随着AI大模型快速迭代，算力集群指数级扩张，芯片内部正上演一场速度与功耗的“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”，科学家加速推动“以光代电、光电协同”，为数据铺设“光速公路”。然而，电信号上路需关键“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。

《工程·变革性材料》创刊号封面。

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，科学家们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，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其向更高集成度、更低功耗方向进一步发展。

在众多候选材料中，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可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”，长期以来一直是这一领域的关键难题。目前，美国、瑞士等国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华供应受限，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。

4英寸硅晶圆钛酸钡、钛酸锶实物图。清华大学供图

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，此次成果旨在推动钛酸钡从实验室高性能电光材料，进一步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，早期光纤主要解决长距离骨干网络传输，后来逐渐进入数据中心，承担服务器、交换机以及机架之间的大带宽数据传输。“可以说，在中长距离场景中，光已经完成了相当大程度的‘替铜’。”他介绍说。

随着人工智能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’，而更像是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、成熟度以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，如何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，随着其实现高质量、晶圆级制造，并与成熟硅光平台进一步集成，有望为光互连持续向芯片内部延伸提供新的材料基础。

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、光通信设备以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。而在面向人工智能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经进入全球第一梯队。

然而，李千同时表示，“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，以及共封装光学、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，未来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、钛酸钡以及Ⅲ-V族材料等不同技术路线都在这一方向展开探索。此次，研究团队突破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单一的‘光通信’问题，而是在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，也是年轻科研人员很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://journal.hep.com.cn/etm/EN/10.2738/ENGTM.2026.0010