半導體所在PZT光電子材料與器件領(lǐng)域取得重大突破

　　數(shù)據(jù)中心、人工智能和云計算等技術(shù)的飛速發(fā)展導致全球流量需求激增，對高速信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提出了前所未有的挑戰(zhàn)，包括但不限于高數(shù)據(jù)傳輸速率、低功耗和高集成度等性能需求，進而推動了高性能光電子材料與器件的創(chuàng)新研發(fā)。薄膜鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O3, PZT)鐵電材料因其高透明度、優(yōu)越的化學/熱穩(wěn)定性和高電光系數(shù)優(yōu)勢而廣受關(guān)注，Pockels系數(shù)值大于100 pm/V，超過薄膜鈮酸鋰3倍，有望同時實現(xiàn)低能耗、高速率、高度集成的片上電光調(diào)制，突破傳統(tǒng)材料體系在帶寬和能效上的設(shè)計瓶頸；此外，PZT材料成膜工藝簡單(化學液相沉積或磁控濺射等)，可以在氧化硅上完成大尺寸、高質(zhì)量晶體薄膜沉積生長，CMOS兼容性強，有利于促進低成本、大規(guī)模生產(chǎn)使用，將是下一代新型光電材料的重要選擇。
 

　　中國科學院半導體研究所李明研究員和國科大杭州高等研究院邱楓研究員合作率先針對晶圓級鋯鈦酸鉛薄膜材料制備和加工展開攻關(guān)，利用液相沉積+磁控濺射組合工藝實現(xiàn)了4英寸晶圓薄膜的低成本大規(guī)模制備(圖1)，并成功研制出首個公開報道的新型鋯鈦酸鉛光子集成工藝開發(fā)套件PDK庫(圖2和表1)，實現(xiàn)了從材料生長到器件設(shè)計與制備的全流程自主可控研發(fā)，突破了傳統(tǒng)光學材料在制造高速電光調(diào)制器時面臨的調(diào)制帶寬和能效制約瓶頸。經(jīng)測試，制備的馬赫-曾德爾電光調(diào)制器高頻調(diào)制帶寬大于70 GHz，調(diào)制效率1.3 V·cm；微環(huán)調(diào)制器調(diào)制帶寬大于50 GHz，調(diào)制效率0·56 V·cm(圖3)。與硅和薄膜鈮酸鋰等傳統(tǒng)光學材料相比，在保留高調(diào)制帶寬同時實現(xiàn)了調(diào)制效率的大幅提升。如表1所示，首版PDK器件庫還包括多模干涉器、光柵耦合器、交叉器等，通過模型設(shè)計和工藝優(yōu)化迭代，整體器件性能和器件庫完備性還具備巨大的提升空間。該研究成果將助力我國下一代新型光學材料平臺及工藝技術(shù)的國產(chǎn)化研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應用，為光通信和光計算等信息光子技術(shù)發(fā)展提供重要的材料平臺支撐(圖4)。
 

　　該工作以 “PZT Photonic Materials and Devices Platform”和 “Broadband PZT Electro-optic Modulator”為題，在Journal of Semiconductor上發(fā)表兩篇短篇通信論文，快速報導了成果與進展。
 

　　該工作得到國家自然科學基金資助：國家杰出青年科學基金項目(61925505)，國自然青年基金項目(62405070)，浙江省尖兵領(lǐng)雁項目(2024C01112)，國家重點研發(fā)計劃(2023YFB2807100)。
 

圖 1. 4英寸PZT 晶圓(左)和光子集成工藝平臺(右)
 

圖 2. PZT 光子器件的高分辨率SEM圖像
 

　　圖 3. PZT 電光調(diào)制器性能指標。(a)和(b)是馬赫-曾德爾電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)和調(diào)制特性；(c)和(d)是微環(huán)電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)和調(diào)制特性
 

圖 4. 技術(shù)展望