近日以封面文章形式发表于《工程-变革性材料》创刊号。
硅上“种”出高性能薄膜
在光互连领域，硅作为一种极具优势的波导材料，光学折射率对比度大，拥有成熟的半导体制造工艺。但硅有一个难以回避的“先天缺陷”——几乎不具备本征的线性电光效应。
为突破这一瓶颈，科学家一直在寻找能与硅光子平台融合的高性能“电光材料”，铌酸锂就是其中的代表。凭借优异的电光和光学性能，铌酸锂近年来已成为集成光子领域的重要材料。不过，其电光系数相对有限，异质集成和微纳加工也较为复杂，这些因素在一定程度上限制了该材料向更高集成度、更低功耗方向进一步发展。
在诸多候选材料中，钛酸钡凭借更强的线性电光效应脱颖而出，其部分电光系数相比铌酸锂高出一个数量级甚至更多，为实现低电压、低功耗的高速电光调制提供了新的可能。然而，要把钛酸钡高质量地“嫁接”到硅晶圆上并不容易。
受晶体结构、界面化学等因素影响，传统外延方法往往难以兼顾生长速度与晶体质量。如何让钛酸钡在硅上既“长得快”又“长得好”，一直是该领域面临的关键难题。目前，美国、瑞士等国家的部分企业已掌握高质量硅基钛酸钡技术，但相关材料和技术对我国供应设限，国内自主制备需求十分迫切。
“高质量钙钛矿氧化物的生长通常需要一定的氧化环境，但硅表面又极易被氧化，形成非晶层，从而破坏后续外延所需要的晶格连续性。”论文第一作者、清华大学博士生田孝栋对《中国科学报》说。
研究初期，团队围绕硅表面处理、缓冲层厚度、衬底温度等参数进行了大量繁琐的尝试。“这个过程并不是简单地找到一个‘能够生长’的条件，而是需要通过原位反射高能电子衍射仪反复观察和调整，逐步找到稳定的工艺窗口。”田孝栋表示。
最终，团队通过自主改造并搭建的国内首台全流程混合分子束外延设备，成功在4英寸硅晶圆上实现了钛酸钡/钛酸锶的连续外延生长。与传统分子束外延技术较低的生长速率相比，新工艺将速率提升至百纳米每小时量级，同时保持高质量的逐层外延生长。测试表明，制备出的薄膜有效电光系数达到了248皮米/伏，居里温度被提升至200摄氏度以上，在高温环境下依然保持稳定性能。这意味着我国在这一领域打破了国外的技术垄断，实现了全流程国产自主可控。
推动“光进铜退”向芯片迈进
“一种材料真正产生影响，不仅需要优异的本征性能，还需要解决大尺寸制备、工艺稳定性以及与现有技术平台兼容等一系列工程问题。”论文通讯作者李千说，此项成果旨在推动钛酸钡从实验室高性能电光材料向晶圆级集成和实际光子器件应用迈进，推动光互连“光进铜退”的发展。
“光进铜退”并非新概念，过去二十多年，这个过程一直在持续。论文共同通讯作者、清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室助理研究员邓晨光介绍，早期光纤主要负责长距离骨干网络传输，后来逐渐进入数据中心，承担服务器、交换机及机架之间的大带宽数据传输。“可以说，在中长距离场景中，光已在相当大程度上实现了‘替铜’。”
随着AI算力集群的快速扩张，数据中心光接口正从800吉比特每秒向1.6太比特每秒乃至3.2太比特每秒演进，铜互连在更短距离上也开始面临信号衰减、功耗和带宽密度等限制。因此，光互连正在从“机架之间”进一步向“机架内部”乃至“芯片附近”推进。近年来受到广泛关注的共封装光学（CPO），就是把光学引擎直接放到交换芯片附近，尽可能缩短高速电信号需要经过的铜互连距离。
“现阶段并不是‘光已经完全取代铜’，而更像光和铜的分界线正在不断向芯片内部移动。”邓晨光说，铜在成本、成熟度及超短距离连接上仍具优势，但随着AI集群规模提升，越来越多原本由铜承担的高速互连有望逐步转向光。
随着光互连越来越接近芯片领域，用更低的电压和能耗将高速电信号高效加载到光信号上变得越来越重要。这也是钛酸钡的用武之地，随着高质量、晶圆级制造的实现，并与成熟硅光平台进一步集成，它有望为光互连持续向芯片内部延伸奠定新的材料基础。
夯实技术底座，抢占先机
目前，我国在“以光代铜”和光通信的全球竞赛中处于什么水平？对此，李千表示，我国已是全球光通信产业最重要的参与者之一，拥有非常完整的产业链。在传统光通信领域，我国在光纤光缆、光通信设备及光模块的大规模制造方面具有明显优势。特别是在光纤光缆领域已居世界前列。而在面向AI数据中心的高速光模块领域，国内企业在800G、1.6T等产品的研发和量产方面也已进入全球第一梯队。
李千表示，“以光代铜”并不是单一技术的竞争，而是一整套从材料、光芯片和调制器，到光模块、先进封装和系统架构的全链条竞赛。随着光互连不断向芯片内部延伸，全球在高性能光源、高端光芯片、硅光核心器件，以及CPO、芯片级光互连等前沿方向，仍处于快速竞争阶段，我国在部分核心技术和产业生态上仍有继续突破的空间。
“未来光互连的突破，关键不在于单一的材料或器件创新，而在于打通‘材料—器件—封装—系统’的完整技术链条。”邓晨光也表示，当前光互连虽然发展很快，但距离真正实现大规模、低功耗的芯片级光互连还有很多关键问题需要解决，如功耗问题、光电集成和封装、热管理和可靠性，以及新材料如何融入现有半导体制造体系等。
在此过程中，材料作为底层技术的重要性日益凸显。李千表示，光互连进一步向芯片内部推进以后，竞争的重点会逐渐从“能不能用光传输”转变为“能不能以更低的功耗、更小的尺寸和更高的集成密度实现高速电光调制”。目前，硅、铌酸锂、钛酸钡及Ⅲ~V族材料等不同技术路线都在这一方向展开探索。此次，研究团队解决了高质量钛酸钡晶圆级制备的关键问题，下一步将重点攻克器件集成、工艺兼容、热稳定性等工程难题，推动钛酸钡真正融入现有半导体制造体系。
“光互连已经不再是传统意义上的单一‘光通信’问题，而是快速发展为一个高度交叉的研究领域，越来越需要能够贯通材料、器件和工程应用的复合型人才。这既是一个竞争非常激烈的领域，也是年轻科研人员有机会参与并做出原创性工作的领域。”李千说。
相关论文信息：https://doi.org/10.2738/ENGTM.2026.0010