鈮酸鋰晶體，集壓電、電光、聲光及非線性光學(xué)等多種獨(dú)特效應(yīng)于一身，是集成光電子技術(shù)核心基礎(chǔ)材料。近日，記者從濟(jì)南大學(xué)了解到，由該校劉宏教授、孫德輝教授率領(lǐng)的山東恒元半導(dǎo)體科技有限公司-濟(jì)南大學(xué)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過兩年奮戰(zhàn)，率先研制出12英寸(直徑300毫米)的超大尺寸光學(xué)級鈮酸鋰晶體。這一重大突破——“12英寸光學(xué)級鈮酸鋰晶體”入選2024年度山東省十大科技創(chuàng)新成果榜單。
大膽創(chuàng)新，歷時(shí)兩年突破瓶頸
濟(jì)南大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在8英寸鈮酸鋰晶體科研成果基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，在世界上首次提出研發(fā)12英寸鈮酸鋰晶體生長技術(shù)的構(gòu)想，并入選2022年濟(jì)南市“揭榜掛帥”重點(diǎn)項(xiàng)目。
項(xiàng)目啟動(dòng)后，迎接科研團(tuán)隊(duì)的是前所未有的困難。生產(chǎn)設(shè)備和熱場的設(shè)計(jì)堪稱首道“天塹”。要實(shí)現(xiàn)12英寸鈮酸鋰晶體穩(wěn)定生長，常規(guī)生長設(shè)備參數(shù)與熱場架構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足要求。孫德輝帶領(lǐng)學(xué)生整日泡在實(shí)驗(yàn)室與車間，反復(fù)模擬、測試、優(yōu)化，最終打造出能夠適合超大尺寸鈮酸鋰晶體的生長設(shè)備，為晶體生長奠定硬件基礎(chǔ)。
然而，晶體生長過程才是真正的“硬骨頭”。鈮酸鋰晶體生長宛如一場微觀世界的精細(xì)舞蹈，溫度稍有偏差、熱場梯度微小波動(dòng)，或生長速率控制不當(dāng)，都會(huì)導(dǎo)致晶體出現(xiàn)瑕疵甚至生長失敗。最初幾個(gè)月，科研團(tuán)隊(duì)遭遇數(shù)十次失敗，孫德輝不斷給大家加油鼓勁，“這些晶體雖有缺陷，卻在‘告訴’我們問題所在，指明了改進(jìn)方向”。
在12英寸鈮酸鋰晶體生長過程中，難題接踵而至。博士生韓文斌在實(shí)驗(yàn)中連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)異形晶體，形似飛碟狀?！斑@樣形狀的晶體對于后期的加工極為不利。”韓文斌說。他迅速將幾次實(shí)驗(yàn)的參數(shù)提交孫德輝，孫德輝指出問題關(guān)鍵：晶體尺寸太大，越接近邊緣線速度越快，晶體在邊緣結(jié)晶就成了奇特的“飛碟”模樣。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)做理論計(jì)算的李陳哲通過計(jì)算機(jī)模擬，得出相應(yīng)理論結(jié)果。隨后，他們依據(jù)分析調(diào)整晶體生長參數(shù)，成功解決了難題。
一波未平一波又起，晶體尺寸大、重量高又引發(fā)“新危機(jī)”。好不容易生長的晶體，在得到晶體前的降溫冷卻階段，籽晶斷裂墜落，這讓大家心疼不已。韓文斌和團(tuán)隊(duì)成員們立刻深入分析原因，發(fā)現(xiàn)是下種孔道溫度低，溫度下降太快導(dǎo)致應(yīng)力不均所致。他們迅速采取措施，增加這個(gè)部位的保溫，精心改進(jìn)降溫參數(shù)，經(jīng)過多次嘗試，最終成功取出完整的12英寸晶體。
為未來光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展做好技術(shù)儲(chǔ)備
光子芯片以速度快、能耗低、性能穩(wěn)優(yōu)勢，成為科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界矚目的焦點(diǎn)，而大尺寸鈮酸鋰晶體恰是光子芯片邁向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵基石。孫德輝說：“晶體尺寸越大，單位芯片成本越低，這是光子芯片大規(guī)模普及的經(jīng)濟(jì)學(xué)根基?！笨蒲袌F(tuán)隊(duì)在此過程中持續(xù)發(fā)力，一方面深入研究優(yōu)化8英寸鈮酸鋰晶體產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，提高良品率;另一方面，搶占下一代晶圓材料的技術(shù)高地，率先突破12英寸鈮酸鋰晶體生長技術(shù)，為未來光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展做好技術(shù)儲(chǔ)備。
12英寸鈮酸鋰晶體研制成功，不僅彰顯濟(jì)南在光電子關(guān)鍵材料制備技術(shù)上的世界領(lǐng)先地位，更帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。
如今，鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為山東省、濟(jì)南市重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)方向。2024年，山東省科學(xué)技術(shù)廳批復(fù)了山東省鈮酸鋰光電集成功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的籌建方案，由劉宏、孫德輝團(tuán)隊(duì)依托濟(jì)南大學(xué)，聯(lián)合濟(jì)南市上下游企業(yè)濟(jì)南晶正電子科技有限公司、山東恒元半導(dǎo)體科技有限公司共同籌建，孫德輝擔(dān)任重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。
孫德輝表示，未來科研團(tuán)隊(duì)將扎根省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，向著更高性能材料、更先進(jìn)制備工藝進(jìn)發(fā)，培養(yǎng)更多光電子領(lǐng)域?qū)I(yè)人才，為產(chǎn)業(yè)持續(xù)注入新鮮血液。
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