【儀器網(wǎng) 科技成果】數(shù)據(jù)中心、人工智能和云計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展導(dǎo)致全球流量需求激增，對(duì)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(jìn)而推動(dòng)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(xué)/熱穩(wěn)定性和高電光系數(shù)優(yōu)勢(shì)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(shí)實(shí)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(jì)瓶頸；此外，PZT材料成膜工藝簡(jiǎn)單(化學(xué)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(zhǎng)，CMOS兼容性強(qiáng)，有利于促進(jìn)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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所李明研究員和國(guó)科大杭州高等研究院邱楓研究員合作率先針對(duì)晶圓級(jí)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(shí)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(gè)公開報(bào)道的新型鋯鈦酸鉛光子集成工藝開發(fā)套件PDK庫(kù)(圖2和表1)，實(shí)現(xiàn)了從材料生長(zhǎng)到器件設(shè)計(jì)與制備的全流程自主可控研發(fā)，突破了傳統(tǒng)光學(xué)材料在制造高速電光調(diào)制器時(shí)面臨的調(diào)制帶寬和能效制約瓶頸。經(jīng)測(cè)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(xué)材料相比，在保留高調(diào)制帶寬同時(shí)實(shí)現(xiàn)了調(diào)制效率的大幅提升。如表1所示，首版PDK器件庫(kù)還包括多模干涉器、光柵耦合器、交叉器等，通過模型設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化迭代，整體器件性能和器件庫(kù)完備性還具備巨大的提升空間。該研究成果將助力我國(guó)下一代新型光學(xué)材料平臺(tái)及工藝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為光通信和光計(jì)算等信息光子技術(shù)發(fā)展提供重要的材料平臺(tái)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(bào)導(dǎo)了成果與進(jìn)展。
 

　　該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助：國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61925505)，國(guó)自然青年基金項(xiàng)目(62405070)，浙江省尖兵領(lǐng)雁項(xiàng)目(2024C01112)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2023YFB2807100)。
 

圖 1. 4英寸PZT 晶圓(左)和光子集成工藝平臺(tái)(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(biāo)。(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